可溶性有機(jī)質(zhì)生物改性介導(dǎo)17β-雌二醇生物降解作用

顧麗鵬,何 歡,胥志祥,熊 丹,劉 君,任 東,黃 斌,潘學(xué)軍 (昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明 650500)

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可溶性有機(jī)質(zhì)生物改性介導(dǎo)17β-雌二醇生物降解作用

顧麗鵬,何 歡,胥志祥,熊 丹,劉 君,任 東,黃 斌*,潘學(xué)軍 (昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明 650500)

摘要：利用元素分析、紫外-可見(jiàn)光譜、三維熒光指數(shù)對(duì)經(jīng)過(guò)15d生物改性前后腐殖酸的組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征,并比較了生物改性前后3種腐殖酸對(duì)17β-雌二醇(E2)的結(jié)合作用;而且研究了結(jié)合后的腐殖酸介導(dǎo)微生物降解E2的影響.結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)元素分析后,生物改性前的腐殖酸OLHA、OLFA、OSHA和生物改性后的腐殖酸BLHA、BLFA、BSHA的(N+O)/C值分別為 0.801、1.214、0.820和0.629、1.080、0.797;紫外-可見(jiàn)光譜分析生物改性前后的SUVA254指數(shù)分別為0.146、0.023、0.073和0.179、0.036、0.011;生物改性前后熒光指數(shù)(FI)分別為:0.723、3.385、2.757和0.681、3.017、1.702.上述3種表征手段分析得出腐殖酸的極性是一致的,即改性后的腐殖酸要比改性前的腐殖酸極性小.此外,在30h內(nèi)5mgC/L的腐殖酸生物改性前后對(duì)3mg/L的E2的結(jié)合效率分別為31.37％、4.96％、25.86％和37.78％、6.03％、29.92％,明顯發(fā)現(xiàn)改性后的腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用增強(qiáng);5mgC/L的腐殖酸生物改性前后對(duì)3mg/L的E2的30h內(nèi)的生物降解效率分別為46.28％、15.96％、38.76％和51.11％、17.30％、44.33％,而且同等濃度下的腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用越大其介導(dǎo)微生物降解E2的效果越好.關(guān)鍵詞：腐殖酸；生物改性；組分變化；結(jié)構(gòu)變化；17β-雌二醇；生物降解

*責(zé)任作者, 副教授, huangbin@kmust.edu.cn

溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)是動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)生物、化學(xué)及生物化學(xué)作用過(guò)程產(chǎn)生的一類分子量分布寬、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異質(zhì)溶解性有機(jī)混合物[1-2],是地表水體中普遍存在的活躍組分.腐殖酸是溶解性有機(jī)質(zhì)的主要組成部分,其包括胡敏酸(HA)和富里酸(FA),腐殖酸含量可占到環(huán)境地表水中溶解性有機(jī)碳總量的40％～80％[3].腐殖酸對(duì)疏水性有機(jī)污染物具有很強(qiáng)的結(jié)合作用,能夠影響其在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化.此外,DOM自身生物轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)有機(jī)污染物結(jié)合和生物降解起著重要的介導(dǎo)作用.研究表明,胡敏酸可促進(jìn)PCBs、PAHs等有機(jī)污染物的微生物降解[4-5].因此,腐殖酸影響疏水性有機(jī)污染物在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化過(guò)程成為當(dāng)前研究中的熱點(diǎn).然而,腐殖酸通過(guò)自身生物轉(zhuǎn)化行為來(lái)影響疏水性有機(jī)污染物的生物降解機(jī)理不是很清楚.

