皂草苷-槐糖脂復(fù)合表面活性劑對土壤中苯并［a］芘的增溶洗脫作用

姚丹丹，田 坤，趙元添，張 瀾，王 輝，劉 云

（1．中國科學(xué)院 南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室，江蘇 南京 210008；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

苯并［a］芘是一種多環(huán)芳烴（PAHs），具有極強的致癌、致畸、致突變性及神經(jīng)毒性。苯并［a］芘不溶于水，辛醇-水分配系數(shù)較高，因此，在土壤中常以吸附態(tài)存在。作為高分子量多環(huán)芳烴類污染物，苯并［a］芘的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)苯環(huán)高度密集，難以被微生物降解利用。表面活性劑淋洗技術(shù)是利用表面活性劑溶液增加土壤中PAHs的溶解性和流動性［1］，從而將其增溶洗脫進而去除的一種土壤修復(fù)技術(shù)［2］。目前，該技術(shù)在實際應(yīng)用中尚存在一些問題：當(dāng)表面活性劑濃度較低時，對有機物的流動和分散作用不明顯；濃度過高時，修復(fù)成本也隨之增加；若表面活性劑選擇不當(dāng)，則可能產(chǎn)生二次污染。與化學(xué)表面活性劑相比，生物表面活性劑不僅具有各種優(yōu)良的表面性能，而且還具有無毒、可生物降解、生態(tài)安全等優(yōu)點，在土壤修復(fù)中越來越受到人們的青睞［3-4］。生物表面活性劑的來源分為植物源和微生物源，目前的研究主要集中在微生物源，例如鼠李糖脂、槐糖脂和表面活性素等［5-8］。對于植物源表面活性劑如皂草苷的研究相對較少［9-11］，而對于將植物源和微生物源生物表面活性劑進行復(fù)配后用于土壤修復(fù)的研究報道更少。

本工作研究了皂草苷-槐糖脂復(fù)合表面活性劑溶液（皂草苷-槐糖脂溶液）對苯并［a］芘的增溶作用及其影響因素，考察了皂草苷-槐糖脂溶液對土壤中苯并［a］芘的洗脫效果以及表面活性劑的降解性能，為植物源-微生物源復(fù)配生物表面活性劑淋洗修復(fù)有機污染土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

苯并［a］芘：純度＞99%，西格瑪公司；皂草苷：純度95%，西安寶益豐生物科技有限公司；槐糖脂：純度85%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Tween 80：優(yōu)級純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；HgCl2：優(yōu)級純，西格瑪公司；丙酮、甲醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈：色譜純，西格瑪公司；硫氰酸鈷銨：優(yōu)級純，北京華科盛精細化工產(chǎn)品商貿(mào)有限公司。

原始土壤：采自江蘇省南京市蔬菜花卉科學(xué)研究所科技園，為地表0～20 cm處的清潔土。其基本理化性質(zhì)為：pH 6.0，有機碳含量11.62 g/kg，全氮含量1.80 g/kg，全磷含量1.59 g/kg，全鉀含量15.15 g/kg。

模擬污染土壤：向原始土壤中加入一定量的苯并［a］芘-丙酮溶液，充分攪拌，混勻后置于通風(fēng)櫥中，使丙酮全部揮發(fā)；用鋁箔包裹密封，置于室溫、無菌、避光環(huán)境，老化30 d。經(jīng)測定，模擬污染土壤中苯并［a］芘的含量為780 μg/kg。

Agilent HPLC 1260型高效液相色譜儀：美國安捷倫科技有限公司；K100型全自動表界面張力儀：德國KRUSS公司；BSA124S型分析天平：賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；QHZ-12B型組合式全溫度恒溫振蕩培養(yǎng)箱：太倉華大實驗儀器科技有限公司；Star A211型臺式數(shù)顯酸度計：賽默飛世爾科技公司；UV 8100B型分光光度計：北京萊伯泰科儀器股份有限公司；5810R型多功能臺式離心機：德國Eppendorf公司；BKQ-Z30I型高壓蒸汽滅菌鍋：歐萊博電子商務(wù)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 臨界膠束濃度（CMC）的測定

