19篇環境與材料類自然科學基金及973標書

篇一、

項目名稱: 持久性有機污染物的環境行為、毒性效應與控制技術原理
首席科學家: 江桂斌 中國科學院生態環境研究中心
起止年限: 2009.1至2013.8
依托部門: 中國科學院

一、研究內容

本項目將在建立POPs快速準確檢測方法的基礎上,開展典型地區POPs污染源、污染特征、排放模式及演變趨勢研究;分析POPs在環境和生物中的行為;探討POPs在環境介質中的界面過程動力學和毒性效應;發展POPs的削減與控制技術。

1)超痕量POPs的快速篩查與生物分析方法

以斯德哥爾摩公約中規定的12種POPs和新POPs為主要目標化合物,建立以GC-MS,HPLC-MS/MS技術為核心的多種聯用技術,完善典型POPs的檢測方法技術體系。在機制研究的基礎上發展用于POPs檢測的生物分析技術和以多成分免疫傳感分析為核心的檢測新技術,建立環境中痕量POPs的快速檢測方法。研制具有多種POPs分析能力的免疫傳感器和陣列傳感器。

2) POPs區域污染現狀、分布與演變趨勢

研究典型流域主要環境介質及河流表層沉積物中二惡英類POPs的污染水平、分布規律和復合污染特征,垂向分布和組成分異特征,揭示其污染變化趨勢與演變規律。研究經濟高速發展地區POPs的污染特征,從污染源、排放因子、排放強度、排放規律及控制因素等方面研究和表征POPs污染源排放模式和特征。探索POPs污染物的運移和循環規律,闡明POPs在環境體系中的變化及其影響因素。

3) POPs界面過程與跨介質環境行為

研究POPs的生物可接近性和生物可利用性、過程及環境調控影響;界面過程中手性POPs的對映體選擇性;環境界面POPs的跨介質遷移轉化機制:揭示界面條件下POPs的生物可接近性和生物可利用性差異;證實界面過程中手性POPs的生物對映體選擇性差異;闡明植物根/土壤、根/土壤溶液微界面中POPs的跨介質遷移轉化機制,研究土壤介質特性如有機碳或溶解有機碳對POPs跨機制遷移轉化的影響;探索土壤/土壤溶液界面POPs的鎖定機理及其對非生物降解的影響。

4)POPs污染物的生物轉移、累積與放大

研究新POPs在生物體內的降解和代謝,重點研究高溴代PBDEs在生物體內的脫溴降解,探討POPs的生物降解和代謝途徑;分析POPs在不同營養級別水生和陸生生物中的傳遞與放大;研究和發展分子同位素等技術手段用于示蹤POPs在不同生物鏈中的遷移過程;通過三維分子模擬技術研究PBDEs等POPs在生物體內與相關代謝酶的結合過程,預測POPs的結構與其體內代謝有效性的定量關系;探討溶解有機質(DOM)對水體中PCBs和PBDEs等POPs生物有效性的影響。

5)POPs污染物的毒性機制與生態效應

研究PBDEs、PFCs等新POPs與各類生物大分子之間的相互作用,探討POPs對靶分子結構與功能的影響,在分子水平上研究新POPS對生物大分子的毒性作用機制;揭示新POPs在細胞中的代謝、活化和毒性效應間的關系;選擇魚類等模式生物,研究新POPs的毒性作用特征,尤其是對動物早期生命發育、全生命周期的生長、發育和種群繁衍等的毒性效應;開展新POPs污染生態環境風險評價。

6) POPs降解與污染源控制技術原理研究

研究我國金屬冶煉過程二惡英類的排放特征,探索金屬冶煉等高溫過程二惡英類產生機理、關鍵控制因子及阻滯機制,研究二惡英類污染物減排新技術原理。制備新型POPs催化降解材料,篩選高活性與高效降解催化劑,研究POPs降解的途徑和催化機理以及動力學規律,發展高含量POPs廢物的處理技術。
二、預期目標

總體目標

本項目將以斯德哥爾摩公約中規定的12種POPs和新POPs為主要目標化合物,發展快速準確的POPs檢測方法,弄清我國典型POPs的污染源、污染特征、排放模式及演變趨勢,探討其在環境和生物中的行為、在環境介質中的界面過程動力學和毒性機制,研究我國金屬冶煉等高溫過程中二惡英類生成與阻滯機理,發展納米催化材料降解POPs技術。為我國履行斯德哥爾摩公約、正確應對和利用綠色貿易壁壘,確保國家環境安全提供理論、方法和途徑,使我國POPs領域的研究在國際上占有一席之地,提高我國POPs研究的整體水平。

