甲基-β-環(huán)糊精對(duì)土壤中芘的吸附效應(yīng)研究

牛媛媛，夏曉嘉，潘曄星，丁克強(qiáng)，楊 鳳

(南京工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

隨著我國(guó)工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展，土壤環(huán)境問(wèn)題日趨復(fù)雜，其中土壤PAHs 污染也日趨嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究表明，我國(guó)土壤中美國(guó)環(huán)保署(USEPA)優(yōu)先控制的16 種PAHs有機(jī)污染物都有很高的檢出率[1]。PAHs 含量明顯高于其背景值,造成生態(tài)環(huán)境惡化，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境和生物生存構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-5]。芘具有穩(wěn)定的四苯環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，相對(duì)于低分子的PAHs，四環(huán)及四環(huán)以上的PAHs結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于被生物降解[6]。芘是環(huán)境中質(zhì)量濃度比較高的PAHs，是檢測(cè)PAHs污染的指示物，所以本文采用芘作目標(biāo)污染物[7]。

MCD是β-環(huán)糊精(β-CD)的甲基化衍生物，其分子空洞適中，包接范圍廣且價(jià)格低廉，有比β-CD更好的水溶性和對(duì)難溶物質(zhì)的增溶能力[8-12]，增溶作用能提高土壤中芘的溶解性和生物可利用性，對(duì)土壤吸附芘產(chǎn)生了很大的影響。MCD由于其水溶性好、無(wú)毒性和生物友好的特點(diǎn)，通常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品、農(nóng)藥、化妝品、紡織品染色等領(lǐng)域[13-17]。

學(xué)者大多從具體條件研究MCD與其他材料結(jié)合對(duì)分子或重金屬離子等的吸附作用及表觀影響，進(jìn)一步推斷其原理，未縱深研究其吸附機(jī)理[18-22]。學(xué)者未來(lái)可以基于MCD的優(yōu)點(diǎn)修飾衍生出新的MCD種類，為醫(yī)藥、生物細(xì)胞、化學(xué)工業(yè)、生態(tài)環(huán)境等方面做出理論指導(dǎo)和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)鮮有研究MCD對(duì)土壤中芘吸附的影響，對(duì)于環(huán)境因素如溫度、pH值考慮較少。本文基于MCD的濃度測(cè)定方法及MCD在土壤中的等溫吸附、動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了MCD對(duì)土壤吸附芘的影響，揭示了MCD對(duì)土壤中吸附芘的吸附效應(yīng)。該研究為多環(huán)芳烴污染土壤的修復(fù)提供借鑒與參考，也可為與芘污染土壤有關(guān)的植物修復(fù)技術(shù)提供有利條件，為土壤生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

清潔土樣采自常熟生態(tài)站附近的土壤，理化性質(zhì)如表1。

表1 土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 研究方法

1.2.1 MCD濃度測(cè)定

取10 mLMCD溶液于100 mL容量瓶中，依次加入10 mL碳酸鈉緩沖液和10 mL酚酞工作液，用水稀釋至刻度，搖勻。在波長(zhǎng)554 nm處測(cè)定酚酞顯色液的吸光度。酚酞顯色液中不加MCD時(shí)測(cè)得的吸光度為空白點(diǎn)吸光度，繪制工作曲線。

1.2.2 芘在土壤中的吸附平衡

稱取一系列質(zhì)量的芘，將芘溶于甲醇，之后轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中用甲醇定容至刻度線，得到一定濃度的芘溶液。用HPLC分別測(cè)量各濃度標(biāo)準(zhǔn)液的峰面積，并繪制成標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.3 MCD在土壤中的等溫吸附

加入1 g實(shí)驗(yàn)土樣于100 mL錐形瓶中，再分別加入15 mL系列濃度的MCD溶液，振蕩24 h，溫度為25℃。靜置，離心分離，上清液經(jīng)過(guò)濾測(cè)定其吸光度，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)曲線查得對(duì)應(yīng)濃度，計(jì)算MCD在土壤中的吸附量。

