糞固醇在粗胡敏素(HM)上吸附特性研究

詹葉敬， 徐恒振， 張 明， 趙元鳳

(1.大連海洋大學(xué)生命與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116023; 2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連116023)

糞固醇是一類環(huán)戊烷多氫菲結(jié)構(gòu)的化合物，其指紋值常被用來指示沉積物、水體糞便污染源［1－2］，有著顯著的環(huán)境意義.其化學(xué)行為研究很少，國內(nèi)理應(yīng)開展糞固醇在環(huán)境中的遷移、歸趨的研究，確證糞固醇作為沉積物糞便污染指示物的可靠性，以適應(yīng)不同污染源監(jiān)測工作的需要.有關(guān)沉積物對有機(jī)污染物吸附研究已經(jīng)做出了良好的總結(jié)，現(xiàn)在普遍認(rèn)為:有機(jī)污染物在遷移和轉(zhuǎn)化過程中，土壤(沉積物)與有機(jī)污染物的相互作用主要受土壤性質(zhì)、生物、氣候、污染物結(jié)構(gòu)等因素的影響，其中土壤性質(zhì)、污染物結(jié)構(gòu)是影響吸附的兩個極為重要的因素［3］.土壤(沉積物)對有機(jī)污染物的吸附主要是有機(jī)物與有機(jī)質(zhì)的相互作用.粗胡敏素是土壤(沉積物)有機(jī)質(zhì)中含量最高、組成最穩(wěn)定的組分，是一類復(fù)雜的天然大分子，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的活性基團(tuán)，同時又具有疏松的“海綿狀”結(jié)構(gòu)和巨大的表面能，能夠吸附許多有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)，對土壤環(huán)境質(zhì)量有重要的影響［4］.本文主要以粗胡敏素與12種糞固醇的吸附為研究對象，探討其吸附特性和環(huán)境因素對吸附行為的影響，為準(zhǔn)確估計該污染物在土壤 (沉積物)中的運(yùn)移及降解提供參考.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀; KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗機(jī);TDL-5Z離心機(jī);馬弗爐;電熱恒溫振蕩器;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器RE-2000;層析柱(0.8 cm×30 cm);BS124S電子天平;SHZ-Ⅲ型循環(huán)水真空泵.

二氯甲烷、正己烷(色譜級和分析級，Tedia of USA);無水硫酸鈉(650℃下活化4 h);硅膠(100目～200目，650℃下馬弗爐中加熱4 h);中性氧化鋁(100目～200目，450℃下馬弗爐中4 h);甲醇、氫氧化鉀(天津科密歐，分析純);水(Millipore超純水).

1.2 粗胡敏素制備

供制備粗胡敏素的沉積物采自大連灣，采用國際標(biāo)準(zhǔn)腐殖酸協(xié)會(IHSS)推薦方法制備粗胡敏素.稱取100 g沉積物樣品(35目)于1L燒杯中，加入600 mL蒸餾水(土水比l∶6)，攪拌均勻.在70℃恒溫水浴上震蕩1 h，3500 r/min離心5 min，濾去水溶物，再往燒杯里殘渣中加入0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L焦磷酸鈉(pH= 13)混合溶液，攪拌均勻，震蕩l h，取棕褐色上清液，以3 700 r/min離心30 min，得到堿可提取物質(zhì)(HE)，反復(fù)提取13次左右，直至上清液無色.水洗殘渣2～3次，自然風(fēng)干，為不可提取態(tài)有機(jī)質(zhì)，即粗胡敏素(粗HM).

1.3 糞固醇混合吸附液制備

取適量肉食動物、雜食動物、草食動物糞便樣品和沉積物樣品，按質(zhì)量比2.2∶1∶1.5∶10混勻，按固-液比1∶4加入CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液，超聲萃取20 min，重復(fù)3次，合并提取液，加入足量KOH-CH3OH(體積分?jǐn)?shù)為95%)溶液，80℃皂化40 min，將皂化液轉(zhuǎn)移至500 mL分液漏斗中，加入適量 CH2Cl2-nC6H14(體積比為4∶1)溶液反萃取，取下層有機(jī)相溶液，濃縮，過硅膠(4 g)-中性氧化鋁(2 g)層析柱純化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)近干，用甲醇定容，備用待測.制得 C27:coprostanol、coprostanone、cholesterol、 cholestanol、 cholestanone， C28: 24-methyl coprostanol、24-methyl coprostanone、campsterol，C29:24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol 3類糞固醇的混合吸附液.

