9种邻苯二甲酸酯化合物的模拟曝气降解研究

夏凤毅1,2,郑 平1,周 琪2,冯孝善1
(1 浙江大学环境工程系,杭州,310029;
2 同济大学环境污染控制与废物资源化国家重点实验室 上海,200092)

　　摘　要:邻苯二甲酸酯是一类全球性的重要污染物，本课题进行了9种邻苯二甲酸酯化合物的模拟曝气生物降解行为研究。结果表明，邻苯二甲酸酯的降解速率常数（k_b）与其烷基链长度之间存在良好的相关性，lnk_b=0.0104x²-0.340x-1.919 (r=0.989)。降解半衰期与烷基链长度同时存在相关，t_1/2=0.0296x²-4.814x-0.953 (r=0.979)。
　　关键词 邻苯二甲酸酯，模拟曝气法，生物降解，相关

1 前言

　　邻苯二甲酸酯（简称PAEs）通常用作农药载体、驱虫剂、化妆品、香味品、润滑剂、以及去泡剂的生产原料；较高分子量的PAEs因其具有稳定性、流动性和低挥发性，也被广泛用作塑料增强剂和改性剂[1,2]。商品化使用的邻苯二甲酸酯类化合物约有14种，其中6种被美国EPA列为优污染物[3];3种被我国列为先监测污染物[4]。有证据表明，邻苯二甲酸酯类化合物中约一半是环境激素[5,6]。据报导，在土壤、水体、大气、生物甚至人体等自然环境和人类环境中都已发现邻苯二甲酸酯的分布[7]。城市、小城镇的生活垃圾和渗滤液中也含有浓度显著的邻苯二甲酸酯。
　　生物降解是环境污染物降解和消失的要途径。目前，国内外对该类化合物的研究主要集中在微生物优势种的筛选，单个化合物尤其是邻苯二甲酸二丁酯、二辛酯的降解机理研究，而系统地从结构与降解相关性出发，用污水处理厂活性污泥进行研究报道不多。研究有机物生物降解性与化合物结构的相关性，对于深入认识有机物生物降解规律，揭示有机物生物降解机理，预测有机物生物降解特性，都具有重要作用。本课题采用模拟曝气衰变法模拟废水处理厂，研究了邻苯二甲酸酯的生物降解行为和影响因素，探索了邻苯二甲酸酯类化合物化学结构与生物降解之间的关系。研究结果对含邻苯二甲酸酯的废水生物处理，受邻苯二甲酸酯污染的环境原位生物修复等都具有理论及实际指导意义。

2 材料与方法

2.1 研究对象
　　为了解研究污染物结构与生物降解的相关性，本课题选取结构上具有代表性的部分邻苯二甲酸酯作为研究对象，即：邻苯二甲酸二甲酯（DMP）、邻苯二甲酸二乙酯（DEP）、苯二甲酸二丙酯（DPP）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二戊酯(DAP)、邻苯二甲酸二庚酯(DiHP)、邻苯二甲酸二辛酯(DnOP)、邻苯二甲酸二壬酯(DINP)、邻苯二甲酸二11烷基酯(DUP)、邻苯二甲酸二13烷基酯(DTDP)。所用试剂在GC测试中无杂质峰。
2.2 培养液与接种物
　　实验所用的3种无机盐培养液的组成参照文献[8]。接种所用的活性污泥取自杭州市四堡污水处理厂曝气池；新鲜菜园土取自本校菜园地，经风干、捻碎后过60目筛。将菜园土（1.0g）和3种培养液各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气24h，进行接种物的驯化。驯化过程为：先加入少量待测试的各种PAEs化合物，使溶液中基质浓度为5mg·L-1，于30℃恒温室中培养；24h后依次增加PAEs浓度,对菌种进行进一步驯化；约一周后，加入的PAEs降解完全，用双层纱布夹0.5cm厚的脱脂棉过滤，滤液用作曝气接种物。
2.3 分析方法
　　仪器及设备:国产TECHCOMP7890（天美）型气相色谱仪 (FID检测器)，SHIMADZU UV-1206（岛津）型分光光度计，恒温培养箱，三球（KD）浓缩仪，恒温室等。
　　2.3.1 UV分析测定方法
　　准确称取一定量的PAEs纯品于烧杯中，加重蒸水和适量助溶剂吐温-40，混合溶解后于容量瓶中定容，得标准溶液。各种化合物的最大吸收峰通过UV-1206分光光度计扫描确定，选取各种化合物都具有明显吸收的波长来制定标线和测定PAEs样品。取一定量的标准溶液稀释成一定浓度，用石油醚萃取后在UV分光光度计上测定吸光度（λ=223.5nm），绘制标准曲线，建立浓度-吸光度回归方程。
　　2.3.2 GC分析方法
　　在降解抑制实验中，混合组分样品用氯仿萃取，萃取液经KD浓缩仪浓缩后,用气相色谱测定降解过程中的PAEs浓度的变化。各PAEs化合物的鉴别和定量分别由保留时间和峰面积确定。用外标法定量。
2.4 生物降解试验
　　2.4.1 试验装置
　　试验装置如图1所示。空气经气体流量计进入过滤瓶（瓶中装有脱脂棉），经过变色硅胶瓶、NaOH溶液前吸收瓶和稳压瓶后进入模拟曝气反应瓶。尔后经二级NaOH溶液瓶，排出放空。1~10号反应器的容积均为500ml，径高比为1:10。
　　2.4.2降解动力学的测定
　　将等量的各种邻苯二甲酸酯（DMP、DEP、DnPP、DnBP、DnAP、DiHP、DINP、DUP和DTDP）加入各模拟曝气反应瓶中，分别加入经过驯化的接种物，每瓶装液量为400ml。用精密pH试纸测定酸碱度，并用稀盐酸和NaOH溶液调到中性。同时另取一反应瓶，作灭菌对照实验。将模拟曝气反应装置放在30oC恒温室中。每种化合物做3次重复。按图1接通气路，调节气量，使各反应瓶模拟曝气，待液体混合10min后，各取一定量的样品，用石油醚萃取，分析测定初始浓度。每隔一定时间，同样取样分析。

