環(huán)境因素對(duì)紅壤模擬泥漿體系中紫外光（300～400 nm）降解鄰苯二甲酸二丁酯的影響

帥文娟，方國(guó)東，周東美，高 娟*

（1.中國(guó)科學(xué)院土壤污染與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

鄰苯二甲酸二丁酯（DnBP）是一類廣泛使用的添加劑，主要應(yīng)用于樹脂以及PVC 聚合材料中以增加材料的柔韌性和延展性[1]，DnBP 還常應(yīng)用于墨水、膠水以及化妝品和藥品行業(yè)中[2]。有研究表明DnBP 還被應(yīng)用于化肥和農(nóng)藥中[3]。由于自然流失、污水灌溉，以及固體廢棄物管理不當(dāng)?shù)仍騕4-6]，目前DnBP在土壤環(huán)境中被廣泛檢測(cè)到[7-8]。如，Chen等[7]的研究表明我國(guó)大棚土壤中DnBP 的含量從0.16～0.96 mg?kg-1不等，李艷等[8]研究了北京近郊灌區(qū)表層土中DnBP含量濃度從0.55～10.8 mg?kg-1不等。

DnBP是由鄰苯二甲酸和正丁醇酯化生成的一類人工合成物，其基本的理化性質(zhì)如表1 所示。研究表明，DnBP 具有內(nèi)分泌干擾性，是一類環(huán)境類激素，具有一定的生態(tài)毒性[9]。例如，Carruthers 等[10]對(duì)懷孕的SD大鼠進(jìn)行為期20 d的DnBP劑量為500 mg?kg-1?d-1的暴露實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明暴露2 d時(shí)，雄性胎兒的生殖器官發(fā)育可受到最大傷害，而暴露10—18 d會(huì)直接影響胎兒生殖器性狀的改變。Mccarthy 等[11]的研究表明，DnBP 暴露量為1.8 mg?L-1時(shí)，大型蚤和呆鰷魚（Pime?phales promelas）的生殖能力和早期生存能力會(huì)受到影響，1 mg?L-1的暴露劑量則會(huì)引起兩種生物繁殖后代數(shù)量的減少。鑒于DnBP 具有生態(tài)毒性，近年來對(duì)DnBP 降解的報(bào)道逐年增加[2，12-13]。而對(duì)于土壤的Dn-BP 污染，研究主要集中在利用微生物代謝降解DnBP上。例如，DnBP 可受到巨大芽孢桿菌菌株（YJB3）代謝的影響而發(fā)生降解，逐步分解為鄰苯二甲酸單丁酯（MnBP）、鄰苯二甲酸（PA）、原兒茶酸（PCA）等代謝產(chǎn)物[13]。然而，對(duì)于鐵含量高的土壤，表層的土壤在接受光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種各樣的自由基反應(yīng)[14-17]，DnBP可能被產(chǎn)生的自由基所降解，而經(jīng)由這一途徑發(fā)生的DnBP的降解研究卻比較少。