五年目標

  • 組織參與項目的二惡英等POPs實驗室,基本查明我國新POPs的主要污染源、釋放因子、污染特征、背景水平及演變趨勢,發展和完善POPs的檢測體系,為履行斯德哥爾摩公約提供科學和技術支持。

2)基本闡明我國典型POPs和新POPs在多介質環境中的遷移轉化、積累放大規律及其毒性機制。針對典型工業過程中二惡英的排放提出適合我國國情的POPs控制與削減技術途徑。

3)及時向國家有關決策部門提供相應的技術支持和科學評估報告。在國內外核心刊物發表論文300篇,其中SCI收錄論文150篇,具有重要國際影響的論文20篇,申請國家發明專利15件,撰寫POPs的區域污染、生物累積和控制機理方面的專著5部。

4)培養和造就在國際環境科學相關領域較有影響的中青年專家,培養120名博士研究生和博士后,形成高水平的POPs研究群體。
三、研究方案

1)總體學術思路

j選擇二惡英等典型POPs物質和PBDEs、PFOS等新污染物,以履行斯德哥爾摩公約為國家目標,以認識POPs物質的環境化學行為為科學目標,結合區域污染特點,依托我國現有的POPs實驗室,開展分工、協作,定量闡明我國典型區域POPs特別是新POPs的污染源、環境背景值、POPs的分布規律、污染特征及演變趨勢。k把握POPs研究的關鍵科學問題,強調分子水平與細胞水平的機制研究、生物水平的累積機理研究、多介質界面過程和復合生態毒理效應研究、區域尺度的遷移轉化與演變趨勢研究相結合。l在探討工業過程中POPs形成機制的基礎上,發展控制與削減技術原理。m綜合地球科學、環境科學、生物學等交叉學科的研究優勢。強調實驗室內工作與野外現場測試相結合。

2)技術路線

選擇典型POPs物質,如二惡英、PBDEs、PFOS,開展下述幾方面研究: 1)建立高精度和高準確度的儀器分析方法與快速靈敏的生物檢測方法與化學計量學方法相結合的POPs甄別體系,描述我國二惡英、PBDEs、PFOS等主要POPs的污染背景水平。2)通過研究關鍵界面過程機理及其非平衡態反應動力學,把握其在區域環境系統中的活化或鈍化過程;闡明主要POPs在環境介質中形態、遷移轉化規律、降解機制和累積機理。 3)從分子、細胞、個體等不同水平上研究POPs物質導致魚類性別變異等毒性效應的機理,從分子水平探討POPs的神經等毒性作用機制,把握POPs影響區域生態環境質量和人體健康的要素。4)按照斯德哥爾摩公約要求,為了有效控制和削減POPs物質,項目將主要研究我國冶金生產中二惡英等POPs的生成規律;綜合研究結果,提出減小POPs排放的技術導則;探索納米技術在POPs降解中的應用。

課題一、超痕量POPs的快速篩查與生物分析方法

研究內容:

以二惡英、PCBs、PBDEs、PFCs等為研究對象,開展4方面研究:

  • 建立以GC-MS,HPLC-MS/MS技術為核心的多種聯用技術;建立新POPs如PCNs、短鏈氯化石蠟(SCCPs)、PFOS等的檢測方法,完善典型POPs的檢測方法技術體系;
  • 發展以生物標志物為核心的生物分析技術;研究典型POPs與生物大分子相互作用機理,在機制研究的基礎上發展用于POPs檢測的生物分析技術,建立環境中痕量POPs的快速檢測方法;
  • 發展以多成分免疫傳感分析為核心的檢測新技術;研究PFOS等新POPs半抗原的設計與合成方法,探索由多個半抗原制備具有多個抗原決定基抗體的途徑,獲得具有類識別能力的抗體,構筑能進行PFCs分析測定的免疫傳感器;
  • 發展以陣列免疫傳感分析為核心的檢測技術;研究陣列免疫傳感器進行多成分同時測定的原理與方法,探索消除陣列傳感器相互干擾及傳感器信號放大的方法,構筑針對新POPs的陣列傳感器。

研究目標:建立與完善POPs分析檢測方法技術體系,發展新的POPs生物檢測技術,研制具有多種POPs分析能力的免疫傳感器和陣列傳感器。五年在SCI刊物上發表學術論文30篇,國內核心刊物上發表學術論文30篇,申請國家發明專利2-3項,培養研究生20名,撰寫POPs分析方法方面的專著1部。

