环境水体微囊藻毒素的光催化降解途径与机制研究

2020-03-14王逸飞倪利晓岳菲菲刘烜瑜陈旭清张建华

环境科技 2020年1期

王逸飞，倪利晓，2，岳菲菲，刘烜瑜，王娜，陈旭清，张建华

（1．河海大学环境学院，江苏南京 210098；2．河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏南京 210098；3．无锡市蓝藻治理办公室，江苏无锡 214071； 4．江苏省水利厅水资源处，江苏南京 210029）

0 引言

近年来，随着人类对环境资源的开发利用以及工业的集中发展，我国75%左右的湖泊都出现了富营养化现象[1]，蓝藻水华频繁发生，严重时水面会形成厚厚的蓝绿色湖靛。产毒有害蓝藻生物量逐年增加，藻细胞产生并释放多种藻毒素进入水体，给人类的生产、生活带来了严重的危害。目前有超过90 种微囊藻毒素（MC-LR）变体，其中MC-LR 被公认为毒性最高的变体，世界卫生组织将饮用水中MC-LR的暂定准则值定为1．0 μg/L[2]。在过去的几十年中，已经研究了许多去除MC-LR 的方法，半导体光催化氧化由于其高氧化活性和环境友好性而引起了极大的关注。

钨酸铋（Bi2WO6）作为一种新型的可见光催化剂，因其在铋系氧化物中具有最好的光催化活性而被广泛研究[3]。但纯Bi2WO6的可见光响应范围仅为460 nm，其光生电子-空穴对的高度复合也限制了其光催化活性。为了提高光催化性能，满足环境应用的要求，人们开发了多种改性方法。通过金属氧化物修饰Bi2WO6是提高光催化性能的有效手段。单组分光催化剂的缺点可以通过合成复合组分的多相光催化剂来消除，并具有单组分光催化剂的优点[4]。异质结构之间的不同带隙电位可导致界面上不可逆的电荷载流子分离和转移，从而减少复合过程，提高光催化活性。在课题组之前的研究中发现[5]，通过水热法制备的Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂，在可见光条件下能有效降解MC-LR，且降解过程受到溶液pH 值、催化剂投加量以及MC-LR 初始浓度的影响，通过调节影响因素至合适值可以提高光催化降解效果。在降解机理方面，半导体光催化的过程中会产生电子和空穴（h+），在光催化剂降解有机物反应中，空穴将OH-和H2O 氧化生成强氧化性的·OH[6]，同时催化剂表面的O2是光生电子的俘获剂，俘获电子后生成超氧自由基（·O2-），然后通过一系列反应生成·OH 和H2O2。一般来说，·OH 是光催化降解有机物的主要活性物质[7]，另外·O2-和h+也具有较强氧化性，可能会参与氧化有机物。

本研究在不添加任何表面活性剂的情况下，采用水热法合成了具有花状微球结构的Fe2O3/Bi2WO6复合材料。利用自由基捕获实验研究了h+和·OH 等活性氧的种类。降解产物的检测采用高效液相色谱-电喷雾离子源-质谱联用技术(HPLC-ESI-MS)。分析了主要中间体的结构，提出了可能的降解途径。

1 材料与方法

1．1 试剂和仪器

五水合硝酸铋（Bi(NO3)3·5H2O）、二水合钨酸钠（Na2WO4·2H2O）、九水合硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、苯醌（C6H4O2）、碘化钾（KI）、异丙醇（(CH3)2CHOH）、对苯二甲酸（C8H6O4）、硝酸、氢氧化钠（国药，分析纯）、色谱级甲醇、乙腈、三氟乙酸（美国Tedia）、MC-LR标样（纯度≥95%，伊普瑞斯科技有限公司）。MC-LR标样为固体(250 μg)，加入5 mL 色谱级纯甲醇稀释至质量浓度50 mg/L，-20 ℃避光保存待用。

实验主要仪器和设备包括水热反应釜、恒温水浴锅、恒温磁力搅拌器、电热鼓风干燥箱、500W 氙灯（GXZ500）；HITACHI F-7000 分子荧光光谱仪;1290 Infinity LC/6460 高效液相质谱联用仪（美国Agilent）。

