三氯生光降解動力學過程及其光降解產物生物毒性評價

廖偉，安繼斌，聶湘平，安太成,#

1. 暨南大學 生命科學技術學院生態(tài)系，廣州 510632 2. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣州 510640 3. 江西省灌溉試驗中心站，南昌 338026

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三氯生光降解動力學過程及其光降解產物生物毒性評價

廖偉1,3，安繼斌2，聶湘平1,，安太成2,#

1. 暨南大學 生命科學技術學院生態(tài)系，廣州 510632 2. 中國科學院廣州地球化學研究所，廣州 510640 3. 江西省灌溉試驗中心站，南昌 338026

光化學降解是藥品及個人護理用品(PPCPs)在環(huán)境中轉化歸趨的重要途徑之一，同時光解過程對該類化合物的生態(tài)毒性產生重要影響。本研究以抗菌藥物三氯生為模型化合物，研究在紫外光照射下，三氯生初始濃度、腐殖酸含量、pH、光強對其光降解動力學的復合影響。采用發(fā)光細菌、羊角月牙藻2個不同營養(yǎng)級生物的毒性響應變化評價三氯生母體化合物及光降解過程中毒性變化。研究表明：三氯生光降解遵循準一級反應動力學。初始濃度為10 μmol·L-1、腐殖酸含量為0 mg·L-1，初始pH值為11、光強為0.44 mW·cm-2時，該光化學降解反應體系三氯生有最高的反應速率和降解效率。三氯生光降解過程中產生了對受試生物有較高抑制作用的中間產物，隨著光降解時間的延長，光降解中間產物的毒性逐漸降低，在光降解30 min后無顯著毒性。

三氯生；羊角月牙藻；光降解；生物毒性評價

Received 16 November 2015 accepted 22 December 2015

光化學轉化是影響藥物及個人護理用品(PPCPs)環(huán)境歸趨的重要因素之一[1-5]，同時光化學轉化也對此類污染物的生態(tài)毒效應有重要影響[6-8]，因此，研究PPCPs等藥物的環(huán)境光化學行為，評估該類污染物的環(huán)境暴露及其光化學過程中毒性變化有著重要的意義。

三氯生是一種廣譜抗菌藥，廣泛用于藥品與個人護理品中的添加物中[9-11]，其在廢水、地表水[12]、沉積物中均用較高的檢測量10～10 000 ng·L-1(kg)，特別是在污水處理廠中含量更高[13-14]，甚至有達到mg·L-1。此外，在一些人類活動頻繁地區(qū)的湖泊水體中還會出現生物甲基化[15]。由于三氯生的揮發(fā)性低，20 ℃時三氯生蒸汽壓為4×10-6mmHg，溶解度為10 mg·L-1；pKa為8.14[16]，所以光化學過程是三氯生在水體環(huán)境中最主要的降解途徑之一。

有機污染物的光化學降解受水中氧含量，腐植酸、pH值影響比較大[8, 16-17]。光化學過程中可產生多種穩(wěn)定中間產物。三氯生可通過光化學反應生成2,8-二氯代二苯并二噁英(2,8-DCDD) 和2,7-二氯代二苯并二噁英(2,7-DCDD)，還可能生成羥基化二氯代二苯并呋喃[8,17-18]。2,8-DCDD 和2,7-DCDD 對生物及人類的潛在危害比三氯生母體化合物更大[1]。像阿特拉津、壬基苯酚等中間產物在水體中的化學穩(wěn)定性高于化合物本身[19-20]。三氯生環(huán)境行為和毒性評估已有大量研究報道，但對三氯生光降解過程及其影響因素，以及其降解中間產物毒性評價的研究報道還很有限。因此，本研究主要目的是通過復合實驗，調查在多種因素影響下(初始濃度、HA、pH、光強)TCS光降解的化學過程及降解速率變化規(guī)律，并通過不同營養(yǎng)級生物的毒性響應，分析和評價三氯生光降解過程中毒性的變化規(guī)律，為三氯生的環(huán)境影響評價提供科學依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料

三氯生(純度>98.0%)購于東京化成工業(yè)株式會社，腐殖酸(Humic acid，fluka No.53680)購于Sigma-Aldrich公司。甲醇為色譜純，購于CNW；氯化鈉、鹽酸、氫氧化鈉等其他試劑均為分析純，購于廣州試劑廠。超純水由Millipore-Milli Q 系統(tǒng)制備。

