種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣降解

9種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣降解研究論文名稱：9種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣降解研究作者：夏鳳毅1,2,鄭平1,周琪2,馮孝善1摘要：鄰苯二甲酸酯是一類全球性的重要污染物，本課題進(jìn)行了9種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣生物降解行為研究。結(jié)果表明，鄰苯二甲酸酯的降解速率常數(shù)（kb）與其烷基鏈長(zhǎng)度之間存在良好的相關(guān)性，lnkb=0.0104x2-0.340x-1.919(r=0.989)。降解半衰期與烷基鏈長(zhǎng)度同時(shí)存在相關(guān)，t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953(r=0.979)。關(guān)鍵字：鄰苯二甲酸酯模擬曝氣法生物降解AerobicDegradationof9PhthalicAcidEstersXiaFengyi1,2，ZhengPing1，ZhouQi2andFengXiaoshan1(1DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310029;2StateKeyLab.ofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai,200092)Abstracts:Phthalicacidesters(PAEs)areagroupofglobalenvironmentalpollutants.Inthispaper,biodegradationexperimentsof9PAEswerecarriedoutwithacclimatedinoculationTheresultsshowedthatbiodegradationrateconstants(kb)of9PAEsdecreased,andbiodegradationhalf-lifetime(t1/2)increased,withtheincreaseofalkylchainlength;Therehavebeencorrelationsbetweenalkylchainlengthandbiodegradationrateconstantorhalf-lifetime,relationalequation:lnkb=0.0104x2-0.340x-1.919(r=0.989),t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953(r=0.979)。Keywords:Phthalicacidesters,Aerobicdie-awaydegradationmethod,Biodegradation.，Correlation.1前言鄰苯二甲酸酯（簡(jiǎn)稱PAEs）通常用作農(nóng)藥載體、驅(qū)蟲(chóng)劑、化妝品、香味品、潤(rùn)滑劑、以及去泡劑的生產(chǎn)原料；較高分子量的PAEs因其具有穩(wěn)定性、流動(dòng)性和低揮發(fā)性，也被廣泛用作塑料增強(qiáng)劑和改性劑[1,2]。商品化使用的鄰苯二甲酸酯類化合物約有14種，其中6種被美國(guó)EPA列為優(yōu)污染物[3];3種被我國(guó)列為先監(jiān)測(cè)污染物[4]。有證據(jù)表明，鄰苯二甲酸酯類化合物中約一半是環(huán)境激素[5,6]。據(jù)報(bào)導(dǎo)，在土壤、水體、大氣、生物甚至人體等自然環(huán)境和人類環(huán)境中都已發(fā)現(xiàn)鄰苯二甲酸酯的分布[7]。城市、小城鎮(zhèn)的生活垃圾和滲濾液中也含有濃度顯著的鄰苯二甲酸酯。生物降解是環(huán)境污染物降解和消失的要途徑。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)該類化合物的研究主要集中在微生物優(yōu)勢(shì)種的篩選，單個(gè)化合物尤其是鄰苯二甲酸二丁酯、二辛酯的降解機(jī)理研究，而系統(tǒng)地從結(jié)構(gòu)與降解相關(guān)性出發(fā)，用污水處理廠活性污泥進(jìn)行研究報(bào)道不多。研究有機(jī)物生物降解性與化合物結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)有機(jī)物生物降解規(guī)律，揭示有機(jī)物生物降解機(jī)理，預(yù)測(cè)有機(jī)物生物降解特性，都具有重要作用。本課題采用模擬曝氣衰變法模擬廢水處理廠，研究了鄰苯二甲酸酯的生物降解行為和影響因素，探索了鄰苯二甲酸酯類化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物降解之間的關(guān)系。