毛 喆, 李 丹, 鐘 音, 朱錫芬,鮮海洋, 彭平安

(1. 中國科學院 廣州地球化學研究所 有機地球化學國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學院 廣州地球化學研究所中國科學院礦物學與成礦學重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 3. 廣東省礦物物理與材料研究開發(fā)重點實驗室, 廣東 廣州510640; 4. 中國科學院大學, 北京 100049)

0 引 言

六溴環(huán)十二烷(hexabromocyclododecane, HBCD)是目前世界上使用量最大的溴代阻燃劑之一, 廣泛應用于建筑材料、紡織品以及電子產品中。據(jù)統(tǒng)計,1999年、2001年及2006年全球HBCD產量分別達到 15900 t、16700 t和 20000 t[1–2]。由于大量使用,HBCD在亞洲、歐洲、北美及北極地區(qū)等地的大氣、水、土壤和沉積物等多種環(huán)境介質中被廣泛檢出[3–10]。而HBCD親脂性強, 容易通過食物鏈或其他途徑在生物體內富集, 具有生物毒性, 對人體和環(huán)境健康構成嚴重威脅。研究表明HBCD會影響哺乳動物的神經系統(tǒng), 對肝臟有一定的毒性[10], 甚至有可能導致人體基因重組, 并進一步引起一系列疾病[11–12]。2013年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署將HBCD列入《關于POPs的斯德哥爾摩公約》禁用化學制品的黑名單[1]。因此, 如何有效控制和降低 HBCD的生態(tài)環(huán)境風險已成為一個亟待解決的科學問題。

由于HBCD疏水性強, 極易吸附和富集于環(huán)境土壤、沉積物、懸浮顆粒中, 其在土壤/沉積物中的環(huán)境行為引起了國內外研究人員的廣泛關注[3–10]。HBCD在土壤/沉積物中的自然衰減包括生物降解與非生物轉化, 是其環(huán)境行為的重要組成部分。已有的研究主要集中在 HBCD 的生物降解[13–17]。但是,在高污染、低溫和酸性等極端環(huán)境脅迫下, 微生物生長和活性會受到抑制, 而非生物轉化會成為HBCD自然衰減的重要途徑。近年來有不少研究報道了 HBCD的熱降解和光降解過程[18–21]; 但是, 關于環(huán)境中的自然氧化還原劑對HBCD的非生物轉化研究十分薄弱。僅見Loet al.[22]報道了溶解態(tài)硫離子(被認為較為廣泛地存在于厭氧的沉積物環(huán)境中)非生物轉化HBCD的過程和機制。

硫化亞鐵(FeS)礦物是一類重要的自然還原劑,廣泛存在于土壤、河流沉積物、地下水、近海等環(huán)境中, 主要由硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria,SRB)通過利用環(huán)境中的有機質作為碳源和代謝能量,將硫酸鹽還原成硫化氫, 硫化氫再與環(huán)境中的可溶性鐵沉淀而形成的硫鐵礦物。硫鐵礦物在沉積物中的形態(tài)主要有: 無定形FeS、四方硫鐵礦Fe0.995～1.023S、硫復鐵礦 Fe3S4、黃鐵礦 FeS2等[23]。大量研究表明硫鐵礦物具有還原轉化鹵代有機污染物的活性, 能夠將多種氯代和溴代有機污染物(如三氯乙烯、四氯乙烯、六氯乙烷、五氯乙烷、1, 1, 2, 2-和1, 1, 1, 2-四氯乙烷、1, 1, 1-三氯乙烷、四氯化碳、對硝基氯苯、三溴甲烷和1, 2-二溴乙烷等)脫鹵轉化為低鹵代和無鹵代化合物, 轉化途徑主要包括脫鹵化氫反應、加氫脫鹵反應、脫雙鹵反應等[24–27]。除了這些低分子量的鹵代有機污染物, FeS還能促進高分子量持久性有機污染物(POPs)的非生物轉化。Liuet al.[28]報道了FeS能對POPs林丹(γ-六氯環(huán)己烷)進行還原脫氯, 在25 ℃、pH 6.9條件下林丹的還原脫氯半衰期為 55 d, 主要通過脫氯化氫和雙氯消除等反應逐步脫氯轉化為五氯環(huán)己烯、四氯環(huán)己烯和二氯環(huán)己二烯等中間產物以及三氯苯、二氯苯和氯苯等最終產物。此外, 當FeS被固定在真菌Itajahiasp. 產生的高分子聚合物時, 林丹的脫氯率在8 h內達到95%[29]。Pirnieet al.[30]的研究結果也表明FeS能在150 h內將56%的有機氯農藥滴滴涕(1,1,1-trichloro-2,2-bis(p-chlorophenyl) ethane, DDT)進行還原脫氯。由此可以推測, FeS對這些鹵代污染物在地表環(huán)境中的遷移轉化會產生重要影響。但迄今為止, 還沒有關于FeS還原脫溴HBCD的報道。