類固醇類雌激素(SEs)是一類典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物,在極低濃度下就會(huì)影響生物體自身雌激素的合成、分泌和傳輸?shù)?干擾水生生物正常的生殖功能[6],其中尤以E2的內(nèi)分泌干擾性最強(qiáng),在河水中濃度僅為1ng/L時(shí)就會(huì)造成雄魚(yú)雌性化[7-8].這類物質(zhì)給野生動(dòng)物、人類健康及生態(tài)安全帶來(lái)了既成或潛在的危害[9-10].類固醇雌激素在水環(huán)境中的消減主要依靠生物降解[11]和物理化學(xué)[12-13]等途徑去除.其中,物理化學(xué)方法,包括光化學(xué)法[14],電化學(xué)氧化法[15-16]然而,這些方法有很大的不足,例如,需要對(duì)化學(xué)物質(zhì)純度要求很高,消耗的能量很高;此外,類固醇雌激素具有很長(zhǎng)的半衰期[17],此外,特別是在深水區(qū)或者沉積物中主要是依靠微生物對(duì)其降解.因此,微生物降解對(duì)環(huán)境水體中類固醇雌激素的去除可能起著關(guān)鍵作用.同時(shí),本課題組前期研究調(diào)查也表明,微生物降解可能是滇池水體中類固醇雌激素未發(fā)生大量積累的主要原因[18].盡管類固醇雌激素能夠發(fā)生發(fā)生微生物降解[19],但其直接生降解過(guò)程緩慢,半衰期一般為幾十至數(shù)百天[20].然而, Larcher等[21]發(fā)現(xiàn)自然水體中的類固醇雌激素在幾天的時(shí)間內(nèi)被降解;并推測(cè)類固醇雌激素的生物降解降解過(guò)程受到了水體中腐殖酸.

因此,為了探究水體環(huán)境中廣泛存在的腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用對(duì)生物降解過(guò)程的影響以及DOM自身的生物轉(zhuǎn)化對(duì)E2的結(jié)合作用和生物降解作用的影響.本研究通過(guò)對(duì)洱海沉積物中分離出的腐殖酸(OLHA)和富里酸(OLFA)以及市售腐殖酸(OSHA)進(jìn)行了生物改性,采用元素分析、紫外-可見(jiàn)光譜技術(shù)、三維熒光光譜技術(shù)對(duì)生物改性前后的腐殖酸進(jìn)行對(duì)比,并分析生物改性前后腐殖酸的組分和結(jié)構(gòu)特性的改變進(jìn)行表征,以探討生物改性前后的腐殖酸對(duì)E2結(jié)合過(guò)程和生物降解過(guò)程的影響.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

主要試劑:E2 標(biāo)準(zhǔn)品和市售OSHA購(gòu)于美國(guó) Sigma 公司,分子式為C18H24O2,相對(duì)分子質(zhì)量為272,溶解度為13.30mg/L,辛醇水分配系數(shù)為4.01[22],E2的分子結(jié)構(gòu)和其3D結(jié)構(gòu)模型如圖1所示.腐殖酸(OLHA)和富里酸(OLFA)是按照國(guó)際腐殖酸協(xié)會(huì)提供的標(biāo)準(zhǔn)方法從洱海沉積物中提取出來(lái)[23].實(shí)驗(yàn)其他藥品均購(gòu)置與購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(產(chǎn)品等級(jí)為分析純?cè)噭?.

圖1　E2的分子結(jié)構(gòu)及其3D結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Molecular and optimized 3-dimensional structures of 17β-estradiol

主要儀器:紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UV-2600;德國(guó)ELEMENTAR元素分析儀vario micro;三維熒光光譜儀(Perkin Elemer LS55);美國(guó)Millipore 0.22μm玻璃纖維濾膜.

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

1.2.1 腐殖酸生物改性實(shí)驗(yàn) 從洱海沉積物中提取的OLHA、OLFA和市售OSHA分別配成2L的腐殖酸溶液,裝滿在之前被酸化過(guò)的5L的玻璃容器中, 向溶液中添加NH4NO3和K2HPO4使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)比例達(dá)到: C:N:P=30:10:3以便微生物的生長(zhǎng)不會(huì)受到抑制[24],其次,添加10mL的活性污泥上層清夜,再通過(guò)1mol/L的NaOH和6mol/L的HCl調(diào)整反應(yīng)體系的pH為中性.將容器密封,放在室溫、黑暗條件,250r/min的搖床下培養(yǎng)15d,每天取出手搖15min,這樣防止微生物缺氧,每天都調(diào)整pH值呈中性.經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后,被生物改性后的腐殖酸通過(guò)0.22um玻璃纖維濾膜去除微生物,并進(jìn)行121℃滅菌,取部分溶液冷凍干燥以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,其余的保存在4℃冰箱.以下實(shí)驗(yàn)將生物改性前的腐殖酸設(shè)置為:OLHA、OLFA、OSHA;將生物改性后的腐殖酸對(duì)應(yīng)的設(shè)置為:BLHA、BLFA、BSHA.

