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 。結果表明，鄰苯二甲酸酯的降解速率常數(kb)與其烷基鏈長度之間存在良好的相關性，lnkb=0.0104x2-0.340x-1.919 (r=0.989)。降解半衰期與烷基鏈長度同時存在相關，t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953 (r=0.979)。
關鍵詞：鄰苯二甲酸酯 模擬曝氣法 生物降解
Aerobic Degradation of 9 Phthalic Acid Esters
Abstracts: Phthalic acid esters (PAEs) are a group of global environmental pollutants. In this paper, biodegradation experiments of 9 PAEs were carried out with acclimated inoculation The results showed that biodegradation rate constants(kb) of 9 PAEs decreased, and biodegradation half-life time(t1/2) increased,with the increase of alkyl chain length; There have been correlations between alkyl chain length and biodegradation rate constant or half-life time, relational equation: lnkb=0.0104x2-0.340x-1.919 (r=0.989),t1/2=0.0296x2-4.814x-0.953 (r=0.979)。
Keywords: Phthalic acid esters, Aerobic die-away degradation method, Biodegradation.，Correlation.
1 前言
鄰苯二甲酸酯(簡稱PAEs)通常用作農藥載體、驅蟲劑、化妝品、香味品、潤滑劑、以及去泡劑的生產原料;較高分子量的PAEs因其具有穩定性、流動性和低揮發性，也被廣泛用作塑料增強劑和改性劑[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列為優污染物[3];3種被我國列為先監測污染物[4]。有證據表明，鄰苯二甲酸酯類化合物中約一半是環境激素[5,6]。據報導，在土壤、水體、大氣、生物甚至人體等 自然 環境和人類環境中都已發現鄰苯二甲酸酯的分布[7]。城市、小城鎮的生活垃圾和滲濾液中也含有濃度顯著的鄰苯二甲酸酯。
生物降解是環境污染物降解和消失的要途徑。 目前 ，國內外對該類化合物的研究主要集中在微生物優勢種的篩選，單個化合物尤其是鄰苯二甲酸二丁酯、二辛酯的降解機理研究，而系統地從結構與降解相關性出發，用污水處理廠活性污泥進行研究報道不多。研究有機物生物降解性與化合物結構的相關性，對于深入認識有機物生物降解 規律 ，揭示有機物生物降解機理，預測有機物生物降解特性，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結構與生物降解之間的關系。研究結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境原位生物修復等都具有 理論 及實際指導意義。
2 材料與 方法
2.1 研究對象
為了解研究污染物結構與生物降解的相關性，本課題選取結構上具有代表性的部分鄰苯二甲酸酯作為研究對象，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測試中無雜質峰。
2.2 培養液與接種物
實驗所用的3種無機鹽培養液的組成參照 文獻 [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，經風干、捻碎后過60目篩。將菜園土(1.0g)和3種培養液各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，進行接種物的馴化。馴化過程為：先加入少量待測試的各種PAEs化合物，使溶液中基質濃度為5mg·L-1，于30℃恒溫室中培養;24h后依次增加PAEs濃度,對菌種進行進一步馴化;約一周后，加入的PAEs降解完全，用雙層紗布夾0.5cm厚的脫脂棉過濾，濾液用作曝氣接種物。
2.3 分析 方法
儀器及設備:國產TECHCOMP7890(天美)型氣相色譜儀 (FID檢測器)，SHIMADZU UV-1206(島津)型分光光度計，恒溫培養箱，三球(KD)濃縮儀，恒溫室等。
2.3.1 UV分析測定方法
準確稱取一定量的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，得標準溶液。各種化合物的最大吸收峰通過UV-1206分光光度計掃描確定，選取各種化合物都具有明顯吸收的波長來制定標線和測定PAEs樣品。取一定量的標準溶液稀釋成一定濃度，用石油醚萃取后在UV分光光度計上測定吸光度(λ=223.5nm)，繪制標準曲線，建立濃度-吸光度回歸方程。
2.3.2 GC分析方法
在降解抑制實驗中，混合組分樣品用氯仿萃取，萃取液經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留時間和峰面積確定。用外標法定量。
2.4 生物降解試驗
2.4.1 試驗裝置
試驗裝置如圖1所示。空氣經氣體流量計進入過濾瓶(瓶中裝有脫脂棉)，經過變色硅膠瓶、NaOH溶液前吸收瓶和穩壓瓶后進入模擬曝氣反應瓶。爾后經二級NaOH溶液瓶，排出放空。1~10號反應器的容積均為500ml，徑高比為1:10。