本文選用兩種不同類型的硫酸鹽還原菌(一種是嗜酸性硫酸鹽還原菌Desulfosporosinussp., 另一種是嗜中性硫酸鹽還原菌Desulfomicrobium baculatum)合成兩種FeS礦物, 通過一系列的表征手段研究和比較這兩種 FeS的表面特征, 并開展批處理實驗, 研究它們還原脫溴 HBCD (包括α-,β-和γ-HBCD 三種主要同分異構體)的動力學過程和途徑。本文獲得的研究結果將有助于更全面地了解HBCD在地表土壤/沉積環(huán)境中的自然衰減過程, 并為HBCD的環(huán)境風險評估和污染治理提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

嗜酸性硫酸鹽還原菌Desulfosporosinussp.由中山大學生命科學學院提供, 該菌的培養(yǎng)基(每升)成分為: (NH4)2SO40.45 g、KCl 0.05 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、KH2PO40.05 g、Ca(NO3)2·4H2O 0.014 g、酵母提取物 0.2 g, 、油 0.92 g、刃天青鈉 1.0 mg、FeSO4·7H2O 0.5 g、抗壞血酸0.02 g、巰基乙醇1 g, pH = 4。嗜中性硫酸鹽還原菌Desulfomicrobium baculatum購買于中國普通微生物菌種保藏管理中心, 菌種保存號為1.3467。該菌的培養(yǎng)基(每升)成分為: K2HPO40.5 g、NH4Cl 1.0 g、Na2SO41.0 g、CaCl2·2H2O 0.1 g、MgSO4·7H2O 2.0 g、酵母提取物 1.0 g、DL-乳酸鈉2.0 g、刃天青鈉 1.0 mg、FeSO4·7H2O 0.5 g、維生素C 0. 2 g、巰基乙酸鈉0.1 g, pH = 7。HBCD (純度＞95%)購買自 Tokyo Chemical Industry Co. Ltd。

1.2 FeS的生物合成

按體積比為 10%的接種量將上述兩種硫酸鹽還原菌菌種分別接種到滅菌過的、相應的新鮮培養(yǎng)基中, 在30 ℃條件下厭氧培養(yǎng)3～7 d直至菌液培養(yǎng)物出現(xiàn)黑色沉淀物即 FeS, 然后將菌液轉入?yún)捬跏痔紫?99.999% N2)中, 加入少量鉬酸鈉抑制硫酸鹽還原菌活性(以排除其在批處理實驗中可能對 HBCD還原脫溴的干擾), 以8000 r/min轉速離心分離, 去除上清培養(yǎng)液, 合并FeS, 用去離子水多次清洗FeS,然后將FeS保存于手套箱中用于表征分析和批處理還原脫溴實驗。嗜酸性硫酸鹽還原菌合成的FeS命名為S-FeS, 嗜中性硫酸鹽還原菌合成的FeS命名為Z-FeS。

1.3 批處理還原脫溴實驗

HBCD還原脫溴動力學批處理實驗采用 8 mL厭氧管為反應瓶。首先在手套箱中將5.88 mL的生物合成FeS懸浮液(去離子水或者緩沖溶液配制, 濃度如下文所述)加入到厭氧管中, 然后加入 120 μL 100 mg/L的 HBCD母液(乙醇配制), 混勻, 塞上內層涂有特氟龍的橡膠塞, 擰緊旋蓋, 充分保持密閉,將密封好的厭氧管移出手套箱, 置于恒溫振蕩箱中反應(轉速為 200 r/min以保證異相反應體系下 FeS與HBCD充分接觸發(fā)生反應, 該振蕩過程不影響厭氧管的密閉效果), 溫度為30 , ℃避光, 定期(反應開始后的第0 h、6 h、12 h、24 h、36 h和48 h)取出3個平行樣對HBCD剩余量進行分析。實驗考察了FeS投加濃度(0.3 g/L、0.6 g/L和1.2 g/L)對FeS還原脫溴HBCD程度的影響, FeS懸浮液由Mini-Q去離子水(pH = 6.8)配制, 未調節(jié)pH值。此外, 實驗還考察了pH值(4、6和8)對FeS還原脫溴HBCD程度的影響, pH值由檸檬酸鈉-磷酸氫二鈉緩沖液調節(jié),FeS的初始濃度為1.2 g/L。

