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极地与全球海洋SVOCs地化循环过程研究取得重要进展

发布日期:2022-12-13 15:51:50

极地与全球海洋SVOCs地化循环过程研究取得重要进展


极地环境的脆弱性和对气候的敏感性正被科学界关注。近年来随着人们对极地本底环境认识的加深,越来越多的污染物或者“新兴化学物质”在极地地区被检出,其中以半挥发性有机污染物(Semi-volatile Organic Contaminants, SVOCs)最为突出。SVOCs不仅会对人体造成多种健康风险,会对海洋、河流、大气、沉积物等多种生态环境系统造成生态风险,而且对极地脆弱的生态环境具有很强的指征效应。在极地被检出的SVOCs已有几百种,包括但不限于表面活性添加剂全氟烷基化合物(PFASs)、阻燃剂和塑化剂有机磷酸酯类(OPEs)、传统有机氯农药(OCPs)、有机磷农药(OPPs)和多种工业尾废物等。


SVOCs绝大多数由人为活动产生。中低纬度源区的SVOCs进入环境中后,一部分会通过河流输入、直接排放、干湿沉降和海气交换等多种方式进入到海洋环境中。在洋流运动的作用下,SVOCs进行跨区域和全球传输,并能够传输到极地地区。一部分SVOCs会伴随着大气环流,进行更为快速的大气长距离传输,并通过干湿沉降、海气交换等多种方式输送到全球各地。极地由于温度较低、光照变化剧烈、海冰面积波动较大等多种敏感环境因素,对于SVOCs具有“冷阱效应(Cold Trap)”,使得SVOCs在极地不仅半衰期变长,环境祛除能力被削弱,这使得极地因此逐渐成为SVOCs重要的“汇区”。


SVOCs对极地生态环境的影响日益凸显的同时,极地也成为对SVOCs研究的理想实验场所,能够进行快速的气候表征分析。联合国海洋科学促进可持续发展十年(Ocean Decade:2021-2030, “海洋十年”)之“北极执行计划”中把“清洁海洋战略中污染物的溯源、优化控制和祛除”,列为北极环境安全管理的挑战之一。极地和全球海洋的SVOCs作为一个新的研究热点,正在不断刷新科学界对清洁环境安全的系统性认识和科研价值定位。因此,对SVOCs的精准分析手段的建立、极地与海洋监测装备的开发、全周期环境溯源分析以及全球尺度下地球化学循环过程的研究,是抢占极地和海洋环境研究高地的新赛道。

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图1. 原创性船载固相萃取采集系统 (蔡明红研究员团队)


针对极地和全球海洋中SVOCs的研究热点和难点,自然资源部极地科学重点实验室极地生态学研究团队蔡明红研究员原创性提出大体积固相萃取与高通量有机分析检测技术(英文名称为 High-Throughput Organic Analysis Testing combined with High Volume Solid-phase Extraction,简写为 Hi-Throat/Hi-Volume SPE)。该方法是一种高精度、高效率、适应性强、系统性的有机污染物分析创新技术。尤其是针对大气或者海洋环境中有机物的痕量/超痕量分析,具备创新优势。当前该技术已经成熟应用于传统有机氯污染物、多环芳烃、多氯联苯、新型农药等超过1000种SVOCs的分析。在中国南北极科学考察、近海航次考察、陆域特征区域或者流域调研过程中的成功运用和不断改进(图1),该技术在现场采样中具有极强的稳定性、高效性和多环境场地适用性,可以达到不同类别的污染物一次性富集,尤其在极地环境分析和监测领域具有重大应用价值和创新意义。当前已发表的系统性研究成果和专利授权表明,本技术分析精度、分析效率均已超过现行国家标准、行业标准。基于该自主研发、原创性大体积固相萃取高通量有机分析检测技术,截止2022年底,蔡明红研究员已联合来自中科院、第一海洋研究所、上海交通大学、同济大学、厦门大学和哈尔滨工业大学等国内高水平研究团队开展相关领域合作研究,发表基于该技术的研究论文23篇(SCI收录,中科院2区以上),获得了广泛的学术认可和关注。