承擔單位:湖南大學化學化工學院、中國科學院生態環境研究中心

課題負責人:蔡青云

經費比例:14%

課題二、POPs區域污染現狀和演變趨勢

研究內容:

以二惡英、PCBs、PBDEs等為目標,以中國東部經濟發達地區為區域,開展3方面研究:

  • 經濟高速發展地區POPs污染特征:以長江下游重點城市群為代表,研究大氣、土壤、河流沉積物、植被等環境介質中POPs的時間連續分布規律,揭示城市化進程、經濟產業結構、污染物減排等因素對區域內POPs的演變過程和發展趨勢的影響;
  • 高風險區域POPs排放及污染特征:重點研究典型電子垃圾拆解地環境污染及生物暴露水平,探討這類POPs對區域環境和食物鏈的影響;
  • 典型流域二惡英類POPs演化歷史的研究:研究典型流域內主要環境介質及河流表層沉積物中二惡英類POPs的污染水平、分布規律和復合污染特征,研究其入??诔练e物中二惡英類POPs垂向分布和組成分異特征,揭示其污染變化趨勢與演變規律。

研究目標:揭示我國經濟高速發展地區及我國環境高風險地區POPs污染的濃度水平、空間分布和演變規律,為履行POPs國際公約、POPs污染控制和修復提供科學決策依據。五年在SCI刊物上發表學術論文15篇,國內核心刊物上發表學術論文15篇,培養研究生5名,撰寫POPs污染遷移方面的專著1部。

承擔單位:國家環境分析測試中心、中國科學院大連化學物理研究所

課題負責人:黃業茹

經費比例:14%

課題三、POPs的界面過程與跨介質環境行為

研究內容:

以PCBs、PBDEs等為主要研究對象,開展4方面的研究:

  • 界面生物降解過程與機制:主要研究水/土/植物耦合體系的界面中,POPs的生物可接近性(Bioaccessibility)和生物可利用性(Bioavailability)的方式、過程及環境調控影響;
  • 界面過程中手性POPs的對映體選擇性(Enantioselectivity):主要研究界面過程中手性POPs微生物降解的對映體選擇性差異;土壤、水生生物體內酶降解手性POPs的對映體差異;植物對手性POPs吸收的對映體差異;
  • 植物根/土壤、根/土壤溶液微界面POPs的跨介質遷移轉化機制:主要研究POPs在根/土和根/土壤溶液界面中的賦存形態、跨介質遷移和轉化過程;POPs在植物中的吸收和降解機理;
  • 土壤/土壤溶液界面POPs的鎖定(Sequenstration)機理及其對非生物降解行為的影響:主要研究POPs在不同土壤/土壤溶液界面的擴散、吸附與鎖定行為;POPs的界面鎖定對其非生物降解行為的影響。

研究目標:揭示微界面條件下POPs的生物可接近性和生物可利用性差異;證實界面過程中手性POPs的生物對映體選擇性差異;闡明植物根/土壤、根/土壤溶液微界面中POPs的跨介質遷移轉化機制;探索土壤/土壤溶液界面POPs的鎖定機理及其對非生物降解的影響。五年在SCI刊物上發表學術論文30篇,國內核心刊物上發表學術論文30篇,培養研究生20名,撰寫POPs界面過程方面的專著1部。

承擔單位:浙江工業大學生物與環境學院、中國科學院生態環境研究中心

課題負責人:劉維屏

經費比例:16?%

課題四、POPs污染物的生物轉移、累積與放大

研究內容:

以PCBs、PBDEs為主要研究對象,開展5方面的研究:

  • POPs的生物轉移機制:選取代表性的水生和陸生生物,研究POPs在生物體內的降解和代謝,重點研究高溴代PBDEs(如BDE209)在生物體內的脫溴降解,通過分析鑒定POPs的羥基(HO-)、甲氧基(MeO-)和甲磺基 (MeSO2)等代謝產物,研究POPs的生物降解和代謝途徑;
  • POPs的生物累積與放大:選擇受POPs污染的典型水生和陸生生態系統,利用C、N穩定同位素技術,構建完整的食物網,研究POPs在不同營養級別水生和陸生生物中的傳遞與放大,獲得各種POPs化合物的生物富集和放大因子,比較不同食物鏈對不同POPs放大能力的差異以及影響因素;
  • POPs生物遷移過程的示蹤技術研究:包括篩選能用于指示生物代謝能力的指示物(代謝標志物);研究和發展分子同位素、手性化合物(如PCBs、HBCD)等技術手段用于示蹤POPs在不同生物鏈中的遷移過程;
  • POPs生物體內代謝過程的三維模擬和結構-活性相關預測:通過三維分子模擬技術研究PBDEs等POPs在生物體內與相關代謝酶的結合過程,預測POPs的結構與其體內代謝有效性的定量關系;
  • POPs的生物有效性及其控制因素:重點研究溶解有機質(DOM)對水體中PCBs 和PBDEs等POPs生物有效性的影響。

