氧協(xié)同菱鐵礦降解微囊藻毒素機理研究

張 靜, 孫文倩, 黃 佳, ?；郾? 黃應平, 田海林, 方艷芬

(1. 三峽大學 生物與制藥學院, 湖北 宜昌 443002; 2. 三峽大學 水利與環(huán)境學院, 湖北 宜昌 443002;3. 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心, 三峽大學, 湖北 宜昌 443002)

微囊藻毒素microcystins(MCs)是在水體富營養(yǎng)化后藍藻向水體釋放的一種天然七肽環(huán)狀毒素, 直接飲用含有MCs的水會導致人體臟器受損并高度誘發(fā)肝癌(Haradaetal., 2019; Hirookaetal., 1999; Pestanaetal., 2020; Heetal., 2020)。微囊藻毒素-LR(MC-LR)是MCs中分布最廣毒性最強的一類, 世界衛(wèi)生組織規(guī)定其在飲用水中最高含量不得超過1 μg/L, 其分子結(jié)構(gòu)見圖1。 從2006年開始, 我國太湖(謝平， 2015; 秦伯強等， 2016)、滇池(Shanetal., 2019)、三峽庫區(qū)香溪河庫灣(袁玉潔等， 2018)及相關飲用水源地都陸續(xù)爆發(fā)了不同程度的藍藻藻華和MCs污染, 如何有效地去除飲用水中的MCs是急待解決的問題。

圖 1 MCs的分子結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The molecular structure diagram of MCs

大量研究發(fā)現(xiàn)礦物在O2存在下能顯著提高對污染物的去除效率, 其機理主要涉及O2被協(xié)同活化產(chǎn)生各種氧自由基, 如還原態(tài)綠脫石與O2發(fā)生作用產(chǎn)生羥基自由基(·OH), 可實現(xiàn)對苯酚的高效降解(袁松虎等， 2019)。 含鐵粘土礦物在有氧環(huán)境中可以產(chǎn)生大量的·OH, 能夠有效地降解游離態(tài)的有機污染物(Zhuetal., 2019; Vanetal., 2019; Thiametal., 2020), 目前已開發(fā)有粘土礦物-亞硫酸鹽催化體系在O2氧化作用下降解有機廢水的技術(shù)(Zhangetal., 2017; Ahmadrezaetal., 2018; Chenetal., 2020)。 然而, 菱鐵礦如何活化O2產(chǎn)生氧自由基或者促進酸催化效率等科學問題還需要研究。

本文通過實驗對比了在無氧和有氧條件下菱鐵礦對MC-LR的降解速率， 并進行了不同O2含量、外加腐殖酸(humic acid, HA)以及自由基捕獲實驗等研究, 期望揭示有氧催化降解過程中O2對去除MC-LR的貢獻。 此外, 還進行了MC-LR降解中間產(chǎn)物的液質(zhì)分析, 以推測其降解路徑, 探究菱鐵礦在有氧環(huán)境下降解MC-LR的機理。

1 材料和方法

菱鐵礦樣品由中南冶金地質(zhì)研究所提供, MC-LR標準樣品為固體(1 mg/瓶)(MC-LR含量≥95%, 購買自伊普瑞斯科技有限公司), 加入4 mL色譜級甲醇稀釋至250 mg/L, -20℃避光保存。 腐殖酸的標示物胡敏酸(humic acid, HA)購買于國際腐殖質(zhì)物質(zhì)協(xié)會(IHSS)。甲醇、乙腈均為色譜純, 液相用水為哇哈哈礦物質(zhì)水, 其他試劑為分析純。

采用X射線熒光光譜儀(XRF, EDX-7000, 日本島津)測試菱鐵礦元素組成。采用X射線衍射儀(XRD, Rigaku公司)對菱鐵礦樣品的晶相結(jié)構(gòu)進行分析, 以Cukα(λ=1.540 5 ?)為射線源, 掃描范圍2θ°=5°～ 90°, 掃描速度為8°/min。通過X射線光電子能譜(XPS， ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher)分析樣品表面化學成分。

用于測定MC-LR含量的高效液相色譜儀(e2695, Waters)配置二極管陣列檢測器(Waters 2695 HPLC), 分析條件如下: Waters C18色譜柱(4.6 mm×250 mm, 粒徑10 μm), 流動相為MeOH∶0.05% TFA=60∶40, 流速為0.8 mL/min, 檢測溫度為35℃, 紫外檢測波長為238 nm， MC-LR的出峰時間為8.2 min。