由于HBCD疏水性強(lgKow＞ 4.5), 在異相反應體系中容易吸附在 FeS表面, 因此本實驗分別對固相中HBCD剩余量(吸附在FeS表面并且未被還原脫溴的部分)和液相中HBCD剩余量進行了萃取。首先,樣品以10000 r/min的轉速離心10 min, 將固相和液相分開, 萃取固相表面吸附的HBCD的過程如下:萃取劑采用甲醇和甲苯的混合液(體積比為 1/1, 加1 mg/L六溴苯為內標), 每次加2 mL萃取劑, 置于恒溫振蕩箱中振蕩7 min, 轉速為200 r/min, 然后以8000 r/min地轉速離心10 min, 分離萃取液, 萃取2次后, 合并萃取液, 加入少量經酸洗和甲醇洗過的銅片去硫, 氮吹干萃取液, 加入 4 mL正己烷定容,取出1 mL至1.5 mL的細胞瓶中上機GC-ECD (Gas chromatography with an electron capture detector)進行定量分析; 萃取液相中HBCD的過程如下: 加入2 mL萃取劑正己烷(含1 mg/L內標六溴苯), 置于恒溫振蕩箱中振蕩10 min, 靜置, 分離萃取液, 萃取2次后, 合并萃取液, 取出1 mL上機GC-ECD分析。固相萃取時 HBCD 萃取回收率為(101.40±0.99)%,內標六溴苯萃取回收率為(100.5±0.5)%, 基本保證吸附在FeS表面的HBCD完全被萃取出來; 液相萃取時HBCD萃取回收率也達到(99.8±1.9)%, 內標六溴苯萃取回收率為(100.3±0.2)%。預實驗研究發(fā)現(xiàn)整個反應過程中未在液相中檢測到 HBCD (儀器檢測限為30 μg/L), 這表明HBCD加入到FeS-H2O體系后, 快速地吸附在FeS表面上, 然后在FeS表面發(fā)生還原脫溴反應。因此, 本論文主要研究吸附在礦物表面的HBCD的還原脫溴動力學過程。HBCD的還原脫溴量等于HBCD的初始量減去HBCD在固相上的吸附量, HBCD的轉化率計算方法為: HBCD轉化率=(HBCD初始量– HBCD固相吸附量)/HBCD初始量。

中間產物鑒定實驗采用50 mL厭氧瓶為反應瓶,首先在手套箱中將29.7 mL的生物合成FeS懸浮液(0.6 g/L)加入到厭氧瓶中, 然后加入300 μL 100 mg/L的 HBCD 母液(乙醇配制), 混勻, 塞上內層涂有特氟龍的橡膠塞, 擰緊旋蓋, 充分保持密閉, 將厭氧瓶密封好后移出手套箱, 置于恒溫振蕩箱中反應,轉速為200 r/min, 溫度為25 , ℃避光, 定期(反應開始后的第0 h、6h、18 h和48 h)取出1個樣品對其中的還原脫溴產物進行分析。萃取劑采用甲醇和甲苯的混合液(體積比為 1/1)和正己烷, 樣品中的固體采用甲醇和甲苯的混合液萃取, 萃取 2次, 每次使用 20 mL萃取劑, 樣品中的液體采用正己烷萃取,萃取2次, 每次使用20 mL萃取劑; 合并所有萃取液, 靜置待分層后, 分離上層液(含甲苯、正己烷和少量甲醇), 下層液(含甲醇和水)用正己烷萃取 2次,每次使用20 mL萃取劑, 合并所有上層萃取液。將上層萃取液過無水硫酸鈉, 加入適量稀鹽酸、甲醇和正己烷清洗過的銅片, 然后將樣品進行真空旋蒸至2 mL, 再過復合硅膠氧化鋁層析柱洗脫液通過真空旋轉蒸發(fā)至1 mL, 轉移至1.5 mL細胞瓶, 氮吹干,加1 mL正己烷至GC-MS (Gas chromatography-Mass spectrometry)進行分析。