研究目標:闡明POPs在典型生物體中的降解和代謝機理,揭示POPs在水生和陸生生態系統中食物鏈累積、傳遞規律及主要控制因素。五年在SCI刊物上發表學術論文30篇,國內核心刊物上發表學術論文30篇,培養研究生20名,撰寫POPs生物累積與放大方面的專著1部。

承擔單位:中國科學院廣州地球化學研究所、南京大學環境學院

課題負責人:麥碧嫻

經費比例:15.7%

課題五、POPs污染物的毒性機制與生態效應

研究內容:

以PBDEs、PFCs等為主要研究對象,開展4方面研究:

  • 分子水平的POPs毒性機制:采用毒理基因組學方法研究PBDEs、PFCs等POPs的毒性效應分子機制,篩選敏感的生物效應標志物;研究POPs與各類生物大分子(受體,酶,蛋白,DNA/RNA)之間的相互作用,闡明POPs在生物體內運輸轉移機制,揭示POPs引起的細胞凋亡、DNA損傷等致毒機理;
  • 細胞水平的毒性效應:研究新POPs對不同來源細胞正常結構、功能的影響,通過檢測特定生物標志物含量或活性的變化,揭示新POPs在細胞中的代謝、活化和毒性效應間的關系;
  • 個體及種群水平的影響:選擇魚類等模式生物,研究新POPs的毒性作用特征,尤其是對動物早期生命發育、全生命周期的生長、發育和種群繁衍等的毒性效應,揭示新POPs的劑量-效應關系及致毒機制;
  • 環境水平的毒性評價:針對典型污染區域,利用特定生物標志物,從分子、細胞、個體及種群水平上研究新POPs對代表性物種的毒理學效應,開展新POPs污染生態環境風險評價。

研究目標:從不同水平上研究新POPs的毒性效應與致毒機制,著重探討新POPs污染對代表性物種生殖繁衍的影響,為我國新POPs污染生態風險評價提供科學依據。五年內在SCI刊物上發表學術論文30篇,國內核心刊物上發表學術論文30篇,培養研究生20名,撰寫POPs毒理效應方面的專著1部。

承擔單位:中國科學院生態環境研究中心、北京師范大學環境學院

課題負責人:江桂斌

經費比例:21.3%

課題六、POPs降解與污染源控制技術原理研究

研究內容:

以二惡英的控制和削減為目標,開展4方面研究:

  • 通過對我國典型鋼鐵冶煉、再生有色金屬企業二惡英類排放污染現狀的調查,認識二惡英類在我國金屬冶煉過程的排放特征,結合行業現狀和典型案例分析,歸納總結二惡英類排放因子,科學評估金屬冶煉行業二惡英類的排放量;
  • 研究金屬冶煉等高溫過程二惡英類產生及阻滯機制,開發二惡英類減排新技術。通過系統表征飛灰的催化特性和反應模擬研究,揭示飛灰熱處理過程中PCDD/Fs分解途徑及催化機理;通過在飛灰中添加少量助劑,原位形成具有催化活性的物種強化PCDD/Fs的分解過程,發展催化強化的低溫飛灰安全處置技術原理;
  • 制備形貌可控、性能穩定的大表面積新型材料,研制POPs降解的高效催化劑;研究納米材料特性對降解POPs活性的影響規律以及降解機理;篩選高活性的持久性有機物脫鹵和降解材料,發展處理高含量POPs廢物處理技術。
  • 在研究重點行業的POPs污染控制技術的基礎上,探討關鍵POPs控制技術在重點行業的應用規范,提出POPs控制和削減的技術對策。

研究目標:認識我國冶金行業二惡英類UP-POPs排放特征及排放因子。通過實際監測和典型案例分析,提出我國冶金行業UP-POPs排放量及對生態環境的影響。提出適合國情的UP-POPs污染源減排技術,上述研究結果將對行業推行減排POPs的環境保護政策提供基礎。開發POPs處理新技術,為經濟、高效削減POPs奠定技術基礎。五年在SCI刊物上發表學術論文15篇,國內核心刊物上發表學術論文15篇。培養研究生15名。

