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锐意创新,化解环保难题
发表时间 2017-03-07 13:40 来源 本站原创

  记中国科学院广州地球化学研究所研究员冉勇

  随着我国经济水平的提升,环境污染问题也日益成为人民群众所关注的焦点。许多地方的水土资源都发生了令人触目惊心的化工污染,首都北京等大城市被雾霾淹没等等,无不威胁到人民的日常生活和身体健康。近期,国家领导人纷纷表示,我们不能重蹈多数发达经济体所走过的“先污染,后治理”的覆辙,这就需要科学家在环境治理领域坚持不懈地开展研究。中国科学院广州地球化学研究所(以下简称“地化所”)研究员冉勇,就是这样一位孜孜不倦、锐意创新的探索者。20余年来,他一直从事微量金属元素、有机污染物在地表系统中的迁移、转化和归宿等研究,并在疏水有机污染物的吸附机制、模型、归宿及其与生物质、地质吸附剂固相表面性质的关系研究方面取得了重大进展。

  冉勇,1963年10月生,四川成都大邑人,九三学社社员。现任中国科学院广州地球化学研究所研究员,中国科学院研究生院教授、博士生导师。1983年从四川农业大学土壤农化系毕业,获学士学位;1988年在中国科学院西北水土保持研究所获硕士学位,1991年在中国科学院南京土壤研究所获博士学位;1991年~1993年在中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室做博士后,并获国家博士后基金资助;1995年~1997年获国家教委留学基金和对方资助在澳大利亚Monash大学水研究中心和西澳大利亚大学做客座研究;1997年12月起在中国科学院广州地化所有机地球化学国家重点实验室工作,先后赴美国、德国、瑞士进行短期合作研究和学术访问,2000年在美国Drexel大学环境科学和工程学院作客座研究半年,2002年在德国Tuebingen大学应用地质中心作客座教授3个月。兼任美国科学促进会(AAAS)会员、化学学会(ACS)(环境化学分会)会员、国际环境毒理和化学学会会员(SETAC)、美国土壤学会(SSSA)会员、中国岩石、矿物、地球化学学会会员、中国土壤学会会员、中国稀土学会会员、国际环境毒理和化学期刊(Environental. Toxicology and Chemistry)编委(2007-2010年)、《矿物岩石地球化学通报》编委(2008-2011年)等职。

  执着探索,揭示污染机制

  近年来,全国水环境的形势依然十分严峻。就整个地表水而言,受到严重污染的劣V类水体所占比例较高,约为10%。而流经城镇的一些河段,特别是城乡接合部的一些沟渠塘坝污染也普遍比较重,且由于受到有机物污染,黑臭水体较多。水资源丰富的珠江三角洲也出现水质性缺水。此外,涉及饮水安全的水环境突发事件的数量依然不少。

  过去,水体中的污染主要与碳、氮、硫、磷和重金属元素等有关。如今,随着工业的发展,新型和持久性有机污染物也逐渐扩散到水体中,并与传统污染物一起构成难以修复的水体污染。在冉勇看来,持久性有机污染物与碳循环有着密切的关系,抓住这条线索,也许问题就会迎刃而解。

  持久性有机污染物(POPs)是一类具有范围大、危害性多和在环境中存留时间长的毒害性有机化合物。环境污染的日益加剧,使得POPs不可避免地要通过各种途径(呼吸、接触、饮水、摄食等)进入人体,危害健康。POPs对人类和生物具有致癌、致畸与致突变作用、破坏或抑制神经系统和免疫系统、破坏或干扰内分泌系统、影响生殖功等负面影响。美国著名的超级基金计划,很多项目就是直接针对环境中的POPs,进行受损环境的清洁修复研究。欧洲环境科学界认为POPs在生态系统中的不断累积,导致产生所谓的“化学定时炸弹”,到一定时期可能会引发生态环境灾难性的后果。多环芳烃和多溴联苯醚均是典型的持久性有机污染物。其中,多环芳烃是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物,相当一部分具有致癌性。而多溴联苯醚更是一类环境中广泛存在的全球性有机污染物,由于其具有持久性、毒性和潜在的生物蓄积性备受关注,其对环境的污染问题已成为当前环境科学的一大热点。

  针对珠江三角洲的水体污染情况,冉勇的课题组用连续过滤装置从其东江、西江、北江等不同断面和水产养殖区等水体采集了水柱样品和沉积物、颗粒物,接着应用核磁共振光谱、气相色谱-质谱、稳定性和放射性碳同位素等分析技术,表征珠江下游水体中悬浮颗粒物、胶体和沉积物有机质的化学成分、结构和形态,研究珠江水体中主要毒害有机污染物(如多环芳烃、多溴联苯醚)的迁移、沉降和归宿等过程。

  为了研究不同营养化水体中多溴联苯醚和多环芳烃的沉降通量和生物富集,冉勇课题组选择广州市区高度营养化的流花湖(LHH)和中度营养化的联安水库(LA)作为研究对象。研究结果表明,水体中多溴联苯醚的污染水平受水体富营养化水平的影响,且水体中藻类和浮游动物对其有良好的富集效果;而多环芳烃的沉降通量主要受颗粒TOC沉降通量的控制,水体富营养化程度对其的分布也有一定的影响,富营养化程度越高,其含量也相对较高,它还倾向于吸附在有机质中,并随颗粒物在水体中迁移。

