藻類有機質的組成結構對菲和壬基酚生物吸附的影響

張代男，段丹丹，楊余，冉勇

中國科學院廣州地球化學研究所， 廣州 510640

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藻類有機質的組成結構對菲和壬基酚生物吸附的影響

張代男，段丹丹，楊余，冉勇

中國科學院廣州地球化學研究所， 廣州 510640

對不同來源藻及其有機級分進行元素分析，利用高級核磁共振技術(multi/CP13C NMR)來準確地定量其有機官能團，并研究它們對菲和壬基酚的生物吸附行為和機理。結果表明游離脂和非水解有機碳級分對菲和壬基酚有最高的吸附能力，其吸附容量與脂肪結構呈極顯著的正相關，而與極性官能團呈極顯著的負相關；而且對壬基酚的吸附容量都大于對菲的吸附容量，可以用專性作用(如π-π鍵作用和氫鍵作用)來解釋。

藻類有機質；菲；壬基酚；生物吸附

Received 10 November 2015 accepted 22 December 2015

生物吸附是一種利用廉價的、活著或死的生物質的基體(或表面)來吸附化學物質，以達到去除污染物的生物修復方法[1]。一些研究報道了多種生物吸附劑(如真菌、細菌、藻類和植物表皮)對重金屬、染料、農藥和有機污染物的吸附過程和機理[2-3]；生物吸附在除去疏水性有機化合物(HOCs)方面也起著非常重要的作用[4]。其中藻類是一類高效的、可靠的、經濟的去除水中多種污染物的生物吸附劑，大部分現有的生物吸附研究都集中在離子類物質和極性有機污染物[1]。然而，藻類對HOCs的吸附機理研究較少。

藻類作為主要的初級生產者對HOCs在水生系統中的歸宿起到非常重要的作用。HOCs可以通過食物鏈從水中進入藻類，然后可能被更高營養級生物所富集。此外，藻類通過含有一類稱為藻質素的高脂肪性生物大分子，選擇性地被保存在沉積物中[5]。研究表明，死的生物質比活的生物質能更好地去除污染物[2]。一些研究報道了生物質的組成結構影響其對HOCs的生物吸附[3,6-8]。然而，目前只有少量的研究報道了藻類的組成結構與HOCs的生物吸附的關系。

本研究探討不同來源藻類及其有機質級分對HOCs的吸附行為。以菲和壬基酚為吸附質，考察原始藻類樣品及其級分對HOCs的吸附行為，以及藻類有機質組成結構對HOCs的吸附行為的影響，并推測其吸附機理。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 樣品前處理和表征

藻類樣品包括以下：在實驗室條件下培養的小球藻、擬球藻，超市購買藻螺旋藻、海藻、紫菜和3個來自湖泊富營養化收集的野外浮游生物樣品。2個培養藻類是以BG11培養基進行批量培養，然后以4 500 r·min-1轉速離心15 min濃縮藻細胞，再冷凍干燥以備后續實驗。LHH25野外藻類樣品是2011年8月在廣州流花湖公園用25號浮游生物網采集；同時采集大量水樣，用連續流離心機以8 000 r·min-1分離，得到LHHPOM野外藻類樣品。YTDQ野外藻類樣品是2011年9月在增城雁塔大橋水庫用25號浮游生物網采集而得的浮游生物。

取一定量超市購買的藻，依次用二氯甲烷和甲醇混合溶液、堿性甲醇和水混合溶液以及不同濃度三氟醋酸和鹽酸進行處理，分別得到游離脂級分(LP)、去游離脂級分(LF)、堿性不可水解有機碳級分(ANHC)和非水解有機碳級分(NHC)。固體樣品最后經冷凍干燥后研磨，以用于儀器表征和吸附實驗。

所有藻類原始樣品及其級分樣品的C、H、N和O用ElementarVario EL III(Hanau，德國)元素分析儀測定。樣品中有機質的結構定量測定，采用高級多重交叉極化(multiCP)13C核磁共振技術，在核磁共振儀(Bruker DSX400，德國)上完成。1H和13C的頻率分別為400-MHz和100-MHz。這種高級multiCP定量技術是一種簡單的、可靠的、效果好的方法，且具有良好的信噪比[9]。

1.2 吸附實驗和吸附模型

疏水性有機污染物用的是色譜純菲(純度>98%，Aldrich)和壬基酚(純度>94%，Aldrich)。背景溶液加0.01 mol·L-1CaCl2、200 mg·L-1NaN3、5 mg·L-1NaHCO3(分析純，購自廣州化學試劑公司)。將0.5～10 mg 質量不等的吸附劑置于20 mL玻璃安瓿瓶中，控制溫度在(25±1) ℃。將不同濃度的菲和壬基酚水溶液注入已裝有預先稱重的原始藻類樣品及其級分的玻璃安瓿瓶中，用火焰進行封口，在搖床上以125 r·min-1在振蕩14 d達到吸附平衡。菲和壬基酚的濃度采用島津高效液相色譜(HPLC)儀(LC-20A，日本)進行檢測。色譜柱采用反相Inertsil ODS-SP (150 cm × 4.6 mm × 5 μm)柱，檢測器使用熒光檢測器。進樣體積是10 μL，菲的流動相為以90%乙腈/10%水，流速為1.0 mL·min-1，其熒光檢測器的激發和發射波長是250 nm和364 nm。壬基酚的流動相為70%乙腈/30%水，其熒光檢測器的激發和發射波長是277 nm和300 nm。

