六六六在海河沉積物中的自然生物降解

遲 杰，魯逸人

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

有機(jī)氯農(nóng)藥是一類含有氯原子的有機(jī)化合物，多為持久性有機(jī)污染物，能夠通過(guò)大氣輸送的方式進(jìn)行全球輸送，并通過(guò)食物鏈富集的方式對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響．目前有機(jī)氯農(nóng)藥污染己經(jīng)成為一個(gè)倍受關(guān)注的全球性環(huán)境問(wèn)題．我國(guó)于1983年開始禁止生產(chǎn)六六六(HCHs)和滴滴涕(DDT)等有機(jī)氯農(nóng)藥，雖然有機(jī)氯農(nóng)藥已禁止使用20多年，但環(huán)境中仍然能檢出有機(jī)氯農(nóng)藥殘留[1-2]．如何有效地減輕或避免農(nóng)藥殘留對(duì)環(huán)境及人類健康的損害已成為亟待解決的問(wèn)題．

生物降解是多數(shù)有機(jī)污染物從環(huán)境中去除的主要過(guò)程．自然環(huán)境具有自修復(fù)功能，是污染區(qū)域長(zhǎng)期普遍存在的過(guò)程[3]，進(jìn)行這方面的研究有助于了解污染物在環(huán)境中的歸趨以及增加原位修復(fù)的背景知識(shí)．目前，大量文獻(xiàn)報(bào)道多是關(guān)于有機(jī)氯農(nóng)藥在人為調(diào)控下的研究，如不同碳源對(duì)降解的影響、降解菌株的分離篩選、降解酶的基因構(gòu)建等方面[4]．

海河是我國(guó)華北地區(qū)的一條大河，由于水資源嚴(yán)重短缺，加之汛期市政污水排入海河，造成了海河水質(zhì)污染日益嚴(yán)重，海河水環(huán)境中已檢測(cè)出六六六的存在[2]．本文選擇 HCHs(α-HCH、β-HCH、γ-HCH、δ-HCH)，研究了它們?cè)诤：映练e物中自然生物降解，其中包括溫度、溶解氧和界面層影響．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

取采自海河干流的表層沉積物 230,g(濕重，過(guò)2,mm 篩)，放到 250,mL錐形瓶中，于 25,℃下避光振蕩 1周，沉積物由黑色變成褐色，成為好氧泥．稱取好氧泥 200,g(濕重)，加到 250,mL錐形瓶中，再加入1,mL的HCHs混合儲(chǔ)備液(4種HCH儲(chǔ)備液濃度分別為 5,mg/L)和 10,mL滅菌水，用紗布封口，避光振蕩培養(yǎng)(140,r/min)．

取海河干流的厭氧表層沉積物 200,g(濕重)，放入到 250,mL錐形瓶中，加入 1,mL的 HCHs混合儲(chǔ)備液和 10,mL滅菌水，通入氮?dú)?10,min，然后密封，避光振蕩培養(yǎng)(140,r/min)．

上述實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行 21,d，按照一定時(shí)間間隔取樣．另外，在 121,℃下將沉積物高壓滅菌 30,min，連續(xù)滅菌3,d，設(shè)置為無(wú)菌對(duì)照組．

水/沉積物界面層為取自表層沉積物上的一層稀薄的淤泥[5]，實(shí)驗(yàn)方法同表層沉積物．

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定沉積物中細(xì)菌數(shù)量[6]．

1.2 分析方法

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后，研碎過(guò) 80目篩．取1,g樣品，放入離心管中．在離心管中分 2次加入體積比為 1∶1的二氯甲烷和正己烷 5,mL，超聲萃取15,min，4,000,r/min離心 5,min．上清液合并移入250,mL具塞錐形瓶中．在錐形瓶中加入活化銅片(經(jīng)體積比為 1∶1的鹽酸、蒸餾水和甲醇處理)，振蕩14,h脫硫．經(jīng)脫硫的萃取液，K-D濃縮至 0.5,mL左右，移入硅膠柱凈化，然后用體積比為1∶3的二氯甲烷和正己烷 50,mL洗脫，洗脫液用柔和的氮?dú)饬鞔得?，定容?1,mL，氣相色譜分析測(cè)定．每個(gè)樣品做 3個(gè)平行樣．

