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      幾類有機污染物的微塑料/水分配系數(shù)的線性溶解能關系模型

      2017-10-13 04:01:05李廣宇陳景文李雪花喬顯亮
      生態(tài)毒理學報 2017年3期
      關鍵詞:聚乙烯塑料分配

      李廣宇,陳景文,李雪花,喬顯亮

      大連理工大學 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,大連 116024

      幾類有機污染物的微塑料/水分配系數(shù)的線性溶解能關系模型

      李廣宇,陳景文*,李雪花,喬顯亮

      大連理工大學 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室,大連 116024

      多氯聯(lián)苯;多環(huán)芳烴;六氯環(huán)已烷;氯苯;微塑料/水分配系數(shù);線性溶解能關系

      Received31 October 2016accepted3 December 2016

      Keywords: polychlorinated biphenyls; polycyclic aromatic hydrocarbons; hexachlorocyclohexanes; chlorobenzenes; microplastics-water partition coefficient; LSER

      微塑料是直徑小于5 mm的塑料顆粒[1],產(chǎn)量較大且環(huán)境檢出較多的塑料類型主要是聚乙烯和聚丙烯等[2]。據(jù)估算,2010年192個沿海國家產(chǎn)生塑料廢物達2.75億噸,其中,480~1 270萬噸塑料進入海洋[3]。Gall和Thompson[4]通過檢索340篇文獻,發(fā)現(xiàn)共有693個物種(包括脊椎動物和無脊椎動物)接觸過海洋碎片,其中,77%的研究記錄中存在塑料碎片。水中的微塑料吸附其中的有機污染物進行遷移,甚至被生物體吸收,增加了污染物對水生生物及人體的暴露風險[5-7]。例如,Mato等[5]發(fā)現(xiàn)海水中聚丙烯微塑料對多氯聯(lián)苯(PCBs)表現(xiàn)出較強的吸附富集能力;Avio等[6]發(fā)現(xiàn)吸附多環(huán)芳烴(PAHs)的微塑料被生物攝入后,提高了PAHs的生物有效性;Engler等[7]發(fā)現(xiàn)塑料碎片會吸附PCBs和二噁英等有毒物質(zhì),并將這些有毒物質(zhì)從海水轉(zhuǎn)移到海洋食物網(wǎng)中。因此,有必要深入研究微塑料對有機污染物的吸附行為。Wang等[8]研究表明,全氟辛烷磺酸和全氟辛烷磺酰胺在微塑料(聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯)上的吸附行為呈線性,主要由疏水分配作用主導,并受分子間的靜電作用和空間位阻影響。另外,鹽度和pH也會影響微塑料對有機物的吸附。Velzeboer等[9]研究表明,聚乙烯微塑料與疏水性有機物(多氯聯(lián)苯等)之間的吸附是通過線性的疏水分配作用進行的,與沉積物中的有機質(zhì)存在相似的吸附親和力,且吸附隨鹽度升高而增加。

      有機污染物在微塑料與水之間的平衡分配系數(shù)(Kd)是表征微塑料對有機污染物吸附能力的重要參數(shù),其計算公式[10-11]如下:

      Kd=CMP/CW

      (1)

      這里CMP和CW分別為化合物在微塑料相和水相的平衡濃度;若CMP和CW的單位分別為ng·kg-1和ng·L-1,則Kd的單位為L·kg-1。Kd通常由實驗測得,然而,一方面,實驗測定過程中,溶液中的微塑料顆粒易團聚或者附著在實驗器材壁上,導致微塑料在溶液中分散不均勻,造成測定結(jié)果誤差較大;另一方面,微塑料與污染物之間達到分配平衡的時間較長,受限于成本和時間,僅采用實驗方法逐個測定眾多的有機污染物的Kd值費時費力,有必要發(fā)展Kd的預測模型。

      線性溶解能關系(LSER)模型可用于預測有機污染物的水溶解度和平衡分配系數(shù)(正辛醇/水分配系數(shù)、非反應性毒性和土壤及沉積物中有機質(zhì)/水分配系數(shù)等)[12-19]。Yu等[19]用LSER模型預測了芳香族和脂肪族化合物與碳基吸附劑(單壁碳納米管、多壁碳納米管和活性炭等)之間的分配系數(shù),并進行了相應的機理解釋。Abraham等[15]提出LSER模型表達式如下:

      SP = c + eE + sS + aA + bB + vV

      (2)

      這里,SP表示溶解度或與溶解、分配有關的理化參數(shù);E為過量分子折射度,反映分子極化電子(polarizable electrons)的信息;S為極性/偶極性參數(shù);A為溶質(zhì)氫鍵酸度參數(shù);B為溶質(zhì)氫鍵堿度參數(shù);V為McGowan特征體積[20]。其中,E可以通過液體的折射率計算,V可以根據(jù)分子結(jié)構(gòu)計算,其他參數(shù)一般通過兩相分配實驗、色譜法或者溶解度測定等推算得到[21];e, s, a, b, v均為回歸系數(shù),c為常數(shù)。