光降解反應器為一個150 mL的可通過循環(huán)水冷卻的雙層石英杯(內有磁力攪拌子)，紫外光源功率為125 W，主波長為365 nm的高壓汞燈(GGZ-125，上海亞明燈泡廠有限公司)。發(fā)光細菌凍干粉為明亮桿菌T3小種(Photobacterium phosphoreum)，購買于中國科學院南京土壤研究所。羊角月牙藻(S. capricornutum)藻種由中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫提供。

1.2 實驗方法

按照實驗需要將待反應溶液150 mL加入石英降解杯內，通過循環(huán)水冷卻保持反應器恒溫在(25±2) ℃。開啟攪拌子、預熱過的紫外燈，并打開計時器，根據實驗設定的時間表用干凈的玻璃管取樣，每次取樣約1.0～1.5 mL，用直徑0.22 μm濾膜過濾，裝入1.5 mL細胞瓶置于低溫黑暗處待測。

三氯生溶液濃度分析采用安捷倫1200液相色譜，色譜條件：配置安捷倫色譜柱(TC-C18 51892-902，250 mm×4.6 mm，5 μm)，DAD檢測器的波長：λ=230 nm，流動相：水/甲醇比例為20/80，流速0.8 mL·min-1，自動洗針進樣，進樣體積為20 μL，柱溫30 ℃。

發(fā)光細菌毒性試驗根據國家標準方法[21]，采用明亮發(fā)光桿菌為指示生物。根據預實驗的結果設定一系列的濃度梯度，每個濃度設3個平行。實驗時取出1管發(fā)光細菌凍干粉，加入2.5%冷氯化鈉溶液1.5 mL于管中，待15 min ～ 20 min發(fā)光細菌復活后，再吸取10 μL菌液，按照預設定的時間表加入準備好的待測污染物比色管中，震搖5次，同時用3.0%氯化鈉溶液作空白對照。待15 min(時間精確到秒)后用毒性測試儀測定發(fā)光度，記錄實驗結果。根據式1計算發(fā)光菌發(fā)光強度的相對抑制率(I%)。

I發(fā)光抑制率=[L樣品管(mV) - L對照管(mV) ]/ L對照管(mV)×100 %

(1)

藻類生長抑制試驗參照OECD 201化學品測試方法[22]，用單位體積內藻細胞熒光量的測定替代生物量，計算出以比生長率為基礎的抑制率。藻類培養(yǎng)基質為AAM培養(yǎng)基，在光照強度3 000 lux，光暗周期12 h:12 h，培養(yǎng)溫度25 ℃(L)/20 ℃(D)，恒溫光照培養(yǎng)箱內培養(yǎng)。藻種活化后，取處于生長對數期的藻種(藻密度為5×105個·mL-1)進行毒性實驗，根據設計的試驗濃度暴露，利用TD400測量藻液的熒光值，記錄實驗結果，統(tǒng)計48 h和96 h生長抑制率。

表1 中心復合試驗因素設置與水平

表2 表面響應顯著性分析及二次方程式系數βx的評估

注：A=三氯生初始濃度/(μmol·L-1)，B=腐殖酸含量/(mg·L-1)，C=初始pH值，D=光強/(mW·cm-2)；R1為光降解30 min去除率/%，R2光降解速率常數/10-2min-1。

Note:A= Initial TCS concentration/(μmol·L-1), B=Humic acid concentration/(mg·L-1), C=pH Value, D=Light intensity/(mW·cm-2), R1=Remove efficiency at 30 min interval/%, R2=Rate constant k1/10-2min-1.

1.3 數據統(tǒng)計與分析

三氯生光化學降解中心復合實驗數據用Design-Expert Version 8.0進行數據處理；受試生物毒性試驗數據應用SPSS13.0軟件進行顯著性分析。

2 結果與討論(Results and discussion)

光解實驗前將10 μmol·L-1，30 μmol·L-1三氯生溶液分別置于暗箱和實驗臺，室溫攪拌48 h，檢測結果表明降解率均小于1%，表明溶液穩(wěn)定。

2.1 三氯生光降解試驗

中心復合實驗的因素設置與水平如表1所示。

實驗研究三氯生在不同初始濃度、腐殖酸含量、初始pH值、光強等因素下，光降解30 min降解效率和光降解速率變化規(guī)律及各因素之間的相互影響。表面響應顯著性分析及二次方程式系數βx的評估如表2。