復合硅膠氧化鋁柱制備: 使用內徑為1 cm、長度為 40 cm 層析柱, 正己烷濕法裝柱法, 由下至上分別裝入少量脫脂棉、6 cm中性氧化鋁、2 cm中性硅膠、8 cm酸性硅膠和2 cm無水硫酸鈉。其中脫脂棉、氧化鋁和硅膠均經甲醇和二氯甲烷各索氏抽提48 h, 無水硫酸鈉經450 ℃焙燒5 h, 洗脫劑采用70 mL二氯甲烷/正己烷(體積比為1/1)混合溶液。

1.4 儀器與分析方法

比表面積的分析采用 BET (Brunauer-Emmett-Teller)法, 使用的儀器是 MicroActive公司 ASAP 2020型比表面積分析儀。SEM-EDS (Scanning Electron Microscope-Energy Disperse Spectroscopy)的測定采用德國ZEISS Merlin型高分辨率熱場發(fā)射掃描電鏡,SE檢測器, 加速電壓為10 kV。XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)分析采用Thermo Fisher K-Alpha 型X射線光電子能譜儀, X 射線源為AlKα線, 全元素掃描能量為100 eV, 單元素掃描能量為30 eV, 分析區(qū)域 400 μm, 步長 0.05 eV。XRD (X-Ray Diffraction)測定采用德國Bruker公司的D8 ADVANCE儀器, 靶源采用銅靶, 掃描范圍 15°～70°, 掃描速度 2 (°)/min,掃描步長 0.01 (°)/步。

HBCD定量分析采用島津氣相色譜儀(GCECD), 升溫程序為: 初始溫度為60 ℃, 保持1 min,以20 /min℃的升溫速率升至260 , ℃再以5 /min℃的升溫速率升至310 , ℃保持10 min。反應過程中α-HBCD、β-HBCD和γ-HBCD同分異構體的測定采用Agilent 1200液相色譜- Agilent 6410電噴霧三重四極桿質譜(LC-ESI-MS/MS), 流動相A為甲醇/水(體積比為 90/10), 流動相 B為乙腈, 流速為0.25 mL/min, 洗脫程序為: 初始A/B為90/10(體積比), 在1 min內下降為60/40, 再在4 min內下降至30/70, 最后在 9 min內上升回到初始的 90/10。HBCD動力學反應中間產物的測定采用島津氣相色譜-質譜聯(lián)用儀(GC-MS), 柱初始溫度為100 , ℃保持1 min, 以10 /min℃的升溫速率升至300 , ℃保持10 min; MS采用電子轟擊源(EI), 離子源溫度為250 ;℃接口溫度250 , ℃溶劑延長時間5 min; 離子掃描范圍為m/z45～700, 掃描時間為 5.5～31 min。

2 結果和討論

2.1 生物合成FeS礦物的特性分析

圖 1 S-FeS (a)和 Z-FeS (b)的 SEM 圖Fig. 1 SEM photomicrographs of FeS formed from acidophilic sulfate-reducing bacteria (S-FeS, a)and neutrophilic sulfate-reducing bacteria (Z-FeS, b)

BET分析的結果表明, S-FeS和Z-FeS的比表面積分別為13.35 m2/g和7.64 m2/g, 明顯小于Rickard[31]通過化學法合成的FeS的比表面積(36.5 m2/g)。圖1是 S-FeS和 Z-FeS的掃描電鏡圖像, 由圖可看出兩種硫酸鹽還原菌合成的FeS結構均為不定形的蓬松狀。圖2是兩種FeS的X-射線衍射圖譜, 可以看出它們僅有幾個寬化的峰與四方硫鐵礦(PDF15-0037)相吻合, 表明合成的 FeS結晶性較差?？潞嫉萚32]發(fā)現(xiàn)利用脫硫腸狀菌(Desulfotomaculum putei)合成的FeS主要以無定形態(tài)和微晶形式存在, 而謝翼飛等[33]報道了由脫硫弧菌(Desulfovibriosp.)、脫硫腸狀菌(Desulfotomaculumsp.)、脫硫桿菌(Desulfobactersp.)、陰溝腸桿菌(Enterobacter cloacesp.)、芽孢桿菌(Bacillussp.)等5株菌組成的復合菌合成的FeS也主要以無定形態(tài)和微晶形式存在。另外, Rickard[34]研究表明, FeS在25 ℃的水溶液中轉化成結晶較好的四方硫鐵礦需要兩年時間; 這也間接說明硫酸鹽還原菌初期合成的FeS結晶較差是合理的。

圖2 S-FeS和Z-FeS的XRD譜圖以及四方硫鐵礦的標準XRD譜圖Fig. 2 XRD patterns of S-FeS and Z-FeS samples as well as the standard mackinawite

