973项目申报书CB421600持久性有机污染物的环境行为毒性效应与控制技术原理.docx
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973项目申报书CB421600持久性有机污染物的环境行为毒性效应与控制技术原理
项目名称：
持久性有机污染物的环境行为、毒性效应与控制技术原理
首席科学家：
江桂斌中国科学院生态环境研究中心
起止年限：
2009.1至2013.8
依托部门：
中国科学院
一、研究内容
本项目将在建立POPs快速准确检测方法的基础上，开展典型地区POPs污染源、污染特征、排放模式及演变趋势研究；分析POPs在环境和生物中的行为；探讨POPs在环境介质中的界面过程动力学和毒性效应；发展POPs的削减与控制技术。
1）超痕量POPs的快速筛查与生物分析方法
以斯德哥尔摩公约中规定的12种POPs和新POPs为主要目标化合物，建立以GC-MS，HPLC-MS/MS技术为核心的多种联用技术，完善典型POPs的检测方法技术体系。
在机制研究的基础上发展用于POPs检测的生物分析技术和以多成分免疫传感分析为核心的检测新技术，建立环境中痕量POPs的快速检测方法。
研制具有多种POPs分析能力的免疫传感器和阵列传感器。
2）POPs区域污染现状、分布与演变趋势
研究典型流域主要环境介质及河流表层沉积物中二恶英类POPs的污染水平、分布规律和复合污染特征，垂向分布和组成分异特征，揭示其污染变化趋势与演变规律。
研究经济高速发展地区POPs的污染特征，从污染源、排放因子、排放强度、排放规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污染物的运移和循环规律，阐明POPs在环境体系中的变化及其影响因素。
3）POPs界面过程与跨介质环境行为
研究POPs的生物可接近性和生物可利用性、过程及环境调控影响；界面过程中手性POPs的对映体选择性；环境界面POPs的跨介质迁移转化机制：
揭示界面条件下POPs的生物可接近性和生物可利用性差异；证实界面过程中手性POPs的生物对映体选择性差异；阐明植物根/土壤、根/土壤溶液微界面中POPs的跨介质迁移转化机制，研究土壤介质特性如有机碳或溶解有机碳对POPs跨机制迁移转化的影响；探索土壤/土壤溶液界面POPs的锁定机理及其对非生物降解的影响。
4）POPs污染物的生物转移、累积与放大
研究新POPs在生物体内的降解和代谢，重点研究高溴代PBDEs在生物体内的脱溴降解，探讨POPs的生物降解和代谢途径；分析POPs在不同营养级别水生和陆生生物中的传递与放大；研究和发展分子同位素等技术手段用于示踪POPs在不同生物链中的迁移过程；通过三维分子模拟技术研究PBDEs等POPs在生物体内与相关代谢酶的结合过程，预测POPs的结构与其体内代谢有效性的定量关系；探讨溶解有机质（DOM）对水体中PCBs和PBDEs等POPs生物有效性的影响。
5）POPs污染物的毒性机制与生态效应
研究PBDEs、PFCs等新POPs与各类生物大分子之间的相互作用，探讨POPs对靶分子结构与功能的影响，在分子水平上研究新POPS对生物大分子的毒性作用机制；揭示新POPs在细胞中的代谢、活化和毒性效应间的关系；选择鱼类等模式生物，研究新POPs的毒性作用特征，尤其是对动物早期生命发育、全生命周期的生长、发育和种群繁衍等的毒性效应；开展新POPs污染生态环境风险评价。
6）POPs降解与污染源控制技术原理研究
研究我国金属冶炼过程二恶英类的排放特征，探索金属冶炼等高温过程二恶英类产生机理、关键控制因子及阻滞机制，研究二恶英类污染物减排新技术原理。
制备新型POPs催化降解材料，筛选高活性与高效降解催化剂，研究POPs降解的途径和催化机理以及动力学规律，发展高含量POPs废物的处理技术。
二、预期目标
总体目标
本项目将以斯德哥尔摩公约中规定的12种POPs和新POPs为主要目标化合物，发展快速准确的POPs检测方法，弄清我国典型POPs的污染源、污染特征、排放模式及演变趋势，探讨其在环境和生物中的行为、在环境介质中的界面过程动力学和毒性机制，研究我国金属冶炼等高温过程中二恶英类生成与阻滞机理，发展纳米催化材料降解POPs技术。
