離子液體的生物毒性及降解性研究

張文林 唐聰 閆佳偉 李春利

摘要：由于離子液體獨特的理化性質(zhì)，其被廣泛應(yīng)用于萃取、催化、電化學(xué)等領(lǐng)域，并且離子液體被稱為是繼水和超臨界二氧化碳之后的又一“綠色溶劑”。隨著研究的加深，離子液體自身的毒性和降解性也漸漸成為關(guān)注的重點。歸納離子液體對微生物、水生生物、植物、動物的毒性研究進(jìn)展之后對離子液體的降解方法進(jìn)行總結(jié)。降解方法主要包括化學(xué)降解法和生物降解法;對吡啶類離子液體的植物、動物毒性以及生物降解性進(jìn)行較為深入地研究，以期為離子液體毒性及降解性研究提供參考;展望離子液體毒性和降解性改進(jìn)的研究方向和研究方法，為其在化工等領(lǐng)域應(yīng)用的綠色化給出了研究方向。

關(guān)鍵詞：離子液體;生物毒性;降解性;化學(xué)降解法;生物降解法;毒性

中圖分類號： X132? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0204-04

收稿日期：2017-12-13

基金項目：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（編號：ZD2015118）。

作者簡介：張文林（1968—），男，河北滄州人，博士，教授，主要從事分離與純化技術(shù)以及綠色化工方面的研究。Tel：（022）60202248;E-mail：ctstzwl@163.com。

離子液體（ionic liquids，簡稱ILs）按照組成的陽離子的種類，可分為烷基咪唑、烷基吡啶、烷基季銨和烷基季4類，其結(jié)構(gòu)見圖1，離子液體的特點包括較低的蒸汽壓、很好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等[1]，顯示出代替?zhèn)鹘y(tǒng)揮發(fā)性有機(jī)溶劑的潛力[2]。離子液體的應(yīng)用體現(xiàn)在多方面，比如離子液體作為反應(yīng)溶劑，可以很好地溶解離子絡(luò)合物，并可激活并保持其極性狀態(tài)。Cull等首次用離子液體代替有機(jī)溶劑，完成了紅霉素A的雙相萃取以及紅球菌R32催化的1，3-二氰基苯生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)[3]。醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)也是離子液體一項重要的應(yīng)用領(lǐng)域，在過去的幾年中使用離子液體作為藥物遞送劑并與前體藥物組合的形式在疾病的治療方面開辟了新的路徑[4]，一些離子液體表現(xiàn)出潛在的抗菌和抗癌功效[5]，還有一些在生物材料中用作防腐劑[6]。另外，離子液體在燃油脫硫[7]、萃取分離[8]等諸多其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

目前對離子液體的研究多集中于其應(yīng)用合成、物化性質(zhì)等方面，而有關(guān)其生物毒性和降解性的報道則相對較少。由于離子液體自身的性質(zhì)較為穩(wěn)定，難以降解，其進(jìn)入環(huán)境中造成的污染隱患就成為人們越來越關(guān)注的話題。隨著對離子液體研究的深入，更多的研究人員也開始對其生物毒性和降解性進(jìn)行了探索。本研究綜合闡述了離子液體在生物毒性及降解性方面的相關(guān)內(nèi)容，系統(tǒng)地列舉了相關(guān)的研究成果，為離子液體的進(jìn)一步應(yīng)用和研發(fā)提供了借鑒和依據(jù)。

1 離子液體的生物毒性

研究離子液體毒性的方法最常見的有2種，第1種是先確定毒性試驗受體對象，通過試驗對象對各種毒性試驗的反應(yīng)來確定離子液體的毒性，此方法即為生物毒性試驗法;第2種是由已知化學(xué)結(jié)構(gòu)的離子液體的現(xiàn)有毒性數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模擬，推論出待測離子液體的毒性參數(shù)，該方法最典型的為結(jié)構(gòu)活性關(guān)系（SAR）模型[10]。其模擬流程見圖2。

生物毒性試驗法較第2種方法具有快速易行的優(yōu)點。依據(jù)研究對象的分類，生物毒性可在不同層次水平上進(jìn)行試驗。實際生態(tài)系統(tǒng)是最理想的試驗對象，但模擬生態(tài)系統(tǒng)操作繁瑣、耗時耗力，實際水平的操控難以實現(xiàn)，不具有理想的可行性。所以，較低水平的個體或群落成為生物毒性試驗的最佳測試對象。

1.1 離子液體對微生物的毒性

張瑾等應(yīng)用微板毒性分析法系統(tǒng)地考察了30種具有不同烷基鏈長度、陰離子基團(tuán)和陽離子骨架的離子液體對淡水發(fā)光微生物青?；【鶴67的生物毒性[11]。研究結(jié)果表明，ILs對青?；【鶴67的毒性具有烷基鏈效應(yīng)，該效應(yīng)通過離子液體滲入細(xì)胞膜有機(jī)體內(nèi)，產(chǎn)生極性麻醉作用進(jìn)而破壞有機(jī)體結(jié)構(gòu)[11]。烷基鏈的長度決定了ILs的親脂性，鏈越長，親脂性越強(qiáng)，其在生物有機(jī)體細(xì)胞膜上吸附聚集的能力越強(qiáng)，更易破壞整個細(xì)胞膜，殺死細(xì)菌，更多地降低細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度。