分別配制一系列皂草苷和槐糖脂總質(zhì)量濃度（ρ總）為100～2 000 mg/L的皂草苷-槐糖脂溶液，復(fù)配比（α=ρ皂草苷/ρ總）分別為：0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。以去離子水為對照，分別測定各溶液的表面張力（γ）。以lgρ總為橫坐標(biāo)、γ為縱坐標(biāo)繪制曲線，拐點處的ρ總即為CMC。

1.2.2 皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶實驗

在20 mL玻璃瓶中加入苯并［a］芘質(zhì)量濃度為1 mg/L的苯并［a］芘-二氯甲烷儲備液5 mL，待溶劑揮發(fā)后加入5 mL不同復(fù)配比和ρ總的皂草苷-槐糖脂溶液，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，在溫度25 ℃、振蕩速率180 r/min的條件下振蕩48 h。取上清液，經(jīng)二氯甲烷萃取后測定苯并［a］芘的質(zhì)量濃度。

1.2.3 苯并［a］芘增溶效果的影響因素實驗

在20 mL玻璃瓶中加入苯并［a］芘質(zhì)量濃度為1 mg/L的苯并［a］芘-二氯甲烷儲備液5 mL，待溶劑揮發(fā)后加入5 mL皂草苷-槐糖脂溶液（ρ總=2 000 mg/L、α=0.4），置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，在振蕩速率180 r/min的條件下振蕩48 h，考察不同溫度及溶液pH條件下苯并［a］芘的增溶效果。

1.2.4 皂草苷-槐糖脂溶液對土壤中苯并［a］芘的洗脫實驗

分別稱取1.0 g模擬污染土壤放入20 mL玻璃瓶中，依次加入10 mL不同濃度的皂草苷-槐糖脂溶液（α=0.4）和0.1 mL質(zhì)量分數(shù)為0.05%的HgCl2溶液，充分混勻，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中，在25 ℃、200 r/min的條件下振蕩48 h。離心，將獲得的土壤樣品冷凍干燥后加入20 mL二氯甲烷-甲醇（體積比1∶1）混合液，置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩20 min，經(jīng)超聲萃取、離心分離，有機相經(jīng)0.22 μm有機濾膜過濾，氮氣吹脫濃縮定容至1 mL乙腈中，測定苯并［a］芘的質(zhì)量濃度，計算洗脫率。

1.2.5 表面活性劑的降解和吸附實驗

分別稱取1.0 g模擬污染土壤，放入20 mL玻璃瓶中，依次加入10 mL質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的皂草苷溶液、槐糖脂溶液和Tween 80溶液，在25 ℃、200 r/min的條件下避光振蕩不同時間。離心分離，將收集到的洗脫液用0.22 μm的有機濾膜過濾，測定表面活性劑的質(zhì)量濃度，計算表面活性劑的降解率。同時，將模擬污染土壤置于滅菌鍋中115 ℃滅菌30 min，然后重復(fù)上述操作，計算土壤對表面活性劑的吸附率。

1.3 分析方法

采用高效液相色譜儀測定苯并［a］芘的質(zhì)量濃度。色譜操作條件：熒光檢測器，C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為乙腈-水溶液（體積比9∶1），流量1.5 mL/min，柱溫（30.0±0.8）℃，進樣量20 μL，激發(fā)波長（λex）270 nm，發(fā)射波長（λem）323 nm。

采用高效液相色譜儀測定皂草苷的質(zhì)量濃度。色譜操作條件：紫外檢測器，C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為甲醇-水溶液（體積比9∶1），流量0.6 mL/min，柱溫30 ℃，進樣量20 μL，檢測波長280 nm。

采用高效液相色譜儀測定槐糖脂的質(zhì)量濃度。色譜操作條件：蒸發(fā)光散射檢測器，C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），流動相為乙腈-水溶液（乙腈質(zhì)量分數(shù)為2%～70%），流量1.0 mL/min，柱溫30 ℃，進樣量20 μL。