为我国履行斯德哥尔摩公约、正确应对和利用绿色贸易壁垒，确保国家环境安全提供理论、方法和途径，使我国POPs领域的研究在国际上占有一席之地，提高我国POPs研究的整体水平。
五年目标
1）组织参与项目的二恶英等POPs实验室，基本查明我国新POPs的主要污染源、释放因子、污染特征、背景水平及演变趋势，发展和完善POPs的检测体系，为履行斯德哥尔摩公约提供科学和技术支持。
2）基本阐明我国典型POPs和新POPs在多介质环境中的迁移转化、积累放大规律及其毒性机制。
针对典型工业过程中二恶英的排放提出适合我国国情的POPs控制与削减技术途径。
3）及时向国家有关决策部门提供相应的技术支持和科学评估报告。
在国内外核心刊物发表论文300篇，其中SCI收录论文150篇，具有重要国际影响的论文20篇，申请国家发明专利15件，撰写POPs的区域污染、生物累积和控制机理方面的专著5部。
4）培养和造就在国际环境科学相关领域较有影响的中青年专家，培养120名博士研究生和博士后，形成高水平的POPs研究群体。
三、研究方案
1）总体学术思路
①选择二恶英等典型POPs物质和PBDEs、PFOS等新污染物，以履行斯德哥尔摩公约为国家目标，以认识POPs物质的环境化学行为为科学目标，结合区域污染特点，依托我国现有的POPs实验室，开展分工、协作，定量阐明我国典型区域POPs特别是新POPs的污染源、环境背景值、POPs的分布规律、污染特征及演变趋势。
②把握POPs研究的关键科学问题，强调分子水平与细胞水平的机制研究、生物水平的累积机理研究、多介质界面过程和复合生态毒理效应研究、区域尺度的迁移转化与演变趋势研究相结合。
③在探讨工业过程中POPs形成机制的基础上，发展控制与削减技术原理。
④综合地球科学、环境科学、生物学等交叉学科的研究优势。
强调实验室内工作与野外现场测试相结合。
2）技术路线
选择典型POPs物质，如二恶英、PBDEs、PFOS，开展下述几方面研究：
1）建立高精度和高准确度的仪器分析方法与快速灵敏的生物检测方法与化学计量学方法相结合的POPs甄别体系，描述我国二恶英、PBDEs、PFOS等主要POPs的污染背景水平。
2）通过研究关键界面过程机理及其非平衡态反应动力学，把握其在区域环境系统中的活化或钝化过程；阐明主要POPs在环境介质中形态、迁移转化规律、降解机制和累积机理。
3）从分子、细胞、个体等不同水平上研究POPs物质导致鱼类性别变异等毒性效应的机理，从分子水平探讨POPs的神经等毒性作用机制，把握POPs影响区域生态环境质量和人体健康的要素。
4）按照斯德哥尔摩公约要求，为了有效控制和削减POPs物质，项目将主要研究我国冶金生产中二恶英等POPs的生成规律；综合研究结果，提出减小POPs排放的技术导则；
探索纳米技术在POPs降解中的应用。
课题一、超痕量POPs的快速筛查与生物分析方法
研究内容：
以二恶英、PCBs、PBDEs、PFCs等为研究对象，开展4方面研究：
1）建立以GC-MS，HPLC-MS/MS技术为核心的多种联用技术；建立新POPs如PCNs、短链氯化石蜡（SCCPs）、PFOS等的检测方法，完善典型POPs的检测方法技术体系；
2）发展以生物标志物为核心的生物分析技术；研究典型POPs与生物大分子相互作用机理，在机制研究的基础上发展用于POPs检测的生物分析技术，建立环境中痕量POPs的快速检测方法；
3）发展以多成分免疫传感分析为核心的检测新技术；研究PFOS等新POPs半抗原的设计与合成方法，探索由多个半抗原制备具有多个抗原决定基抗体的途径，获得具有类识别能力的抗体，构筑能进行PFCs分析测定的免疫传感器；
4）发展以阵列免疫传感分析为核心的检测技术；研究阵列免疫传感器进行多成分同时测定的原理与方法，探索消除阵列传感器相互干扰及传感器信号放大的方法，构筑针对新POPs的阵列传感器。
研究目标：
建立与完善POPs分析检测方法技术体系，发展新的POPs生物检测技术，研制具有多种POPs分析能力的免疫传感器和阵列传感器。
五年在SCI刊物上发表学术论文30篇，国内核心刊物上发表学术论文30篇，申请国家发明专利2-3项，培养研究生20名，撰写POPs分析方法方面的专著1部。
