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9种邻苯二甲酸酯化合物的模拟曝气降解研究
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(kb)与其烷基链长度之间存在良好的相关性,lnkb=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,t1/2=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
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(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
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kb(h-1)
Rate constant
半衰期t1/2(h)
Half-life time
复相关系数(R2)
Correlation coefficient