采用硫氰酸鈷銨法測定Tween 80的質(zhì)量濃度［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 皂草苷-槐糖脂溶液的CMC

不同復(fù)配比條件下，皂草苷-槐糖脂溶液復(fù)配比對表面張力的影響見圖1。由圖1可見；在相同ρ總條件下，槐糖脂溶液（α=0）的表面張力比皂草苷溶液（α=1.0）的表面張力小，即γ（α=0）＜γ（α=1.0），表明槐糖脂降低表面張力的能力強于皂草苷，其增溶能力也強于皂草苷；隨著α不斷增大，CMC先減小后增加；當(dāng)α=0.4、lgρ總=3.3（即ρ總=2 000 mg/L）時，皂草苷-槐糖脂溶液的表面張力由63.80 mN/m降到最低42.69 mN/m，此時，CMC最小，為600 mg/L，表明該復(fù)配體系具有較好的表面活性和增溶能力。

圖1 皂草苷-槐糖脂溶液復(fù)配比對表面張力的影響

2.2 皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶效果

皂草苷-槐糖脂溶液質(zhì)量濃度對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響見圖2。由圖2可見：隨著ρ總的增大，溶液中苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度顯著提高；相同質(zhì)量濃度條件下，槐糖脂對苯并［a］芘的增溶作用強于皂草苷，這是由于槐糖脂比皂草苷具有更好的表面活性；當(dāng)α=0.4、ρ總=2 000 mg/L時，皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶效果最好，溶液中苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度達到最高值450 μg/L。

圖2 皂草苷-槐糖脂溶液質(zhì)量濃度對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響

為了進一步定量描述復(fù)配生物表面活性劑對苯并［a］芘的增溶洗脫能力，引入質(zhì)量增溶比（WSR）概念，見式（1）。

式中，S和SCMC分別為表面活性劑溶液質(zhì)量濃度為ρ總和CMC時所對應(yīng)的苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度，mg/L。WSR值越大，表明表面活性劑對苯并［a］芘的增溶能力越強。

由式（1）計算得到皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的WSR，見表1。由表1可見：皂草苷-槐糖脂復(fù)配體系的WSR大于單一的皂草苷、槐糖脂體系的WSR，這是由于表面活性劑之間具有協(xié)同作用，不同的表面活性劑復(fù)配后有利于降低溶液的CMC，減弱離子間的作用力，從而有利于膠束內(nèi)部形成疏水端和外部親水端，使疏水有機物苯并［a］芘更容易被包裹在膠束分子內(nèi)［13］；WSR隨ρ總的增加而增大，當(dāng)ρ總=2 000 mg/L、α=0.4時，WSR最大。為此，以α=0.4、ρ總=2 000 mg/L的皂草苷-槐糖脂溶液為表面活性劑，進一步考察不同因素對苯并［a］芘增溶及洗脫效果的影響。

表1 皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的WSR

2.3 溫度對苯并［a］芘增溶效果的影響

溫度對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響見圖3。由圖3可見：當(dāng)溫度由15 ℃逐漸升高至30 ℃時，溶液中苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度逐漸增大，這是由于溫度升高會加速分子運動，促進表面活性劑膠團的空間增大［14］，從而使其增溶效果增強；當(dāng)溫度超過30 ℃后，繼續(xù)升高溶液溫度，苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度變化不大。

圖3 溫度對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響

2.4 溶液pH對苯并［a］芘增溶效果的影響

溶液pH對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響見圖4。由圖4可見：當(dāng)溶液pH由4增加至9時，苯并［a］芘的質(zhì)量濃度先增加后降低；當(dāng)pH=5時，溶液中苯并［a］芘的溶解質(zhì)量濃度達到最大，表明該條件下皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶效果最佳。前人研究也證實酸性條件更有利于皂草苷溶液對有機污染物的增溶［11］。隨著pH增大，表面活性劑溶液中的OH-逐漸增多，導(dǎo)致離子間的排斥作用增強，不利于膠束的形成［15］，增溶效果減弱。