  通过分析联安、增塘、新丰江水库沉积物柱中多环芳烃的含量及历史变化趋势,他们发现处于亚热带的珠江三角洲地区近几十年来的气候变暖,造成了富营养和中富营养水库中脂肪含量较高的藻类增加,而这些藻类吸附或吸收了较多的疏水性有机污染物多环芳烃,起到了“生物泵”的作用,导致水体底部沉积物中燃烧多环芳烃含量的上升。揭示了气候变化对亚热带地区湖泊的重要影响,并强调了藻类有机质在累积大气及水中多环芳烃到底层沉积物中的重要作用。

  有机污染物在地表环境中的微观形态和界面作用机制,关系到认识其表生地球化学行为和最终归宿、评估其生物有效性和生态与人体健康影响、制定相关受损环境修复策略和研发有机污染处理技术的重大科学问题。天然有机质是地质吸附剂的重要组成,它对进入地表系统中持久性有机污染物的环境行为和归宿具有关键控制作用。对天然有机质本身及其与有机污染物作用机理的研究,是当前环境有机污染研究的前沿研究领域与热点之一,集中体现在不同天然有机质的分离、表征以及有机污染物在其上的吸附—解吸机理研究,是有机地球化学与环境化学的重要学科交叉点。

  冉勇课题组对天然有机质对有机污染物的吸附、解吸机理进行了研究。他率先使用苯蒸气、CO2 气体吸附技术研究了沉积物、干酪根、不同成熟度煤、不同成熟度页岩的微孔性、有机质结构以及与菲的吸附行为之间的关系。研究结果表明苯和菲的微孔吸附体积显著正相关,但苯的吸附体积比菲的吸附体积高,证实了分子筛在孔填充过程中起重要作用,矫正了前人对微孔体积的低估,发展了微观界面吸附理论。

  通过多年研究,冉勇及其团队逐渐认识到天然有机质的复杂性与不均一性,突破了环境科学与工程领域中普遍接受的线性分配/吸附理论,揭示了有机污染物在一些地质吸附剂上非线性吸附解吸、解吸滞后与慢吸附—解吸等现象的机理,对于环境有机污染物的生态风险评价和受损环境修复理论,具有深远的影响。

  专注研究,取得丰硕成果

  经过多年研究,冉勇深入地揭示了河流中胶体质在微量元素迁移、循环和归宿中的重要作用。并首次研究和明确了金、稀土元素在铁锰氧化物和腐殖质表面的专性吸附机制。这些研究成果不仅在科学上深化了对天然有机质及其与有机污染物相互作用机制的认识,也表明有机地球化学在有机污染物的环境微观界面作用机理研究领域,具有显著的学科优势和强大的生命力。相关成果在国际环境科学权威期刊环境科学技术(ES&T)、地球物理-生物地球科学、海洋化学等发表12篇,共在国际SCI上发表60多篇,并引起国际同行的关注。国际知名学者Allen-King和Ball教授对其工作在ES&T上还给予了专门评述。参加项目的获奖情况:土壤中稀土元素的环境化学行为和生物效应获得国家自然科学奖二等奖(1993年),珠江三角洲环境中有机污染研究先后获得广东省科学技术一等奖(2003年)和国家自然科学奖二等奖(2006年)。

  通过不断努力,近期,冉勇课题组在花粉及其级分对菲的吸附机理研究方面取得新进展。研究组选取荷花和油菜花花粉作为研究对象,对其进行了连续化学分级,并利用高级核磁共振技术定量地研究其结构和成分,同时研究花粉及其级分对菲的吸附机理。研究结果表明,花粉主要由脂肪成分(包括孢粉素)、碳水化合物、蛋白质和木质素组成。花粉的非水解有机碳级分与文献报道的孢粉素结构相似。花粉非水解有机碳级分对菲呈现出非线性吸附,其吸附容量要远大于文献上报道的其他类型非水解有机质的值,说明花粉有机质是一种很好的吸附剂。花粉及其级分对菲的吸附容量与来源于碳水化合物和蛋白质的极性官能团含量呈负相关关系,与来源于孢粉素和木质素的烷基碳、聚亚甲基碳和芳香碳呈正相关关系。非线性因子随着聚亚甲基碳、烷基碳、芳香碳浓度或者脂肪成分和木质素成分的增加而减小,表明它们都在菲的非线性吸附中起作用。本研究首次报道了聚亚甲基碳、烷基碳和芳香碳结构组成以及可及性(accessibility)对花粉对菲的非线性吸附可同时起作用。研究结果对有机污染物在环境中的迁移、转化、生物可利用性和控制具有重要理论和实践意义。

  从事研究20余年,冉勇从未有所懈怠。他说老一辈科学家的言传身教特别是自己的导师傅家谟院士对自己影响很深。他将“活到老,学到老”作为自己的座右铭,并力图找到最好的途径解决他人还未解决的问题,对他人没有认识到的新现象做出自己的诠释。接下来,冉勇将继续投身于环境修复这个与人类健康休戚相关的事业之中,通过持续不断地创新科研,为我国目前严峻的环保难题贡献自己的力量。