2 結(jié)果與討論

2.1 MCD在土壤中的等溫吸附行為及形態(tài)變化

酚酞作探針[27]用于分光光度法測(cè)定MCD的濃度的方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1，由全掃圖可知酚酞堿性溶液的最大吸收波長(zhǎng)位于554 nm，引入0、1.0×10-5、3.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、2.0×10-3mol/L濃度的MCD后，光譜掃描形狀和最大吸收波長(zhǎng)均不變，而吸光度隨著MCD濃度增大而減小。

圖1 酚酞/MCD混合溶液的吸收光譜圖

Fig.1 Absorption spectra of phenolphthalein MCD mixed solution

圖2 MCD濃度與測(cè)得吸光度之間關(guān)系圖Fig.2 Relationship between MCD concentration and measured absorbance

由圖2知，MCD濃度與測(cè)得吸光度之間成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.999。王霆[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了MCD與酚酞形成1∶1包合物，且得出MCD與酚酞結(jié)合常數(shù)為1715 L·mol-1；紫外分光光度計(jì)測(cè)得吸光度代表的是游離的酚酞的濃度，且得到酚酞與MCD包合示意圖，如圖3所示。

圖3 酚酞與MCD包合示意圖Fig.3 MCD schematic diagram of inclusion and phenolphthalein

基于上述結(jié)果，可知酚酞作探針用于分光光度法測(cè)定MCD的濃度的方法可行性良好，可用于MCD濃度測(cè)定。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制出工作曲線如圖4，由于MCD濃度越高，作出曲線斜率為負(fù)值，為了計(jì)算和觀察方便，將測(cè)得的吸光度與空白吸光度差值作為縱坐標(biāo)，以得出正相關(guān)工作曲線。

圖4 濃度與空白吸光度差值的線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship between concentration and blank absorbance

圖5 MCD在土壤中吸附量變化Fig.5 Change of adsorption of MCD in Soil

MCD在土壤中吸附量變化如圖5，可知，當(dāng)MCD濃度較低時(shí)，吸附等溫線有線性表現(xiàn)。但當(dāng)MCD濃度增大到0.5～0.6 g/L時(shí)，MCD的吸附量變化不大，且隨著濃度繼續(xù)增大，吸附量有下降趨勢(shì)。隨著MCD濃度繼續(xù)增大，在土壤中的吸附量達(dá)到飽和點(diǎn)，土壤中的活性吸附位點(diǎn)降低且趨于飽和，吸附量不再增加，溶解態(tài)MCD增加，對(duì)土壤吸附MCD起抑制作用[24]。

圖6 MCD等溫吸附線的Langmuir方程擬合線Fig.6 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

圖6為L(zhǎng)angmuir等溫方程擬合MCD在土壤中的吸附的擬合線。相關(guān)性為0.985在0.968～0.994之間。由MCD吸附實(shí)驗(yàn)可得MCD的土水分配系數(shù):q= KsC，其中，q表示MCD被單位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD濃度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系數(shù)。

計(jì)算不同MCD的吸附平衡濃度的土水分配系數(shù)，并求其平均值，得出MCD的土水分配系數(shù)為9.72 mL/g，由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知當(dāng)加入的MCD濃度為9 g/L時(shí)，土壤對(duì)MCD吸附量最大，此時(shí)溶液中的MCD的濃度為5.144 g/L。加入MCD后土水體系中存在著MCD和土壤相，此時(shí)MCD在土水體系中以水相溶解態(tài)和土壤吸附態(tài)存在，當(dāng)MCD濃度小于9 g/L時(shí)，絕大多數(shù)MCD以吸附態(tài)的形式存在，當(dāng)其濃度高于9 g/L時(shí)，由于土壤對(duì)MCD達(dá)到飽和，此時(shí)大多數(shù)MCD以溶解態(tài)形式存在。

2.2 MCD對(duì)土壤中芘的吸附影響

如圖7和圖8所示，芘的標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合度分別為0.999、1，具有可靠性，可用于土壤中芘的計(jì)算。