SEM-EDS測出S-FeS和Z-FeS樣品的鐵硫原子比(Fe/S)分別為 0.91和 0.84。由此可以看出本文所合成的兩種FeS礦物并不是由單一的FeS組成。這與柯杭等[32]的研究結果相吻合, 他們發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌Desulfotomaculum putei合成的FeS礦物的Fe/S也不是11∶。事實上, 已有研究發(fā)現(xiàn), 在自然界的沉積物中發(fā)現(xiàn)的鐵硫化物礦物主要有無定形 FeS、四方硫鐵礦、硫復鐵礦和黃鐵礦[23]; 其中, 無定形FeS、四方硫鐵礦和硫復鐵礦在酸性條件下易分解,常轉化為熱化學更穩(wěn)定的黃鐵礦, 但是在沒有過量HS–存在的條件下, 它們也可長期存在。不過Lennieet al.[35]和 Pósfaiet al.等[36]的研究認為, 硫酸鹽還原菌與 Fe2+形成的硫鐵礦初期主要是結晶較差的四方硫鐵礦。Benninget al.[37]和Wilkinet al.[38]的研究也表明, 處于初生態(tài)的硫鐵化合物主要以無定形 FeS和四方硫鐵礦為主。如圖2所示, S-FeS的XRD衍射圖有 4 個衍射峰(2θ= 17.6°、30.1°、39.0°和 50.4°)分別對應四方硫鐵礦(15-0037)的(001)、(101)、(111)和(200)面網(wǎng)衍射峰, Z-FeS有2個衍射峰(2θ= 17.6°和 50.4°)分別對應四方硫鐵礦的(001)和(200)面網(wǎng)衍射峰; 因此可初步推斷S-FeS和Z-FeS均是主要由初生成的無定形FeS和結晶較差的四方硫鐵礦組成。

圖3為S-FeS和Z-FeS的O(1s)、Fe(2p3/2)和S(2p)的XPS譜圖, 并進行了分峰處理。表1列出了S-FeS和Z-FeS的O(1s)、Fe(2p3/2)和S(2p)譜峰擬合出來的相應化合物及相關參數(shù)。根據(jù)擬合的化合物數(shù)據(jù)并參考文獻[39–45], 筆者推論兩種 FeS樣品的 O(1s)峰的結合能(530.0±0.1) eV、(531.3±0.1) eV 和(532.4±0.1) eV分別對應鐵氧化合物的氧[39]、羥基氧化物的氧和吸附水的氧[40]。從表 1中可以看出, 兩種 FeS礦物表面羥基氧化物的含量幾乎相同, 但它們表面的鐵氧化物和吸附水含量差異較大。Fe(2p3/2)峰的結合能(707.3±0.2) eV、(708.2±0.3) eV 和(709.5±0.2) eV對應與硫結合的二價鐵(Fe(II)-S)[40–41], 它在 S-FeS和Z-FeS的相對含量分別為63.6%和77.2%, 這與筆者之前的推論是吻合的, 也就是說兩種FeS的主要組成成分都是四方硫鐵礦和 FeS; Fe(2p3/2)峰的結合能(711.0±0.2) eV對應的化合物為與硫結合的三價鐵(Fe(III)-S)[41], 結合能(711.8±0.4) eV 和(714.3±0.1) eV對應的化合物為與氧結合的三價鐵(Fe(Ⅲ)-O)[42–43]。S(2p)峰的結合能(161.1±0.2) eV 和(162.3±0.2) eV 對應 S2–[39,44], S2–在-FeS和 Z-FeS的相對含量分別為67.7%和 76.5%, 與 Fe(Ⅱ)的相對含量非常接近, 表明大部分S2–與Fe結合而形成FeS; S(2p)峰的結合能(163.8±0.2) eV、(167.2±0.4) eV 和(168.4±0.1) eV 分別對應的是 Sn2–[44]、SO32–和 SO42–[39,44]。SO32–和SO42–相對含量均小于4.5%, 可忽略不計。

表1 兩種FeS的S(2p)、Fe(2p3/2)和O(1s)XPS譜峰的結合能和峰面積Table 1 XPS binding energies (BE) and relative abundances of O(1s), Fe(2p3/2) and S(2p) on the surface of S-FeS and Z-FeS