根據中心復合實驗設計，可用二次多項式模型(式2)來描述變量與響應之間的關系。當三氯生光降解30 min降解效率(R1)和反應速率常數(R2)用Y表示，Y與4個變量(x1～x4)之間的關系可以用一個完整的二次方程式去擬合[23]，表示如下：

(2)

(3)

(4)

YR1和YR2分別指三氯生光降解30 min降解效率和反應速率常數。將表2中βi和βij值代入式3，4擬出三氯生光化學降解模型方程。

(A)光降解30 min降解效率模型

YR=97.65- 1.52 A- 2.29 B+2.4 C+ 1.68 D+ 1.16 BC- 0.7 B2

(5)

(B)反應速率常數模型

YK1=0.101-0.014A-0.021B+ 0.022C+ 0.012D- 0.005C2

(6)

根據對βx值的統(tǒng)計分析評估各個因素對光化學降解的影響以及各個因素之間的相互影響。所調查的4個因素都是三氯生光降解的顯著影響因素。β1和β2均為負值，表明三氯生初始濃度和腐殖酸含量抑制了三氯生光降解。β3和β4均為正值，表明初始pH值和光強表現為促進三氯生光降解。根據其β對應的P值可以看出來三氯生初始濃度對光降解的影響最大，腐殖酸含量其次。β12、β13、β14、β23、β24、β34表示所研究的因素兩兩之間的影響，從P值分析，三氯生初始濃度，腐殖酸含量，初始pH值和光強之間的影響比較弱，無顯著性差異。

實驗結果表明三氯生初始濃度(A)和腐殖酸含量(B)對三氯生溶液光化學降解的反應速率有抑制作用，而初始pH值(C)和光強(D)對三氯生溶液光降解的反應速率是促進作用。在λ=290～370 nm范圍內, 腐殖酸具有較強的光吸收，所以光掩蔽效應抑制三氯生的光解。此外，腐殖酸還可以捕獲或猝滅ROS (如·OH和1O2)[23-24]，在一定程度上抑制了三氯生的自敏化光解。Tixier等[25]指出水體中溶解性有機質(DOM)直接或間接地影響著三氯生光降解和遷移。pH影響光降解主要表現在三氯生本身的化學性質上，pH影響三氯生在水溶液中的存在形式。Lindstrom等[15]指出三氯生以酚羥基形式存在的時候處于穩(wěn)定狀態(tài)，當酚羥基中H+發(fā)生電離，三氯生變的光不穩(wěn)定，容易發(fā)生降解。而影響三氯生電離的原因就是溶液pH的改變。當三氯生分子的初始濃度增加，其每個三氯生分子能獲得有效反應的光子的概率降低，從而導致是的反應的減慢，反應速率和降解效率相應的也會抑制。當反應的光強增加時，每個三氯生分子能獲得有效反應的光子的概率也增加，所以反應速率和降解效率相應的增加；三氯生初始濃度增加或者光強降低都導致單個三氯生分子獲得有效光子概率的降低，從而使光降解反應變緩。

選取對三氯生光降解影響最顯著的兩個因素對光降解速率影響做三維圖分析(圖1)，可以看出隨著初始pH的增加，一定時間內三氯生光降解速率呈現增加的趨勢，而腐殖酸含量則表現出抑制作用，隨著腐殖酸加入量的增多，三氯生光降解速率逐漸下降。

圖1 pH值、腐殖酸含量對三氯生光降解速率常數影響Fig. 1 Two-dimension contour and response surface plots of rate constant k1 for TCS (pH value, humic acid concentration)

圖2 三氯生光降解不同時間段樣品對明亮發(fā)光細菌毒性影響([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2, Initial pH=7)注：圖2B中帶*標示的為根據三氯生光降解不同時間所取樣品中三氯生母體化合物含量配制的只含三氯生等量濃度而沒有三氯生光降解過程中生成的產物的暴露液。Fig. 2 Toxic test of TCS parent and photolysis products chemical to luminous bacteria (Photobacterium phosphoreum) ([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2, Initial pH=7)Note: Marker * in figure 2B means TCS solution without any photolysis byproducts, which was made up based on the TCS parent content in the sample through different photolysis times.