采用XPA系列光化學反應儀(南京胥江機電廠)、二維液相色譜-離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀(AmozonSL+1200, 美國Agilent)，利用LC-ESI/MS分析法對MC-LR降解過程中間產(chǎn)物進行分析， 分析條件: 離子源為電噴霧離子源(ESI)， 霧化氣壓強為15.0 Psi， 毛細管出口電壓為138.6 V， 干燥氣流量為8.00 L/min， 干燥氣溫度為350℃， 離子化模式為正離子化模式， 噴霧電壓為3.7 kV; 脫溶溫度為350℃， 離子源溫度為120℃， 離子能量為1.0 V， 錐孔電壓為40 V， 掃描范圍為m/z=200～1 150， 流動相為甲酸(pH=2.6)和乙腈的梯度洗脫， 梯度設定為0～20%乙腈(10 min), 然后增加到35%(10 min)、60%(15 min)和80% (10 min)。

溶氧儀(HQ30D, 美國哈希)用于測定溶液中溶解氧的含量。

2 實驗流程

2.1 MC-LR的降解實驗

在2 mL圓柱形硬質(zhì)棕色玻璃瓶(暗反應)中加入1 mL 2.0 mg/L MC -LR溶液, 然后加入30 mg的天然菱鐵礦礦石粉末, 置于25℃循環(huán)水中攪拌反應。 無氧環(huán)境是用氬氣吹掃3 min并加蓋實現(xiàn)的。 有氧環(huán)境是在無氧環(huán)境的條件下, 用泵抽出部分氬氣, 再注射等量O2進去, 實現(xiàn)定量交換的實驗條件。 反應過程中間隔時間段取樣300 μL于1.5 mL離心管中, 15 000 r/min離心20 min, 取上清液進行HPLC分析， 測出不同實驗階段的MC-LR濃度(mg/L)， 然后按照公式(1)、(2)分別計算MC-LR的降解率和降解速率常數(shù)k0(零級反應) ， 繪制St/S0-t降解曲線。

η=(S0-St)/S0×100%=(1-St/S0)×100% (1)

St/S0=1-(k0/S0)t(2)

其中，η為降解率(%)，k0為降解速率常數(shù)(零級反應)(mg·L-1·h-1)，S0和St指在0和t時刻的MC-LR濃度(mg/L)。

2.2 O2含量對降解體系的影響

在上述實驗過程中, 在封閉體系內(nèi)用注射器定量交換0.25、0.50、0.75和1 mL O2, 每隔12 h取一次樣, 離心, 取上清液測定MC-LR的濃度。取50 mL的離心管, 加入25 mL的RO水(水溫15℃), 密封, 充氮5 h, 排除水中的溶解氧。 用注射器分別交換0、6.25、12.5、18.75和25 mL的O2, 震蕩10 min, 并用溶氧儀測定水中的含氧量。

2.3 自由基捕獲實驗

2.4 腐殖酸(HA)對菱鐵礦降解MC-LR的影響

在上述實驗過程中加入一定量的HA(20.0 mg/L), 間隔12 h取樣, 離心, 測定上清液MC-LR的濃度。

3 結(jié)果與討論

3.1 菱鐵礦的物理表征

對菱鐵礦樣品進行的XRD表征結(jié)果見圖2。 由圖2可知, 在32°、52.8°時出現(xiàn)較強的衍射峰, 將其與標準PDF卡(JCPDS 29-0696)進行對比, 確定其為三方晶型FeCO3的衍射峰。

圖 2 菱鐵礦的XRD圖譜Fig. 2 XRD pattern of siderite

采用X射線熒光光譜儀(XRF)對礦物進行的元素分析結(jié)果表明， 菱鐵礦中主要元素為Fe(57.583%)和Si(20.645%), 還含有少量的Al(6.534%)、Mg(4.787%)、Mn(4.093%)、Ca(3.401%)和K(2.379%) 及微量的S(0.477%)、Cu(0.061%)、Zn(0.024%)、Ir(0.010%)和Sr(0.008%)。

為進一步驗證XRD和XRF的結(jié)果, 又對菱鐵礦進行了X射線光電子能譜(XPS)全譜表征， 結(jié)果顯示菱鐵礦的XPS全譜較簡單, 出現(xiàn)了O1s、C1s、Fe2p、Si2p、Si2s、Ca2p、Al2p特征峰以及MgKLL和MnLMM俄歇電子峰(圖3)。 其中, O、C的信號很強, Fe、Si信號較強, Mg、Mn信號稍弱, Ca、Al信號較弱， 圖中并無其他明顯雜質(zhì)峰, 表明菱鐵礦純度較高, 其主要成分為FeCO3和SiO2,與XRD分析結(jié)果一致。

