藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)對(duì)菲和壬基酚生物吸附的影響

張代男，段丹丹，楊余，冉勇

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所， 廣州 510640

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藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)對(duì)菲和壬基酚生物吸附的影響

張代男，段丹丹，楊余，冉勇

中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所， 廣州 510640

對(duì)不同來(lái)源藻及其有機(jī)級(jí)分進(jìn)行元素分析，利用高級(jí)核磁共振技術(shù)(multi/CP13C NMR)來(lái)準(zhǔn)確地定量其有機(jī)官能團(tuán)，并研究它們對(duì)菲和壬基酚的生物吸附行為和機(jī)理。結(jié)果表明游離脂和非水解有機(jī)碳級(jí)分對(duì)菲和壬基酚有最高的吸附能力，其吸附容量與脂肪結(jié)構(gòu)呈極顯著的正相關(guān)，而與極性官能團(tuán)呈極顯著的負(fù)相關(guān)；而且對(duì)壬基酚的吸附容量都大于對(duì)菲的吸附容量，可以用專(zhuān)性作用(如π-π鍵作用和氫鍵作用)來(lái)解釋。

藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)；菲；壬基酚；生物吸附

Received 10 November 2015 accepted 22 December 2015

生物吸附是一種利用廉價(jià)的、活著或死的生物質(zhì)的基體(或表面)來(lái)吸附化學(xué)物質(zhì)，以達(dá)到去除污染物的生物修復(fù)方法[1]。一些研究報(bào)道了多種生物吸附劑(如真菌、細(xì)菌、藻類(lèi)和植物表皮)對(duì)重金屬、染料、農(nóng)藥和有機(jī)污染物的吸附過(guò)程和機(jī)理[2-3]；生物吸附在除去疏水性有機(jī)化合物(HOCs)方面也起著非常重要的作用[4]。其中藻類(lèi)是一類(lèi)高效的、可靠的、經(jīng)濟(jì)的去除水中多種污染物的生物吸附劑，大部分現(xiàn)有的生物吸附研究都集中在離子類(lèi)物質(zhì)和極性有機(jī)污染物[1]。然而，藻類(lèi)對(duì)HOCs的吸附機(jī)理研究較少。

藻類(lèi)作為主要的初級(jí)生產(chǎn)者對(duì)HOCs在水生系統(tǒng)中的歸宿起到非常重要的作用。HOCs可以通過(guò)食物鏈從水中進(jìn)入藻類(lèi)，然后可能被更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物所富集。此外，藻類(lèi)通過(guò)含有一類(lèi)稱(chēng)為藻質(zhì)素的高脂肪性生物大分子，選擇性地被保存在沉積物中[5]。研究表明，死的生物質(zhì)比活的生物質(zhì)能更好地去除污染物[2]。一些研究報(bào)道了生物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)影響其對(duì)HOCs的生物吸附[3,6-8]。然而，目前只有少量的研究報(bào)道了藻類(lèi)的組成結(jié)構(gòu)與HOCs的生物吸附的關(guān)系。

本研究探討不同來(lái)源藻類(lèi)及其有機(jī)質(zhì)級(jí)分對(duì)HOCs的吸附行為。以菲和壬基酚為吸附質(zhì)，考察原始藻類(lèi)樣品及其級(jí)分對(duì)HOCs的吸附行為，以及藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)組成結(jié)構(gòu)對(duì)HOCs的吸附行為的影響，并推測(cè)其吸附機(jī)理。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 樣品前處理和表征

藻類(lèi)樣品包括以下：在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)的小球藻、擬球藻，超市購(gòu)買(mǎi)藻螺旋藻、海藻、紫菜和3個(gè)來(lái)自湖泊富營(yíng)養(yǎng)化收集的野外浮游生物樣品。2個(gè)培養(yǎng)藻類(lèi)是以BG11培養(yǎng)基進(jìn)行批量培養(yǎng)，然后以4 500 r·min-1轉(zhuǎn)速離心15 min濃縮藻細(xì)胞，再冷凍干燥以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)。LHH25野外藻類(lèi)樣品是2011年8月在廣州流花湖公園用25號(hào)浮游生物網(wǎng)采集；同時(shí)采集大量水樣，用連續(xù)流離心機(jī)以8 000 r·min-1分離，得到LHHPOM野外藻類(lèi)樣品。YTDQ野外藻類(lèi)樣品是2011年9月在增城雁塔大橋水庫(kù)用25號(hào)浮游生物網(wǎng)采集而得的浮游生物。