土壤環(huán)境因素可影響DnBP 在紅壤中的物理化學(xué)降解。例如，草酸、檸檬酸等是土壤中常見的小分子脂肪酸[19]。鐵的（水合）氧化物會(huì)與脂肪酸的羧基發(fā)生絡(luò)合，形成表面絡(luò)合的小分子有機(jī)酸-鐵（水合）氧化物復(fù)合物（如草酸-針鐵礦、檸檬酸-赤鐵礦等），這些復(fù)合體在接受紫外-可見光的照射下，可以原位生成H2O2。在鐵礦或某些持久性自由基的作用下，H2O2會(huì)分解產(chǎn)生氧化性極高的羥基自由基·OH（EH=2.8 V），從而降解有機(jī)污染物[20]。土壤pH則可以改變土壤中鐵的形態(tài)，而且H+的濃度變化通常是土壤發(fā)生各種鐵溶出以及（光）類芬頓反應(yīng)高效進(jìn)行的重要因素。NO-3是常見的無機(jī)陰離子，研究表明在紫外-可見光照射下，水溶液中的NO-3可以轉(zhuǎn)化為?NO2和?OH，存在潛在的降解DnBP 的能力[21]。此外，近年來，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合污染的土地常有報(bào)道[22]。以Cu2+污染為例，礦區(qū)農(nóng)田由于銅礦開采，導(dǎo)致土壤銅污染嚴(yán)重，例如湖北大冶地區(qū)土壤中銅污染最高濃度可達(dá)630.39 mg?kg-1[23]。而其余地區(qū)普通的農(nóng)田土壤銅的污染主要來自于復(fù)合肥和含銅農(nóng)藥的累積施用以及污水灌溉[24]。例如，北京的蔬菜基地土壤Cu2+污染在6～65.2 mg?kg-1波動(dòng)。研究表明大棚土壤中的DnBP和Cu2+濃度均與大棚年限呈顯著的正相關(guān)[25-27]。報(bào)道還指出，Cu2+的存在還可以影響光類芬頓反應(yīng)過程，因此復(fù)合污染的結(jié)果可能致使有機(jī)污染物的降解受到影響[28]。我國(guó)幅員遼闊，晝夜變化以及季節(jié)變化均可引起光照強(qiáng)度在同一地點(diǎn)具有顯著差異。因此研究DnBP在300～400 nm的紫外光照射下在紅壤中的降解，對(duì)我們理解土壤中的有機(jī)污染物由物理化學(xué)反應(yīng)引起的歸趨變化具有重要環(huán)境意義。本文將重點(diǎn)考慮DnBP在紫外光（300～400 nm）照下（對(duì)照暗環(huán)境）的降解，并討論環(huán)境條件對(duì)土壤DnBP降解的影響。

表1 鄰苯二甲酸二丁酯（DnBP）的基本理化性質(zhì)[18]Table 1 Basic physicochemical properties of DnBP[18]

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤為采集自江西鷹潭的農(nóng)田土壤，經(jīng)過通風(fēng)避光干燥后，磨細(xì)過100 目篩。經(jīng)測(cè)量，受試土壤的DnBP 背景含量低于方法檢出限，故制備100 mg?kg-1DnBP 污染土壤樣品時(shí)，不考慮背景DnBP 污染濃度。制備的大致步驟：配制200 mg?L-1DnBP 正己烷溶液500 mL，分5 次倒入200 g 過100 目的風(fēng)干土樣中。均勻攪拌后，放于通風(fēng)避光處，待正己烷完全揮發(fā)即可得到均勻的DnBP 污染含量為100 mg?kg-1的土壤。老化30 d后進(jìn)行試驗(yàn)。取不同質(zhì)量的污染土，對(duì)其進(jìn)行DnBP的提取實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，所提取的DnBP含量與稱量土壤之間具有很好的的線性關(guān)系（R2=0.99），說明制備的DnBP污染土為均勻污染的土壤。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在光照和暗環(huán)境下，分別觀察在土壤溶液pH 為5.5 時(shí)，以下因素對(duì)DnBP 降解的影響：土壤中草酸和檸檬酸濃度、土壤中Cu2+濃度、土壤中濃度以及土壤pH 的影響。為了更好地對(duì)比說明，本文對(duì)純水溶液中對(duì)DnBP 降解的影響也做了考察。在有和無50 mmol?L-1草酸存在于土壤溶液中的條件下，考察土壤溶液中Cu2+濃度對(duì)DnBP 降解的影響實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過SPSS 22軟件中的One-way ANOVA 分析相同處理不同水平之間的顯著性差異。