吸附結果使用修正的Freundlich吸附容量參數(K’f)對污染物的吸附能力進行直接比較。修正的Freundlich模型公式如下：

log qe=log K’f+ n log Cr

K’f是修正的Freundlich吸附容量，Cr是無量綱水相中濃度，n為Freundlich非線性因子。K’f和Kf的關系可用以下公式表達：

K’f= Kf(Sw)n或Kf(Sscl)n

這里Sw和Sscl分別是指在一定溫度條件下，溶質在水中的溶解度和固體有機化合物的過冷液體狀態溶解度(Sscl)。

2 結果 (Results)

2.1 藻類有機質及其級分的元素組成

從表1[10]可知，藻類原始樣品的總有機碳含量為20.2%～42.7%。超市購買藻、培養藻和野外浮游生物原始樣品的H/C比值分別為1.76～1.81、2.26～2.28和1.88～2.13，其O/C比值分別為0.75～0.87、0.90～0.91和0.63～0.68。原始培養藻的H/C比值最高，表明了其脂肪性較高，其O/C比值也最高，說明其含氧官能團也較多；其高的元素比值很可能與培養條件有關。原始野外浮游生物樣品的H/C比值也比較高。

與原始樣品(OS)相比，LF級分的元素比值變化較小。經過堿性水解后，ANHC 級分的O/C比值明顯增加；而且，ANHC級分在所有的級分中極性最大，是由于堿性水解反應使得羧基和羥基鍵合到有機基質上。經過酸水解后，NHC級分的O/C比值大大降低，這與酸水解過程中去除了大量的碳水化合物和蛋白有關。

2.2 藻類有機質及其有機級分的結構

除了LHH25由于其樣品量不足外，所有原始藻類樣品OS、LF和NHC級分都采用固體13C NMR技術表征。圖1[11]中細線和粗線分別代表定量13C NMR全碳譜圖(MultiCP)和偶極相移譜圖(MultiCP/DD)。各碳譜位移區間歸屬如下：0～45 ppm，烷基碳；45～61 ppm, 甲氧基碳(也包括NCH)；61～92 ppm，烷氧基碳；92～115 ppm，二烷氧基碳；115～146 ppm，芳香碳(包括非質子芳香 C-C，MultiCP/DD和質子芳香C-H，MultiCP—MultiCP/DD)；146～165 ppm，含氧芳香碳；165～190 ppm，羧基碳；190～220 ppm，酮和醛。不同官能團的百分含量列在表2[11]中，原始樣品含有大量烷氧基碳，占總碳的22.4%～42.9%，烷基碳為17.7%～35.8%，但是總芳香碳(包括芳香碳和含氧芳香碳)含量很少，為5.80%～10.2%。與其他原始樣品相比，小球藻和擬球藻以及YTDQ浮游生物樣品含有更多的脂肪碳和聚亞甲基碳，但是烷氧基碳和二烷氧基碳則相對較少。NHC級分與其相應的原始樣品OS和LF級分的各官能團的百分含量相差甚大。NHC級分含烷氧基碳占總碳的5.6%～11.4%，低于其原始樣品OS的烷氧基碳(30.7%～42.0%)和LF級分的烷氧基碳(27.5～41.8%)，這表明大部分多糖和蛋白等化合物在堿性和酸性水解中已被去除。紫菜NHC級分在27.5～31.8 ppm的信號明顯地最高，表明其聚亞甲基碳的含量最高。

表1 原始藻類樣品及其級分的元素組成

圖1 原始藻類樣品(OS)、LF和NHC級分的MultiCP/MAS全碳譜圖(細線)和MultiCP/MAS偶極相移譜圖(粗線)Fig. 1 MultiCP/MAS spectra (thin lines) and multiCP/MAS13C NMR spectra after recoupled dipolar dephasing (thick lines) of the original algal samples (OS) as well as LF and NHC fractions (thin lines)

表2 MultiCP/MAS 13C NMR 譜圖中各官能團含量的定量

表3 壬基酚和菲的修正Freundlich生物吸附參數

2.3 生物吸附等溫線

由表3[11]可知，OS、LP和LF級分對菲和壬基酚的等溫線為線性吸附，但是ANHC呈現出較弱的非線性吸附，NHC級分呈現出明顯的非線性吸附。其中，NHC級分對壬基酚的非線性因子n為0.450～0.525，小于其對菲吸附的n值(n = 0.707～0.727)。