2.2 生物合成FeS還原脫溴HBCD的反應動力學

如圖4所示, S-FeS和Z-FeS均對HBCD具有還原脫溴的能力, 而且還原脫溴反應都基本遵循假一級反應動力學, 其相關參數(shù)如表2所示。已有研究表明, 還原型多硫化物和納米鐵對HBCD的還原脫溴也都符合假一級反應動力學[21,39]。在本研究中, 當 FeS起始濃度在0.3～1.2 g/L范圍內變化時, 隨著FeS濃度的增高,FeS還原脫溴HBCD的速率常數(shù)也是呈增加趨勢, 并且當FeS的濃度為1.2 g/L時, 兩種FeS對HBCD的還原脫溴率在12小時內均達到100%。這現(xiàn)象可能與高濃度的FeS能提供更多的活性反應位點有關。類似地,羅麗卉等[45]在研究由硫酸鹽還原菌Desulfovibrio desulfuricans合成FeS的時候發(fā)現(xiàn), 該FeS材料去除Cu2+的效率與其起始濃度呈正相關關系。

通常認為非生物還原劑的比表面積越大其反應活性越高[39]。如表2所示, 當FeS的起始濃度為0.3 g/L和0.6 g/L時, S-FeS還原脫溴HBCD的速率常數(shù)與Z-FeS非常接近, 盡管它的比表面積大于Z-FeS; 這很可能是因為Z-FeS表面活性成分FeS的含量高于S-FeS表面FeS的含量(表1), 抵消了S-FeS由于具有更大比表面積而帶來的活性優(yōu)勢。當FeS的起始濃度達到1.2 g/L時, S-FeS還原脫溴HBCD的速率常數(shù)甚至略小于 Z-FeS; 這很可能是因為隨著起始濃度的進一步增加, S-FeS顆粒的聚合程度會有所提高[39], 削弱了其在比表面積方面的優(yōu)勢, 而 Z-FeS在表面活性成分FeS含量方面的優(yōu)勢由于起始濃度提高而得到加強。

圖 3 S-FeS (a、b和 c)和 Z-FeS (d、e和 f)的 O(1s)、Fe(2p3/2)和 S(2p)的 XPS分峰譜圖Fig. 3 XPS spectra of O(1s), Fe(2p3/2) and S(2p) in S-FeS and Z-FeS samples, respectively

實驗考察了反應溶液pH值(4、6、8)對FeS還原脫溴HBCD效果的影響; 結果如圖5所示。pH變化對兩種FeS還原脫溴HBCD的影響基本相同, 即HBCD的還原脫溴率隨著 pH值的增加而提高。當pH值為4時, HBCD基本沒有發(fā)生還原脫溴, 這可能與酸性條件下FeS表面活性組分發(fā)生溶解有關[46];當pH值為6時, 48 h內S-FeS和Z-FeS對HBCD的還原脫溴率分別為50.8%和65.7%; 當pH值提高至8時, 48 h內S-FeS和Z-FeS對HBCD的還原脫溴率提高至 93.4%和 90.9%。Butler[46–47]和 Choi等[48]的研究也發(fā)現(xiàn)FeS對氯代溶劑(如六氯乙烷、三氯乙烯和三氯乙烷)的還原脫溴率隨著 pH值的增加而提高。pH值升高能提高FeS對HBCD的還原脫溴率可能是由以下兩方面的原因造成的[47–48]: (1) pH值升高能促進 FeS表面去質子化活性基團的形成, 而這些活性基團既能作為電子載體促進電子轉移至鹵代污染物, 也能作為親核基團誘導鹵代污染物的還原雙脫鹵過程; (2) FeS或者四方硫鐵礦在低pH值條件下不穩(wěn)定, 容易氧化形成硫復鐵礦, 降低還原脫鹵活性。值得注意的是同一 pH值條件下 S-FeS和Z-FeS對 HBCD的還原脫溴率差異不大, 說明這兩種不同硫酸鹽還原菌合成的FeS的還原脫鹵活性差異不大。另外, 未加緩沖液調節(jié)的反應體系(初始溶液pH = 6.8, 1.2 g/L FeS)下HBCD在12 h內的還原脫溴就率達到 100%, 然而添加了檸檬酸鈉-磷酸氫二鈉緩沖液調節(jié)的反應體系(pH = 6或者8, 1.2 g/L FeS)下HBCD在48 h內的還原脫溴率不到94%, 這可能和緩沖液與FeS表面的鐵反應生成磷酸鹽沉淀引起礦物表面鈍化從而降低反應速率有關[49]。

圖4 在不同F(xiàn)eS起始濃度條件下HBCD的還原脫溴速率隨時間變化圖Fig. 4 The reductive debromination percentage (%) of HBCD by S-FeS and Z-FeS at different initial FeS concentrations of 0.3 g/L (a),0.6 g/L (b) and 1.2 g/L (c), respectively.