承担单位：
湖南大学化学化工学院、中国科学院生态环境研究中心
课题负责人：
蔡青云
经费比例：
14%
课题二、POPs区域污染现状和演变趋势
研究内容：
以二恶英、PCBs、PBDEs等为目标，以中国东部经济发达地区为区域，开展3方面研究：
1）经济高速发展地区POPs污染特征：
以长江下游重点城市群为代表，研究大气、土壤、河流沉积物、植被等环境介质中POPs的时间连续分布规律，揭示城市化进程、经济产业结构、污染物减排等因素对区域内POPs的演变过程和发展趋势的影响；
2）高风险区域POPs排放及污染特征：
重点研究典型电子垃圾拆解地环境污染及生物暴露水平，探讨这类POPs对区域环境和食物链的影响；
3）典型流域二恶英类POPs演化历史的研究：
研究典型流域内主要环境介质及河流表层沉积物中二恶英类POPs的污染水平、分布规律和复合污染特征，研究其入海口沉积物中二恶英类POPs垂向分布和组成分异特征，揭示其污染变化趋势与演变规律。
研究目标：
揭示我国经济高速发展地区及我国环境高风险地区POPs污染的浓度水平、空间分布和演变规律，为履行POPs国际公约、POPs污染控制和修复提供科学决策依据。
五年在SCI刊物上发表学术论文15篇，国内核心刊物上发表学术论文15篇，培养研究生5名，撰写POPs污染迁移方面的专著1部。
承担单位：
国家环境分析测试中心、中国科学院大连化学物理研究所
课题负责人：
黄业茹
经费比例：
14%
课题三、POPs的界面过程与跨介质环境行为
研究内容：
以PCBs、PBDEs等为主要研究对象，开展4方面的研究：
1）界面生物降解过程与机制：
主要研究水/土/植物耦合体系的界面中，POPs的生物可接近性（Bioaccessibility）和生物可利用性（Bioavailability）的方式、过程及环境调控影响；
2）界面过程中手性POPs的对映体选择性（Enantioselectivity）：
主要研究界面过程中手性POPs微生物降解的对映体选择性差异；土壤、水生生物体内酶降解手性POPs的对映体差异；植物对手性POPs吸收的对映体差异；
3）植物根/土壤、根/土壤溶液微界面POPs的跨介质迁移转化机制：
主要研究POPs在根/土和根/土壤溶液界面中的赋存形态、跨介质迁移和转化过程；POPs在植物中的吸收和降解机理；
4）土壤/土壤溶液界面POPs的锁定（Sequenstration）机理及其对非生物降解行为的影响：
主要研究POPs在不同土壤/土壤溶液界面的扩散、吸附与锁定行为；POPs的界面锁定对其非生物降解行为的影响。
研究目标：
揭示微界面条件下POPs的生物可接近性和生物可利用性差异；证实界面过程中手性POPs的生物对映体选择性差异；阐明植物根/土壤、根/土壤溶液微界面中POPs的跨介质迁移转化机制；探索土壤/土壤溶液界面POPs的锁定机理及其对非生物降解的影响。
五年在SCI刊物上发表学术论文30篇，国内核心刊物上发表学术论文30篇，培养研究生20名，撰写POPs界面过程方面的专著1部。
承担单位：
浙江工业大学生物与环境学院、中国科学院生态环境研究中心
课题负责人：
刘维屏
经费比例：
16%
课题四、POPs污染物的生物转移、累积与放大
研究内容：
以PCBs、PBDEs为主要研究对象，开展5方面的研究：
1）POPs的生物转移机制：
选取代表性的水生和陆生生物，研究POPs在生物体内的降解和代谢，重点研究高溴代PBDEs（如BDE209）在生物体内的脱溴降解，通过分析鉴定POPs的羟基（HO-）、甲氧基（MeO-）和甲磺基（MeSO2-）等代谢产物，研究POPs的生物降解和代谢途径；
2）POPs的生物累积与放大：
选择受POPs污染的典型水生和陆生生态系统，利用C、N稳定同位素技术，构建完整的食物网，研究POPs在不同营养级别水生和陆生生物中的传递与放大，获得各种POPs化合物的生物富集和放大因子，比较不同食物链对不同POPs放大能力的差异以及影响因素；
3）POPs生物迁移过程的示踪技术研究：
包括筛选能用于指示生物代谢能力的指示物（代谢标志物）；研究和发展分子同位素、手性化合物（如PCBs、HBCD）等技术手段用于示踪POPs在不同生物链中的迁移过程；
