自然水體生物膜形態(tài)對(duì)其生成H2O2與降解十二烷基苯磺酸鈉的影響

李 明，毛 丹，董德明，趙天宇，孫家倩，郭愛桐，花修藝，梁大鵬，郭志勇

（吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水資源與水環(huán)境吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，環(huán)境與資源學(xué)院，長春130012）

自然水體生物膜是一種典型的以微藻類（硅藻和綠藻為主）和細(xì)菌為生命組分、以無機(jī)礦物和金屬氧化物（鐵錳氧化物為主）及胞外聚合物（EPS）為非生命組分構(gòu)成的復(fù)合生物群落［1－2］.自然水體生物膜普遍存在于河流、湖泊、濕地、河口海岸帶及人工景觀的各種固相物質(zhì)表面上，如表層沉積物、沙石和巖石等［1－2］.在水環(huán)境中，生物膜與污染物間存在吸附、富集和降解轉(zhuǎn)化等相互作用［1－2］.由于水體流動(dòng)和生物擾動(dòng)等因素使生物膜分散、脫落到水相中，破壞了生物膜的微觀生態(tài)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)生物膜中生命與非生命間以及固相與水相中的物質(zhì)交換產(chǎn)生影響，從而改變生物膜的生態(tài)功能［3－4］.文獻(xiàn)［5－6］研究了晝夜變化對(duì)重金屬類污染物濃度的影響；文獻(xiàn)［7］研究了藻類等生物的新陳代謝.由于H2O2可轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），即在光照和金屬離子存在條件下通過類Fenton反應(yīng)促進(jìn)H2O2生成·OH，進(jìn)而降解有機(jī)污染物［8－9］.因此，本文以十二烷基苯磺酸鈉（DBS）［10－11］作為可降解有機(jī)污染物，在光照和無光條件下，通過模擬實(shí)驗(yàn)考察有活性和無活性及不同形態(tài)生物膜體系中生成H2O2并降解DBS的規(guī)律，并分析光照和生物膜形態(tài)對(duì)H2O2生成規(guī)律和DBS降解的影響機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

CaCl2，MgSO4，（NH4）2SO4，KNO3和 NaHCO3均為北京化工廠產(chǎn)品（分析純）；NaN3為天津市光復(fù)精細(xì)化工廠產(chǎn)品（分析純）；DBS為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品（分析純）.TC501恒溫水浴控制裝置（金壇市華城開元實(shí)驗(yàn)儀器廠）；UNICO 7200型分光光度計(jì)（尤尼柯上海儀器有限公司）.

1.2 方 法

1.2.2 降解實(shí)驗(yàn) 在轉(zhuǎn)子擾動(dòng)條件下，將2.8LMMS置于燒杯（3L）中，溶液初始pH≈7.5±0.1，溶解氧（DO）質(zhì)量濃度約為（10±0.2）mg／L，DBS初始質(zhì)量濃度為2.0mg／L，每個(gè)體系含有4片生物膜.由于溫度影響生物膜的新陳代謝和降解，因此采用恒溫水浴控制裝置將實(shí)驗(yàn)體系溫度控制為（22±2）℃.在光照實(shí)驗(yàn)（L）中，采用溫室稀土補(bǔ)光燈作為實(shí)驗(yàn)?zāi)M光源，波長為300～1 000nm，光照強(qiáng)度為（40 000±3 000）lx.在無光實(shí)驗(yàn)（D）中，將燒杯外壁用錫紙包裹，頂部用不透光蓋遮擋（非完全封閉體系）.

將生物膜分為聚集態(tài)（J，附著在載玻片上的生物膜）和分散態(tài)（X，從載玻片上分離的生物膜）.分散態(tài)生物膜制備方法：從培養(yǎng)缸中取出載玻片，將載玻片上的生物膜從載玻片上分離至含有50mL MMS溶液的燒杯中，若生物膜分離后的載玻片與未培養(yǎng)過生物膜的載玻片對(duì)照無差異，則表明生物膜已從載玻片上基本分離.在收集分散態(tài)生物膜的燒杯中使用20mL MMS溶液沖洗載玻片3次.實(shí)驗(yàn)時(shí)將分散態(tài)生物膜轉(zhuǎn)移至含有2.6L的MMS體系中，轉(zhuǎn)移后使用30mL MMS溶液沖洗制備分散態(tài)生物膜的燒杯3次.在分散態(tài)生物膜實(shí)驗(yàn)體系中，測(cè)定H2O2和DBS前先將水樣過0.45μm的微孔濾膜.

將生物膜分為活性生物膜（BF）和無活性生物膜（NaN3）.無活性生物膜在實(shí)驗(yàn)前12h使用NaN3滅活［12］.