圖4 溶液pH對苯并［a］芘溶解質(zhì)量濃度的影響

2.5 皂草苷-槐糖脂溶液對土壤中苯并［a］芘的洗脫效果

不同表面活性劑溶液對模擬污染土壤中苯并［a］芘的洗脫率見圖5。由圖5可見：不添加表面活性劑時，苯并［a］芘的洗脫率為16.55%，這可能與土壤老化時間有關(guān)，當(dāng)老化時間較短時，土壤顆粒與苯并［a］芘之間的結(jié)合不夠牢固，故雖然苯并［a］芘不溶于水，但仍有一部分苯并［a］芘被從土壤表面洗脫；隨著表面活性劑質(zhì)量濃度的增大，不同表面活性劑溶液對模擬污染土壤中苯并［a］芘的洗脫率均逐漸增強，相比較而言，皂草苷-槐糖脂溶液（α=0.4）對苯并［a］芘的洗脫率最高，槐糖脂次之，皂草苷再次之，Tween 80最差；當(dāng)表面活性劑質(zhì)量濃度為2 000 mg/L時，皂草苷-槐糖脂、槐糖脂、皂草苷和Tween 80溶液對模擬污染土壤中苯并［a］芘的洗脫率分別為45.76%，38.86%，37.66%和29.73%。槐糖脂和皂草苷對苯并［a］芘的洗脫效果優(yōu)于Tween 80，原因在于生物表面活性劑的結(jié)構(gòu)比化學(xué)表面活性劑復(fù)雜和龐大［15］，單個分子所占據(jù)的空間更大，所以對苯并［a］芘的增溶作用更強。由于表面活性劑具有協(xié)同增效作用，所以，皂草苷-槐糖脂復(fù)配體系對苯并［a］芘的洗脫效果優(yōu)于任一單獨體系。

圖5 不同表面活性劑溶液對模擬污染土壤中苯并［a］芘的洗脫率

2.6 不同表面活性劑的降解和吸附效果

表面活性劑在處理污染土壤過程中一方面會發(fā)生降解，另一方面也會被土壤所吸附。不同表面活性劑在苯并［a］芘模擬污染土壤中的降解率見圖6。

圖6 不同表面活性劑在苯并［a］芘模擬污染土壤中的降解率

洗脫處理48 h后苯并［a］芘模擬污染土壤中不同表面活性劑的吸附率見圖7。由圖6、圖7可見：皂草苷在48 h時的降解率達40.42%，吸附率為16.70%；槐糖脂在48 h時降解率達18.29%，吸附率為9.56%；化學(xué)表面活性劑Tween 80在48 h時的降解率只有6.95%，吸附率為4.36%。表明在土壤環(huán)境中，生物表面活性劑比化學(xué)表面活性劑更容易降解，對環(huán)境的影響也更小。

圖7 洗脫處理48 h后苯并［a］芘模擬污染土壤中不同表面活性劑的吸附率

3 結(jié)論

a）不同復(fù)配比α條件下的皂草苷-槐糖脂溶液均對苯并［a］芘有一定的增溶作用，相比較而言，α=0.4、ρ總=2 000 mg/L時，皂草苷-槐糖脂溶液的CMC最低，表面張力最小，表面活性和增溶作用最強。

b）皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶效果隨著溫度升高而增大，當(dāng)溫度高于30 ℃后，繼續(xù)升高溫度，增溶效果變化不大。皂草苷-槐糖脂溶液對苯并［a］芘的增溶效果隨著溶液pH的增加先增強后緩慢降低，溶液pH為5時效果最好。

c）皂草苷-槐糖脂溶液對污染土壤中的苯并［a］芘有良好的洗脫效果，在α=0.4、ρ總=2 000 mg/L、溫度25 ℃、振蕩速率200 r/min的條件下振蕩48 h后，模擬污染土壤中苯并［a］芘的洗脫率為45.76%。