洪湖沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的厭氧降解動(dòng)力學(xué)

龔香宜+何炎志+祁士華

摘要：通過模擬試驗(yàn)，對(duì)洪湖沉積物中的有機(jī)氯農(nóng)藥在厭氧條件下的降解動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在厭氧條件下天然沉積物中大部分有機(jī)氯農(nóng)藥均可緩慢降解，其中降解較明顯的有？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，降解最慢的為β-HCH。p，p′-DDT在厭氧條件下的主要降解產(chǎn)物為p，p′-DDD，導(dǎo)致p，p′-DDD的含量有所上升。其他幾種有機(jī)氯農(nóng)藥的降解速率順序大致為：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE，并且這幾種有機(jī)氯農(nóng)藥的厭氧生物降解均符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，其厭氧降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

關(guān)鍵詞：沉積物;有機(jī)氯農(nóng)藥;厭氧降解;洪湖

中圖分類號(hào)：X131.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2015）02-0318-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.016

Anaerobic Degradation Kinetics of Organochlorine Pesticides

from Sediments of Honghu Lake

GONG Xiang-yi1，HE Yan-zhi1，QI Shi-hua2

（1. College of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan ?430081， China;

2. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology， China University of Geosciences， Wuhan ?430074， China）

Abstract： The anaerobic degradation kinetic process of organochlorine pesticides （OCPs） from the sediments from Honghu Lake was studied with simulation experiment. The results showed that most of OCPs was degraded slowly in natural sediments under anaerobic condition. ？酌-HCH、p，p-DDT and o，p-DDT were degraded obviously. The degradation of β-HCH was most slowly. Because main catabolite of p，p-DDT was p，p-DDD， the concentration of p，p-DDD was increased. The degradation rate of α-chlordane， α-HCH， HCB and p，p-DDE was in the order of α-chlordane > α-HCH > HCB > p，p-DDE， with their anaerobic degradation fitting with first-order kinetic equation. Kinetic constants of α-chlordane， α-HCH， HCB and p，p-DDE were 0.013 7 d-1， 0.007 8 d-1， 0.004 2 d-1 and 0.000 5 d-1， respectively.

Key words： sediment; organochlorine pesticides; anaerobic degradation;Honghu

有機(jī)氯農(nóng)藥是典型的持久性有機(jī)污染物，微生物降解是其在自然條件下轉(zhuǎn)化和消除的主要途徑。但是，由于氯取代基的存在，使這類化合物的生物降解性較低，毒性增大，且在好氧條件下極難被生物降解。據(jù)研究，在厭氧條件下，很多氯代有機(jī)物的生物降解性均有所提高[1]，而天然水沉積物經(jīng)常處于缺氧狀態(tài)下，因此在沉積物中，生物的缺氧脫氯作用是氯代有機(jī)污染物最重要的代謝方式。

目前，在氯代有機(jī)污染物進(jìn)行厭氧脫氯研究中，多以多氯聯(lián)苯[2，3]和氯代直鏈脂肪烴[4]等為目標(biāo)。在有機(jī)氯農(nóng)藥研究過程中，主要探討人為控制的條件下，添加碳源、化學(xué)還原劑等對(duì)其降解的影響[5，6]。但是，關(guān)于在多種有機(jī)氯農(nóng)藥共存的天然狀態(tài)下，尚未涉及有機(jī)氯農(nóng)藥在水體沉積物中的厭氧降解動(dòng)力學(xué)行為和轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究。

本試驗(yàn)主要研究洪湖沉積物中的有機(jī)氯農(nóng)藥在自然狀態(tài)下的缺氧脫氯降解行為，在一定程度上揭示有機(jī)氯農(nóng)藥在天然水體沉積物中的轉(zhuǎn)化規(guī)律，重新認(rèn)識(shí)有機(jī)氯農(nóng)藥在天然水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性，并為進(jìn)一步研究水體沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥污染的生物修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?厭氧降解試驗(yàn)

用內(nèi)徑70 mm的PVC管在洪湖采集10 cm的柱狀沉積物。為避免沉積物界面擾動(dòng)，采集時(shí)保留5 cm上覆水，將PVC管兩端用橡皮塞塞緊，形成一個(gè)穩(wěn)定密閉的空間，垂直放置于固定擱架上。回到實(shí)驗(yàn)室后，打開沉積柱上端開口，將連接氮?dú)馄康墓枘z管伸入水面以下，通入5 min氮?dú)猓缓笱杆賹⒐枘z管拔出，將開口用橡皮塞塞緊，并用聚四氟乙烯生料帶密封。分別于第0、40、60、80、100、126天取樣，-20 ℃冷凍保存?zhèn)溆谩Ｃ看螛悠凡杉戤吅笕匀慌c前述相同，通入5 min氮?dú)?，然后將沉積柱開口用橡皮塞塞緊、密封，直到下次采樣。endprint

1.2 ?有機(jī)氯農(nóng)藥測(cè)定

將冷凍干燥后的沉積物樣品，加入回收率指示物，用二氯甲烷作溶劑，在索氏提取器中抽提24 h，并用活化的銅片脫硫。再將沉積物提取液在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至2 mL，加入硅膠/氧化鋁層析柱凈化，用25 mL的二氯甲烷/正己烷（2∶3，V/V）混合液淋洗柱體。過柱后的液體再繼續(xù)濃縮至0.5 mL后，轉(zhuǎn)移至2 mL的細(xì)胞瓶中，用柔和的氮?dú)獯抵?.2 mL，加入4 μL內(nèi)標(biāo)物放入冰箱中待測(cè)。采用AgilentHP6890型氣相色譜儀，配63Ni電子捕獲檢測(cè)器，色譜柱為HP–5石英毛細(xì)管柱（30.00 m×0.32 mm×0.25 μm），進(jìn)樣口溫度290 ℃，檢測(cè)器溫度為300 ℃。升溫程序：100 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至200 ℃，以2 ℃/min升至230 ℃， 再以8 ℃/min升至280 ℃，保持15 min。待測(cè)樣品以不分流進(jìn)樣2 μL，內(nèi)標(biāo)法定量。