所有光化學(xué)反應(yīng)在XPA-7 型光反應(yīng)器中進(jìn)行（南京胥江機(jī)電廠，中國(guó)南京）。反應(yīng)器內(nèi)部豎直放置一500 W 的高壓汞燈，經(jīng)過濾光片（300～400 nm）后獲得照射于光反應(yīng)管上強(qiáng)度為2.5 mW?cm-2的UV 光。反應(yīng)試管為60 mL 石英試管，豎直均勻放置于圍繞燈做周轉(zhuǎn)的小圓盤槽中，其距離中心燈6 cm。反應(yīng)過程中，40 mL土水比為1∶20的懸濁液在石英光反應(yīng)管中持續(xù)攪拌的同時(shí)圍繞汞燈做周轉(zhuǎn)。反應(yīng)前溶液和土混合體系先在暗環(huán)境下攪拌平衡12 h，在開啟光照前取1 mL 攪拌均勻的懸濁液，反應(yīng)5 h 后再取1 mL 攪拌均勻的懸濁液（對(duì)照的暗反應(yīng)進(jìn)行相同操作，無光照），將所取樣品冷凍干燥待測(cè)。

1.3 測(cè)定方法

土壤pH測(cè)量通過電位法，即1∶2.5的土水比混合攪拌30 min，靜置測(cè)量上清液pH 值[29]。土壤有機(jī)質(zhì)通過重鉻酸鉀氧化法測(cè)定[29]。土壤全氮采用半微量凱氏法測(cè)定[29]。土壤無定型鐵采用草酸-草酸銨提取-鄰菲羅啉比色法測(cè)定，結(jié)晶鐵含量采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-重碳酸鈉浸提（DCB 法）-鄰菲羅啉比色法測(cè)定[30]。土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定[29]。

土壤中的DnBP 測(cè)量方法如下：向冷凍干燥后的土壤樣品中加入1 mL 甲醇，在35 ℃下超聲提取40 min，所得渾濁甲醇溶液過0.22 μm 的有機(jī)系濾膜，濾液即為DnBP 提取液，通過HPLC 測(cè)定（安捷倫1260 infinity）。經(jīng)測(cè)試，此方法DnBP 回收率為95.14%。HPLC 測(cè)定所使用的色譜柱為安捷倫SB-C18 色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）。測(cè)定條件為：進(jìn)樣量20 μL，以純甲醇和超純水（體積比為80∶20）為流動(dòng)相；流速設(shè)置為1.0 mL·min-1；檢測(cè)波長(zhǎng)為224 nm，柱溫設(shè)置為35 ℃。儀器檢出限確定為0.041 9 mg·L-1，方法檢出限確定為0.121 4 mg·L-1。儀器測(cè)定相對(duì)偏差為2.93%。

2 結(jié)果與討論

2.1 受試土壤的理化性質(zhì)

如表3 所示，采自江西鷹潭的紅壤為黏土質(zhì)地，0.002～0.05 mm 大小的顆粒占總量的41.72%。土壤背景銅濃度為27.41 mg?kg-1，這與之前文獻(xiàn)[24-25]報(bào)道的結(jié)果在相同的數(shù)量級(jí)。這些背景銅是通過完全消解土壤礦物得到，與外源性污染的銅對(duì)催化反應(yīng)的可利用性具有很大差別。因此實(shí)驗(yàn)仍然只以外加銅作為銅濃度影響的變量。土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.01%，偏低。土壤中游離鐵的含量，即結(jié)晶態(tài)鐵（包括各種鐵的水合氧化礦，如針鐵礦、纖鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦等）和無定型鐵（包括水鐵礦、氫氧化鐵以及與有機(jī)物絡(luò)合的鐵）含量很高，這也使得江西鷹潭的土壤呈現(xiàn)磚紅色。由于高鐵的土壤中鐵交換了H+，因此土壤溶液的pH值為酸性（4.91）。

表2 影響DnBP降解的不同影響因素實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)Table 2 Experimental design of different factors influencing DnBP degradation