表2 兩種FeS還原脫溴HBCD的假一級反應速率常數(shù)及半衰期Table 2 The fitted parameters for pseudo first-order reactions between HBCD and the two types of FeS

由圖 6 可知, S-FeS 和 Z-FeS 對α-、β-和γ-HBCD等三種主要的 HBCD異構體都具有還原脫溴能力,還原脫溴速率隨著 FeS起始濃度的增加而增加; 并且它們對這三種異構體的還原脫溴速率大小順序均依次為β-HBCD ＞γ-HBCD ＞α-HBCD。這與 Lo 等報道的在厭氧條件下還原型多硫化物對γ-HBCD的還原脫溴速率顯著高于α-HBCD的結果是吻合的[22]。這些發(fā)現(xiàn)說明在某些條件下HBCD的非生物轉化具有一定的同分異構選擇性,β-HBCD和γ-HBCD更傾向于被優(yōu)先還原脫溴; 這也間接解釋了為什么在一些受HBCD污染的沉積物與土壤中α-HBCD在三種主要異構體中所占的比例高于其在工業(yè)生產的HBCD中的比例, 甚至高于γ-HBCD所占的比例[50]。

2.3 反應機理研究

圖5 不同pH條件下FeS對HBCD的還原脫溴率隨時間變化Fig.5 The reductive debromination percentage (%) of HBCD by S-FeS and Z-FeS at different pH adjusted by citric acid-disodium hydrogen phosphate buffer

圖 6 反應48 h 后S-FeS (a)和Z-FeS (b)體系下 α-、β-和γ-HBCD的還原脫溴率Fig.6 The reductive debromination percentage (%) of α, β-, γ-HBCD in S-FeS (a) and Z-FeS (b) system after 48-h reaction

本研究發(fā)現(xiàn)在HBCD與S-FeS或者Z-FeS的反應過程中, GC-MS都檢測到了三個還原脫溴產物峰,而且產物生成變化趨勢基本相同。下文以 S-FeS為例展示了HBCD轉化過程中三個還原脫溴產物的生成和變化(圖7)。通過和標準品或者文獻報道的還原脫溴產物質譜圖的碎片質量、相對豐度以及母體化合物的結構比對, 鑒定出三種中間產物分別為四溴環(huán)十二碳烯(TBCD, C12H18Br4)、二溴環(huán)十二碳二烯(DBCDD, C12H18Br2)和環(huán)十二碳三烯(CDT, C12H18)。這些還原脫溴產物的主要碎片離子峰和相對分子量見表3。TBCD和 DBCDD的鑒定主要通過和文獻[51–52]報道的TBCD和DBCDD的質譜圖比對, CDT的鑒定通過和標準品的質譜圖比對。據(jù)了解, 目前僅有兩篇文獻報道了HBCD非生物還原脫溴的中間產物:Loet al.[22]發(fā)現(xiàn)在厭氧條件下還原型多硫化物還原脫溴 HBCD生成兩種中間產物, 可能是 TBCD和DBCDD, 但沒有檢測到完全脫溴的產物 CDT; 而Tsoet al.[53]報道了在缺氧條件下納米鐵能還原脫溴HBCD生成兩種中間產物, 分別是DBCDD和CDT。另外, Daviset al.[16]在研究廢水污泥和淡水沉積物中 HBCD的微生物還原脫溴時, 發(fā)現(xiàn)了三種中間產物, 分別是TBCD、DBCDD和CDT。

圖7 HBCD的還原脫溴產物隨時間變化的色譜圖 ((b) 是放大以后的 (a) 中用虛線標出的部分)Fig.7 The chromatograms and dynamics of reductive debromination products of HBCD by S-FeS((b) an enlarged section of (a) marked by dotted lines)

表3 HBCD及其還原脫溴中間產物的質譜鑒定表Table 3 Mass spectra data for HBCD and its reductive debromination products by FeS

圖8 FeS還原脫溴HBCD的反應途徑圖Fig.8 The proposed reductive debromination pathway of HBCD by FeS