取一定量超市購(gòu)買(mǎi)的藻，依次用二氯甲烷和甲醇混合溶液、堿性甲醇和水混合溶液以及不同濃度三氟醋酸和鹽酸進(jìn)行處理，分別得到游離脂級(jí)分(LP)、去游離脂級(jí)分(LF)、堿性不可水解有機(jī)碳級(jí)分(ANHC)和非水解有機(jī)碳級(jí)分(NHC)。固體樣品最后經(jīng)冷凍干燥后研磨，以用于儀器表征和吸附實(shí)驗(yàn)。

所有藻類(lèi)原始樣品及其級(jí)分樣品的C、H、N和O用ElementarVario EL III(Hanau，德國(guó))元素分析儀測(cè)定。樣品中有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)定量測(cè)定，采用高級(jí)多重交叉極化(multiCP)13C核磁共振技術(shù)，在核磁共振儀(Bruker DSX400，德國(guó))上完成。1H和13C的頻率分別為400-MHz和100-MHz。這種高級(jí)multiCP定量技術(shù)是一種簡(jiǎn)單的、可靠的、效果好的方法，且具有良好的信噪比[9]。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)和吸附模型

疏水性有機(jī)污染物用的是色譜純菲(純度>98%，Aldrich)和壬基酚(純度>94%，Aldrich)。背景溶液加0.01 mol·L-1CaCl2、200 mg·L-1NaN3、5 mg·L-1NaHCO3(分析純，購(gòu)自廣州化學(xué)試劑公司)。將0.5～10 mg 質(zhì)量不等的吸附劑置于20 mL玻璃安瓿瓶中，控制溫度在(25±1) ℃。將不同濃度的菲和壬基酚水溶液注入已裝有預(yù)先稱(chēng)重的原始藻類(lèi)樣品及其級(jí)分的玻璃安瓿瓶中，用火焰進(jìn)行封口，在搖床上以125 r·min-1在振蕩14 d達(dá)到吸附平衡。菲和壬基酚的濃度采用島津高效液相色譜(HPLC)儀(LC-20A，日本)進(jìn)行檢測(cè)。色譜柱采用反相Inertsil ODS-SP (150 cm × 4.6 mm × 5 μm)柱，檢測(cè)器使用熒光檢測(cè)器。進(jìn)樣體積是10 μL，菲的流動(dòng)相為以90%乙腈/10%水，流速為1.0 mL·min-1，其熒光檢測(cè)器的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)是250 nm和364 nm。壬基酚的流動(dòng)相為70%乙腈/30%水，其熒光檢測(cè)器的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)是277 nm和300 nm。

吸附結(jié)果使用修正的Freundlich吸附容量參數(shù)(K’f)對(duì)污染物的吸附能力進(jìn)行直接比較。修正的Freundlich模型公式如下：

log qe=log K’f+ n log Cr

K’f是修正的Freundlich吸附容量，Cr是無(wú)量綱水相中濃度，n為Freundlich非線性因子。K’f和Kf的關(guān)系可用以下公式表達(dá)：

K’f= Kf(Sw)n或Kf(Sscl)n

這里Sw和Sscl分別是指在一定溫度條件下，溶質(zhì)在水中的溶解度和固體有機(jī)化合物的過(guò)冷液體狀態(tài)溶解度(Sscl)。

2 結(jié)果 (Results)

2.1 藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)及其級(jí)分的元素組成

從表1[10]可知，藻類(lèi)原始樣品的總有機(jī)碳含量為20.2%～42.7%。超市購(gòu)買(mǎi)藻、培養(yǎng)藻和野外浮游生物原始樣品的H/C比值分別為1.76～1.81、2.26～2.28和1.88～2.13，其O/C比值分別為0.75～0.87、0.90～0.91和0.63～0.68。原始培養(yǎng)藻的H/C比值最高，表明了其脂肪性較高，其O/C比值也最高，說(shuō)明其含氧官能團(tuán)也較多；其高的元素比值很可能與培養(yǎng)條件有關(guān)。原始野外浮游生物樣品的H/C比值也比較高。