2.2 草酸和檸檬酸濃度對(duì)DnBP降解的影響

本文采用兩種常見的小分子有機(jī)酸，草酸（OA）和檸檬酸（CA），分別在光照和黑暗下對(duì)DnBP 降解進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。在光照下，當(dāng)懸濁液pH 為5.5，草酸濃度為50 mmol·L-1時(shí)，DnBP的降解率為60.00%；當(dāng)草酸濃度低于50 mmol·L-1時(shí)，DnBP 的降解率隨著草酸濃度的增加而增加；當(dāng)草酸濃度高于50 mmol·L-1時(shí)，DnBP 的降解率隨著草酸濃度的增加而降低。光照下，檸檬酸濃度對(duì)DnBP 的降解沒有顯著性影響。在無光的條件下，草酸的存在會(huì)影響Dn-BP 的降解，其中最佳濃度為10 mmol·L-1，此濃度下DnBP 可以發(fā)生30.14%的降解；而無光條件下，檸檬酸不僅對(duì)DnBP 降解沒有作用，而且在所有檸檬酸濃度下DnBP 均未發(fā)生降解。整體而言，草酸對(duì)DnBP發(fā)生光降解的影響要大于檸檬酸。

光照下之所以會(huì)發(fā)生DnBP 的降解，主要與光照下懸濁液中存在光類芬頓反應(yīng)有關(guān)。研究表明，在有鐵的（水合）氧化礦存在下，小分子有機(jī)羧酸會(huì)通過其羧基與鐵礦發(fā)生表面絡(luò)合反應(yīng)，如方程式1 所示[20]。在光照下，小分子有機(jī)酸作為配體失去電子，傳遞給鐵礦表面的三價(jià)鐵離子，生成表面二價(jià)鐵≡Fe2+和小分子有機(jī)酸自由基LMWOA*（方程式2）。當(dāng)與氧氣接觸時(shí)，≡Fe2+和LMWOA*可分別傳遞電子給氧氣生成超氧自由基?，自身分別被氧化為≡Fe3+以及小分子有機(jī)酸的分解產(chǎn)物DLMWOA（方程式3 和方程式4）。在酸性條件下，?可以和氫離子結(jié)合，產(chǎn)生H2O2（方程式5）。H2O2在光照和≡Fe2+的催化作用下均可分解為羥基自由基（方程式6 和方程式7），而羥基自由基具有無選擇性降解有機(jī)污染物的作用。在10 mmol·L-1草酸單獨(dú)存在的暗環(huán)境下，DnBP 可以發(fā)生30.14%的降解，這主要是因?yàn)椴菟峋哂幸欢ǖ倪€原性[31]，可以還原鐵氧化物表面的≡Fe3+，生成表面≡Fe2+，再經(jīng)過方程式3、5、7形成類芬頓體系降解DnBP。

表3 江西鷹潭紅壤的理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of high iron content soil of Yingtan，Jiangxi Province

圖1 草酸（OA）和檸檬酸（CA）在光照（300～400 nm）和暗環(huán)境下對(duì)DnBP降解的影響Figure 1 DnBP degradation under 300～400 nm light irradiation and in dark as a function of oxalic and citric acid concentrations

本研究中，紅壤的無定型鐵含量為3.45 g·kg-1，結(jié)晶態(tài)鐵的含量為23.04 g·kg-1（換算成鐵元素為16.13 g·kg-1）。這說明，大部分鐵均以結(jié)晶良好的鐵礦（土壤中常見的結(jié)晶態(tài)鐵礦有針鐵礦、赤鐵礦、纖鐵礦以及菱鐵礦等）存在，無定型鐵（土壤中常見的形態(tài)為水鐵礦以及絡(luò)合離子形態(tài)的鐵）含量略低。在前期的研究中，作者發(fā)現(xiàn)均相溶液中草酸發(fā)生光催化的作用要強(qiáng)于檸檬酸，然而，在異相催化中，檸檬酸的作用要強(qiáng)于草酸[32]。本文反應(yīng)中既存在均相鐵也會(huì)存在異相鐵，而草酸對(duì)DnBP 的降解要強(qiáng)于檸檬酸，這就說明了在本研究中，起主要光活性成分的鐵為還原溶解或絡(luò)合溶解的均相鐵。