1.2.2 生物改性前后腐殖酸的組分和結(jié)構(gòu)的變化的表征 DOC的測(cè)定分析:3種腐殖酸經(jīng)過(guò)15d的生物改性后,分別通過(guò)裝有0.22um玻璃纖維濾膜的抽濾裝置去除反應(yīng)過(guò)程中的微生物,并121℃滅菌后冷卻保存在4℃的冰箱中以待后續(xù)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行.通過(guò)總有機(jī)碳分析儀(TOC儀)測(cè)定生物改性前后的腐殖酸的濃度大小.分別取0.50mL的生物改性前后的腐殖酸,然后將其稀釋到25mL測(cè)定其可溶性有機(jī)碳濃度的變化,并且分別設(shè)定3組平行樣.

元素分析:分別稱取2.00mg的HA、FA和SAHA于錫箔盒中,將包好的樣品放入元素分析儀(Elementar Vario,德國(guó))進(jìn)樣口,對(duì)每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定2次,其中氧的含量通過(guò)差減各元素的含量獲得.元素含量測(cè)定條件為燃燒爐溫度1150℃ ,還原爐溫度850℃ ,載氣氧和氦分別為0.25MPa 和0.20MPa;

UV-Vis分析:用移液器分別移取一定量的生物改性前后的腐殖酸于40mL試劑瓶中,將其配成腐殖酸的濃度為5mgC/L的溶液.于紫外-可見(jiàn)光譜儀(UV-2600,日本)上分別測(cè)定3種腐殖酸的吸收特征光譜.測(cè)試掃描范圍為200～700nm,波長(zhǎng)間距為0.50nm;

三維熒光分析:腐殖酸進(jìn)行三維熒光光譜測(cè)試,用超純水腐殖酸樣品稀釋至TOC為30mgC/L.測(cè)定三維熒光光譜時(shí),將樣品溶解于0.01mol/L 的KCl溶液中,用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值為6.00,保持溫度恒定(恒溫水浴20±1℃ ).將樣品溶液分別置于1cm的石英比色皿中,并置于樣品槽中進(jìn)行檢測(cè).由于腐殖酸自身還是一種混合物,分別測(cè)定了其自身組分,其中蛋白質(zhì)的吸收峰范圍為250～300nm,類富里酸的吸收峰范圍為300～ 380nm,類腐殖酸吸收峰范圍為370～450nm,陸地腐殖酸吸收峰范圍為420～600nm[24-25].

1.2.3 生物改性前后的腐殖酸與E2的相互作用 通過(guò)E2標(biāo)準(zhǔn)品配制1.50mg/L的水溶液.取6 個(gè)40mL的棕色瓶,分別加入5mgC/L生物改性前后的腐殖酸,再加入3mg/L的E2溶液配成取1.50mg/L的濃度E2進(jìn)行結(jié)合實(shí)驗(yàn),同時(shí)添加100mg/L的NaN3抑制結(jié)合過(guò)程中E2的微生物降解,結(jié)合實(shí)驗(yàn)在恒溫?fù)u床中進(jìn)行,用鋁箔將反應(yīng)的棕色瓶包裹避光,25℃恒溫連續(xù)振蕩,搖床轉(zhuǎn)速為250r/min.通過(guò)三維熒光分析結(jié)合作用的E2的初始濃度和平衡濃度的差值,確定腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合效率,每個(gè)樣設(shè)置3個(gè)平行樣.

1.2.4 生物改性前后的腐殖酸介導(dǎo)E2的生物降解實(shí)驗(yàn) 配制30mL含5mgC/L生物改性前后的腐殖酸的E2溶液,調(diào)節(jié)溶液pH值為7.00±0.10,再加入0.10g/L干重的微生物進(jìn)行E2微生物降解實(shí)驗(yàn)30h.實(shí)驗(yàn)溫度控制為25℃ ,恒溫連續(xù)振蕩,搖床轉(zhuǎn)速為250r/min.并保持與空氣接觸.同樣的實(shí)驗(yàn)條件下,考察不同濃度的腐殖酸對(duì)E2微生物降解的影響.

