洪湖沉积物中有机氯农药的厌氧降解动力学

龚香宜+何炎志+祁士华

摘要：通过模拟试验，对洪湖沉积物中的有机氯农药在厌氧条件下的降解动力学过程进行了研究。结果表明，在厌氧条件下天然沉积物中大部分有机氯农药均可缓慢降解，其中降解较明显的有？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，降解最慢的为β-HCH。p，p′-DDT在厌氧条件下的主要降解产物为p，p′-DDD，导致p，p′-DDD的含量有所上升。其他几种有机氯农药的降解速率顺序大致为：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE，并且这几种有机氯农药的厌氧生物降解均符合准一级反应动力学方程，其厌氧降解动力学常数分别为k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

关键词：沉积物;有机氯农药;厌氧降解;洪湖

中图分类号：X131.3        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）02-0318-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.016

Anaerobic Degradation Kinetics of Organochlorine Pesticides

from Sediments of Honghu Lake

GONG Xiang-yi1，HE Yan-zhi1，QI Shi-hua2

（1. College of Resources and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan  430081， China;

2. State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology， China University of Geosciences， Wuhan  430074， China）

Abstract： The anaerobic degradation kinetic process of organochlorine pesticides （OCPs） from the sediments from Honghu Lake was studied with simulation experiment. The results showed that most of OCPs was degraded slowly in natural sediments under anaerobic condition. ？酌-HCH、p，p-DDT and o，p-DDT were degraded obviously. The degradation of β-HCH was most slowly. Because main catabolite of p，p-DDT was p，p-DDD， the concentration of p，p-DDD was increased. The degradation rate of α-chlordane， α-HCH， HCB and p，p-DDE was in the order of α-chlordane > α-HCH > HCB > p，p-DDE， with their anaerobic degradation fitting with first-order kinetic equation. Kinetic constants of α-chlordane， α-HCH， HCB and p，p-DDE were 0.013 7 d-1， 0.007 8 d-1， 0.004 2 d-1 and 0.000 5 d-1， respectively.

Key words： sediment; organochlorine pesticides; anaerobic degradation;Honghu

有机氯农药是典型的持久性有机污染物，微生物降解是其在自然条件下转化和消除的主要途径。但是，由于氯取代基的存在，使这类化合物的生物降解性较低，毒性增大，且在好氧条件下极难被生物降解。据研究，在厌氧条件下，很多氯代有机物的生物降解性均有所提高[1]，而天然水沉积物经常处于缺氧状态下，因此在沉积物中，生物的缺氧脱氯作用是氯代有机污染物最重要的代谢方式。

目前，在氯代有机污染物进行厌氧脱氯研究中，多以多氯联苯[2，3]和氯代直链脂肪烃[4]等为目标。在有机氯农药研究过程中，主要探讨人为控制的条件下，添加碳源、化学还原剂等对其降解的影响[5，6]。但是，关于在多种有机氯农药共存的天然状态下，尚未涉及有机氯农药在水体沉积物中的厌氧降解动力学行为和转化规律的研究。

本试验主要研究洪湖沉积物中的有机氯农药在自然状态下的缺氧脱氯降解行为，在一定程度上揭示有机氯农药在天然水体沉积物中的转化规律，重新认识有机氯农药在天然水系统中的转化和环境风险性，并为进一步研究水体沉积物中有机氯农药污染的生物修复提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  厌氧降解试验

用内径70 mm的PVC管在洪湖采集10 cm的柱状沉积物。为避免沉积物界面扰动，采集时保留5 cm上覆水，将PVC管两端用橡皮塞塞紧，形成一个稳定密闭的空间，垂直放置于固定搁架上。回到实验室后，打开沉积柱上端开口，将连接氮气瓶的硅胶管伸入水面以下，通入5 min氮气，然后迅速将硅胶管拔出，将开口用橡皮塞塞紧，并用聚四氟乙烯生料带密封。分别于第0、40、60、80、100、126天取样，-20 ℃冷冻保存备用。每次样品采集完毕后仍然与前述相同，通入5 min氮气，然后将沉积柱开口用橡皮塞塞紧、密封，直到下次采样。endprint

1.2  有机氯农药测定

将冷冻干燥后的沉积物样品，加入回收率指示物，用二氯甲烷作溶剂，在索氏提取器中抽提24 h，并用活化的铜片脱硫。再将沉积物提取液在旋转蒸发仪上浓缩至2 mL，加入硅胶/氧化铝层析柱净化，用25 mL的二氯甲烷/正己烷（2∶3，V/V）混合液淋洗柱体。过柱后的液体再继续浓缩至0.5 mL后，转移至2 mL的细胞瓶中，用柔和的氮气吹至0.2 mL，加入4 μL内标物放入冰箱中待测。采用AgilentHP6890型气相色谱仪，配63Ni电子捕获检测器，色谱柱为HP–5石英毛细管柱（30.00 m×0.32 mm×0.25 μm），进样口温度290 ℃，检测器温度为300 ℃。升温程序：100 ℃保持1 min，以4 ℃/min升至200 ℃，以2 ℃/min升至230 ℃， 再以8 ℃/min升至280 ℃，保持15 min。待测样品以不分流进样2 μL，内标法定量。

