我国农田土壤中有机氯农药的异构体和同位素残留特征及其分子生态学机制探索

Large amounts of organochlorine pesticides (OCPs) have been historically produced and used in China. Even being restricted for three decades, they can still be detected in various media and pose threat to ecosystem and human health. Most OCPs have stereoisomers, including isomers and enantiomers. They may have similar physic-chemical properties. However, their behaviors in biological processes are usually different. Therefore, it is crucial to study the fate of OCPs on the level of stereoisomers. In this study, stereoisomer analysis, multi dimension compound-specific isotope analysis (MD-CSIA) and enantioselective stable isotope analysis (ESIA) are employed to study the stereisomer and isotope characteristics of HCHs and DDTs in soils from agricultural fields across China. The degradation degree and pollution trend are assessed using these methods. The composition and abundance of microbial community and relative function genes are also analyzed. In addition, the carcinogenic and non-carcinogenic risks of soil OCPs to human health are estimated. We aim to explore the internal correlations between the stereisomer and isotope characteristics of OCPs with environmental conditions, soil microbiology and relative function genes. Then the associated molecular ecological mechanisms are discussed. The results from this study will provide basic scientific data for better understanding the environmental behaviors, fate and risks of OCPs, as well as for their contamination management and risk avoidance in Chinese agricultural soils.

有机氯农药（OCPs）曾在我国大量生产和使用，至今仍能在各类环境介质中被广泛检出，对生态安全和人类健康构成持续威胁。多种OCPs具有异构体（非对映和对映异构）特征，会产生不同的环境行为，因此在异构体层面上研究它们的环境归趋是十分必要的。本课题以HCHs和DDTs为研究对象，围绕异构体和同位素特征，通过异构体、多维单体稳定同位素（MD-CSIA）及对映体选择性稳定同位素（ESIA）分析手段，研究它们在全国农田土壤中的残留特征，评估其降解程度和趋势。通过识别影响OCPs再分布的环境因子，结合土壤微生物群落分布特征，从分子生态学角度深入探索环境因子-微生物群落-OCPs异构体和同位素特征三者之间的内在联系和相互影响机制。最后，评估土壤中OCPs对人体的致癌性和非致癌性健康风险。本课题将为深入了解和正确评估OCPs在我国农田土壤中的环境行为、归趋和风险提供基础，也为污染管控和环境修复提供科学依据。

本课题以前期建立的有机氯农药异构体和对映体分析方法为基础，进一步建立了有机氯农药单体化合物稳定碳同位素的分析方法，对我国农田土壤中DDTs和HCHs的异构体（非对映体异构体和对映体）和同位素特征进行了表征，识别了我国不同区域农田土壤中DDTs的可能来源，揭示了其在环境中的迁移、转化及归趋行为。利用统计学方法，甄别了对上述特征具有影响的关键环境因子，并通过高通量测序技术，从分子生态学角度初步探索了环境因子-微生物群落-OCPs残留特征三者之间的相互关系及内在机制。研究结果表明，我国农田土壤中DDTs和HCHs的残留特征存在空间上的差异性，总体上与各地历史使用量相符，同时存在着一定程度的迁移、转化和降解行为，使各地区OCPs的残留浓度及异构体（包括对映体）的组成具有特异性。相关性分析结果表明，土壤中OCPs的残留浓度、异构体特征、同位素分馏和代谢趋势与土壤性质（有机质和pH）、采样点性质（地理位置、经济生产总值和人口数量）、气候条件（环境温度）和介质交换作用有关，但这些因素对不同化合物的影响程度和方向不尽相同。通过生物信息学方法进一步探索了土壤微生物在调控OCPs环境降解行为中的作用，通过DDTs母体化合物和代谢产物与微生物间关系的建立，识别了负责DDTs不同降解途径的相关菌群，深入讨论了微生物与DDTs残留特征间的关系；对于手性o,p’-DDT，我们更是发现不同微生物种群可以降解不同的对映体，从而导致土壤中该化合物不同的对映体选择性残留特征，但同时又可以是由相同菌类对不同对映体的降解速率不同而造成的对映体差异。对于HCH，我们发现Sphingomonas可作为指示和预测HCHs残留水平和异构体特征（包括对映体）的潜在生物标志物，且土壤湿度和温度是影响这类菌群的关键因素。本课题利用了化学分析和生物信息学手段，从异构体和同位素层面以及分子生态学角度揭示了环境因子和微生物群落对我国农田土壤中OCPs异构体和同位素特征的影响和内在机制，研究结果为全面了解OCPs在土壤中的迁移转化规律提供了详尽的科学依据，为综合评价OCPs的环境行为、趋势和风险提供了新思路。