1.2.3 樣品測(cè)定 采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定DBS的質(zhì)量濃度，水樣經(jīng)亞甲基藍(lán)染色和三氯甲烷萃取后，使用分光光度計(jì)在652nm處測(cè)定其吸光值［12］.H2O2濃度使用鈦鹽比色法測(cè)定［14－15］.pH值和DO值使用美國哈希公司生產(chǎn)的HQ40d型電極測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 光照條件下生物膜形態(tài)對(duì)DBS降解的影響

光照條件下有活性和無活性以及聚集態(tài)和分散態(tài)的生物膜降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，由圖1（A）和（B）可見：在L－BF（J）－NaN3和L－BF（X）－NaN3體系中的 DBS質(zhì)量濃度未發(fā)生變化，也未檢測(cè)到H2O2，表明無活性的生物膜未降解DBS，也未生成H2O2，生物膜對(duì)DBS的吸附作用較小，與文獻(xiàn)［12］研究結(jié)果相符；在L－BF（J）和L－BF（X）體系中的DBS質(zhì)量濃度降低、H2O2濃度升高，生物膜體系中的生物降解作用對(duì)DBS影響較?。?2］，表明有活性生物膜體系中生成的H2O2促進(jìn)了DBS降解.由圖1（C）和（D）可見：在L－BF（J）－NaN3和L－BF（X）－NaN3體系中的DO和pH 值變化較小，在L－BF（X）和L－BF（J）體系中的DO和pH值均呈明顯下降趨勢(shì)，其中DO的質(zhì)量濃度分別減少約1.23mg／L和1.11mg／L，pH值分別減少約1.15和1.5.DBS在降解過程中會(huì)生成小分子酸（甲酸、乙酸和丁二酸等）、直鏈烷基鏈、磺化苯基羧酸（SPC）和其他有機(jī)酸，DBS完全降解可生成硫酸氫鹽和碳酸氫鹽，進(jìn)而導(dǎo)致pH 值降低［16－17］.

圖1 L－BF（J）和L－BF（X）及L－BF（J）－NaN3 和L－BF（X）－NaN3 體系中的DBS質(zhì)量濃度（A）、H2O2濃度（B）、DO質(zhì)量濃度（C）和pH變化（D）Fig.1 Mass concentration of DBS（A），concentration of H2O2 （B），mass concentration of DO（C）and pH （D）in systems L－BF（J），L－BF（X），L－BF（J）－NaN3and L－BF（X）－NaN3

由于聚集態(tài)生物膜轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚B(tài)生物膜過程中破壞了部分生物細(xì)胞壁，且細(xì)胞液中富含鐵等金屬離子可促進(jìn)H2O2分解生成·OH［18］，因此在L－BF（X）體系中的H2O2濃度相對(duì)較低，進(jìn)而導(dǎo)致DO質(zhì)量濃度也較低.L－BF（X）體系的pH值略高于L－BF（J）體系的pH值，這可能是由于DBS降解中間產(chǎn)物的質(zhì)量濃度存在差異所致.

2.2 無光條件下生物膜形態(tài)對(duì)DBS降解的影響

無光條件下有活性和無活性及聚集態(tài)和分散態(tài)的生物膜降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.由圖2（A）和（B）可見：在 D－BF（J）－NaN3和 D－BF（X）－NaN3體系中的 DBS質(zhì)量濃度未發(fā)生變化，也未檢測(cè)到H2O2；在D－BF（X）和D－BF（J）體系中的DBS質(zhì)量濃度逐漸降低，并生成H2O2，表明無光條件下的生物膜也可生成H2O2并降解DBS.由圖2（C）和（D）可見，在D－BF（X）和D－BF（J）體系中的pH 值和DO均呈下降趨勢(shì)，其中pH值分別減少約1.2和1.0，DO質(zhì)量濃度分別減少約0.95mg／L和1.32mg／L.由于DBS降解量越大，其消耗的DO越多，pH值下降越大，因此DO和pH值相對(duì)較低.

圖2 D－BF（J）和 D－BF（X）及D－BF（J）－NaN3 和 D－BF（X）－NaN3 體系中的DBS質(zhì)量濃度（A）、H2O2濃度（B）、DO質(zhì)量濃度（C）和pH變化（D）Fig.2 Mass concentration of DBS（A），concentration of H2O2 （B），mass concentration of DO（C）and pH （D）in systems D－BF（J），D－BF（X），D－BF（J）－NaN3and D－BF（X）－NaN3

活性生物膜在光照條件下H2O2生成量約為無光條件下H2O2生成量的2～3倍，表明光照是生物膜生成H2O2的重要因素.光照條件下DBS降解量約為無光條件下DBS降解量的3～4倍，這可能是因?yàn)楣庹沾龠M(jìn)生成H2O2和其他活性氧化劑（如·OH）.光照不能直接降解DBS，但吸光后處于激發(fā)態(tài)的有機(jī)物比處于基態(tài)的有機(jī)物更易被光催化氧化［19］.因此，光照對(duì)DBS降解的中間產(chǎn)物有降解作用.

綜上所述，在光照和無光條件下，具有活性的自然水體生物膜均可生成一定量的H2O2并降解DBS；光照是生物膜生成H2O2并降解DBS的重要因素；分散態(tài)比聚集態(tài)生物膜的H2O2生成量少，但其DBS降解量高于聚集態(tài)生物膜.

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