OS、LF、LP、ANHC和NHC級分對菲的有機碳歸一化的吸附容量值(log K’foc)分別為1.62～2.18、1.43～1.61、1.81～2.38、0.90～0.98和2.52～3.17 μg·g-1·OC-1，其對壬基酚的log K’foc值分別為2.24～2.59、1.94～2.90、2.34～2.75、1.87～2.20和2.69～3.59 μg·g-1·OC-1(表3)。LP和NHC級分對菲和壬基酚的吸附能力高于其他級分。

2.4 藻類有機質的性質與吸附參數的關系

OS、LF、ANHC和NHC級分對壬基酚和菲的吸附參數log K’foc值與O/C元素比值分別地呈極顯著的負相關(P<0.0001)；OS、LF和NHC級分對壬基酚和菲的吸附參數log K’foc值分別地與烷氧基碳、羧基碳和極性碳含量呈顯著的負相關(P<0.0001)，表明藻類有機質的極性官能團對HOCs的生物吸附作用有重要的影響。

3 討論(Discussion)

所有樣品對壬基酚的log K’foc值明顯地大于其對菲的logK’foc值，然而，壬基酚的log Kow值(4.48)與菲的log Kow值(4.57)很相近。分析表明log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)]值與O/C和(N+O)/C元素比值呈顯著的正相關關系(P<0.05)，與烷氧基碳和極性碳含量呈極顯著的正相關關系(P<0.01)，表明了氫鍵的重要性。根據多元線性回歸分析，OS、LF和NHC級分的log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)]與芳香C-H以及極性碳含量比值有顯著的正相關關系。多元線性回歸方程為：log[K'foc(NP)/K'foc(Phen)] = 0.22 x1+ 0.050 x2- 2.9 (r=0.88，P=0.001；其中x1是芳香C-H含量，x2是極性碳含量)，表明π電子作用和氫鍵作用可能是導致藻類對壬基酚的吸附能力大于對菲的吸附能力的原因，這與前期報道結果一致[12]。前期研究發現疏水性分配作用是珠江顆粒碳對酚類異雌激素的主要吸附機制[13]。

藻類有機質對菲的吸附參數與極性官能團呈負相關關系，表明極性影響菲和壬基酚的吸附能力，這與文獻的報道一致[3, 6, 8]。酸水解去除了大量的多糖和碳水化合物，NHC級分的極性官能團大大減少，因此其對菲和壬基酚的生物吸附能力明顯增強。此外，研究發現藻類的脂肪結構對菲和壬基酚的生物吸附有很大的影響[10-11]，其他研究也表明有機質對菲的吸附能力與非極性聚亞甲基呈正相關關系[14-15]。

在自然環境中，被污染的水體通常不僅僅含有一種污染物，而是同時存在多種污染物(如重金屬、多環芳烴等)共存。利用藻類有機質的生物吸附作用來去除水體的HOCs，可能也會同時去除水體的重金屬。

致謝：感謝美國歐道明大學毛景東博士在核磁共振技術表征方面給予的幫助。

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◆

Composition and Structure of Algal Organic Matter and Their Effect on the Biosorption of Phenanthrene and Nonylphenol

Zhang Dainan, Duan Dandan, Yang Yu, Ran Yong*

Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China

Different cultured and field-collected algal specie samples were collected, selectively fractionated into different organic fractions, and quantitatively characterized by using advanced multi/CP13C NMR techniques. Their biosorption isotherms and mechanism for phenanthrene (Phen) and nonylphenol (NP) were investigated. The LP and NHC fractions exhibited the highest sorption capacities. The observed sorption capacities were highly positively correlated with aliphatic constituent and structure, but negatively related to their polar groups. The higher sorption capacities observed for NP than for Phen could be explained by specific interactions such as hydrogen bonding and π-π interaction.

algal organic matter; phenanthrene (Phen); nonylphenol (NP); biosorption

10.7524/AJE.1673-5897.20151110002

國家自然科學基金；廣東省聯合重點基金(U1201235)

張代男(1988-)，女，博士后，研究方向為天然有機質的結構性質與有機污染物的吸附機制，E-mail: zhangdainan88@163.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: yran@gig.ac.cn

2015-11-10 錄用日期：2015-12-22

1673-5897(2016)2-602-07

X171.5

A

簡介：冉勇(1963—)，男，博士，研究員，主要研究方向為環境地球化學。

張代男, 段丹丹, 楊余, 等. 藻類有機質的組成結構對菲和壬基酚生物吸附的影響[J]. 生態毒理學報，2016, 11(2): 602-608

Zhang D N, Duan D D, Yang Y, et al. Composition and structure of algal organic matter and their effect on the biosorption of phenanthrene and nonylphenol [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 602-608 (in Chinese)