研究結(jié)果對(duì)含鄰苯二甲酸酯的廢水生物處理，受鄰苯二甲酸酯污染的環(huán)境原位生物修復(fù)等都具有理論及實(shí)際指導(dǎo)意義。2材料與方法2.1研究對(duì)象為了解研究污染物結(jié)構(gòu)與生物降解的相關(guān)性，本課題選取結(jié)構(gòu)上具有代表性的部分鄰苯二甲酸酯作為研究對(duì)象，即：鄰苯二甲酸二甲酯（DMP）、鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）、苯二甲酸二丙酯（DPP）、鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）、鄰苯二甲酸二戊酯(DAP)、鄰苯二甲酸二庚酯(DiHP)、鄰苯二甲酸二辛酯(DnOP)、鄰苯二甲酸二壬酯(DINP)、鄰苯二甲酸二11烷基酯(DUP)、鄰苯二甲酸二13烷基酯(DTDP)。所用試劑在GC測(cè)試中無(wú)雜質(zhì)峰。2.2培養(yǎng)液與接種物實(shí)驗(yàn)所用的3種無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)液的組成參照文獻(xiàn)[8]。接種所用的活性污泥取自杭州市四堡污水處理廠曝氣池；新鮮菜園土取自本校菜園地，經(jīng)風(fēng)干、捻碎后過(guò)60目篩。將菜園土（1.0g）和3種培養(yǎng)液各1.0ml加入好氧活性污泥（1.0L）中。混合后，置于8L左右的大口玻璃瓶中曝氣24h，進(jìn)行接種物的馴化。馴化過(guò)程為：先加入少量待測(cè)試的各種PAEs化合物，使溶液中基質(zhì)濃度為5mg·L-1，于30℃恒溫室中培養(yǎng)；24h后依次增加PAEs濃度,對(duì)菌種進(jìn)行進(jìn)一步馴化；約一周后，加入的PAEs降解完全，用雙層紗布夾0.5cm厚的脫脂棉過(guò)濾，濾液用作曝氣接種物。2.3分析方法儀器及設(shè)備:國(guó)產(chǎn)TECHCOMP7890（天美）型氣相色譜儀(FID檢測(cè)器)，SHIMADZUUV-1206（島津）型分光光度計(jì)，恒溫培養(yǎng)箱，三球（KD）濃縮儀，恒溫室等。2.3.1UV分析測(cè)定方法準(zhǔn)確稱取一定量的PAEs純品于燒杯中，加重蒸水和適量助溶劑吐溫-40，混合溶解后于容量瓶中定容，得標(biāo)準(zhǔn)溶液。各種化合物的最大吸收峰通過(guò)UV-1206分光光度計(jì)掃描確定，選取各種化合物都具有明顯吸收的波長(zhǎng)來(lái)制定標(biāo)線和測(cè)定PAEs樣品。取一定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成一定濃度，用石油醚萃取后在UV分光光度計(jì)上測(cè)定吸光度（λ=223.5nm），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，建立濃度-吸光度回歸方程。2.3.2GC分析方法在降解抑制實(shí)驗(yàn)中，混合組分樣品用氯仿萃取，萃取液經(jīng)KD濃縮儀濃縮后,用氣相色譜測(cè)定降解過(guò)程中的PAEs濃度的變化。各PAEs化合物的鑒別和定量分別由保留時(shí)間和峰面積確定。用外標(biāo)法定量。2.4生物降解試驗(yàn)2.4.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置如圖1所示。空氣經(jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入過(guò)濾瓶（瓶中裝有脫脂棉），經(jīng)過(guò)變色硅膠瓶、NaOH溶液前吸收瓶和穩(wěn)壓瓶后進(jìn)入模擬曝氣反應(yīng)瓶。爾后經(jīng)二級(jí)NaOH溶液瓶，排出放空。1~10號(hào)反應(yīng)器的容積均為500ml，徑高比為1:10。2.4.2降解動(dòng)力學(xué)的測(cè)定將等量的各種鄰苯二甲酸酯（DMP、DEP、DnPP、DnBP、DnAP、DiHP、DINP、DUP和DTDP）加入各模擬曝氣反應(yīng)瓶中，分別加入經(jīng)過(guò)馴化的接種物，每瓶裝液量為400ml。用精密pH試紙測(cè)定酸堿度，并用稀鹽酸和NaOH溶液調(diào)到中性。同時(shí)另取一反應(yīng)瓶，作滅菌對(duì)照實(shí)驗(yàn)。將模擬曝氣反應(yīng)裝置放在30oC恒溫室中。每種化合物做3次重復(fù)。按圖1接通氣路，調(diào)節(jié)氣量，使各反應(yīng)瓶模擬曝氣，待液體混合10min后，各取一定量的樣品，用石油醚萃取，分析測(cè)定初始濃度。每隔一定時(shí)間，同樣取樣分析。3結(jié)果與討論菊Table睜1.豈墓鄰苯二甲酸酯據(jù)的降解動(dòng)力學(xué)倉(cāng)及參數(shù)