2.3 pH對(duì)草酸光照下降解DnBP的影響

當(dāng)草酸濃度為50 mmol?L-1時(shí)，由圖2 可以觀察到，光照下，pH 為3.5 時(shí)DnBP 降解率達(dá)到95%，而在pH 4.5～6.5 時(shí)，約50%的DnBP 發(fā)生降解且無顯著性差異。當(dāng)pH 為堿性時(shí)，有20%的DnBP 發(fā)生降解。暗環(huán)境下DnBP 發(fā)生降解主要由草酸的還原性引起，且在pH 從4.5～8.5 變動(dòng)期間，DnBP 發(fā)生約80%的降解，不同pH 之間差異不顯著。pH 對(duì)DnBP 降解的影響主要有兩方面原因：一方面，對(duì)于紅壤中無定型鐵，低pH 容易誘導(dǎo)鐵礦的溶出，從而增加水溶液中Fe3+與草酸的絡(luò)合。從方程式1～方程式3 以及方程式7可以得出，鐵的存在可以引起體系產(chǎn)生類芬頓反應(yīng)，從而有效地降解DnBP。另一方面，如方程式5 所示，H+的增多有利于H2O2的生成，從而促進(jìn)·OH 的生成，因此酸性環(huán)境有利于DnBP的降解。

圖2 pH對(duì)土壤中DnBP在50 mmol?L-1草酸存在條件下降解的影響Figure 2 Effects of pH on the degradation of DnBP in the presence of 50 mmol?L-1 oxalic acid

如圖3 所示，在純水溶液中0～25 mmol?L-1的存在時(shí)，光照下隨著濃度的增加，DnBP 的降解率逐漸從37.5%增加至78%。當(dāng)濃度從25 mmol?L-1增加到50 mmol·L-1時(shí)，DnBP 的降解受到抑制。暗環(huán)境中，DnBP 無降解發(fā)生。在土壤中，光照條件下的存在對(duì)土壤中DnBP 降解無影響，且無DnBP 的降解。暗環(huán)境下，土壤懸濁液中亦無DnBP 降解的發(fā)生，且對(duì)DnBP 的降解無影響。DnBP 在純水溶液中的這一降解行為主要是由于，在接受紫外光照射時(shí)，可生成激發(fā)態(tài)的硝酸根離子。在酸性條件下，可以分解為?OH 和二氧化氮自由基NO2?[21]，如方程式8 和方程式9 所示。的這一光催化降解作用，在對(duì)全氟辛酸的研究中也得到了證明。例如Li等[33]的研究指出，在有存在的水溶液中全氟辛酸在254 nm 的紫外光照下可以發(fā)生降解直至礦化，起主要作用的是在紫外光的照射下轉(zhuǎn)化成的?NO2。而濃度繼續(xù)增加之所以會(huì)抑制DnBP 的降解，主要是因?yàn)榕c體系中的O 之間發(fā)生反應(yīng)降低了?NO2的產(chǎn)率（方程式10），這一過程稱為自抑制過程。

圖3 濃度對(duì)DnBP在土壤溶液和純水溶液中降解的影響Figure 3 DnBP degradation in water solution and soil solution as a function of concentration