有機(jī)氯農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為由？琢-HCH、？茁-HCH、？酌-HCH、HCB、α-氯丹、p，p′-DDE、p，p′-DDD、o，p′-DDT和p，p′-DDT共9種物質(zhì)組成的混合標(biāo)樣，回收率指示物為2，4，5，6-四氯間二甲苯（TCMX）和十氯聯(lián)苯（PCB209），內(nèi)標(biāo)化合物為五氯硝基苯（PCNB）。方法檢測(cè)限為0.001～0.005 ng/g，回收率范圍為72%～103%，所有樣品均經(jīng)過回收率校正。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的厭氧降解特征

厭氧條件下沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥的含量變化如表1所示。由表1可知，隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng)，沉積物中大多數(shù)有機(jī)氯農(nóng)藥的含量出現(xiàn)不同程度的降低。其中比較明顯的為？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，在厭氧試驗(yàn)的第40天，即第一次采樣時(shí)，這些化合物在沉積物中的含量已經(jīng)低于檢測(cè)限度。其主要原因有兩點(diǎn)，①這些化合物相對(duì)較容易降解;②另外這些物質(zhì)本身在沉積物中的含量比較低。大量研究表明[7]，與其他類型的有機(jī)氯農(nóng)藥對(duì)比，這幾種化合物更易降解，因此若無新的輸入，這幾種化合物在各大水體沉積物中的含量均較低。β-HCH的含量變化趨勢(shì)不明顯，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)基本未降解。β-HCH分子結(jié)構(gòu)中所有氯原子均處于碳架的平面上，使得其相對(duì)其他異構(gòu)體物理性質(zhì)更加穩(wěn)定，更難被微生物降解[8，9]。另外，p，p-DDD的含量不降反升。

因上述幾種有機(jī)氯農(nóng)藥的含量變化太小，在此不作詳細(xì)討論。其他有機(jī)氯農(nóng)藥的生物降解率曲線如圖1所示。由圖1可知，沉積物中的有機(jī)氯農(nóng)藥在天然狀態(tài)下的降解過程極為緩慢。其降解速率的順序大致為：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE。其中，α-氯丹降解速率稍快，在4個(gè)月內(nèi)，降解率將近達(dá)到80%。而p， p′-DDE的降解速率則非常緩慢， 在4個(gè)月內(nèi)， 降解率不到10%。眾多研究表明，脫氯是氯代有機(jī)化合物生物降解的關(guān)鍵步驟[10]。在厭氧微生物作用下，氯代有機(jī)物上的有機(jī)氯首先得到電子，然后從苯環(huán)上脫下來，發(fā)生還原脫氯反應(yīng)。在這一過程中，化合物本身的氧化還原電勢(shì)起關(guān)鍵作用。此外，化合物本身的空間結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行也有一定影響。不同的多氯代有機(jī)物，因其具有不同的氧化還原電勢(shì)和空間結(jié)構(gòu)，所以生物降解速率明顯不同[11]。

對(duì)比p，p′-DDT、p，p′-DDD和p，p′-DDE的含量變化（表1）可知，在試驗(yàn)的前40 d內(nèi)，p，p′-DDT的含量下降，而p，p′-DDD的含量卻略有上升，并且p，p′-DDT減少的量基本等于p，p-DDD增加的量。研究表明，p，p′-DDT在厭氧條件下的主要降解產(chǎn)物是p，p′-DDD[12]，因此，試驗(yàn)中p，p′-DDD含量的增加可能主要來源于p，p′-DDT的降解。而p，p′-DDE主要是p，p′-DDT在好氧條件下的降解產(chǎn)物，因此含量未見升高，反而略有降低。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，p，p′-DDE的含量一直呈降低趨勢(shì)，而p，p′-DDD的含量變化不明顯。雖然p，p′-DDE的性質(zhì)穩(wěn)定，但在厭氧條件下，仍可發(fā)生還原脫氯反應(yīng)生成p，p′-DDMU，因此這可能是試驗(yàn)中p，p′-DDE含量降低的主要原因[13]。另外，盡管p，p′-DDD也可發(fā)生脫氯化氫作用生成p，p′-DDMU，但需要好氧環(huán)境，因此在厭氧條件下，p，p′-DDD的降解趨勢(shì)不明顯。

2.2 ?厭氧降解動(dòng)力學(xué)

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，對(duì)α-氯丹、α-HCH、HCB及p，p′-DDE進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)回歸如圖2所示。由圖2可知，有機(jī)氯農(nóng)藥的厭氧生物降解符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，動(dòng)力學(xué)方程如表2所示。經(jīng)過F檢驗(yàn)，4個(gè)準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)性在α=0.01水平上十分顯著。其降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

3 ?結(jié)論

在厭氧條件下，沉積物中的大部分有機(jī)氯農(nóng)藥均可緩慢降解。其中降解較明顯的有？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，降解最慢的為β-HCH。

α-氯丹、α-HCH、HCB及p，p′-DDE的缺氧生物降解均符合準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，降解速率順序大致為：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE，其降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

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