分析儀器為 Agilent6890N 型氣相色譜儀，μ-ECD；色譜柱為 Agilent,DB-35,ms氣相毛細(xì)管柱(30.0,m×0.32,mm×0.25,μm)；進(jìn)樣口溫度 250,℃；檢測(cè)器溫度 300,℃；N2流量 1.5,mL/min，不分流；進(jìn)樣量 1,μL．采用程序升溫，即 160,℃(0.5,min)→15,℃/min→230,℃→10,℃/min→275,℃(3,min)．沉積物中 HCHs的平均回收率為 87%～111%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為4%～9%．

2 結(jié)果與討論

2.1 六六六在海河表層沉積物中的生物降解特性

溫度和溶解氧對(duì)六六六在海河表層沉積物中生物降解的影響見圖 1～圖 4．可以看出，α-HCH、β-HCH、γ-HCH和δ-HCH在培養(yǎng)21 d后的降解率分別為 29.8%～70.9%、19.8%～64.5%、34.6%～78.5%和30.4%～69.8%．對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，21,d后非生物因素引起的 HCHs的衰減率為 1.1%～5.1%，因此，沉積物中HCHs濃度的減少主要是生物降解作用的結(jié)果．

圖1 α-HCH在表層沉積物中降解曲線Fig.1 Biodegradation curves of α-HCH in surface sediments

圖2 β-HCH在表層沉積物中降解曲線Fig.2 Biodegradation curves of β-HCH in surface sediments

圖3 γ-HCH在表層沉積物中降解曲線Fig.3 Biodegradation curves of γ-HCH in surface sediments

經(jīng)擬合，HCHs的生物降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(R2＞0.795，見表 1)．可以看出，相同實(shí)驗(yàn)條件下這4種 HCHs降解快慢的順序?yàn)?γ-HCH＞α-HCH＞δ -HCH＞ β-HCH．研究表明，HCHs 生物降解過(guò)程的第1步通常是脫氯，脫氯的速度與各異構(gòu)體的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，軸線上 Cl 原子越多，降解越快(γ-、α-、δ-、β-HCH 軸線 Cl原子數(shù)分別為 3、2、1、0)[7]．

圖4 δ-HCH在表層沉積物中降解曲線Fig.4 Biodegradation curves of δ-HCH in surface sediments

表1 HCHs在海河沉積物中的降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)Tab.1 Biodegradation rate constants of HCHs in sediments from Haihe River

厭氧條件下 HCHs在海河表層沉積物中的降解速率比好氧條件下高，這與HCHs的生物降解機(jī)理有關(guān)．HCH分子中氯原子強(qiáng)烈的吸電子性使苯環(huán)上電子云密度降低，在好氧條件下氧化酶很難從苯環(huán)上獲取電子，苯環(huán)上的電子云密度越低，氧化越困難，表現(xiàn)出的生物降解性就越低．相反，在厭氧或缺氧條件下，環(huán)境的氧化還原電位較低，電子云密度較低的苯環(huán)在酶作用下很容易受到還原劑的親核攻擊，氯原子就很容易被親核取代，顯示出較高的厭氧生物降解性[8]．

25,℃時(shí) HCHs在海河表層沉積物中生物降解速率高于 15,℃時(shí)的生物降解速率．這是因?yàn)樵诳山到釮CHs的微生物的最高和最低生長(zhǎng)溫度范圍內(nèi)，升高溫度可降低使化學(xué)鍵斷裂的活化能，活化能愈小反應(yīng)速率愈大，因此升高溫度有利于有機(jī)氯農(nóng)藥的微生物降解[9]．