與原始樣品(OS)相比，LF級(jí)分的元素比值變化較小。經(jīng)過(guò)堿性水解后，ANHC 級(jí)分的O/C比值明顯增加；而且，ANHC級(jí)分在所有的級(jí)分中極性最大，是由于堿性水解反應(yīng)使得羧基和羥基鍵合到有機(jī)基質(zhì)上。經(jīng)過(guò)酸水解后，NHC級(jí)分的O/C比值大大降低，這與酸水解過(guò)程中去除了大量的碳水化合物和蛋白有關(guān)。

2.2 藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)及其有機(jī)級(jí)分的結(jié)構(gòu)

除了LHH25由于其樣品量不足外，所有原始藻類(lèi)樣品OS、LF和NHC級(jí)分都采用固體13C NMR技術(shù)表征。圖1[11]中細(xì)線和粗線分別代表定量13C NMR全碳譜圖(MultiCP)和偶極相移譜圖(MultiCP/DD)。各碳譜位移區(qū)間歸屬如下：0～45 ppm，烷基碳；45～61 ppm, 甲氧基碳(也包括NCH)；61～92 ppm，烷氧基碳；92～115 ppm，二烷氧基碳；115～146 ppm，芳香碳(包括非質(zhì)子芳香 C-C，MultiCP/DD和質(zhì)子芳香C-H，MultiCP—MultiCP/DD)；146～165 ppm，含氧芳香碳；165～190 ppm，羧基碳；190～220 ppm，酮和醛。不同官能團(tuán)的百分含量列在表2[11]中，原始樣品含有大量烷氧基碳，占總碳的22.4%～42.9%，烷基碳為17.7%～35.8%，但是總芳香碳(包括芳香碳和含氧芳香碳)含量很少，為5.80%～10.2%。與其他原始樣品相比，小球藻和擬球藻以及YTDQ浮游生物樣品含有更多的脂肪碳和聚亞甲基碳，但是烷氧基碳和二烷氧基碳則相對(duì)較少。NHC級(jí)分與其相應(yīng)的原始樣品OS和LF級(jí)分的各官能團(tuán)的百分含量相差甚大。NHC級(jí)分含烷氧基碳占總碳的5.6%～11.4%，低于其原始樣品OS的烷氧基碳(30.7%～42.0%)和LF級(jí)分的烷氧基碳(27.5～41.8%)，這表明大部分多糖和蛋白等化合物在堿性和酸性水解中已被去除。紫菜NHC級(jí)分在27.5～31.8 ppm的信號(hào)明顯地最高，表明其聚亞甲基碳的含量最高。

表1 原始藻類(lèi)樣品及其級(jí)分的元素組成

圖1 原始藻類(lèi)樣品(OS)、LF和NHC級(jí)分的MultiCP/MAS全碳譜圖(細(xì)線)和MultiCP/MAS偶極相移譜圖(粗線)Fig. 1 MultiCP/MAS spectra (thin lines) and multiCP/MAS13C NMR spectra after recoupled dipolar dephasing (thick lines) of the original algal samples (OS) as well as LF and NHC fractions (thin lines)

表2 MultiCP/MAS 13C NMR 譜圖中各官能團(tuán)含量的定量

表3 壬基酚和菲的修正Freundlich生物吸附參數(shù)

2.3 生物吸附等溫線

由表3[11]可知，OS、LP和LF級(jí)分對(duì)菲和壬基酚的等溫線為線性吸附，但是ANHC呈現(xiàn)出較弱的非線性吸附，NHC級(jí)分呈現(xiàn)出明顯的非線性吸附。其中，NHC級(jí)分對(duì)壬基酚的非線性因子n為0.450～0.525，小于其對(duì)菲吸附的n值(n = 0.707～0.727)。

OS、LF、LP、ANHC和NHC級(jí)分對(duì)菲的有機(jī)碳?xì)w一化的吸附容量值(log K’foc)分別為1.62～2.18、1.43～1.61、1.81～2.38、0.90～0.98和2.52～3.17 μg·g-1·OC-1，其對(duì)壬基酚的log K’foc值分別為2.24～2.59、1.94～2.90、2.34～2.75、1.87～2.20和2.69～3.59 μg·g-1·OC-1(表3)。LP和NHC級(jí)分對(duì)菲和壬基酚的吸附能力高于其他級(jí)分。