由于純體系中可供?NO2自由基攻擊氧化的有機(jī)物質(zhì)只有DnBP，因此DnBP 會(huì)得到降解。然而土壤成分相對(duì)要復(fù)雜很多，尤其是土壤中的有機(jī)組分可以作為還原劑猝滅?NO2，從而降低土壤中DnBP 的降解作用。此外，NO-3并沒有對(duì)土壤中DnBP 的降解產(chǎn)生影響還與DnBP 的水溶性差有關(guān)系。對(duì)于草酸體系，礦物表面吸附的DnBP 可以被因草酸吸附而在礦物表面原位生成的自由基所降解。或者低pH 下礦物溶解使得DnBP 緩慢釋放入水相有利于DnBP 接受均相體系自由基的降解。在硝酸鹽體系中，DnBP與水溶液中生成的自由基接觸反應(yīng)的幾率顯著受到DnBP 在土壤上黏附作用的影響，相對(duì)不易降解。

2.5 Cu2+濃度對(duì)DnBP降解的影響

如圖4 所示，在無草酸作用下，Cu2+濃度在0～10 mg?L-1變動(dòng)時(shí)，光照和暗環(huán)境下DnBP在5 h內(nèi)均未發(fā)生降解，且不同濃度的Cu2+對(duì)DnBP 降解影響無顯著性差異。在加入50 mmol·L-1草酸時(shí)，暗環(huán)境下DnBP發(fā)生20%左右的降解，而在光照下發(fā)生30%左右的降解。且存在50 mmol·L-1DnBP 的條件下，Cu2+濃度無論是光照還是暗環(huán)境下對(duì)DnBP 的降解均無顯著性影響。在光照下草酸的加入主要是發(fā)生了方程式1～方程式7 所示的反應(yīng)，形成了光類芬頓體系，在暗環(huán)境下草酸的加入引起了DnBP 的降解，主要是因?yàn)榘淡h(huán)境下發(fā)生了草酸直接還原鐵礦，發(fā)生方程式1～方程式3以及方程式7的類芬頓反應(yīng)。而相較于之前的研究報(bào)道，即在光照下，Cu2+可以接受配體（此處為草酸）的電子而生成亞銅離子Cu+，Cu+傳遞電子給氧氣生成·，影響光芬頓反應(yīng)的過程。本文在有50 mmol·L-1草酸存在的條件下，Cu2+濃度變化對(duì)DnBP降解沒有影響。這可能與環(huán)境中Cu污染濃度相對(duì)于紅壤中鐵含量嚴(yán)重偏低（Cu∶Fe=1∶97.9），（光照下）配體（草酸）-金屬（Cu2+）電子傳遞下生成的Cu+濃度相較于≡Fe2+的含量要少得多有關(guān)[34]。

圖4 Cu2+濃度對(duì)DnBP在土壤中無草酸和有50 mmol?L-1草酸存在條件下降解的影響Figure 4 DnBP degradation as a function of Cu2+concentration in the presence and absence of 50 mmol?L-1 oxalic acid

3 結(jié)論

（1）當(dāng)紅壤溶液pH 為5.5 時(shí)，草酸濃度變化對(duì)DnBP 降解的影響呈不同趨勢(shì)。在草酸濃度低于50 mmol?L-1時(shí)，草酸濃度的增加促進(jìn)DnBP的降解，而當(dāng)草酸濃度高于50 mmol?L-1時(shí)，草酸濃度的增加會(huì)減少DnBP 的降解。草酸在暗環(huán)境下的存在有助于DnBP的降解。

（2）檸檬酸在光照下對(duì)紅壤中DnBP 的降解影響沒有草酸強(qiáng)，且檸檬酸在暗環(huán)境下沒有促進(jìn)DnBP 降解的作用。

（3）在50 mmol·L-1草酸存在的條件下，pH 為3.5時(shí)，DnBP 的降解率可達(dá)95%，pH 升高對(duì)DnBP 的降解不利。

（4）環(huán)境中的NO-3可以對(duì)純水體系中DnBP 產(chǎn)生光催化降解作用，說明在地表水中NO-3能促進(jìn)DnBP降解。然而由于紅壤成分的復(fù)雜性，NO-3對(duì)紅壤中DnBP 的降解沒有顯著作用。本研究中，Cu2+污染對(duì)DnBP在紅壤中的降解無影響。