2.4.2降解動力學的測定
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瓶中，分別加入經過馴化的接種物，每瓶裝液量為400ml。用精密pH試紙測定酸堿度，并用稀鹽酸和NaOH溶液調到中性。同時另取一反應瓶，作滅菌對照實驗。將模擬曝氣反應裝置放在30oC恒溫室中。每種化合物做3次重復。按圖1接通氣路，調節氣量，使各反應瓶模擬曝氣，待液體混合10min后，各取一定量的樣品，用石油醚萃取，分析測定初始濃度。每隔一定時間，同樣取樣分析。
3 結果與討論
|
化合物 Compound |
降解動力學方程 Biodegradation kinetics equation |
降解速率常kb(h-1) Rate constant |
半衰期t1/2(h) Half-life time |
復相關系數(R2) Correlation coefficient |
| DMP | lnC=4.005-0.0925t | 0.0925 | 8.4 | 0.966 |
| DEP | lnC=3.911-0.0815t | 0.0815 | 8.16 | 0.999 |
| DnPP | lnC=3.905-0.0658t | 0.0658 | 10.08 | 0.976 |
| DnBP | lnC=3.976-0.05t | 0.05 | 14.88 | 0.974 |
| DnAP | lnC=3.988-0.0295t | 0.0295 | 26.16 | 0.971 |
| DiHP | lnC=3.962-0.0253t | 0.0253 | 29.28 | 0.986 |
| DINP | lnC=3.953-0.0132t | 0.0132 | 53.28 | 0.989 |
| DUP | lnC=3.936-0.0127t | 0.0127 | 56.4 | 0.983 |
| DTDP | lnC=3.95-0.0105t | 0.0105 | 63.6 | 0.924 |
相同污泥負荷下PAEs的生物降解 DMP、DEP、DPP、DBP、DAP、DiHP、DINP、DUP、DTDP所做的生物降解，PAEs濃度與時間之間具有如圖2、3所示的關系。用lnC=lnC0+kbt對降解過程的濃度與時間進行擬合，可得表1所列的降解動力學方程， 計算 得降解速率常數及半衰期。圖4表示PAEs生物降解速率常數與烷基鏈長度之間的關系，結果說明，鄰苯二甲酸酯類化合物生物降解的速率常數隨著分子量的增加而減小，回歸 分析 發現，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開始的亞甲基數目,kb為降解速率常數，前負號表示下降趨勢。圖5為PAEs化合物降解半衰期與與烷基鏈長度之間的關系。降解半衰期呈上升趨勢。用半衰期和PAEs進行回歸，得如下關系式：
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態過程及 規律 ，它是從實驗條件下獲得的降解速率常數與化合物碳原子數之間建立的相關關系，這有助于從化合物結構確定其降解速率，推算降解半衰期。這些相關關系也是進行降解與結構，既QSBR 研究 的基礎。和從另外實驗參數(如水解常數)與降解速率常數之間獲得降解相關性比較，更直接，因而更具有意義。
應用 回歸方程(1)及(2)能計算和預測其該類其余化合物的降解速率常數，降解半衰期等參數。與前人從化合物的水解與降解速率常數的相關性來看，具有一致性[9]，也具可比性。但這里的結論是基于：一、選用的測試化合物多由直鏈烷基構成(少數高分子量的PAEs由GC-MS鑒別含一定量的異構體，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，化合物對微生物而言只能在一定條件下是難降解，而改變條件會獲得不同的結論。PAEs好氧降解速率與堿性水解常數之間有相關性[10]，但由于PAEs化合物的水解作用遠不如降解作用，限制了使用。該類化合物降解存在難易差異，早有報道[11,12]。但其出發點不同，結論可比性不強。式(1)、(2)從最簡單的分子結構(碳原子數)就可獲得降解定量化數據，具有一定應用價值。
結構相似的同系物中，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性質，(如Kow、Kw、MW、rv等)。對PAEs化合物而言，降解與化合物的結構參數之間具有相關性，是因為：分子量增大一方面增加了分子對生物酶反應的空間位阻效應，使化合物難以到達酶的活性位點;另一方面，也因為分子量增大，起水溶作用的羰基在整個分子中的 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。可以認為，PAEs化合物的降解速度控制因素為化合物的空間結構，速率常數直接因分子大小而決定。
導致降解速率常數變化的另外一個原因可能是，分子量大的化合物有異構體(相近GC保留時間的少量異構體)，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，化合物分子結構不同也決定了降解途徑的不同，不同的降解途徑決定著不同的速率常數。但在假定相同的降解途徑下，降解速率常數應該是可以比較的。生物降解性與其結構是密切相關的，這種相關性在同系物中表現尤其明顯，如酚類化合物降解結果也具有這種關系[13]。據此，可以推測認為，獲得這樣的結果是遵循相同的降解途徑的。
4 結論
鄰苯二甲酸酯類化合物的生物降解應符合一級降解動力學方程，其降解速率常數隨著化合物分子烷基鏈的增加而減小，降解反應速率常數或降解半衰期與堿基鏈的長度變化呈曲線關系，并且可以用建立的相關方程(1)、(2)來描述。
參考 文獻
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