1.4 糞固醇定量方法

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀配備色譜柱:HP-5 ms，30 m×0.25 mm×0.25 μm，高純氦氣為載氣，柱流速為2 mL/min，進(jìn)樣口溫度為260℃，無分流進(jìn)樣，進(jìn)樣量1 μL.程序升溫:初始溫度為60℃，以15℃/min速率升至250℃，不保持;以1℃/min速率升至280℃，不保持;以5℃/min速率升至300℃，保持10 min.

分別配制不同濃度梯度的 cholesterol與sitosterol標(biāo)準(zhǔn)品，C27類糞固醇用cholesterol來定量，C29類糞固醇用sitosterol定量，C28類糞固醇用cholesterol、sitosterol平均值定量.考察糞固醇濃度與峰面積的線性關(guān)系，自變量為濃度.最終得到定量曲線:C27類糞固醇，y=182 732x，R2= 0.996;C28類糞固醇，y=94 244x，R2=0.995;C29類糞固醇，y=84 581x，R2=0.997.

1.5 吸附實(shí)驗(yàn)

在一定的溫度下(溫度22.0℃)，稱取2.0 g粗胡敏素(如1.2粗HA的制備方法)，加入30 mL蒸餾水，再加入1.50 mL糞固醇溶液，持續(xù)震蕩.考察3 h、6 h、12 h、18 h、24 h內(nèi)粗胡敏素對糞固醇的吸附情況，每個時間點(diǎn)設(shè)置3個平行樣，48 h后取出樣品離心，棄去上清液，再向粗胡敏素中依次加入適量無水 Na2SO4、30 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)超聲振蕩30 min，離心，將提取液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)至1 mL，過硅膠(4 g)-中性氧化鋁(2 g)層析柱純化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)近干，正己烷定容1.0 mL，4.0℃保存待測.

1.6 吸附等溫實(shí)驗(yàn)

在一定的溫度(22.0℃)下，稱取2.0 g粗胡敏素，分別加入0.4～2.0 mL糞固醇溶液，對應(yīng)加入0～1.6 mL甲醇，再加入30 mL蒸餾水，持續(xù)震蕩，考察5個不同初始濃度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響，每個濃度設(shè)置2個平行樣，24 h后取出樣品離心，棄去上清液.以下步驟同1.5.

1.7 吸附影響實(shí)驗(yàn)

1.7.1 溫度的影響

在鹽度為0.0，pH值為8.36的條件下，考察溫度為0.5℃、15℃、25℃、35℃、45℃時，不同溫度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響.稱取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水搖晃振蕩6次/d，置于不同溫度下，每個溫度3個平行樣，24 h后樣品離心，棄去上清液.以下步驟同1.6.

1.7.2 鹽度的影響

在溫度t=22.0℃、pH=8.36的條件下，研究鹽度(0‰、11‰、16‰、21‰、32‰)對粗胡敏素吸附糞固醇類物質(zhì)性能的影響.稱取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水，每天搖晃振蕩6次，置于室溫下(室內(nèi)溫度22.0℃)，每個鹽度值設(shè)置3個平行樣，24 h后取出樣品離心，去上清液，以下步驟同1.7.1.

1.7.3 pH的影響

在溫度t=22.0℃、鹽度為0.0的條件下，測定了pH值為2.28、5.25、7.46、10.74和13.3時對粗胡敏素吸附糞固醇的影響.稱取制備的粗胡敏素2.0 g，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水，每天搖晃振蕩6次，置于室溫下(室內(nèi)溫度22.0℃)，每個pH值設(shè)置3個平行樣，24 h后取出樣品離心，去上清液.以下步驟同1.7.2.

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附平衡時間的確定

圖1中(a)～(c)分別為不同時段內(nèi)粗胡敏素對C27、C28、C29糞固醇的吸附率(吸附率η= (p/p0)×100%，其中，p為沉積物對糞固醇吸附量，p0為糞固醇加入量).

圖1 不同時段內(nèi)粗胡敏素對C27、C28、C29糞固醇的吸附率Fig.1 The sorptive percentage of faecal sterols on crude HM in different time

由圖1可以看出，粗胡敏素對糞固醇的吸附可分為快吸附、慢吸附2個階段.前12 h吸附較快，12 h后吸附較慢，18～24 h吸附達(dá)到平衡，吸附率為19.5%～65.3%.確定24 h為粗胡敏素對糞固醇的吸附平衡時間.

2.2 吸附等溫結(jié)果

吸附等溫式常用以下幾種模型描述:

線性等溫吸附式:

式中S為沉積物中糞固醇的吸附量(μg/g)，ρ為平衡溶液中糞固醇的質(zhì)量濃度(mg/L)，K為平衡常數(shù)(mL/g)［5－7］.

