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點擊數(shù)353到論壇進行討論來源工業(yè)用水與廢水游客選項發(fā)表評論收藏此頁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(shù)（KB）與其烷基鏈長度之間存在良好的相關性，LNKB00104X20340X1919R0989。降解半衰期與烷基鏈長度同時存在相關，T1/200296X24814X0953R0979。關鍵詞鄰苯二甲酸酯模擬曝氣法生物降解AEROBICDEGRADATIONOF9PHTHALICACIDESTERSXIAFENGYI1,2，ZHENGPING1，ZHOUQI2ANDFENGXIAOSHAN11DEPARTMENTOFENVIRONMENTALENGINEERING,ZHEJIANGUNIVERSITY,HANGZHOU,3100292STATEKEYLABOFPOLLUTIONCONTROLANDRESOURCEREUSE,TONGJIUNIVERSITY,SHANGHAI,200092ABSTRACTSPHTHALICACIDESTERSPAESAREAGROUPOFGLOBALENVIRONMENTALPOLLUTANTSINTHISPAPER,BIODEGRADATIONEXPERIMENTSOF9PAESWERECARRIEDOUTWITHACCLIMATEDINOCULATIONTHERESULTSSHOWEDTHATBIODEGRADATIONRATECONSTANTSKBOF9PAESDECREASED,ANDBIODEGRADATIONHALFLIFETIMET1/2INCREASED,WITHTHEINCREASEOFALKYLCHAINLENGTHTHEREHAVEBEENCORRELATIONSBETWEENALKYLCHAINLENGTHANDBIODEGRADATIONRATECONSTANTORHALFLIFETIME,RELATIONALEQUATIONLNKB00104X20340X1919R0989,T1/200296X24814X0953R0979。KEYWORDSPHTHALICACIDESTERS,AEROBICDIEAWAYDEGRADATIONMETHOD,BIODEGRADATION，CORRELATION1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(wěn)定性、流動性和低揮發(fā)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(yōu)污染物33種被我國列為先監(jiān)測污染物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)報導，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，國內外對該類化合物的研究主要集中在微生物優(yōu)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(tǒng)地從結構與降解相關性出發(fā)，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(guī)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(huán)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21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。22培養(yǎng)液與接種物實驗所用的3種無機鹽培養(yǎng)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（10G）和3種培養(yǎng)液各10ML加入好氧活性污泥（10L）中?；旌虾螅糜?L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5MGL1，于30恒溫室中培養(yǎng)；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05CM厚的脫脂棉過濾，濾液用作曝氣接種物。23分析方法儀器及設備國產TECHCOMP7890（天美）型氣相色譜儀FID檢測器，SHIMADZUUV1206（島津）型分光光度計，恒溫培養(yǎng)箱，三球（KD）濃縮儀，恒溫室等。231UV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UV1206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（2235NM），繪制標準曲線，建立濃度吸光度回歸方程。232GC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。24生物降解試驗241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(wěn)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。110號反應器的容積均為500ML，徑高比為110。242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(jié)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TABLE1鄰苯二甲酸酯的降解動力學及參數(shù)TABLE1BIODEGRADATIONKINETICSOFPAES化合物COMPOUND降解動力學方程BIODEGRADATIONKINETICSEQUATION降解速率常KBH1RATECONSTANT半衰期T1/2HHALFLIFETIME復相關系數(shù)R2CORRELATIONCOEFFICIENTDMPLNC400500925T00925840966DEPLNC391100815T008158160999DNPPLNC390500658T0065810080976DNBPLNC3976005T00514880974DNAPLNC398800295T0029526160971DIHPLNC396200253T0025329280986DINPLNC395300132T0013253280989DUPLNC393600127T001275640983DTDPLNC39500105T001056360924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LNCLNC0KBT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(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系，結果說明，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LNKB00104X20340X1919R0989（1）式中X表示PAES中從DMP開始的亞甲基數(shù)目,KB為降解速率常數(shù)，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T1/200296X24814X0953R097942X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態(tài)過程及規(guī)律，它是從實驗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(shù)（如水解常數(shù)）與降解速率常數(shù)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(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(shù)高分子量的PAES由GCMS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(shù)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(fā)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(shù)）就可獲得降解定量化數(shù)據(jù)，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(shù)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?？梢哉J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(shù)直接因分子大小而決定。導致降解速率常數(shù)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(shù)。但在假定相同的降解途徑下，降解速率常數(shù)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(xiàn)尤其明顯，如酚類化合物降解結果也具有這種關系13。據(jù)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(shù)隨著化合物分子烷基鏈的增加而減小，降解反應速率常數(shù)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1STAPLES,CA,PETERSONDR,PARKERTONTFETALTCHEMOSPHERE,1997,3546677492BAUCER,MJ,ANDHERRMANN,RSCITOTALENVIRON,1997,20849573張錫輝編著高等環(huán)境化學與微生物學原理及應用M北京，化學工業(yè)出版社,2001,471494奚旦立主編，蔣展鵬主審環(huán)境工程手冊M環(huán)境監(jiān)測卷北京，高等教育出版社,1998,00710085PARKERTONTFANDKONKELWJECOTOXICOANDENVIRONSAFETY,2000,4561786THOMSENTAGANDCLCHEMOSPHERE1999,811261326247BROWN,D,CROUDACE,CP,WILLIAMS,NJ,ETALCHEMOSPHERE1998,6636713788程樹培主編環(huán)境生物技術實驗指南M南京，南京大學出版社，1995,75809WOLFENL,STEENWCANDBURNSCHEMOSPHERE1980940340810葉常明，田康鄰苯二甲酸脂類