3 结果与讨论

Table 1. 邻苯二甲酸酯的降解动力学及参数
Table 1. Biodegradation kinetics of PAEs 化合物
Compound 降解动力学方程
Biodegradation kinetics equation 降解速率常k_b(h^-1)
Rate constant 半衰期t_1/2(h)
Half-life time 复相关系数(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

　　相同污泥负荷下PAEs的生物降解 DMP、DEP、DPP、DBP、DAP、DiHP、DINP、DUP、DTDP所做的生物降解，PAEs浓度与时间之间具有如图2、3所示的关系。用lnC=lnC0+k_bt对降解过程的浓度与时间进行拟合，可得表1所列的降解动力学方程，计算得降解速率常数及半衰期。图4表示PAEs生物降解速率常数与烷基链长度之间的关系，结果说明，邻苯二甲酸酯类化合物生物降解的速率常数随着分子量的增加而减小，回归分析发现，呈抛物线型曲线:
　　lnk_b=0.0104x²-0.340x-1.919 (r=0.989) （1）
　　式中x表示PAEs中从DMP开始的亚甲基数目,k_b为降解速率常数，前负号表示下降趋势。图5为PAEs化合物降解半衰期与与烷基链长度之间的关系。降解半衰期呈上升趋势。用半衰期和PAEs进行回归，得如下关系式：
　　t_1/2=0.0296x²-4.814x-0.953 (r=0.9794) (2)
　　x意义同前，说明随烷基链碳原子数的增加，降解半衰期也呈曲线增加。曲线回归方程式（1）及（2）反映了PAEs类化合物的生物降解的动态过程及规律，它是从实验条件下获得的降解速率常数与化合物碳原子数之间建立的相关关系，这有助于从化合物结构确定其降解速率，推算降解半衰期。这些相关关系也是进行降解与结构，既QSBR研究的基础。和从另外实验参数（如水解常数）与降解速率常数之间获得降解相关性比较，更直接，因而更具有意义。

　　

　　

　　应用回归方程（1）及（2）能计算和预测其该类其余化合物的降解速率常数，降解半衰期等参数。与前人从化合物的水解与降解速率常数的相关性来看，具有一致性[9]，也具可比性。但这里的结论是基于：一、选用的测试化合物多由直链烷基构成（少数高分子量的PAEs由GC-MS鉴别含一定量的异构体，但有可以鉴别的GC峰）。二、样本量较大，具有足够的代表性。生物降解和水解不完全相同，化合物对微生物而言只能在一定条件下是难降解，而改变条件会获得不同的结论。PAEs好氧降解速率与碱性水解常数之间有相关性[10]，但由于PAEs化合物的水解作用远不如降解作用，限制了使用。该类化合物降解存在难易差异，早有报道[11,12]。但其出发点不同，结论可比性不强。式（1）、（2）从最简单的分子结构（碳原子数）就可获得降解定量化数据，具有一定应用价值。
　　结构相似的同系物中，决定降解的主要因素就是分子的大小，以及由分子大小变化所带来的相关性质，（如Kow、Kw、MW、rv等）。对PAEs化合物而言，降解与化合物的结构参数之间具有相关性，是因为：分子量增大一方面增加了分子对生物酶反应的空间位阻效应，使化合物难以到达酶的活性位点；另一方面，也因为分子量增大，起水溶作用的羰基在整个分子中的影响成分逐渐减小，降低了分子量大的邻苯二甲酸酯类化合物的水溶性，影响在水中的溶解，难以被微生物所利用，从而影响了降解。可以认为，PAEs化合物的降解速度控制因素为化合物的空间结构，速率常数直接因分子大小而决定。
　　导致降解速率常数变化的另外一个原因可能是，分子量大的化合物有异构体（相近GC保留时间的少量异构体），这对微生物酶的识别和降解不如低分子量高纯度的容易。另外，化合物分子结构不同也决定了降解途径的不同，不同的降解途径决定着不同的速率常数。但在假定相同的降解途径下，降解速率常数应该是可以比较的。生物降解性与其结构是密切相关的，这种相关性在同系物中表现尤其明显，如酚类化合物降解结果也具有这种关系[13]。据此，可以推测认为，获得这样的结果是遵循相同的降解途径的。

4 结论

　　邻苯二甲酸酯类化合物的生物降解应符合一级降解动力学方程，其降解速率常数随着化合物分子烷基链的增加而减小，降解反应速率常数或降解半衰期与碱基链的长度变化呈曲线关系，并且可以用建立的相关方程（1）、（2）来描述。

参考文献

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Aerobic Degradation of 9 Phthalic Acid Esters
Xia Fengyi1,2，Zheng Ping1，Zhou Qi2 and Feng Xiaoshan1

(1 Department of Environmental Engineering,Zhejiang University,Hangzhou,310029;
2 State Key Lab. of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University,Shanghai,200092)

　　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(k_b) of 9 PAEs decreased, and biodegradation half-life time(t_1/2) 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: lnk_b=0.0104x²-0.340x-1.919 (r=0.989),t_1/2=0.0296x²-4.814x-0.953 (r=0.979)。
　　Keywords: Phthalic acid esters, Aerobic die-away degradation method, Biodegradation.，Correlation.

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作者简介：男，昆明人，副教授，在职博士，主要从事水污染控制和废物资源化教学与研究,E-mail:Fyxia999@163.net