伙Table宅1.Bio秒degrad貍ation玻kineti有csof狗PAEs犯化合物

粉Compou亞nd典降解動(dòng)力學(xué)方愈程

概Biodeg濃radati帥onkin期etics癥equati析on立降解速率添常覺(jué)k碗b桃(插h臂-1油)

迅Ratec鎮(zhèn)onstan宣t金半衰爬期果t闖1/2失(相h)

樓Half-l畜ifeti擁me干復(fù)相關(guān)系滔數(shù)再(塵R2)

烤Correl初ation筐coeffi可cient天DMP恩0.0925琴8.4總0.966呆DEP帥0.0815仙8.16活0.999瓣DnPP屠0.0658丑10.08酷0.976卵DnBP判0.05偽14.88橫0.974五DnAP拘0.0295胡26.16顯0.971產(chǎn)DiHP據(jù)0.0253數(shù)29.28閉0.986峽DINP勝0.0132泛53.28豬0.989朗DUP說(shuō)0.0127徹56.4蓄0.983鑒DTDP株0.0105屢63.6滴0.924相同污泥負(fù)荷下PAEs的生物降解DMP、DEP、DPP、DBP、DAP、DiHP、DINP、DUP、DTDP所做的生物降解，PAEs濃度與時(shí)間之間具有如圖2、3所示的關(guān)系。用lnC=lnC0+kbt對(duì)降解過(guò)程的濃度與時(shí)間進(jìn)行擬合，可得表1所列的降解動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算得降解速率常數(shù)及半衰期。圖4表示PAEs生物降解速率常數(shù)與烷基鏈長(zhǎng)度之間的關(guān)系，結(jié)果說(shuō)明，鄰苯二甲酸酯類化合物生物降解的速率常數(shù)隨著分子量的增加而減小，回歸分析發(fā)現(xiàn)，呈拋物線型曲線:lnkb=0.0104x2-0.340x-1.919(r=0.989)（1）式中x表示PAEs中從DMP開(kāi)始的亞甲基數(shù)目,kb為降解速率常數(shù)，前負(fù)號(hào)表示下降趨勢(shì)。圖5為PAEs化合物降解半衰期與與烷基鏈長(zhǎng)度之間的關(guān)系。降解半衰期呈上升趨勢(shì)。用半衰期和PAEs進(jìn)行回歸，得如下關(guān)系式：t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953(r=0.9794)(2)x意義同前，說(shuō)明隨烷基鏈碳原子數(shù)的增加，降解半衰期也呈曲線增加。曲線回歸方程式（1）及（2）反映了PAEs類化合物的生物降解的動(dòng)態(tài)過(guò)程及規(guī)律，它是從實(shí)驗(yàn)條件下獲得的降解速率常數(shù)與化合物碳原子數(shù)之間建立的相關(guān)關(guān)系，這有助于從化合物結(jié)構(gòu)確定其降解速率，推算降解半衰期。這些相關(guān)關(guān)系也是進(jìn)行降解與結(jié)構(gòu)，既QSBR研究的基礎(chǔ)。和從另外實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如水解常數(shù)）與降解速率常數(shù)之間獲得降解相關(guān)性比較，更直接，因而更具有意義。應(yīng)用回歸方程（1）及（2）能計(jì)算和預(yù)測(cè)其該類其余化合物的降解速率常數(shù)，降解半衰期等參數(shù)。與前人從化合物的水解與降解速率常數(shù)的相關(guān)性來(lái)看，具有一致性[9]，也具可比性。但這里的結(jié)論是基于：一、選用的測(cè)試化合物多由直鏈烷基構(gòu)成（少數(shù)高分子量的PAEs由GC-MS鑒別含一定量的異構(gòu)體，但有可以鑒別的GC峰）。二、樣本量較大，具有足夠的代表性。生物降解和水解不完全相同，化合物對(duì)微生物而言只能在一定條件下是難降解，而改變條件會(huì)獲得不同的結(jié)論。