有机氯农药标准物质为由？琢-HCH、？茁-HCH、？酌-HCH、HCB、α-氯丹、p，p′-DDE、p，p′-DDD、o，p′-DDT和p，p′-DDT共9种物质组成的混合标样，回收率指示物为2，4，5，6-四氯间二甲苯（TCMX）和十氯联苯（PCB209），内标化合物为五氯硝基苯（PCNB）。方法检测限为0.001～0.005 ng/g，回收率范围为72%～103%，所有样品均经过回收率校正。

2  结果与分析

2.1  沉积物中有机氯农药的厌氧降解特征

厌氧条件下沉积物中有机氯农药的含量变化如表1所示。由表1可知，随着降解时间的延长，沉积物中大多数有机氯农药的含量出现不同程度的降低。其中比较明显的为？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，在厌氧试验的第40天，即第一次采样时，这些化合物在沉积物中的含量已经低于检测限度。其主要原因有两点，①这些化合物相对较容易降解;②另外这些物质本身在沉积物中的含量比较低。大量研究表明[7]，与其他类型的有机氯农药对比，这几种化合物更易降解，因此若无新的输入，这几种化合物在各大水体沉积物中的含量均较低。β-HCH的含量变化趋势不明显，在整个试验期内基本未降解。β-HCH分子结构中所有氯原子均处于碳架的平面上，使得其相对其他异构体物理性质更加稳定，更难被微生物降解[8，9]。另外，p，p-DDD的含量不降反升。

因上述几种有机氯农药的含量变化太小，在此不作详细讨论。其他有机氯农药的生物降解率曲线如图1所示。由图1可知，沉积物中的有机氯农药在天然状态下的降解过程极为缓慢。其降解速率的顺序大致为：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE。其中，α-氯丹降解速率稍快，在4个月内，降解率将近达到80%。而p， p′-DDE的降解速率则非常缓慢， 在4个月内， 降解率不到10%。众多研究表明，脱氯是氯代有机化合物生物降解的关键步骤[10]。在厌氧微生物作用下，氯代有机物上的有机氯首先得到电子，然后从苯环上脱下来，发生还原脱氯反应。在这一过程中，化合物本身的氧化还原电势起关键作用。此外，化合物本身的空间结构对反应的进行也有一定影响。不同的多氯代有机物，因其具有不同的氧化还原电势和空间结构，所以生物降解速率明显不同[11]。

对比p，p′-DDT、p，p′-DDD和p，p′-DDE的含量变化（表1）可知，在试验的前40 d内，p，p′-DDT的含量下降，而p，p′-DDD的含量却略有上升，并且p，p′-DDT减少的量基本等于p，p-DDD增加的量。研究表明，p，p′-DDT在厌氧条件下的主要降解产物是p，p′-DDD[12]，因此，试验中p，p′-DDD含量的增加可能主要来源于p，p′-DDT的降解。而p，p′-DDE主要是p，p′-DDT在好氧条件下的降解产物，因此含量未见升高，反而略有降低。随着试验的进行，p，p′-DDE的含量一直呈降低趋势，而p，p′-DDD的含量变化不明显。虽然p，p′-DDE的性质稳定，但在厌氧条件下，仍可发生还原脱氯反应生成p，p′-DDMU，因此这可能是试验中p，p′-DDE含量降低的主要原因[13]。另外，尽管p，p′-DDD也可发生脱氯化氢作用生成p，p′-DDMU，但需要好氧环境，因此在厌氧条件下，p，p′-DDD的降解趋势不明显。

2.2  厌氧降解动力学

根据表1的数据，对α-氯丹、α-HCH、HCB及p，p′-DDE进行反应动力学回归如图2所示。由图2可知，有机氯农药的厌氧生物降解符合准一级反应动力学，动力学方程如表2所示。经过F检验，4个准一级动力学方程的相关性在α=0.01水平上十分显著。其降解动力学常数分别为k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

3  结论

在厌氧条件下，沉积物中的大部分有机氯农药均可缓慢降解。其中降解较明显的有？酌-HCH、p，p′-DDT及o，p′-DDT，降解最慢的为β-HCH。

α-氯丹、α-HCH、HCB及p，p′-DDE的缺氧生物降解均符合准一级反应动力学方程，降解速率顺序大致为：α-氯丹>α-HCH>HCB>p，p′-DDE，其降解动力学常数分别为k1=0.013 7 d-1，k2=0.007 8 d-1，k3=0.004 2 d-1，k4=0.000 5 d-1。

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