Freundlich等溫吸附式:

式中S和ρ同(1)式，n為非線性常數(shù)，Kf為吸附系數(shù)，與吸附容量和吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)［8－10］.

Langumir等溫吸附式:

式中S和ρ同(1)式，Qm為最大吸附量(μg/g)，k為結(jié)合能常數(shù)［10－11］.

表1是擬合幾種等溫吸附曲線的相關(guān)參數(shù)和吸附系數(shù)，其中，a為截距，r為直線的相關(guān)系數(shù)，sig為顯著性水平.可以看出線性等溫模型對coprostanol、24-methyl coprostanol、24-methyl-coprostanone、24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitostanol和sitostanol擬合得到截距a為負(fù)值，無意義.其余5種糞固醇線性擬合r為0.723～0.991，均比相對 應(yīng)的Freundlich擬合系數(shù)r小.

表1 糞固醇在粗胡敏素上吸附的3種等溫吸附方程參數(shù)Table 1 3 kinds of isothermal adsorption equation parameters of facial sterols adsorpted on crude HM

Langumir模型對 coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol擬合得最大吸附量Qm為負(fù)值，無意義.其余6種糞固醇Langumir擬合結(jié)果均顯著，但Qm與實(shí)測值差距較大.糞固醇在粗胡敏素吸附為非單分子層吸附.

Freundlich吸附模型對12種糞固醇在粗胡敏素上吸附均擬合良好.coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanol、24-ethylcoprostanone、sitosterol和sitostanol的n＞1，其余5種糞固醇n＜1，為非線性吸附，吸附機(jī)理比較復(fù)雜.除cholestanone外，F(xiàn)reundlich吸附模型擬合結(jié)果均顯著.粗胡敏素對糞固醇吸附機(jī)理復(fù)雜，其起主導(dǎo)作用的是分配作用和表面吸附作用.

2.3 吸附影響實(shí)驗(yàn)

2.3.1 溫度的影響

圖2(a)～(c)為不同溫度對Kd(分配系數(shù)，固相與液相中單位吸附量的比值)的影響.可以看出隨溫度升高，糞固醇在粗胡敏素上的分配系數(shù)降低.當(dāng)溫度由1.5℃升高至50.0℃時，12種糞固醇的分配系數(shù)下降了58.2%～74.3%.如t=1.5℃時，coprostanol在粗胡敏素上的分配系數(shù)(Kd)最大，Kd=7.639 mL/g，當(dāng)溫度升高到50.0℃，Kd降低到2.806 mL/g，下降了63.3%.表明溫度對糞固醇在粗胡敏素上的吸附有著明顯的影響.

圖2 溫度對Kd的影響Fig.2 The influence of temperature on Kd

應(yīng)用吉布斯方程可以計算溫度對平衡吸附系數(shù)的影響:

式中，△G0為吸附的標(biāo)準(zhǔn)自由能變，△H0為標(biāo)準(zhǔn)吸附熱，△S0為吸附的標(biāo)準(zhǔn)熵變，R為氣體摩爾常數(shù)(8.314 5 J/mol·K)，T為絕對溫度，K為吸附平衡常數(shù).若不考慮△H0、△S0的影響，將式(6)中的lnK和1/T作圖，得一線性回歸方程，r為直線的相關(guān)系數(shù)，sig為顯著性水平［12－13］.通過斜率、截距分別求出△H0、△S0.列于表2.可以看出12種糞固醇在粗胡敏素上吸附的△H0為－20 940～－10 883 J/mol，△S0為－58.5～－32.6 J/mol·K，均小于0，表明12種糞固醇的吸附過程是放熱反應(yīng)，當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)向降低溫度的逆反應(yīng)進(jìn)行，不利于正向的吸附反應(yīng).

表2 粗胡敏素對糞固醇的吸附△H0、△S0Table 2 The△H0and△S0of facial sterols adsorpted on the crude HM

2.3.2 鹽度的影響

圖3(a)～(c)為不同鹽度對Kd的影響.

圖3 鹽度對Kd的影響Fig.3 The influence of salt on Kd

圖3中(a)～(c)分別為鹽度值對C27、C28、C29類糞固醇吸附性能的影響.可以看出，糞固醇Kd值隨鹽度升高而升高，呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.表明水體的鹽度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響明顯.當(dāng)鹽度由32.0‰下降到0.0‰時，糞固醇在粗胡敏素上的 Kd下降了32.60% ～65.90%.如cholestanol在粗胡敏素的Kd在鹽度為32.0‰時最大，Kd=7.671 mL/g，鹽度降低到0.0‰，S降低到 5.21mL/g，減少了36.4%.鹽度的增大導(dǎo)致粗胡敏素部分膠體物質(zhì)的沉降，從而增大粗胡敏素對糞固醇的吸附量.