4）POPs生物体内代谢过程的三维模拟和结构-活性相关预测：
通过三维分子模拟技术研究PBDEs等POPs在生物体内与相关代谢酶的结合过程，预测POPs的结构与其体内代谢有效性的定量关系；
5）POPs的生物有效性及其控制因素：
重点研究溶解有机质（DOM）对水体中PCBs和PBDEs等POPs生物有效性的影响。
研究目标：
阐明POPs在典型生物体中的降解和代谢机理，揭示POPs在水生和陆生生态系统中食物链累积、传递规律及主要控制因素。
五年在SCI刊物上发表学术论文30篇，国内核心刊物上发表学术论文30篇，培养研究生20名，撰写POPs生物累积与放大方面的专著1部。
承担单位：
中国科学院广州地球化学研究所、南京大学环境学院
课题负责人：
麦碧娴
经费比例：
15.7%
课题五、POPs污染物的毒性机制与生态效应
研究内容：
以PBDEs、PFCs等为主要研究对象，开展4方面研究：
1）分子水平的POPs毒性机制：
采用毒理基因组学方法研究PBDEs、PFCs等POPs的毒性效应分子机制，筛选敏感的生物效应标志物；研究POPs与各类生物大分子（受体，酶，蛋白，DNA/RNA）之间的相互作用，阐明POPs在生物体内运输转移机制，揭示POPs引起的细胞凋亡、DNA损伤等致毒机理；
2）细胞水平的毒性效应：
研究新POPs对不同来源细胞正常结构、功能的影响，通过检测特定生物标志物含量或活性的变化，揭示新POPs在细胞中的代谢、活化和毒性效应间的关系；
3）个体及种群水平的影响：
选择鱼类等模式生物，研究新POPs的毒性作用特征，尤其是对动物早期生命发育、全生命周期的生长、发育和种群繁衍等的毒性效应，揭示新POPs的剂量-效应关系及致毒机制；
4）环境水平的毒性评价：
针对典型污染区域，利用特定生物标志物，从分子、细胞、个体及种群水平上研究新POPs对代表性物种的毒理学效应，开展新POPs污染生态环境风险评价。
研究目标：
从不同水平上研究新POPs的毒性效应与致毒机制，着重探讨新POPs污染对代表性物种生殖繁衍的影响，为我国新POPs污染生态风险评价提供科学依据。
五年内在SCI刊物上发表学术论文30篇，国内核心刊物上发表学术论文30篇，培养研究生20名，撰写POPs毒理效应方面的专著1部。
承担单位：
中国科学院生态环境研究中心、北京师范大学环境学院
课题负责人：
江桂斌
经费比例：
21.3%
课题六、POPs降解与污染源控制技术原理研究
研究内容：
以二恶英的控制和削减为目标，开展4方面研究：
1）通过对我国典型钢铁冶炼、再生有色金属企业二恶英类排放污染现状的调查，认识二恶英类在我国金属冶炼过程的排放特征，结合行业现状和典型案例分析，归纳总结二恶英类排放因子，科学评估金属冶炼行业二恶英类的排放量；
2）研究金属冶炼等高温过程二恶英类产生及阻滞机制，开发二恶英类减排新技术。
通过系统表征飞灰的催化特性和反应模拟研究，揭示飞灰热处理过程中PCDD/Fs分解途径及催化机理；通过在飞灰中添加少量助剂，原位形成具有催化活性的物种强化PCDD/Fs的分解过程，发展催化强化的低温飞灰安全处置技术原理；
3）制备形貌可控、性能稳定的大表面积新型材料，研制POPs降解的高效催化剂；研究纳米材料特性对降解POPs活性的影响规律以及降解机理；筛选高活性的持久性有机物脱卤和降解材料，发展处理高含量POPs废物处理技术。
4）在研究重点行业的POPs污染控制技术的基础上，探讨关键POPs控制技术在重点行业的应用规范，提出POPs控制和削减的技术对策。
研究目标：
认识我国冶金行业二恶英类UP-POPs排放特征及排放因子。
通过实际监测和典型案例分析，提出我国冶金行业UP-POPs排放量及对生态环境的影响。
提出适合国情的UP-POPs污染源减排技术，上述研究结果将对行业推行减排POPs的环境保护政策提供基础。
开发POPs处理新技术，为经济、高效削减POPs奠定技术基础。
五年在SCI刊物上发表学术论文15篇，国内核心刊物上发表学术论文15篇。
培养研究生15名。
承担单位：
中国科学院生态环境研究中心、中国科学院大连化学物理研究所
课题负责人：
郑明辉