圖7 較高濃度芘的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Standard curve of pyrene with higher concentration

圖8 較低濃度芘的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 Standard curve of pyrene with lower concentration

芘在土壤中的吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到如圖9曲線，由圖可知上清液中芘的濃度在10 h之前波動(dòng)較大，可能在短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)吸附解吸附同時(shí)進(jìn)行的過(guò)程，但隨著時(shí)間的推移，在吸附進(jìn)行24 h左右上清液中芘的濃度基本不變，由此可見芘在土壤中的吸附達(dá)到吸附平衡，因此本實(shí)驗(yàn)以24 h為芘在土壤中的吸附平衡時(shí)間。

圖9 芘的濃度變化曲線Fig.9 Concentration variation curve of pyrene

MCD對(duì)土壤吸附芘的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10，由圖可知，芘在土壤中的吸附行為受MCD濃度影響。當(dāng)MCD濃度低時(shí)，芘在土壤中的吸附受到促進(jìn)，且當(dāng)MCD濃度為9 g/L時(shí)，芘在土壤中的吸附量達(dá)到最大，MCD濃度繼續(xù)升高時(shí)，芘在土壤中的吸附受到抑制。而且隨著溶液中MCD濃度的增加，芘的吸附量降低了10～81 μg/g。

圖10 不同起始濃度的MCD條件下芘的等溫吸附線Fig.10 Adsorption isotherms of pyrene with different initial concentration under the condition of MCD

加入MCD后，土水體系中存在MCD、芘和土壤相。芘在該土水體系中表現(xiàn)為四個(gè)分配狀態(tài)即水相溶解態(tài)、土壤吸附態(tài)、吸附到吸附態(tài)MCD中的部分和吸附到液相MCD中的部分[25]。由此可見，吸附態(tài)的MCD對(duì)芘在土壤中的吸附有促進(jìn)作用，溶解態(tài)的MCD對(duì)芘在土壤中的吸附有抑制作用。MCD的加入，改變了芘在土水體系中分配行為。

2.3 MCD在土壤中的吸附動(dòng)力學(xué)表達(dá)

圖11 MCD等溫吸附線的Langmuir方程擬合線Fig.11 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

圖11為L(zhǎng)angmuir等溫方程擬合MCD在土壤中的吸附的擬合線。相關(guān)性為0.984在0.968～0.994之間。由MCD吸附實(shí)驗(yàn)可得MCD的土水分配系數(shù):q= KsC，其中，q表示MCD被單位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD濃度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系數(shù)。

計(jì)算不同MCD的吸附平衡濃度的土水分配系數(shù)，并求其平均值，得出MCD的土水分配系數(shù)為9.72 mL/g，由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知當(dāng)加入的MCD濃度為9g/L時(shí)，土壤對(duì)MCD吸附量最大，此時(shí)溶液中的MCD的濃度為5.144 g/L。加入MCD后土水體系中存在著MCD和土壤相，此時(shí)MCD在土水體系中以水相溶解態(tài)和土壤吸附態(tài)存在，當(dāng)MCD濃度小于9 g/L時(shí)，絕大多數(shù)MCD以吸附態(tài)的形式存在，當(dāng)其濃度高于9 g/L時(shí)，由于土壤對(duì)MCD達(dá)到飽和，此時(shí)大多數(shù)MCD以溶解態(tài)形式存在。

3 研究結(jié)論

(1)芘在土壤中的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出芘在土壤中的吸附平衡時(shí)間為24 h；9 g/L是MCD使芘在土壤中的吸附量達(dá)到最大的臨界濃度。

(2)吸附態(tài)MCD可提高芘在土壤中的吸附，而溶解態(tài)的MCD增大了芘的表觀溶解度，大幅降低了土壤對(duì)芘的吸附量，幅度范圍為10～81 μg/g，它們的綜合結(jié)果改變了芘在土水體系中的吸附系數(shù)。

致謝

在此特別感謝中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊所的研究員徐力剛老師的指導(dǎo)幫助。