隨著HBCD還原脫溴的進行, 三種產物生成的相對含量呈現(xiàn)不同的變化趨勢(圖7)。反應初始(0 h),檢測到少量TBCD和CDT, 這可能與氣相色譜分析時HBCD在高溫條件下會熱解有關[51]。HBCD發(fā)生還原脫溴反應6 h后, TBCD的量顯著增加, 而其他產物無明顯增加, 表明反應初始階段HBCD主要還原脫溴為TBCD。HBCD與FeS反應18 h后, TBCD的量持續(xù)積累, CDT的量也明顯增加, 并且檢測到少量 DBCDD, 這表明 HBCD進一步脫溴轉化為低溴代和無溴代產物。反應48 h后, TBCD的積累量降低, DBCDD量增加不顯著, 而CDT的量持續(xù)積累,由此推測CDT是反應的終產物, DBCDD積累量低可能與其不穩(wěn)定容易發(fā)生脫溴轉化有關。據(jù)文獻報道, FeS還原脫鹵的機理包括脫鹵化氫反應、加氫脫鹵反應和脫雙鹵反應等[24–27]。不過本研究未檢測到五溴代中間產物的生成, 基本排除HBCD發(fā)生脫溴化氫和加氫脫溴反應生成五溴環(huán)十二碳烯和五溴環(huán)十二烷的可能性。根據(jù)三種中間產物的結構以及相對含量的變化趨勢, 可以推測 S-FeS或 Z-FeS還原脫溴 HBCD的途徑可能以鄰位雙脫溴為主(圖 8):HBCD被FeS還原, 先脫掉兩個Br, 生成TBCD, 然后TBCD再繼續(xù)被還原, 脫掉兩個Br, 生成DBCDD,接著DBCDD被進一步還原, 再掉兩個Br生成不含Br的中間產物CDT, 從而降低了HBCD的毒性。關于硫鐵礦物參與鹵代污染物的還原脫溴的反應機理解釋有幾種[46,54]: (1) 溶液中的亞鐵離子和FeS礦物表面的二價態(tài)鐵被氧化形成三價態(tài)的鐵與鹵代化合物形成一個自催化的氧化還原系統(tǒng), 或者有機絡合態(tài)亞鐵離子可直接參與還原脫鹵反應; (2) 硫鐵礦物表面結合態(tài)的亞鐵可充當電子供體使得鹵代化合物還原脫鹵; (3) 硫鐵礦物表面的結合態(tài)硫是真正的活性組分, 具有還原脫鹵作用。筆者前期研究發(fā)現(xiàn)溶解態(tài)亞鐵離子和HBCD不發(fā)生反應或者添加亞鐵離子并不促進FeS對HBCD的還原脫溴速率, 基本否定了機理解釋 (1) 和 (2) 存在的可能性。另外,Loet al.[22]的研究證明了溶解態(tài)硫離子作為親核基團可通過一步反應, 同時失去兩個電子, 促進HBCD的鄰位雙脫溴反應生成兩種中間產物 TBCD和 DBCDD, 表明硫鐵礦物表面結合態(tài)硫有可能參與HBCD的還原脫溴反應。為了深入了解反應機理,后續(xù)研究需要進一步對礦物表面的形態(tài)結構變化、礦物顆粒與 HBCD的結合狀態(tài), 以及中間過渡體的類型結構進行分析?？傮w來說, FeS對HBCD的還原脫溴生成TBCD、DBCDD和CDT是迄今為止文獻報道的關于 HBCD非生物還原脫溴的最為‘完整’的還原脫溴途徑, 盡管Daviset al.[13]在2006年就已經發(fā)現(xiàn): 廢水污泥和淡水沉積物中的微生物可以通過上述途徑將HBCD還原脫溴為CDT。但必須指出的是, 目前學界并不了解CDT能否被非生物還原劑進一步還原轉化。因此, 這個問題應該在未來的研究中得到更多關注。此外, 應該定量化地研究生物合成的FeS礦物在各種真實環(huán)境下HBCD的自然衰減過程中的作用。

3 結 論

(1) S-FeS和Z-FeS的主要組分均為初生成的無定形FeS和結晶較差的四方硫鐵礦;

(2) S-FeS具有較大的比表面積, 但其表面的活性組分FeS的含量低于Z-FeS;

(3) S-FeS和Z-FeS對HBCD的還原脫溴都遵循假一級動力學; 速率常數(shù)呈現(xiàn)隨FeS起始濃度(范圍0.3～1.2 g/L)增大而增大的趨勢;

(4) 反應溶液 pH值(4～8)的升高能促進 FeS對HBCD的還原脫溴率;

(5) S-FeS和Z-FeS都能還原脫溴HBCD的三種主要異構體, 還原脫溴率大小順序都依次為β-HBCD＞γ-HBCD ＞α-HBCD;

(6) S-FeS和Z-FeS都能將HBCD還原脫溴生成TBCD、DBCDD和CDT。

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