夏鳳毅1,2,鄭 平1,周 琪2,馮孝善1
(1 浙江大學(xué)環(huán)境工程系,杭州,310029;
2 同濟大學(xué)環(huán)境污染控制與廢物資源化國家重點實驗室 上海,200092)

　　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(jié)果表明，鄰苯二甲酸酯的降解速率常數(shù)（k_b）與其烷基鏈長度之間存在良好的相關(guān)性，lnk_b=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(guān)，t_1/2=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，相關(guān)

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、化妝品、香味品、潤滑劑、以及去泡劑的生產(chǎn)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[3];3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(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(jié)構(gòu)與降解相關(guān)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(jié)構(gòu)的相關(guān)性，對于深入認(rèn)識有機物生物降解規(guī)律，揭示有機物生物降解機理，預(yù)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(xué)結(jié)構(gòu)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)等都具有理論及實際指導(dǎo)意義。

2 材料與方法

2.1 研究對象
　　為了解研究污染物結(jié)構(gòu)與生物降解的相關(guān)性，本課題選取結(jié)構(gòu)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(zhì)峰。
2.2 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(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1.0ml加入好氧活性污泥（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(zhì)濃度為5mg·L-1，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(shè)備:國產(chǎn)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(yǎng)箱，三球（KD）濃縮儀，恒溫室等。
　　2.3.1 UV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分光光度計上測定吸光度（λ=223.5nm），繪制標(biāo)準(zhǔn)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(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留時間和峰面積確定。用外標(biāo)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(jīng)氣體流量計進入過濾瓶（瓶中裝有脫脂棉），經(jīng)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(yīng)瓶。爾后經(jīng)二級NaOH溶液瓶，排出放空。1~10號反應(yīng)器的容積均為500ml，徑高比為1:10。
　　2.4.2降解動力學(xué)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(yīng)瓶中，分別加入經(jīng)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(diào)到中性。同時另取一反應(yīng)瓶，作滅菌對照實驗。將模擬曝氣反應(yīng)裝置放在30oC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，使各反應(yīng)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(jié)果與討論

Table 1. 鄰苯二甲酸酯的降解動力學(xué)及參數(shù)
Table 1. Biodegradation kinetics of PAEs 化合物
Compound 降解動力學(xué)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 復(fù)相關(guān)系數(shù)(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(guān)系。用lnC=lnC0+k_bt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(xué)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(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:
　　lnk_b=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(shù)目,k_b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(guān)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(guān)系式：
　　t_1/2=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(guān)關(guān)系，這有助于從化合物結(jié)構(gòu)確定其降解速率，推算降解半衰期。這些相關(guān)關(guān)系也是進行降解與結(jié)構(gòu)，既QSBR研究的基礎(chǔ)。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(guān)性比較，更直接，因而更具有意義。

　　

　　

　　應(yīng)用回歸方程（1）及（2）能計算和預(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GC-MS鑒別含一定量的異構(gòu)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(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(jié)論可比性不強。式（1）、（2）從最簡單的分子結(jié)構(gòu)（碳原子數(shù)）就可獲得降解定量化數(shù)據(jù)，具有一定應(yīng)用價值。
　　結(jié)構(gòu)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Kow、Kw、MW、rv等）。對PAEs化合物而言，降解與化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間具有相關(guān)性，是因為：分子量增大一方面增加了分子對生物酶反應(yīng)的空間位阻效應(yīng)，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(rèn)為，PAEs化合物的降解速度控制因素為化合物的空間結(jié)構(gòu)，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)變化的另外一個原因可能是，分子量大的化合物有異構(gòu)體（相近GC保留時間的少量異構(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，化合物分子結(jié)構(gòu)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)。但在假定相同的降解途徑下，降解速率常數(shù)應(yīng)該是可以比較的。生物降解性與其結(jié)構(gòu)是密切相關(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)果是遵循相同的降解途徑的。

4 結(jié)論

　　鄰苯二甲酸酯類化合物的生物降解應(yīng)符合一級降解動力學(xué)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(yīng)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）來描述。

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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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作者簡介：男，昆明人，副教授，在職博士，主要從事水污染控制和廢物資源化教學(xué)與研究,E-mail:Fyxia999@163.net