1.2.5 E2定量分析 對(duì)于腐殖酸和E2的結(jié)合作用,通過(guò)三維熒光進(jìn)行定量分析,從200～700nm進(jìn)行熒光波長(zhǎng)的掃射,其中E2的熒光檢測(cè)器(Ex/Em=283/346).生物降解E2的過(guò)程中使用Agilent Technologies 1260高效液相色譜對(duì)E2進(jìn)行定量分析;其測(cè)定條件為:Waters C18反相柱(4.60mm×250mm,5μm),流動(dòng)相為60％的乙腈(含0.1％三氟乙酸),等度洗脫,流速為1mL/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 腐殖酸的生物改性前后的表征分析

2.1.1 腐殖酸的DOC的變化分析 3種腐殖酸經(jīng)過(guò)15d的生物改性后,其DOC的變化如圖2所示.

由圖2可知,生物改性前后的腐殖酸OLHA、OLFA、OSHA和BLHA、BLFA、BSHA的值分356.10,162.50,353.70,213.80,105.60,247.10mgC/ L.經(jīng)過(guò)15d的生物改性后,3種腐殖酸的濃度都在下降,說(shuō)明在腐殖酸酸生物改性過(guò)程有很大的一部分有機(jī)碳被微生物氧化降解成CO2和H2O,這一結(jié)果和Hur等[26]的結(jié)果一致.其中的一部分組分和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,這個(gè)結(jié)論可以通過(guò)下列元素分析、UV-Vis 分析、三維熒光光譜分析等表征可以說(shuō)明.

圖2　三種腐殖酸生物改性前后DOC的變化Fig.2 The changes of the DOC about before and after humic acid bio-modification

2.1.2 腐殖酸的元素分析 通過(guò)對(duì)生物改性前后的腐殖酸中C、H、O、N和S等元素分析,其各元素含量、H/C、O/C、(N+O)/C值等分析結(jié)果如表1所示.結(jié)果表明,生物改性前后的腐殖酸的組分元素沒(méi)有變化,都是由C、O、H、N及少量的S組成,其灰分含量都低于1.00％,H/C值都小于1.00,這表明生物改性前后的腐殖酸確實(shí)都為腐殖質(zhì)[27].但是,生物改性前后腐殖酸中各元素所占的比例發(fā)生了明顯的變化,例如,生物改性前的腐殖酸OLHA、OLFA、OSHA和生物改性后的腐殖酸BLHA、BLFA、BSHA的C元素的比值分別為52.47％、42.93％、51.76％和58.32％、45.40％、52.67％;這說(shuō)明腐殖酸在生物改性過(guò)程中其元素所占的比例發(fā)生了改變.其中:H/C值可以分析腐殖酸的芳香結(jié)構(gòu)和脂肪結(jié)構(gòu)含量[28].經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸H/C值均小于未改性的腐殖酸H/C的比值,因此,生物改性后的腐殖酸芳香性更好.此外,Wen等[29]認(rèn)為通過(guò)(N+O)/C值可以反映出腐殖酸的極性大小,其值越大,極性越強(qiáng),水溶性也越好.由表1可知,生物改性后的腐殖酸它的(N+O)/C值均減小,說(shuō)明相對(duì)未經(jīng)過(guò)生物改性的腐殖酸而言,生物改性后的腐殖酸極性變小,說(shuō)明水溶性變差.

表1　生物改性前后腐殖酸的元素分析結(jié)果Table 1 The element analyzing of before and after bio-modification humic acid

2.1.3 紫外可見(jiàn)光譜分析 通過(guò)前期的研究表明腐殖酸都具有相似的紫外-可見(jiàn)吸收光譜特征,單位濃度腐殖酸的吸光系數(shù)均隨波長(zhǎng)增加而呈指數(shù)模型減小,最重要的是腐殖酸的SUVA254和色調(diào)系數(shù)Δlgk值等對(duì)其組分和結(jié)構(gòu)具有明顯的指示作用[30].按照式(1)和式(2)方程式分別對(duì)生物改性前后的腐殖酸的SUVA254和色調(diào)系數(shù)Δlgk數(shù)據(jù)計(jì)算,其結(jié)果如表2所示.

式中:A254、A400、和A600為生物改性前后腐殖酸在波長(zhǎng)為254,400,600nm下的吸光度;[DOC]表示生物改性前后腐殖酸的濃度大小.