近年该团队应用该自主创新技术,系统性地完成了中国近海、西太平洋地区、南北极地区中多环境介质的SVOCs研究与分析。发现中低纬度源区海洋中SVOCs具有极强的陆源胁迫特征,河流输入、洋流的空间再分配作用和大气沉降作用对SVOCs的区域沉积、跨区域传输和全球再分布等具有重要作用(Environmental Pollution, 2021, 2022)。针对气候快速变化的北极地区,蔡明红研究员及其合作团队在SVOCs的地化循环研究中具有新的发现:由于北极气候快速变化,导致北冰洋地区暂时赋存的SVOCs能够伴随大气循环负反馈影响东北亚等中纬度地区,北冰洋对于SVOCs正在由“汇”向“二次源”进行转变(Geophysical Research Letters,2020)(图2)。北冰洋表层海水中储存着大量的SVOCs,通过海气交换、融冰结冰等过程,参与到北极地区多圈层交换中去。而北极楚科奇海域和加拿大海盆,白令海峡的洋流输送作用对北极地区SVOCs的富集起主导作用(JGR-Atmospheres,2019)。


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图2. 北极地区SVOCs的洋流来源关键作用和对中低纬度地区大气负反馈影响(GRL 2020, JGR-Atmospheres 2019)


     在南极,由于南大洋地区的快速酸化和海冰面积波动增强, SVOCs尤其是新兴污染物的凝集作用日益凸显。研究结果表明,南极的SVOCs的来源仍旧以低纬度地区的释放和长距离传输为主。SVOCs气团的来源方向和温度梯度的变化,对南极的SVOCs的海气交换和气粒分配具有重要影响,该成果发表在Environmental Science & Technology(2022)和Water Research(2022)上。对于南北极地区的SVOCs的协同观察结果表明,南极作为SVOCs的“短期储存器”,逐渐在南大洋和南极冰区形成差异化的区域循环(Chemosphere,2020)(图3)。


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图3. 半挥发性有机污染物的全球尺度地化循环:低纬度近海源域区的陆源胁迫、南极地区的洋流再分布和大气输送(Environmental Pollution, 2022; Water Research, 2022; ES&T, 2022; Chemosphere, 2020)


极地生态学研究团队对于极地和全球海洋SVOCs的系统性研究,有效地补充了关键区域中SVOCs的实地观测数据的不足,表征了全球尺度下SVOCs在极地和海洋的空间差异性、季节波动性。阐明了洋流输送和大气循环在SVOCs跨区域输送和全球分馏过程中的关键作用。已取得的研究进展是对SVOCs的全球分布模型和地球化学循环过程的重要发现和有效补充。同时仍将致力于极地高纬地区和中低纬度海域的新型SVOCs的时空分布状态、全生命周期环境命运和精准溯源,并分析气候变化背景下新型SVOCs在极地和全球的大气长距离传输、洋流输送、淡水径流、海冰平流移动和食物网累积传输路径以及关键影响因素。


极地生态学研究团队相关代表成果链接:

1.Xue Zhang, Zi-Feng Zhang*, Minghong Cai*, et al., Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in the Marine Atmosphere from the Western Pacifific to the Southern Ocean: Spatial Variability, Gas/Particle Partitioning, and Source Apportionment, Environmental Science & Technology, 2022,56,10, https://doi.org/10.1021/acs.est.1c08429


2.Xue Zhang, Zi-Feng Zhang*, Minghong Cai*, et al., Pesticides in the atmosphere and seawater in a transect study from the Western Pacific to the Southern Ocean: The importance of continental discharges and air-seawater exchange, Water Research, 2022, 217, 118439. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118439


3.Hongyuan Zheng, Minghong Cai*, Yanguang Liu*, et al., Terrigenous export and ocean currents’ diffusion of organophosphorus flame retardants along China’s adjacent seas, Environmental Pollution, 2022, 299,118873. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.118873


4.Kaiyan Xiao, Minghong Cai*, et al., Distribution of eight organophosphorus pesticides and their oxides in surface water of the East China Sea based on high volume solid phase extraction method, Environmental Pollution, 2021,15,279, 116886, https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.116886


5.Hongyuan Zheng, Minghong Cai*, et al., Seasonal Variation of Legacy Organochlorine Pesticides (OCPs) From East Asia to the Arctic Ocean, Geophysical Research Letters, 2020, 19, 47. https://doi.org/10.1029/2020GL089775 


6.Yuan Gao, Minghong Cai*, et al., Global scale distribution, seasonal changes, and long-range transport potentiality of endosulfan in the surface seawater and air. Chemosphere. 2020.127634. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.



7.Yuan Gao, Minghong Cai*, et al., Spatial Distributions and Seasonal Changes of Current‐Use Pesticides from the North Pacific to the Arctic Oceans. JGR Atmospheres. 2019, 16,124, 9716-9729, https://doi.org/10.1029/2018JD030186



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