承擔單位:中國科學院生態環境研究中心、中國科學院大連化學物理研究所

課題負責人:鄭明輝

經費比例:19%
四、年度計劃

研究內容 預期目標

 

 

總項目和各課題分別制定詳細的研究計劃和方案,組織可行性論證,落實課題任務;我國新POPs生產和使用資料的收集和整理;落實研究區域,完成研究設計和室內實驗準備;開始POPs生態風險評價模式,成立項目專家委員會和項目辦公室。 確定項目的詳細研究計劃和方案;建立并完善典型POPs及其生物代謝物的儀器分析方法和生物分析方法;建立并完善手性POPs的儀器分析方法,揭示POPs的微界面遷移轉化行為;初步了解POPs在環境生物體內的降解和代謝機理,完善DOM的純化方法,為進一步研究生物有效性的影響奠定基礎;獲得足量的細胞、模型動物為模擬實驗打下基礎并獲得POPs的部分毒性劑量-效應關系數據;初步了解冶金行業飛灰分解的動力學和熱力學規律。完成科技論文35-45篇。

 

 

組織實施我國典型區域二惡英和新POPs的污染現狀調查;完成電子垃圾處置區域樣品的布點采樣任務;完善POPs的HPLC-MS/MS分析方法研究并在POPs生物檢測方面取得突破;完成各實驗的階段性工作??偨Y前期工作。 建立和完善典型POPs的HPLC-MS/MS及生物檢測方法;建立幾種典型POPs的免疫傳感分析技術;獲取典型區域如電子垃圾拆卸地新POPs的污染特征;了解POPs在不同基質上的吸附規律,揭示POPs的生物有效性;構建水生/陸生體系的食物鏈,初步闡明POPs在食物傳遞過程中的生物富集及傳遞;確認典型POPs在模型動物的主要代謝過程,揭示POPs在細胞中的代謝、活化和效應的關系;獲得行業二惡英排放的分析測試數據,初步了解飛灰熱處理過程中二惡英的分解途徑及催化機理。完成科技論文60-65篇,專利2-3項。

 

 

給出我國典型區域二惡英和PBDEs與PFOS的污染背景數據,向國家有關部門呈送研究報告;完成POPs時空分布的數據測定工作;完成金屬冶煉行業二惡英排放因子的研究;在POPs復合污染機制方面取得重要進展。 獲得我國典型區域典型POPs的污染背景數據并形成研究報告;繼續完善典型POPs的生物分析技術并應用于實際環境樣品分析;明確影響土壤吸附POPs和降解的關鍵因素;闡明POPs在不同食物鏈的降解與代謝機理,并初步了解溶解有機質與水體顆粒物對POPs生物有效性的影響;獲得新POPs在分子、細胞乃至模型動物體內的毒性特征、數據;獲得冶煉行業二惡英類的排放量并揭示非貴重金屬催化降解POPs的機理。完成科技論文55-65篇,專利2-3項,專著2部。

 

 

完成典型POPs環境界面過程的實驗室工作,闡明新POPs時空演變規律和生物累積放大機制;完成冶金行業二惡英生成及控制機理研究,合成高效降解POPs的納米材料。 建立POPs的陣列免疫傳感器,完善POPs的生物分析方法;闡明我國典型區域POPs的時空演變規律;建立POPs在不同界面傳遞的吸附降解復合模型,揭示環境因素對界面反應的影響機理;獲得新POPs在食物鏈的生物富集和放大因子,構建典型POPs結構與其代謝有效性定量的預測模型;獲取指示典型POPs污染水平的生物指示物,闡明其在生物體內的代謝產物及代謝過程;完成冶金行業排放因子的研究,揭示新型材料降解POPs的機理。完成科技論文55-60篇,專著2部,專利4-6項。

 

 

全面完成擬定的POPs微觀機制方面的研究計劃;完成二惡英減排技術開發;向國家有關部門提交POPs控制數據的技術支持報告;完成預期的論文發表、專著出版和國家發明專利申請工作。 建立和完善典型POPs儀器分析和生物分析方法并用于實際環境樣品的測定工作;完成典型區域POPs的時空分布研究及環境風險評價;完善POPs微觀機制POPs生物有效性的評價方法,闡明復雜介質中POPs的賦存形態;闡明POPs在典型生物體內的生物代謝、傳遞和轉移規律及主要控制因素;建立POPs復合風險定量評價模型;完成二惡英減排技術開發;提交POPs控制數據的技術支持報告;完成科技論文60-70篇,專利2-3項,專著1部。完成預期的論文發表、專著出版和國家發明專利申請工作,完成結題報告的撰寫,提交研究數據。

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