Hafez等合成了18種吡啶類離子液體，并測試了其對4種細(xì)菌（革蘭氏陰性菌：沙門氏菌、霍亂弧菌和革蘭氏陽性細(xì)菌：單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、金黃色釀膿葡萄球菌）的毒性，一般用半最大效應(yīng)濃度（EC50）表示[12]。結(jié)果表明，長鏈烷基ILs辛基、十烷基、十二烷基、十四烷基具有較高的抗菌活性，即EC50值較低，而短鏈ILs的EC50值較高。對金黃色葡萄球菌毒性最強(qiáng)的吡啶類離子液體的半致死率為19.3 mg/L。

ILs對菌類微生物的毒性與其陽離子骨架上烷基鏈的碳原子個數(shù)呈明顯的線性關(guān)系，即具有典型的烷基鏈效應(yīng)。短鏈ILs對細(xì)菌表現(xiàn)為無毒或相對低毒;碳側(cè)鏈越長，對細(xì)菌的毒性越大。

1.2 離子液體對水生生物的毒性

Bernot等比較了以咪唑、吡啶、季銨、季4類不同陽離子的ILs對水生生物淡水螺（Physa acuta）生長狀況的影響[13]，以對淡水螺的半致死濃度（LC50）為測量指標(biāo)，測定了9種ILs對淡水螺的毒害作用，結(jié)果見表1。試驗結(jié)果表明，不同類型的ILs對淡水螺的LC50從1.0 mg/L到580.2 mg/L不等，其中以8個碳的吡啶陽離子的離子液體毒性最大，LC50值僅為1.0 mg/L;8個碳的咪唑陽離子的離子液體毒性次之，LC50值為8.2 mg/L。

Pretti等對比了15種離子液體對斑馬魚（Danio rerio）的急性毒性，測試了作用96 h后斑馬魚的半致死率[14]。當(dāng)LC50>100 mg/L時，視為對斑馬魚產(chǎn)生非致命性致死。研究結(jié)果顯示，離子液體的化學(xué)結(jié)構(gòu)對魚類的影響是完全不同的，其中2種季銨鹽類離子液體AMMONENG 100和AMMONENG 130的LC50分別為5.2、5.9 mg/L，小于100 mg/L，為致命性致死，說明季銨鹽類離子液體對斑馬魚的毒性相對較大[14]。

Siedlecka等探究了H2O2/Fe3+體系，即類芬頓體系對離子液體降解的能力;離子液體1-丁基-3-甲基咪唑可在水溶液中被氧化，并在類芬頓體系中被快速地化學(xué)降解，在 90 min 時的分解率能夠達(dá)到97.3%，降解速率與烷基鏈的長短和陰離子種類有關(guān)，可將降解機(jī)制解釋為組合氧化還原機(jī)制[21]。機(jī)制表明，初始OH-可以進(jìn)攻咪唑環(huán)3個碳原子中的任何1個，該反應(yīng)的中間體為單-二氨基或氨基羧酸[21]。

Stepnowski等比較了3種常見氧化體系（UV、UV/H2O2、UV/TiO2）中多種咪唑類離子液體的降解性，發(fā)現(xiàn)所有的離子液體均在UV/H2O2系統(tǒng)中分解得最徹底，1-乙基-3-乙基咪唑為陽離子的離子液體最穩(wěn)定即最不易被降解，1-己基-3- 甲基咪唑和1-辛基-3甲基咪唑為陽離子液體的離子液體降解效率相似，比較容易被降解，且咪唑類離子液體的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)，特別是與陽離子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，降解難度隨著咪唑陽離子上烷基鏈長度增加而增加，同時也隨著結(jié)構(gòu)的對稱性增加而增加，而陰離子結(jié)構(gòu)對離子液體降解的影響較小[22]。

化學(xué)降解法主要是利用氧化還原體系或者電解體系實現(xiàn)對離子液體的降解。一般來講，隨著離子液體陽離子烷基側(cè)鏈長度的增加，離子液體的化學(xué)降解難度增加。離子液體的降解主要通過形成·OH自由基，使烷基側(cè)鏈逐步被氧化降解，再使環(huán)開環(huán)降解。

2.2 生物降解法

活性污泥法是生物降解離子液體的常用方法。Stolte等采用接種2種不同類型的接種物（冷凍干燥的細(xì)菌混合物和來自廢水處理廠的活性污泥微生物）分析了不同離子液體經(jīng)活性污泥降解后的產(chǎn)物，當(dāng)烷基側(cè)鏈上的碳原子數(shù)大于6時，離子液體降解性很明顯，并提出了一種生物降解離子液體可能的降解機(jī)制[23]。通過單加氧酶將咪唑陽離子烷基側(cè)鏈的甲基末端氧化成羥基，再形成醛基和羧基，之后丟失1分子的碳，依次循環(huán)，直至最后裂解為烷基側(cè)鏈的碳原子個數(shù)小于2時結(jié)束，而咪唑環(huán)并沒有進(jìn)行開環(huán)裂解[23]。