2.3.3 pH值的影響

圖4為不同pH值對Kd的影響.

圖4 pH值對Kd的影響Fig.4 The influence of pH on Kd

圖4中(a)～(c)分別為pH值對粗胡敏素吸附C27、C28、C29糞固醇吸附性能的影響.可以看出3類糞固醇Kd值隨pH值變化規(guī)律一致.當(dāng)pH值為10.74時，糞固醇在粗胡敏素上Kd最小.如當(dāng)pH=10.74時，cholestanol在粗胡敏素Kd=1.25 mL/g，pH值為其它值時，Kd為1.65～1.72 mL/g.粗胡敏素為酸堿不可溶物質(zhì)，由礦物質(zhì)、胡敏素構(gòu)成.當(dāng)pH值為10.0左右時，胡敏素可分為重顆粒、輕顆粒胡敏素(膠體)［14］，所以pH值為10.74時，Kd最小，而其它pH值條件下，Kd差異不明顯.

3 結(jié)論

(1)粗胡敏素對糞固醇的吸附分為快吸附、慢吸附2個階段，確定24 h為吸附平衡時間.

(2)吸附作用所涉及到的機(jī)理非常復(fù)雜，受到的影響因素也很多，有外界環(huán)境因素，也有沉積物自身的物理化學(xué)特性.通常，若沉積物中有機(jī)碳和黏土礦物含量高，則沉積物對有機(jī)物的吸附以分配為主，且吸附等溫線符合Langmuir型;當(dāng)沉積物比表面積較大時，它對有機(jī)物的吸附以表面吸附為主，且吸附等溫線符合 Freundlich型.本實(shí)驗(yàn)所得的吸附等溫線為S型，經(jīng)線性擬合后，線型、Freundlich型和Langmuir型吸附等溫式都能較好地描述糞固醇在粗胡敏素上的吸附行為;但相比較而言，F(xiàn)reundlich型擬合效果最好.這說明粗胡敏素的成份較為復(fù)雜，吸附機(jī)理也很復(fù)雜，其對糞固醇的吸附是多種作用力的結(jié)果，其中起主導(dǎo)作用的是分配作用和表面吸附作用，物之間的吸附差異性有待進(jìn)一步研究論證.

(3)隨著溫度的升高，粗胡敏素對糞固醇的吸附有一定程度的降低，溫度對糞固醇在粗胡敏素上吸附行為影響明顯.△H0、△S0均小于0，溫度的升高不利于反應(yīng)的進(jìn)行.當(dāng)溫度升高時，糞固醇本身的溶解度增加，解離程度增強(qiáng)，相應(yīng)地增加糞固醇的溶解度.而在水中溶解度越大的疏水性有機(jī)化合物越難被沉積物有機(jī)質(zhì)吸附.粗胡敏素中含有許多親水性的官能團(tuán)，當(dāng)溫度升高時粗胡敏素中有機(jī)質(zhì)容易向水體中釋放，而且，在高溫情況下粗胡敏素容易發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)而放出許多可溶的有機(jī)反應(yīng)產(chǎn)物，這些都減小了粗胡敏素的吸附分配系數(shù).溫度升高使吸附質(zhì)分子通過溶劑擴(kuò)散至吸附劑表面及內(nèi)部的速度加快，但同時也減弱了吸附劑對吸附質(zhì)的平衡吸附能力，最終導(dǎo)致沉積物對12種糞固醇的吸附量因溫度升高而降低.

(4)鹽度從0.0‰增加到32.0‰時，12種糞固醇在粗胡敏素上分配系數(shù)增加32.60%～65.90%，cholesterol、cholestanone增加程度最明顯.這是因?yàn)?一方面，鹽度的升高導(dǎo)致粗胡敏素中水溶性物質(zhì)易形成膠體沉降，水體中懸著固體顆粒沉降，從而導(dǎo)致Kd值的增加.另一方面，鹽度升高導(dǎo)致糞固醇物質(zhì)溶解度降低，親水性降低，更易被粗胡敏素吸附.表明水體的鹽度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響明顯.

(5)當(dāng)pH值為10.74時，糞固醇在粗胡敏素上Kd最小;pH值為其它值時，Kd為1.65～1.72 mL/g，Kd無明顯差異.pH值的改變對酸堿不可溶的粗胡敏素影響不大，僅當(dāng)值為10.0左右時，有部分胡敏素溶出形成懸濁液，降低了糞固醇在粗胡敏素上的分配系數(shù).

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