9種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣降解研究

1、9種鄰苯二甲酸酯化合物的模擬曝氣降解研究摘要：鄰苯二甲酸酯是一類全球性的重要污染物，本課題進(jìn)展了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)果說明，鄰苯二甲酸酯的降解速率常數(shù)kb與其烷基鏈長度之間存在良好的相關(guān)性，lnkb=0.0104x2-0.340 x-1.919(r=0.989)。降解半衰期與烷基鏈長度同時(shí)存在相關(guān)，t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953(r=0.979)。關(guān)鍵詞：鄰苯二甲酸酯模擬曝氣法生物降解AerbiDegradatinf9PhthaliAidEstersAbstrats:Phthaliaidesters(PAEs)areagrupfglbale

2、nvirnentalpllutants.Inthispaper,bidegradatinexperientsf9PAEserearriedutithaliatedinulatinTheresultsshedthatbidegradatinratenstants(kb)f9PAEsdereased,andbidegradatinhalf-lifetie(t1/2)inreased,iththeinreasefalkylhainlength;Therehavebeenrrelatinsbeteenalkylhainlengthandbidegradatinratenstantrhalf-lifet

3、ie,relatinalequatin:lnkb=0.0104x2-0.340 x-1.919(r=0.989),t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953(r=0.979)。Keyrds:Phthaliaidesters,Aerbidie-aaydegradatinethd,Bidegradatin.，rrelatin.1前言鄰苯二甲酸酯簡稱PAEs通常用作農(nóng)藥載體、驅(qū)蟲劑、化裝品、香味品、光滑劑、以及去泡劑的消費(fèi)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EPA列為優(yōu)污

4、染物3;3種被我國列為先監(jiān)測污染物4。有證據(jù)說明，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，國內(nèi)外對該類化合物的研究主要集中在微生物優(yōu)勢種的挑選，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)地從構(gòu)造與降解相關(guān)性出發(fā)，用污水處理廠活性污泥進(jìn)展研究報(bào)道不多。研究有機(jī)物生物降解性與化合物構(gòu)造的相關(guān)性，對于深化認(rèn)識有機(jī)物生物降解規(guī)律，提醒有機(jī)物生物降解機(jī)理，預(yù)測有機(jī)物生物降解特性，都

5、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，探究了鄰苯二甲酸酯類化合物化學(xué)構(gòu)造與生物降解之間的關(guān)系。研究結(jié)果對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研究對象為理解研究污染物構(gòu)造與生物降解的相關(guān)性，本課題選取構(gòu)造上具有代表性的局部鄰苯二甲酸酯作為研究對象，即：鄰苯二甲酸二甲酯DP、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(DnP)、鄰苯二甲酸二壬酯(DINP)、鄰苯二

6、甲酸二11烷基酯(DUP)、鄰苯二甲酸二13烷基酯(DTDP)。所用試劑在G測試中無雜質(zhì)峰。2.2培養(yǎng)液與接種物實(shí)驗(yàn)所用的3種無機(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；新穎菜園土取自本校菜園地，經(jīng)風(fēng)干、捻碎后過60目篩。將菜園土1.0g和3種培養(yǎng)液各1.0l參加好氧活性污泥1.0L中?；旌虾?，置于8L左右的大口玻璃瓶中曝氣24h，進(jìn)展接種物的馴化。馴化過程為：先參加少量待測試的各種PAEs化合物，使溶液中基質(zhì)濃度為5gL-1，于30恒溫室中培養(yǎng)；24h后依次增加PAEs濃度,對菌種進(jìn)展進(jìn)一步馴化；約一周后，參加的PAEs降解完全，用雙層紗布夾0.5厚的脫脂

7、棉過濾，濾液用作曝氣接種物。2.3分析方法儀器及設(shè)備:國產(chǎn)TEHP7890天美型氣相色譜儀(FID檢測器)，SHIADZUUV-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來制定標(biāo)線和測定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)上測定吸光度=223.5n，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，建立濃度-吸光度回歸方程。2.3.2G分析方

8、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,用氣相色譜測定降解過程中的PAEs濃度的變化。各PAEs化合物的鑒別和定量分別由保存時(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?？諝饨?jīng)氣體流量計(jì)進(jìn)入過濾瓶瓶中裝有脫脂棉，經(jīng)過變色硅膠瓶、NaH溶液前吸收瓶和穩(wěn)壓瓶后進(jìn)入模擬曝氣反響瓶。此后經(jīng)二級NaH溶液瓶，排出放空。110號反響器的容積均為500l，徑高比為1:10。2.4.2降解動(dòng)力學(xué)的測定將等量的各種鄰苯二甲酸酯DP、DEP、DnPP、DnBP、DnAP、DiHP、DINP、DUP和DTDP參加各模擬曝氣反響瓶中，分別參加經(jīng)過