通過軟件(Design Expert)模擬出三氯生在水體中最佳降解去除效率時4種調查因素水平：當三氯生初始濃度(10 μmol·L-1)和腐殖酸濃度(0 mg·L-1)最低，初始pH值(11)和光強(0.44 mW·cm-2)最高時三氯生光降解有著最高效的降解效率和最大反應速率。

2.2 三氯生毒性試驗

三氯生對明亮發(fā)光桿菌EC50(15 min)=0.055 mg·L-1，95%可置信區(qū)間在0.048～0.061 mg·L-1.在初始濃度為30 μmol·L-1(約9 mg·L-1)，pH=7，光強為0.32 mW·cm-2的條件下進行光降解，將三氯生光降解不同時間段產生的溶液按照一定比例用純水稀釋進行發(fā)光細菌毒性試驗。

圖2為不同條件下三氯生光降解不同時間段所取樣品對明亮發(fā)光細菌毒性影響。圖2(A)顯示三氯生光降解不同時間的樣品，不同稀釋比例，對發(fā)光細菌的抑制率都有先升高再降低的趨勢。說明三氯生光降解過程中產生了對發(fā)光細菌毒性風險較高的產物，隨著三氯生溶液的進一步光降解，對發(fā)光細菌的抑制率逐漸降低，當三氯生溶液光降解30 min后，對發(fā)光細菌毒性基本消失。圖2(B)，三氯生光降解不同時間的樣品1:60比例稀釋時，所調查的各個時間段三氯生光降解混合物對發(fā)光細菌抑制率均低于相同濃度三氯生暴露液，而1:30比例稀釋時，所調查的各個時間段三氯生光降解混合物對發(fā)光細菌抑制率均高于相同濃度三氯生暴露液。由于三氯生光降解過程中間產物比較多，不同降解時間段主要中間產物及母體化合物變化較大，在溶液中存在形式等導致生物有效性不同，從而導致對發(fā)光細菌毒性表現不一致，總體上表現為三氯生光降解過程中可能產生對發(fā)光細菌毒性風險較高的產物。

三氯生對羊角月牙藻96 h急性毒性EC50(96 h)=0.092 mg·L-1，95%可置信區(qū)間在0.085～0.11 mg·L-1。三氯生母體溶液及三氯生不同降解時間的樣品溶液對羊角月牙藻暴露毒性與發(fā)光桿菌暴露毒性相似。實驗結果如圖3。

三氯生光降解不同時間的樣品溶液隨著稀釋倍數的增加毒性降低。所取三氯生光降解樣品對羊角月牙藻生長抑制隨著光降解時間增加有先降低再升高后降低的趨勢，三氯生光降解過程中可能產生了對羊角月牙藻生長抑制毒性的中間產物，但隨著三氯生進一步光降解，對羊角月牙藻的生長抑制逐漸降低甚至消失。由圖3可知三氯生光降解在20～30 min內是一個顯著的脫毒過程，40 min的樣品對96 h羊角月牙藻生長抑制率不顯著性，認為經過光降解40 min的三氯生溶液對羊角月牙藻無毒，實驗結果與發(fā)光細菌一致。

三氯生及其光降解不同時間段樣品分別按照1:60稀釋后對羊角月牙藻48 h和96 h急性毒性評估。為進一步研究三氯生光降解不同時間的樣品對羊角月牙藻毒性變化，如圖4(B)根據三氯生光降解樣品中三氯生母體化合物含量做了一個對比實驗。不同時間光降解樣品暴露液與含有相同三氯生濃度暴露液對比，其對羊角月牙藻抑制率均為光降解不同時間樣品暴露液低于只含三氯生母體化合物的暴露液，與發(fā)光細菌1:30，1:60比例稀釋的暴露液實驗結果一致，但2種生物毒性實驗結果都表明，三氯生光降解不同時間暴露液均出現毒性先升高后降低，最后消失的趨勢。

圖3 三氯生光降解不同時間樣品對羊角月牙藻毒性([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2；(A) 48 h，(B) 96 h)Fig. 3 Toxic test of TCS parent and photolysis products chemical to S. capricornutum ([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2; (A) 48 h; (B) 96 h)

圖4 三氯生光降解不同時間所取樣品按照1:60稀釋后對羊角月牙藻毒性影響([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2)注：圖4(B)坐標軸帶*標示根據三氯生不同光化學降解時間所取樣品中三氯生母化合物含量配制的只含等量的三氯生母體化合物而不含三氯生光降解中間產物的暴露液。Fig. 4 Toxic test of TCS parent and photolysis products chemical to S. capricornutum ([TCS]=30 μmol·L-1, WL=0.32 mW·cm-2)Note: Marker * in figure 4B means TCS solution without any photolysis byproducts, which was made up based on the TCS parent content in the sample through different photolysis times.