PAEs好氧降解速率與堿性水解常數(shù)之間有相關(guān)性[10]，但由于PAEs化合物的水解作用遠(yuǎn)不如降解作用，限制了使用。該類化合物降解存在難易差異，早有報(bào)道[11,12]。但其出發(fā)點(diǎn)不同，結(jié)論可比性不強(qiáng)。式（1）、（2）從最簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)（碳原子數(shù)）就可獲得降解定量化數(shù)據(jù)，具有一定應(yīng)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)相似的同系物中，決定降解的主要因素就是分子的大小，以及由分子大小變化所帶來(lái)的相關(guān)性質(zhì)，（如Kow、Kw、MW、rv等）。對(duì)PAEs化合物而言，降解與化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間具有相關(guān)性，是因?yàn)椋悍肿恿吭龃笠环矫嬖黾恿朔肿訉?duì)生物酶反應(yīng)的空間位阻效應(yīng)，使化合物難以到達(dá)酶的活性位點(diǎn)；另一方面，也因?yàn)榉肿恿吭龃?，起水溶作用的羰基在整個(gè)分子中的影響成分逐漸減小，降低了分子量大的鄰苯二甲酸酯類化合物的水溶性，影響在水中的溶解，難以被微生物所利用，從而影響了降解?？梢哉J(rèn)為，PAEs化合物的降解速度控制因素為化合物的空間結(jié)構(gòu)，速率常數(shù)直接因分子大小而決定。導(dǎo)致降解速率常數(shù)變化的另外一個(gè)原因可能是，分子量大的化合物有異構(gòu)體（相近GC保留時(shí)間的少量異構(gòu)體），這對(duì)微生物酶的識(shí)別和降解不如低分子量高純度的容易。另外，化合物分子結(jié)構(gòu)不同也決定了降解途徑的不同，不同的降解途徑?jīng)Q定著不同的速率常數(shù)。但在假定相同的降解途徑下，降解速率常數(shù)應(yīng)該是可以比較的。生物降解性與其結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的，這種相關(guān)性在同系物中表現(xiàn)尤其明顯，如酚類化合物降解結(jié)果也具有這種關(guān)系[13]。據(jù)此，可以推測(cè)認(rèn)為，獲得這樣的結(jié)果是遵循相同的降解途徑的。4結(jié)論鄰苯二甲酸酯類化合物的生物降解應(yīng)符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)方程，其降解速率常數(shù)隨著化合物分子烷基鏈的增加而減小，降解反應(yīng)速率常數(shù)或降解半衰期與堿基鏈的長(zhǎng)度變化呈曲線關(guān)系，并且可以用建立的相關(guān)方程（1）、（2）來(lái)描述。參考文獻(xiàn)[1]Staples,C.A.,PetersonD.R.,ParkertonT.F.etal.T.Chemosphere,1997,35(4):667-749[2]Baucer,M.J.,andHerrmann,R..Sci.TotalEnviron,1997,208：49-57[3]張錫輝編著.高等環(huán)境化學(xué)與微生物學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京，化學(xué)工業(yè)出版社,2001,47-149[4]奚旦立主編，蔣展鵬主審.環(huán)境工程手冊(cè)[M].環(huán)境監(jiān)測(cè)卷.北京，高等教育出版社,1998,007-1008[5]ParkertonT.F.andKonkelW.J.Ecotoxico.andEnviron.Safety,2000,45:61-78[6]Thomsen