圖 3 菱鐵礦的X射線光電子能譜圖Fig. 3 XPS spectrum of siderite

3.2 菱鐵礦催化降解MC-LR分析

3.2.1 菱鐵礦降解MC-LR動力學

圖4是菱鐵礦在有氧和無氧的環(huán)境中對MC-LR的降解情況的動力學曲線。在沒有菱鐵礦時, 無論是否有氧, MC-LR都不發(fā)生降解(圖4a、4b)。 在無氧條件下60 h菱鐵礦對MC-LR的降解率為100%(圖4c); 而在通入O2后, 菱鐵礦在36 h后就能將MC-LR降解完全(圖4d)， 說明O2存在能有效地促進菱鐵礦降解MC-LR。 由于前期研究證明菱鐵礦對MC-LR的降解途徑主要為水解作用(Fangetal.， 2018), 這就說明O2亦或者能提高菱鐵礦對MC-LR的水解率。

圖 4 不同條件下菱鐵礦對MC-LR降解動力學曲線Fig. 4 The degradation kinetic curves of MC-LR by siderite under different conditions

3.2.2 不同O2含量對菱鐵礦降解MC-LR的影響

為了驗證O2對菱鐵礦降解MC-LR體系的影響, 進行了不同氧氣量存在時菱鐵礦對MC-LR的降解動力學實驗。由降解MC-LR的動力學曲線(圖5a)可以發(fā)現(xiàn)， O2含量對MC-LR降解速率影響顯著， 加入不同體積(0.00、0.25、0.50、0.75和1.00 mL)的O2, 溶液中溶解氧含量分別為1.62、10.97、18.47、21.30和21.87 mg/L(由溶氧儀測定)， 它們的降解動力學常數(shù)k0分別為0.030 16、0.038 16、0.052 5、0.056和0.083 34 mg·L-1·h-1。 在反應24 h時加入不同體積O2對MC-LR的降解率見圖5b, 可以看出隨著溶氧量的增加, MC-LR的降解率分別為34%、45%、66%、78%和100%, 進一步說明大量O2存在能加速菱鐵礦對MC-LR的降解。

3.2.3 自由基捕獲實驗

圖 5 不同溶氧量條件下MC-LR降解動力學曲線(a)和 24 h不同氧含量存在條件下MC-LR的降解率(b)Fig. 5 The degradation kinetic curves of MC-LR by siderite under different oxygen content conditions(a) and degradation rate of MC-LR at 24 h under different dissolved oxygen content(b)

圖 6 自由基捕獲實驗Fig. 6 Free radical capture experiment

3.2.4 外加HA對菱鐵礦降解MC-LR的影響

圖 7 外加HA條件下菱鐵礦對MC-LR降解動力學曲線Fig. 7 The degradation kinetic curves of MC-LR by siderite plus HA

3.3 MC-LR降解產(chǎn)物分析

在菱鐵礦、O2和MC-LR體系中存在著酸催化水解和氧化這兩種降解途徑, 為了弄清楚O2在菱鐵礦/MC-LR對催化降解中所起到的貢獻， 采用LC-ESI/MS分析法對降解中間產(chǎn)物進行了提取和分析， 菱鐵礦有氧體系對MC-LR降解12 h時降解產(chǎn)物的總離子流圖見圖8。 由圖8可見, 此時降解產(chǎn)物出峰位置主要集中在28～45 min, 該部分主要為水解反應的多肽產(chǎn)物和部分氧化產(chǎn)物， 主要提取物見表1。

圖 8 氧協(xié)同菱鐵礦降解MC-LR反應樣品的總離子流圖(TIC) (反應12 h)Fig. 8 Total ion flow diagram (TIC) of siderite/MC-LR/O2 reaction samples (reaction for 12 h)

表 1 氧協(xié)同菱鐵礦降解MC-LR過程中間產(chǎn)物的峰面積105Table 1 Peak area of intermediate products in siderite/MC-LR /O2 degradation process

圖 9 菱鐵礦有氧體系對MC-LR的主要降解途徑Fig. 9 Main degradation pathways of siderite/MC-LR in the presence of O2

3.4 菱鐵礦活化O2分子降解MC-LR機理討論

4 結(jié)論