表2表明,生物改性后的腐殖酸其SUVA254值變大,說(shuō)明腐殖化程度變高;此外,生物改性前的腐殖酸含有更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),經(jīng)過(guò)生物改性后,腐殖酸中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微生物利用[31].研究表明[32]△lgk值越大,它的氧化程度和芳香度就越小.因此,本研究中生物改性后的腐殖酸其腐殖酸的△lgk值均變小,因此,生物改性后的腐殖酸它的氧化程度變大,芳香度也增大.

表2　生物改性前后腐殖酸的紫外-可見(jiàn)特征吸收值Table 2 The ultraviolet-visible light absorption eigenvalues of before and after bio-modification humic acid

2.1.4 三維熒光光譜分析 腐殖酸實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熒光強(qiáng)度進(jìn)行內(nèi)過(guò)濾效應(yīng)校正,并計(jì)算其各自的熒光指數(shù)、腐殖化指數(shù)(HIX)等參數(shù).其校正公式如熒光指數(shù)(FI)能夠衡量腐殖酸的芳香性,通常FI值越高,該腐殖類物質(zhì)組分中含有的苯環(huán)結(jié)構(gòu)越少,芳香性越弱[33].

HIX可以表征腐殖酸的腐殖化程度,其值越大,腐殖化程度越深[34].其中熒光指數(shù)和腐殖酸化程度的計(jì)算公式分別為:

通過(guò)按照式(3)和式(4)方程式分別對(duì)生物改性前后的腐殖酸的FI和HIX值數(shù)據(jù)計(jì)算,其結(jié)果如表3所示,說(shuō)明生物改性后的腐殖酸其FI值越小,HIX值越大說(shuō)明經(jīng)過(guò)生物改性后,其腐殖酸化程度變大,芳香性越好.

由于被分離的腐殖酸其中含有許多成分,研究表明腐殖酸其自身組分主要有蛋白質(zhì)、類富里酸、類腐殖酸、陸地腐殖酸[26];為了表征腐殖酸在生物改性過(guò)程中其自身組分的變化,因此在三維熒光的測(cè)定過(guò)程中,分別對(duì)生物改性前后腐殖酸4個(gè)基本組分進(jìn)行了更深入的測(cè)定.

表3　生物改性前后腐殖酸的熒光特征參數(shù)Table 3 Fluorescent characteristic parameters of before and after bio-modification humic acid

圖3　腐殖酸的生物改性前后其自身組分的變化Fig.3 The change of its components on before and after　bio-modification humic acid

由圖3表明,腐殖酸經(jīng)過(guò)生物改性后其蛋白質(zhì)組分變小,被微生物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而分解掉.富里酸的所占的組分基本呈現(xiàn)一個(gè)減小的趨勢(shì),而腐殖酸和陸地腐殖酸所占的組分在增大,說(shuō)明經(jīng)過(guò)生物改性后,腐殖酸的腐殖化程度變大.這一結(jié)果和Hur等[2]所得的結(jié)果一致.

2.2 腐殖酸的生物改性前后與E2的結(jié)合作用分析

通過(guò)圖4可見(jiàn),經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸其結(jié)合作用強(qiáng)度均比未經(jīng)生物改性的結(jié)合強(qiáng)度大,說(shuō)明腐殖酸經(jīng)過(guò)生物改性以后,其腐殖酸化程度變大,芳香性變大,與水體中的E2結(jié)合程度增大.此外,對(duì)于3種腐殖酸來(lái)說(shuō),其結(jié)合作用大小為OLHA > OSHA > OLFA,這個(gè)結(jié)果和上面元素分析的(N+O)/C值分析的腐殖酸的極性結(jié)果一致,說(shuō)明OLFA的極性越大,其水溶性越好,而OLHA 和OSHA的極性越小,其與水溶液中的E2的結(jié)合效果越好結(jié)果一致.腐殖酸和E2結(jié)合作用的結(jié)果與腐殖酸對(duì)菲的結(jié)合作用效果很類似[5].

圖4　3種腐殖酸生物改性前后與E2的結(jié)合作用Fig.4 The combination of before and after bio-modification humic acid on E2

2.3 腐殖酸生物改性前后介導(dǎo)E2生物降解作用的分析

圖5A表明,添加了腐殖酸有效地促進(jìn)微生物與E2的接觸作用,最重要的原因是增大了微生物細(xì)胞表面磷脂雙分子層對(duì)E2的吸附效果.類似的結(jié)果表明疏水性有機(jī)污染物的生物降解過(guò)程中,通過(guò)添加一定量的Tween 80[35]或添加鼠李糖脂[36]等物質(zhì)時(shí),可以有效促進(jìn)疏水性有機(jī)污染物的降解作用.此外,經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸介導(dǎo)微生物對(duì)E2的降解效率更好,這個(gè)說(shuō)明經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸其極性變小并且與E2的結(jié)合作用變大,導(dǎo)致E2更容易被微生物細(xì)胞表面吸附.