经费比例：
19%
四、年度计划
研究内容
预期目标
第
一
年
总项目和各课题分别制定详细的研究计划和方案，组织可行性论证，落实课题任务；我国新POPs生产和使用资料的收集和整理；落实研究区域，完成研究设计和室内实验准备；开始POPs生态风险评价模式，成立项目专家委员会和项目办公室。
确定项目的详细研究计划和方案；建立并完善典型POPs及其生物代谢物的仪器分析方法和生物分析方法；建立并完善手性POPs的仪器分析方法，揭示POPs的微界面迁移转化行为；初步了解POPs在环境生物体内的降解和代谢机理，完善DOM的纯化方法，为进一步研究生物有效性的影响奠定基础；获得足量的细胞、模型动物为模拟实验打下基础并获得POPs的部分毒性剂量-效应关系数据；初步了解冶金行业飞灰分解的动力学和热力学规律。
完成科技论文35-45篇。
第
二
年
组织实施我国典型区域二恶英和新POPs的污染现状调查；完成电子垃圾处置区域样品的布点采样任务；完善POPs的HPLC-MS/MS分析方法研究并在POPs生物检测方面取得突破；完成各实验的阶段性工作。
总结前期工作。
建立和完善典型POPs的HPLC-MS/MS及生物检测方法；建立几种典型POPs的免疫传感分析技术；获取典型区域如电子垃圾拆卸地新POPs的污染特征；了解POPs在不同基质上的吸附规律，揭示POPs的生物有效性；构建水生/陆生体系的食物链，初步阐明POPs在食物传递过程中的生物富集及传递；确认典型POPs在模型动物的主要代谢过程，揭示POPs在细胞中的代谢、活化和效应的关系；获得行业二恶英排放的分析测试数据，初步了解飞灰热处理过程中二恶英的分解途径及催化机理。
完成科技论文60-65篇，专利2-3项。
第
三
年
给出我国典型区域二恶英和PBDEs与PFOS的污染背景数据，向国家有关部门呈送研究报告；完成POPs时空分布的数据测定工作；完成金属冶炼行业二恶英排放因子的研究；在POPs复合污染机制方面取得重要进展。
获得我国典型区域典型POPs的污染背景数据并形成研究报告；继续完善典型POPs的生物分析技术并应用于实际环境样品分析；明确影响土壤吸附POPs和降解的关键因素；阐明POPs在不同食物链的降解与代谢机理，并初步了解溶解有机质与水体颗粒物对POPs生物有效性的影响；获得新POPs在分子、细胞乃至模型动物体内的毒性特征、数据；获得冶炼行业二恶英类的排放量并揭示非贵重金属催化降解POPs的机理。
完成科技论文55-65篇，专利2-3项，专著2部。
第
四
年
完成典型POPs环境界面过程的实验室工作，阐明新POPs时空演变规律和生物累积放大机制；完成冶金行业二恶英生成及控制机理研究，合成高效降解POPs的纳米材料。
建立POPs的阵列免疫传感器，完善POPs的生物分析方法；阐明我国典型区域POPs的时空演变规律；建立POPs在不同界面传递的吸附降解复合模型，揭示环境因素对界面反应的影响机理；获得新POPs在食物链的生物富集和放大因子，构建典型POPs结构与其代谢有效性定量的预测模型；获取指示典型POPs污染水平的生物指示物，阐明其在生物体内的代谢产物及代谢过程；完成冶金行业排放因子的研究，揭示新型材料降解POPs的机理。
完成科技论文55-60篇，专著2部，专利4-6项。
第
五
年
全面完成拟定的POPs微观机制方面的研究计划；完成二恶英减排技术开发；向国家有关部门提交POPs控制数据的技术支持报告；完成预期的论文发表、专著出版和国家发明专利申请工作。
建立和完善典型POPs仪器分析和生物分析方法并用于实际环境样品的测定工作；完成典型区域POPs的时空分布研究及环境风险评价；完善POPs微观机制POPs生物有效性的评价方法，阐明复杂介质中POPs的赋存形态；阐明POPs在典型生物体内的生物代谢、传递和转移规律及主要控制因素；建立POPs复合风险定量评价模型；完成二恶英减排技术开发；提交POPs控制数据的技术支持报告；完成科技论文60-70篇，专利2-3项，专著1部。
完成预期的论文发表、专著出版和国家发明专利申请工作，完成结题报告的撰写，提交研究数据。
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