關(guān)于HCHs在沉積物中生物降解的報(bào)道很少．趙旭等[10]研究了沉積物中有機(jī)質(zhì)及金屬水合氧化物對(duì)γ-HCH厭氧生物降解的影響， 測(cè)得γ -HCH的一級(jí)降解速率常數(shù)在 2.0×10－2～7.1×10－2d－1之間．遼河沉積物中γ-HCH的厭氧生物降解速率常數(shù)為 4.54×10－2d－1[11]．相比而言，海河沉積物中 HCHs的生物降解速率相對(duì)較高．然而，需要注意的是，HCHs在沉積物中的降解除了受溫度和溶解氧的影響外，還受到多種因素的影響，如沉積物中有機(jī)碳的含量等[10]．此外，鎖定對(duì)沉積物中HCHs的生物降解影響比較顯著，尤其是長(zhǎng)期受污染的沉積物，因鎖定作用使得沉積物中污染物的生物可利用性降低，降解速率減?。?/p>

2.2 六六六在海河水/沉積物界面層中的生物降解特性

水/沉積物界面層為沉積物和上覆水二相間存在一個(gè)大約2,mm厚度的薄膜層．這一界面層包括有機(jī)相、無(wú)機(jī)相和復(fù)雜的生物相，其中生物相包括低棲動(dòng)物、著生生物、微生物、水生維管束植物以及一些由死亡生物組成的有機(jī)碎屑．水體中多數(shù)污染物的遷移轉(zhuǎn)化多發(fā)生在這一層．有機(jī)污染物在水/沉積物界面層中的地球化學(xué)行為對(duì)河流，尤其是對(duì)淺水河流的水環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)有著極為重要的影響．

圖5和圖6為HCHs在海河水/沉積物界面層中的生物降解曲線．可以看出，α-HCH、γ-HCH、β-HCH和δ-HCH培養(yǎng)21,d后，在好氧條件下的降解率分別為 42.8%、49.0%、68.3%和 56.3%，在厭氧條件下分別為 76.4%、56.7%、80.3%和 69.2%．而對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，21,d后HCHs的衰減率為3.1%～6.0%，這表明水/沉積物界面層中HCHs濃度的減少主要是生物降解造成的．

圖5 HCHs在水/沉積物界面層中好氧降解曲線Fig.5 Biodegradation curves of HCHs in water-sediment interface under aerobic condition

圖6 HCHs在水/沉積物界面層中厭氧降解曲線Fig.6 Biodegradation curves of HCHs in water-sediment interface under anaerobic condition

HCHs在海河水/沉積物界面層中的生物降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程(R2＞0.823，見表1)．比較降解速率常數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這 4種 HCHs降解快慢的順序?yàn)棣?HCH＞α-HCH＞δ-HCH＞β-HCH，同一種 HCH 異構(gòu)體厭氧條件下的降解快于好氧，與表層沉積物相同．

將 HCHs在海河水/沉積物界面層中的生物降解速率與表層沉積物中的相比可以發(fā)現(xiàn)，除好氧條件下α-HCH 和γ-HCH，水/沉積物界面層中 HCHs的生物降解速率均高于表層沉積物的生物降解速率．經(jīng)測(cè)定海河水/沉積物界面層中細(xì)菌數(shù)量為 5.76×105CFU/g，高于表層沉積物中細(xì)菌數(shù)量(4.28×105CFU/g).研究表明[12]，微生物的活動(dòng)可以明顯提高酶的活性，微生物及酶的共同作用是導(dǎo)致水體中HCH消解的主要原因．微生物數(shù)量越多，酶的活性越高，HCH的消解率越高．除微生物數(shù)量對(duì) HCHs的生物降解速率有影響外，沉積物的組成等因素也會(huì)對(duì)降解速率產(chǎn)生影響，由此可能會(huì)出現(xiàn)好氧條件下α-HCH和γ-HCH在水/沉積物界面層中降解速率常數(shù)降低的現(xiàn)象．

3 結(jié) 語(yǔ)

HCHs在海河表層沉積物及水/沉積物界面層中的生物降解均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程．4種HCHs異構(gòu)體的降解順序?yàn)棣?HCH＞α-HCH＞δ-HCH＞β-HCH；厭氧條件下 HCHs在海河沉積物中的降解速率高于好氧條件，溫度升高降解速率增大；水/沉積物界面層中HCHs的生物降解速率，除好氧條件下α-HCH 和γ-HCH外，均高于表層沉積物．

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