      迄今,尚未發(fā)現(xiàn)可用于預測有機污染物在微塑料/水之間Kd的LSER模型。本研究搜集整理了有機污染物在聚丙烯、聚乙烯微塑料上Kd實測值,遵循OECD關于定量構(gòu)效關系模型構(gòu)建和驗證的導則[22],構(gòu)建了可預測有機污染物Kd值的LSER模型。

      1 研究方法(Methods)

      1.1 Kd及LSER分子參數(shù)

      經(jīng)文獻檢索和數(shù)據(jù)整理,獲得33種有機污染物在聚丙烯微塑料與海水之間、31種有機污染物在聚乙烯微塑料與海水之間、17種有機污染物在聚乙烯微塑料與淡水的log10Kd值[5,9,23],列于表1中。測試這些log10Kd值的微塑料的粒徑范圍、溫度、水介質(zhì)類型等信息,總結(jié)于表2中。表1中的有機污染物包括:PCBs、PAHs、六氯環(huán)已烷(HCHs)、氯苯(CBs),涵蓋官能團包括:>C=C<, -OH, >C=O, -C6H5, -Cl。分別將各個數(shù)據(jù)集以4∶1的比例隨機拆分為訓練集和驗證集;訓練集用于構(gòu)建模型,驗證集用于模型驗證。有機物的LSER分子結(jié)構(gòu)參數(shù)取自文獻[24-25],亦列于表1中。

      表1 有機污染物在微塑料與水之間log10Kd及LSER參數(shù)值Table 1 log10Kd values of organic contaminants between microplastics and water and their LSER parameter values

      注:a為化合物在聚丙烯微塑料與海水之間log10Kd,b為化合物在聚乙烯微塑料與海水之間log10Kd,c為化合物在聚乙烯微塑料與淡水之間log10Kd。

      Note:alog10Kdof compounds between polypropylene and sea,blog10Kdof compounds between polyethylene and sea,clog10Kdof compounds between polyethylene and fresh water.

      1.2 模型的構(gòu)建與表征

      (3)

      2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

      2.1 所構(gòu)建的LSER模型

      針對PCBs, PAHs, HCHs和CBs類化合物在聚丙烯微塑料/海水之間的Kd,所構(gòu)建的LSER預測模型為:

      log10Kd= 1.02E - 3.96B + 0.70V + 2.58

      (4)

      這里,ntrain和next分別為訓練集和驗證集化合物的個數(shù);m為分子結(jié)構(gòu)描述符的個數(shù)。

      針對PCBs, PAHs, HCHs和CBs類化合物在聚乙烯微塑料/海水之間的Kd,所構(gòu)建的LSER預測模型為:

      log10Kd= -5.85B + 5.69V - 2.38

      (5)

      針對PCBs類化合物在聚乙烯微塑料/淡水之間的Kd,所構(gòu)建的LSER預測模型為:

      log10Kd=-35.88B + 10.56

      (6)

      2.2 應用域表征

      本研究構(gòu)建的3個模型的應用域表征結(jié)果如圖2所示。訓練集和驗證集化合物均在應用域內(nèi),表明所選訓練集化合物具有良好的代表性。訓練集和驗證集化合物的|δ| < 3,說明模型沒有離群點。因此,所構(gòu)建的模型可用于預測應用域內(nèi)其他化合物的log10Kd值。

      2.3 機理分析

      從模型(4)~(6)可以看出,由于模型包含的化合物類型和微塑料種類的不同,得到的LSER模型中具有統(tǒng)計學顯著性的分子表征參數(shù)也不盡相同。所構(gòu)建的模型中,均包含參數(shù)B,系數(shù)為負值。B是分子的整體氫鍵堿性的量度,化合物的B值越大,越容易作為氫鍵受體與水分子形成氫鍵,分配在水相,從而具有較低的log10Kd值。模型(4)和(5)中均含參數(shù)E,系數(shù)為正值。E是溶質(zhì)分子與相同體積正構(gòu)烷烴的摩爾折射率之差[31],即:

      E=(MRX) - 2.83195V + 0.52553

      (7)

      這里,MRX是摩爾折射。E反映化合物通過π或者n電子與其他分子相互作用的能力,化合物的E值越大,越容易與聚合物分子之間產(chǎn)生誘導偶極相互作用,分配在微塑料相,從而具有更大的log10Kd值[32-33]。模型(4)中的V表征空穴形成作用,系數(shù)為正值。由于水分子排列高度有序且凝聚性強[34],而微塑料分子空間位阻較大[35]使其凝聚性較弱,故化合物在水中形成空穴所需能量遠大于其在微塑料中所需能量,因此,化合物分子更容易通過空穴形成作用分配到微塑料相中,從而具有更大的log10Kd值。綜上,PCBs, PAHs, HCHs和CBs在微塑料與水之間的分配,主要受氫鍵堿作用、誘導偶極相互作用和空穴形成作用的影響。