2.4 藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)與吸附參數(shù)的關(guān)系

OS、LF、ANHC和NHC級(jí)分對(duì)壬基酚和菲的吸附參數(shù)log K’foc值與O/C元素比值分別地呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.0001)；OS、LF和NHC級(jí)分對(duì)壬基酚和菲的吸附參數(shù)log K’foc值分別地與烷氧基碳、羧基碳和極性碳含量呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.0001)，表明藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的極性官能團(tuán)對(duì)HOCs的生物吸附作用有重要的影響。

3 討論(Discussion)

所有樣品對(duì)壬基酚的log K’foc值明顯地大于其對(duì)菲的logK’foc值，然而，壬基酚的log Kow值(4.48)與菲的log Kow值(4.57)很相近。分析表明log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)]值與O/C和(N+O)/C元素比值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與烷氧基碳和極性碳含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，表明了氫鍵的重要性。根據(jù)多元線性回歸分析，OS、LF和NHC級(jí)分的log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)]與芳香C-H以及極性碳含量比值有顯著的正相關(guān)關(guān)系。多元線性回歸方程為：log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)] = 0.22 x1+ 0.050 x2- 2.9 (r=0.88，P=0.001；其中x1是芳香C-H含量，x2是極性碳含量)，表明π電子作用和氫鍵作用可能是導(dǎo)致藻類(lèi)對(duì)壬基酚的吸附能力大于對(duì)菲的吸附能力的原因，這與前期報(bào)道結(jié)果一致[12]。前期研究發(fā)現(xiàn)疏水性分配作用是珠江顆粒碳對(duì)酚類(lèi)異雌激素的主要吸附機(jī)制[13]。

藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)對(duì)菲的吸附參數(shù)與極性官能團(tuán)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明極性影響菲和壬基酚的吸附能力，這與文獻(xiàn)的報(bào)道一致[3, 6, 8]。酸水解去除了大量的多糖和碳水化合物，NHC級(jí)分的極性官能團(tuán)大大減少，因此其對(duì)菲和壬基酚的生物吸附能力明顯增強(qiáng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)藻類(lèi)的脂肪結(jié)構(gòu)對(duì)菲和壬基酚的生物吸附有很大的影響[10-11]，其他研究也表明有機(jī)質(zhì)對(duì)菲的吸附能力與非極性聚亞甲基呈正相關(guān)關(guān)系[14-15]。

在自然環(huán)境中，被污染的水體通常不僅僅含有一種污染物，而是同時(shí)存在多種污染物(如重金屬、多環(huán)芳烴等)共存。利用藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的生物吸附作用來(lái)去除水體的HOCs，可能也會(huì)同時(shí)去除水體的重金屬。

致謝：感謝美國(guó)歐道明大學(xué)毛景東博士在核磁共振技術(shù)表征方面給予的幫助。

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◆

Composition and Structure of Algal Organic Matter and Their Effect on the Biosorption of Phenanthrene and Nonylphenol

Zhang Dainan, Duan Dandan, Yang Yu, Ran Yong*

Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

Different cultured and field-collected algal specie samples were collected, selectively fractionated into different organic fractions, and quantitatively characterized by using advanced multi/CP13C NMR techniques. Their biosorption isotherms and mechanism for phenanthrene (Phen) and nonylphenol (NP) were investigated. The LP and NHC fractions exhibited the highest sorption capacities. The observed sorption capacities were highly positively correlated with aliphatic constituent and structure, but negatively related to their polar groups. The higher sorption capacities observed for NP than for Phen could be explained by specific interactions such as hydrogen bonding and π-π interaction.

algal organic matter; phenanthrene (Phen); nonylphenol (NP); biosorption

10.7524/AJE.1673-5897.20151110002

國(guó)家自然科學(xué)基金；廣東省聯(lián)合重點(diǎn)基金(U1201235)

張代男(1988-)，女，博士后，研究方向?yàn)樘烊挥袡C(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與有機(jī)污染物的吸附機(jī)制，E-mail: zhangdainan88@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: yran@gig.ac.cn

2015-11-10 錄用日期：2015-12-22

1673-5897(2016)2-602-07

X171.5

A

簡(jiǎn)介：冉勇(1963—)，男，博士，研究員，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境地球化學(xué)。

張代男, 段丹丹, 楊余, 等. 藻類(lèi)有機(jī)質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)對(duì)菲和壬基酚生物吸附的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(2): 602-608

Zhang D N, Duan D D, Yang Y, et al. Composition and structure of algal organic matter and their effect on the biosorption of phenanthrene and nonylphenol [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 602-608 (in Chinese)