研究結果表明三氯生對光合細菌、羊角月牙藻具有較高毒性，與文獻資料報道三氯生對水生生物有劇毒結論相一致。Orvos等[26]研究了三氯生對藻類的急性毒性實驗，其研究結果表明柵藻EC50(96 h)=1.4 μg·L-1。Barcelo等[27]研究三氯生對發(fā)光細菌(Vibrto fischeri)急性毒性實驗時，EC50(15 min)=150 μg·L-1。本研究的結果明亮發(fā)光桿菌EC50(15 min)=55 μg·L-1，羊角月牙藻EC50(96 h)=92 μg·L-1，結果與其他文獻有一定差異。三氯生殺菌作用機理是通過作用于細菌脂肪酸合酶系統(tǒng)中的烯?；d體蛋白還原酶，抑制脂肪酸的合成，從而達到抗菌的目的。因此，大部分單細胞生物和水生生物均成為其靶生物，所以三氯生對水生生物表現了較高的急性毒性。本研究所用兩種毒評估生物，對三氯生母體化合物敏感性(急性毒性)為明亮發(fā)光桿菌>羊角月牙藻，與國內外多數研究者數據相一致[26-27]。光降解過程毒性評估方面，則羊角月牙藻表現的最為敏感。研究中分別作了樣品母液按照1:60，1:30兩組實驗，當稀釋倍數為30倍時，所有樣品對羊角月牙藻均有較高的毒性，降解過程中毒性變化有降低的趨勢。當稀釋倍數高于60倍時，降解前20 min種的樣品均存在比較高的毒性，隨著降解時間的延長，樣品毒性急劇降低，當樣品降解30 min后抑制率不明顯。

三氯生光降解遵循準一級反應動力學。光降解效率和準一級動力學速率受到，初始反應濃度、腐殖酸含量，pH和光強等多種因素影響。三氯生光降解過程中產生了對受試生物有較高抑制作用的中間產物，隨著光降解時間的延長，光降解中間產物的毒性逐漸降低，在光降解30 min后無顯著毒性。羊角月牙藻對于TCS暴露具有較好的指示性。

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Photolysis of Triclosan in Aqueous Solution and Toxic Assessment of Its Photolytical Products to Hydrobios

Liao Wei1,3, An Jibing2, Nie Xiangping1,*, An Taicheng2,#

1. Department of Ecology/Institute of Hydrobiology, Jinan University, Guangzhou 510632, China 2. State Key Laboratory of Organic Geochemistry and Guangdong Key Laboratory of Environmental Resources Utilization and Protection, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China 3. Irrigation Experiment Station of Jiangxi, Nanchang 338026, China

Photolysis is one of the most important pathways of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) elimination in natural environment. Photolysis can also influence the ecotoxicological effects of these PPCPs. The aim of the present study was to investigate the effects of selected variables on the photolysis kinetics of triclosan (TCS) and the toxic effects of TCS and its photolysis products to aquatic organisms. On basis of the study known, four experimental variables including initial TCS concentration, humic acid (HA) concentration, initial pH and light intensity were selected in the multivariable experimental design. The optimized conditions were as following: initial TCS concentration (10 μmol·L-1), HA concentration at (0 μmol·L-1), initial pH 11 and light intensity (0.44 mW·cm2). The photolysis products of TCS are more toxic to Photobacterium phosphoreum and Selenastru capricornutum. The results presented in this study will provide basic data for the photolysis and ecotoxicological assessment of TCS.

triclosan; Selenastrum capricornutum; Photobacterium phosphoreum; photocysis; toxicity assessment

10.7524/AJE.1673-5897.20151116001

國家科技支撐計劃課題(2012BAC07B05)

廖偉(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為環(huán)境科學，E-mail: lovy21@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: txpnie@jnu.edu.cn

2015-11-16 錄用日期：2015-12-22

1673-5897(2016)2-586-07

X171.5

A

簡介：聶湘平(1966-)，男，博士，教授，主要從事生態(tài)毒理學研究。

共同通訊作者簡介：安太成(1972-)，男，博士，教授，主要從事環(huán)境化學及環(huán)境工程研究。

廖偉, 安繼斌, 聶湘平, 等. 三氯生光降解動力學過程及其光降解產物生物毒性評價[J]. 生態(tài)毒理學報，2016, 11(2): 586-592

Liao W, An J B, Nie X P, et al. Photolysis of triclosan in aqueous solution and toxic assessment of its photolytical products to hydrobios [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 586-592 (in Chinese)

*共同通訊作者(Co-corresponding author)，E-mail: antc99@gig.ac.cn