      模型(5)中存在7種化合物的實測值與預測值偏差在1~2.29之間,其中,預測值高于實測值的點有3個,分別是2,2',3,4',5',6-六氯聯(lián)苯、2,2',3,3',4,4',5-七氯聯(lián)苯、2,2',3,4,4',5,5'-七氯聯(lián)苯;預測值低于實測值的點有4個,分別是苯并(a)芘、3,3',4,4'-四氯聯(lián)苯、3,3',4,4',5-五氯聯(lián)苯、3,3',4,4',5,5'-六氯聯(lián)苯。這些化合物預測值與實測值的偏差與化合物之間沒有明顯的規(guī)律性,可能是由于不同研究者在測定Kd值時采用的實驗方法、微塑料粒徑、平衡分配時間、實驗條件(溫度、轉(zhuǎn)速等)等不統(tǒng)一所導致的[36]。例如,由于PAHs, HCHs, CBs類疏水性有機污染物在水中的溶解度較低,且在微塑料上達到分配平衡的時間較長,Lee等[23]采用了第三相平衡的方法,經(jīng)過12周的平衡時間,在混合溶劑(甲醇∶水= 8∶2, V/V)中分別測定了PAHs、HCHs、CBs類化合物在聚乙烯微塑料和聚二甲硅氧烷(PDMS)中的平衡分配系數(shù)KMPsm和KPDMSsm,以及PDMS在海水中的平衡分配系數(shù)KPDMSsw,通過

      圖1 模型(4)~(6)中l(wèi)og10Kd的實測值與 預測值擬合關系圖Fig. 1 Plot of the predicted versus experimental log10Kd values of model (4)-(6)

      圖2 log10Kd預測模型(模型(4)~(6))的應用域表征(標準殘差(δ)對杠桿值(h)的Williams圖)Fig. 2 Applicability domain of the predicted model (4)-(6) for log10Kd(Williams plot of standardized residual (δ) verse leverage value (h))

      表2 log10Kd的數(shù)值范圍、溫度和微塑料的粒徑范圍Table 2 Range of log10Kd values, experimental temperature and size of microplastics

      Kd=KPDMSsw× KMPsm/KPDMSsm,

      (8)

      計算得到化合物在聚乙烯微塑料(320~440 μm)與水之間的平衡分配系數(shù)Kd,實驗條件為25 ℃、150 rmin-1、暗環(huán)境;而Velzeboer等[9]則對PCBs類物質(zhì)進行了平衡時間為6周的聚乙烯微塑料(10~180 μm)/水平衡分配實驗,實驗條件為20 ℃、100 rmin-1。

      2.4 模型比較

      前人在構(gòu)建log10Kd的QSAR模型方面研究較少。Hüffer和Hofmann[37]采用表征化合物疏水性的正辛醇/水分配系數(shù)(log10Kow)和正十六烷/水分配系數(shù)(log10Khw)分別構(gòu)建了微塑料(聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酰胺)與化合物(正己烷、環(huán)己烷、苯、甲苯、氯苯、苯甲酸乙酯、萘)之間log10Kd的預測模型,并給出模型R2,關系式分別為

      log10Kd= 1.34 log10Kow- 0.73 (R2= 0.89, P < 0.01, n = 7)

      (9)

      log10Kd= 0.89 log10Khw- 0.05 (R2= 0.94, P < 0.001, n = 7)

      (10)

      本研究根據(jù)OECD導則中綜合評價QSAR模型的要求,基于LSER理論構(gòu)建了PCBs, PAHs, HCHs和CBs等有機污染物在微塑料(聚乙烯、聚丙烯)與不同水介質(zhì)之間Kd的LSER預測模型,并進行了相應的模型驗證、應用域表征及機理解釋。模型具有良好的擬合優(yōu)度、穩(wěn)健性和預測能力,可用于預測PCBs, PAHs, HCHs, CBs等有機污染物在微塑料與水之間的Kd值,揭示了有機污染物在微塑料與水之間分配的影響因素。由于微塑料吸附有機污染物的Kd實驗數(shù)據(jù)較少,本研究所構(gòu)建模型的應用域有限,以后的研究中,有必要進一步擴充模型的應用域。

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      LSERModelsforSeveralClassesofOrganicPollutantsPartitioningbetweenMicroplasticsandWater

      Li Guangyu, Chen Jingwen*, Li Xuehua, Qiao Xianliang

      Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering (MOE), School of Environmental Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China

      10.7524/AJE.1673-5897.20161031002

      2016-10-31錄用日期2016-12-03

      1673-5897(2017)3-225-09

      X171.5

      A

      國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2013CB430403);國家自然科學基金(21325729, 21661142001)

      李廣宇(1991-),女,碩士,研究方向為污染生態(tài)化學,E-mail: guangyuli@mail.dlut.edu.cn

      *通訊作者(Corresponding author), E-mail: jwchen@dlut.edu.cn

      李廣宇,陳景文,李雪花, 等. 幾類有機污染物的微塑料/水分配系數(shù)的線性溶解能關系模型[J]. 生態(tài)毒理學報,2017, 12(3): 225-233

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