Docherty等將活性污泥應(yīng)用于離子液體的降解，結(jié)果表明吡啶離子液體比咪唑類離子液體更環(huán)保，因為吡啶類離子液體在取代基為己基和辛基時能夠完全被生物降解，雖然烷基鏈長度的增加是毒性增加的直接原因，然而相關(guān)降解的效果與陽離子取代烷基的類別和鏈長短都有關(guān)系，且咪唑基離子液體比吡啶基離子液體更難以被生物降解[24]。

Gathergood等通過試驗發(fā)現(xiàn)，在離子液體的烷基取代鏈上引入酯基或氨基可以提高其生物降解的效率，這樣可以給微生物提供1個催化位點，生成相應(yīng)伯醇，之后形成脂肪酸氧化降解，進(jìn)而實現(xiàn)其有效的降解;與傳統(tǒng)的咪唑類離子液體如1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[Bmim][BF4]）和 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[Bmim][PF6]）相比，引入可以酶解的基團(tuán)也可以大大提高生物降解率;在3-甲基-1-（烷氧羰基甲基）咪唑溴系列的離子液體中，當(dāng)烷基鏈為丁基、戊基、己基或辛基時，對應(yīng)的離子液體最易被生物降解，而當(dāng)取代基為酰胺類似物時，離子液體的生物降解性則變差[25]。

筆者所在課題組選用馴化活性污泥法對3種吡啶類離子液體的生物降解性進(jìn)行了探究。在活性污泥中逐步增加離子液體的濃度（10～200 mg/L），滯留時間為24 h，沉淀時間為 1 h，每天監(jiān)測活性污泥的狀態(tài)，參數(shù)包含污泥濃度、沉降比和化學(xué)需氧量（COD）去除率，到污泥狀態(tài)穩(wěn)定后停止監(jiān)測。測試結(jié)果表明，經(jīng)過約60 d的馴化期后，離子液體可被部分降解，馴化期超過120 d后降解率可達(dá)到94%以上，且降解效果與側(cè)鏈長短有關(guān)，由此可見，側(cè)鏈的長短對離子液體的毒性及降解性均有很大的影響。側(cè)鏈越長，毒性越大，但降解性反而越好。除了利用生物降解法處理離子液體降解。接下來筆者所在課題組將利用高級氧化技術(shù)（芬頓試劑法），依據(jù)降解速率常數(shù)，探討離子液體的降解性構(gòu)效關(guān)系，建立定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系（QSPR）模型;利用所研究性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行內(nèi)在關(guān)系關(guān)聯(lián)，得到性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系模型。深入解析離子液體的降解機(jī)制，為設(shè)計合成低毒易降解的離子液體提供理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與展望

離子液體因其獨特的性質(zhì)而在化工、生物工程等各個領(lǐng)域受到廣泛的重視和應(yīng)用，其生物毒性和降解性的研究也有了一些進(jìn)展。通過現(xiàn)有研究可以發(fā)現(xiàn)，無論是對微生物、植物還是動物來說，離子液體均存在一定的毒性，且普遍隨著側(cè)鏈長度的增長，毒性增大;隨著濃度的增大，毒性增大，但是毒性值有一定的上限值。離子液體的降解難度與取代基的結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，通過QSPR法可以得到降解性與分子結(jié)構(gòu)間的構(gòu)效關(guān)系。不妥當(dāng)?shù)奶幚砗团欧艜斐蓪ν寥琅c水體的危害，通過引入特殊的官能團(tuán)來減低離子液體的生物降解難度，將會有利于離子液體的應(yīng)用和處理。因此要使離子液體更好地得到應(yīng)用，還須要不斷地對其生物毒性和降解性加以深入研究以降低其毒性，進(jìn)而在發(fā)揮其最大作用的同時又可以避免離子液體對生態(tài)環(huán)境造成不可逆的危害。

今后的工作目標(biāo)：（1）由于離子液體種類繁多，目前研究咪唑類離子液體的較多，應(yīng)該深入系統(tǒng)地研究吡啶類、季銨類和季類離子液體對各種生物的影響，建立完善的離子液體毒性和降解性的數(shù)據(jù)庫。（2）開發(fā)毒性低的離子液體，設(shè)計合成生物降解性好的離子液體。（3）通過基因工程馴化、改造、篩選能夠降解離子液體的微生物。（4）構(gòu)建離子液體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與毒性的構(gòu)效關(guān)系模型，從原理上揭示離子液體的結(jié)構(gòu)與毒性及其生物降解性之間的關(guān)系，從而指導(dǎo)新型綠色離子液體的設(shè)計、制備及應(yīng)用。

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