通過(guò)圖5B表明,腐殖酸濃度從0～10mgC/L逐漸增大,其對(duì)微生物降解E2的效果越好,說(shuō)明增加腐殖酸濃度,能夠有效的促進(jìn)微生物對(duì)E2的降解;此外,經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸介導(dǎo)E2的生物降解效率要比為改性的腐殖酸效果好,說(shuō)明進(jìn)過(guò)生物改性后的腐殖酸能夠有效的提高微生物對(duì)E2的降解.類似的疏水性有機(jī)污染物,例如,菲在微生物生物降解過(guò)程中,隨著腐殖酸濃度的增大,其微生物對(duì)菲的降解效率在增大[37].

圖5　腐殖酸的生物改性前后介導(dǎo)E2的生物降解Fig.5 The humic acid bio-modification mediated E2 biodegradation

2.4 評(píng)價(jià)生物改性前后的腐殖酸與E2的結(jié)合作用對(duì)E2生物降解作用的影響

對(duì)于疏水性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中,大量的研究主要集中在腐殖酸影響疏水性有機(jī)污染物在環(huán)境介質(zhì)中的吸附-解吸作用[38];或者在微生物直接作用于疏水性有機(jī)物的還原降解作用[39],而忽略了腐殖酸在水環(huán)境中對(duì)微生物降解有機(jī)污染物的作用.因?yàn)楦乘嵩谒h(huán)境中是普遍存在的,生物對(duì)腐殖酸自身的降解作用一直存在,但是有關(guān)研究腐殖酸生物改性的很少,而且更少有研究深入的表征腐殖酸在生物改性過(guò)程中其自身組分和結(jié)構(gòu)的變化,對(duì)疏水性有機(jī)污染物的結(jié)合作用以及其生物改性前后腐殖酸介導(dǎo)微生物降解E2的機(jī)理;此外,結(jié)合作用和降解作用對(duì)疏水性有機(jī)污染物的相互作用需要進(jìn)一步闡明.因此,本文通過(guò)生物改性前后的腐殖酸其自身的組分和結(jié)構(gòu)的變化對(duì)介導(dǎo)E2生物降解作用;通過(guò)與沒(méi)有添加腐殖酸其微生物對(duì)E2的降解作用和添加了生物改性前后腐殖酸對(duì)E2的降解作用進(jìn)行了比較.

由圖6可知,通過(guò)添加了OLHA、OLFA、OSHA(5mgC/L)對(duì)E2的降解效果相對(duì)于沒(méi)有添加腐殖酸而言分別提高了10.95％、5.21％、9.28％;對(duì)于生物改性后的BLHA、BLFA、BSHA (5mgC/L)對(duì)E2的降解效果相對(duì)于沒(méi)有添加腐殖酸而言分別提高了13.11％、7.19％、12.07％;這說(shuō)明腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用越好,其微生物對(duì)E2降解作用越好.此外,通過(guò)添加了BLHA、BLFA、BSHA三種腐殖酸(5mgC/L)對(duì)E2的降解效果相對(duì)于添加未經(jīng)生物改性的OLHA、OLFA、OSHA(5mgC/L)而言分別提高了2.16％、1.98％、2.79％;這說(shuō)明經(jīng)過(guò)生物改性后的腐殖酸其腐殖酸化程度變大,導(dǎo)致腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用增大,促使了E2更容易的被微生物細(xì)胞吸附,從而使得E2降解效率增大.這個(gè)結(jié)果和上述元素分析、紫外可見(jiàn)光譜分析、三維熒光光譜的分析表征結(jié)果一致.說(shuō)明對(duì)腐殖酸的生物改性能夠有效的促進(jìn)其對(duì)E2的結(jié)合,從而增大腐殖酸介導(dǎo)微生物對(duì)E2的降解效果.