9、馴化的接種物，每瓶裝液量為400l。用精細(xì)pH試紙測定酸堿度，并用稀鹽酸和NaH溶液調(diào)到中性。同時(shí)另取一反響瓶，作滅菌對照實(shí)驗(yàn)。將模擬曝氣反響裝置放在30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，使各反響瓶模擬曝氣，待液體混合10in后，各取一定量的樣品，用石油醚萃取，分析測定初始濃度。每隔一定時(shí)間，同樣取樣分析。3結(jié)果與討論Table1.鄰苯二甲酸酯的降解動(dòng)力學(xué)及參數(shù)Table1.BidegradatinkinetisfPAEs化合物pund降解動(dòng)力學(xué)方程Bidegradatinkinetisequatin降解速率常kb(h-1)Ratenstant半衰期t1/2(h)Hal

10、f-lifetie復(fù)相關(guān)系數(shù)(R2)rrelatineffiientDPln=4.005-0.0925t0.09258.40.966DEPln=3.911-0.0815t0.08158.160.999DnPPln=3.905-0.0658t0.065810.080.976DnBPln=3.976-0.05t0.0514.880.974DnAPln=3.988-0.0295t0.029526.160.971DiHPln=3.962-0.0253t0.025329.280.986DINPln=3.953-0.0132t0.013253.280.989DUPln=3.936-0.0127t0.012

11、756.40.983DTDPln=3.95-0.0105t0.010563.60.924一樣污泥負(fù)荷下PAEs的生物降解DP、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ln=ln0+kbt對降解過程的濃度與時(shí)間進(jìn)展擬合，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)與烷基鏈長度之間的關(guān)系，結(jié)果說明，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=0.0104x2-0.340 x-1.919(r=0.989)

12、1式中x表示PAEs中從DP開場的亞甲基數(shù)目,kb為降解速率常數(shù)，前負(fù)號表示下降趨勢。圖5為PAEs化合物降解半衰期與與烷基鏈長度之間的關(guān)系。降解半衰期呈上升趨勢。用半衰期和PAEs進(jìn)展回歸，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，這有助于從化合物構(gòu)造確定其降解速率，推算降解半衰期。這些相關(guān)關(guān)系也是進(jìn)展降解與構(gòu)造，既QSBR研究的基矗和從另外

13、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)性比擬，更直接，因此更具有意義。應(yīng)用回歸方程1及2能計(jì)算和預(yù)測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、選用的測試化合物多由直鏈烷基構(gòu)成少數(shù)高分子量的PAEs由G-S鑒別含一定量的異構(gòu)體，但有可以鑒別的G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一樣，化合物對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

14、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從最簡單的分子構(gòu)造碳原子數(shù)就可獲得降解定量化數(shù)據(jù)，具有一定應(yīng)用價(jià)值。構(gòu)造相似的同系物中，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的相關(guān)性質(zhì)，如K、K、rv等。對PAEs化合物而言，降解與化合物的構(gòu)造參數(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ι锩阜错懙目臻g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。可以

15、認(rèn)為，PAEs化合物的降解速度控制因素為化合物的空間構(gòu)造，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G保存時(shí)間的少量異構(gòu)體，這對微生物酶的識別和降解不如低分子量高純度的容易。另外，化合物分子構(gòu)造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)。但在假定一樣的降解途徑下，降解速率常數(shù)應(yīng)該是可以比擬的。生物降解性與其構(gòu)造是親密相關(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，可以推測認(rèn)為，獲得這樣的結(jié)果是遵循一樣的降解途徑的。4結(jié)論鄰苯二甲酸酯類化合物的生物降解應(yīng)符合一級降解動(dòng)力學(xué)方程，其

16、降解速率常數(shù)隨著化合物分子烷基鏈的增加而減小，降解反響速率常數(shù)或降解半衰期與堿基鏈的長度變化呈曲線關(guān)系，并且可以用建立的相關(guān)方程1、2來描繪。參考文獻(xiàn)1Staples,.A.,PetersnD.R.,ParkertnT.F.etal.T.hesphere,1997,35(4):667-7492Bauer,.J.,andHerrann,R.Si.TtalEnvirn,1997,208：49-573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.北京，化學(xué)工業(yè)出版社,2001,47-1494奚旦立主編，蔣展鵬主審.環(huán)境工程手冊.環(huán)境監(jiān)測卷.北京，高等教育出版社,1998,007-10085ParkertnT.F.andKnkel.J.Etxi.andEnvirn.Safety,2000,45:61-786ThsenT.A.Gand.Lhesphere1999,8(11):2613-26247Brn,D.,rudae,.P.,illias,N.J.,etal.hesphere1998,6(6):367-13788程樹培主編環(huán)境生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)指南南京，南京大學(xué)出版社，1995,75-809lfeN.L.,Steen.andBurns