圖6　腐殖酸對(duì)E2降解作用的影響貢獻(xiàn)Fig.6 Humic acid contribution to E2biodegradation effect

3 結(jié)論

3.1 腐殖酸經(jīng)過(guò)15d的生物改性后,三種腐殖酸的DOC濃度都在下降,說(shuō)明在腐殖酸酸生物改性過(guò)程有很大的一部分有機(jī)碳被微生物氧化降解成CO2和H2O.

3.2 通過(guò)元素分析得出生物改性前后的腐殖酸元素組分沒(méi)有變化,但是各元素所占的比例發(fā)生了明顯的變化,通過(guò)H/C和(N+O)/C的比值表明生物改性后的腐殖酸芳香性更好,水溶性更差,與E2的結(jié)合效果更好.

3.3 通過(guò)腐殖酸的SUVA254分析表明,生物改性后的腐殖酸其SUVA254值變大,說(shuō)明它的腐殖化程度變高;色調(diào)系數(shù)△lgk值分析表明,生物改性后的腐殖酸其值表小,說(shuō)明它的氧化程度變大,芳香度也增大.

3.4 通過(guò)三維熒光光譜分析其熒光指數(shù)、腐殖化指數(shù)表明,生物改性后的腐殖酸其FI值越小,HIX值越大說(shuō)明經(jīng)過(guò)生物改性后,其腐殖酸化程度變大,芳香性越好.其組分的中蛋白質(zhì)在減少,腐殖酸所占的比例在升高,都說(shuō)明生物改性后的腐殖酸的腐殖酸化程度增大.

3.5 生物改性后的腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用增大,生物改性后的腐殖酸對(duì)E2的生物降解作用增大;此外,腐殖酸對(duì)E2的結(jié)合作用越大,腐殖酸介導(dǎo)微生物降解E2的降解效果越好.

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Dissolved organic matters bio-modification mediated 17β-estradiol biodegradation.

GU Li-peng, HE Huan, XU Zhi-xiang, XIONG Dan, LIU Jun, REN Dong, HUANG Bin*, PAN Xue-jun (Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：468～475

Abstract：Through elemental analysis, ultraviolet-visible spectra and fluorescence index, the composition and structure of the humic acid with and without 15 days biological modification were analyzed, and compared the binding function of three kinds of humic acid on 17β-estradiol (E2). And the binding function between 17β-estradiol (E2) and three different kinds of humic acid that before and after bio-modification were then compared. At last, the microbial degradation influences of E2 mediated by humic acid were studied. The elemental analysis results showed that the (N+O)/C values of humic acid (OLHA, OLFA, OSHA) that before bio-modification and humic acid (BLHA, BLFA, BSHA) that after biological modification were 0.801, 1.214, 0.820 and 0.629, 1.080, 0.797, respectively. The ultraviolet-visible spectrum results showed that the values of SUVA254were 0.146, 0.023, 0.073 and 0.179, 0.036, respectively. And the fluorescence index (FI) were 0.723, 3.385, 2.757 and 0.681, 3.017, 1.702, respectively. The above three kinds of characterization analysis results showed that the polarity of humic acid were consistent, suggesting that the polarity of modified humic acid were weaker than former. Moreover, the binding efficiency of 3mg/L E2 by 5mgC/L three humic acid before and after the bio-modification within 30h were 31.37％, 4.96％, 25.86％ and 37.78％, 6.03％, 29.92％, respectively, which showed that the binding functions of E2 were increased obviously after humic acid bio-modification treatment. The biodegradation efficiency of 3mg/L E2 by 5mgC/L three humic acid before and after the bio-modification within 30h were 46.28％, 15.96％, 38.76％ and 51.11％, 17.30％, 44.33％, respectively. Meanwhile, the stronger binding function of the same humic acid concentrations on E2, the greater efficiency of combined humic acid mediated microbial degradation of E2.

Key words：humic acid；bio-modification；component change；structure change；17β-estradiol；biodegradation

作者簡(jiǎn)介：顧麗鵬(1990-),男,江西上饒人,昆明理工大學(xué)碩士研究生,主要從事天然有機(jī)質(zhì)介導(dǎo)微生物對(duì)內(nèi)分泌干擾物的降解作用的研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(21567014, 21267012, 41401558);中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014T70887);中國(guó)科學(xué)院環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KF2013-04);云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014J022)

收稿日期：2015-07-14

中圖分類號(hào)：X17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)02-0468-08