1．2 催化剂制备

Fe2O3/Bi2WO6的制备：配制1 mol/L Fe(NO3)3·9H2O溶液，取3 mL 加水至10 mL，加入10 mL 1mol/L NaOH 搅拌30 min 得到悬浮液。取9．7 g Bi（NO3）3·5H2O 溶解在30 mL 蒸馏水中，在磁力搅拌下向其中加入3．3 g Na2WO4·2H2O，搅拌30 min 得到悬浮液。将上述2 种悬浮液混合，加入2 mL 1mol/L 的HNO3，搅拌15 min 后转移到水热反应釜中160 ℃密封反应12 h。自然冷却至室温后，将产物离心分离，洗涤并在80 ℃鼓风干燥箱干燥。制得Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂[8]。

1．3 可见光催化降解MC-LR

可见光光催化实验装置自制，可见光源为型号GXZ500 的氙灯光源。MC-LR 初始质量浓度2 mg/L。5 个分别装有5 mL MC-LR 溶液的10 mL 离心管放在双层夹套烧杯中，烧杯两侧开口处通入冷却水，防止因氙灯照射使反应溶液温度升高。一个截止型滤光片（λ ＞420 nm）盖在夹套烧杯上。加入质量浓度10 g/L Fe2O3/Bi2WO6粉末置于暗处搅拌30 min 达到吸附平衡。开启光源并记时，间隔定时取样0．5 mL，过0．45 μm 滤膜后定容至1 mL 后通过高效液相色谱测定MC-LR 浓度。液相色谱条件：Agilent ODS C18 色谱柱250 mm×4．6 mm×5 μm，流动相为各含0．05%三氟乙酸的水和乙腈（85 ∶15），流速1 mL/min,进样体积20 μL，检测波长238 nm。作为对比试验，还考察了在仅有光照或催化剂条件下溶液MCLR 的浓度变化情况。

1．4 Fe2O3/Bi2WO6 的可见光催化机理研究

以异丙醇（Isopropanol，IPA）作为羟基自由基（·OH）的捕获剂[9]，以碘化钾（KI）作为·OH 和空穴（h+）的捕获剂，以苯醌（benzoquinone，BQ）作为超氧自由基（·O2-）的捕获剂[10]，研究3 种捕获剂对Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 的影响。实验中加入的抑制剂体积为1 mL，浓度为0．1 mol/L。以不加捕获剂，其他实验条件相同的实验组作为对照组。

·OH 的测定采用分子荧光光谱法。对苯二甲酸能与·OH 反应生成2-羟基对苯二甲酸[11]，其具有高荧光性，可以作为检测·OH 的探针分子。光催化实验过程除了反应液为对苯二甲酸溶液，其他实验过程与降解MC-LR 实验相同。反应液由对苯二甲酸溶解在NaOH 溶液配制，浓度为0．5 mmol/L。光反应开始后分别在0，15，45，60 min 取样1 mL 离心，过0．22 μm 滤膜，最后用日立F-7000 分子荧光光谱仪在激发波长315 nm 下测定荧光强度。

1．5 Fe2O3/Bi2WO6 对MC-LR 的降解机理研究

反应实验条件均为催化剂质量浓度10 g/L，MC-LR 初始质量浓度2 mg/L，溶液pH 值为6．5。实验研究了Fe2O3/Bi2WO6在可见光条件下对MC-LR的深度氧化特性，每隔15 min 取样0．5 mL 过0．45 μm膜后用色谱级乙腈定容至1mL，通过液相质谱联用仪（1290 Infinity LC/6460 QQQMS，Agilent，USA）检测了Fe2O3/Bi2WO6降解MC-LR 产生的主要中间产物。 HPLC-ESI-MS 分析条件如下：

色谱柱是Agilent ODS C18 250 mm×4．6 mm×5 μm；检测波长为238 nm；流动相是各含0．05%三氟乙酸的超纯水和乙腈按体积比85 ∶15；柱温是30 ℃，流速为1 mL/min，进样量20 μL。电离源为正离子模式ESI 电离源，电压4 kV，质荷比（m/z）扫描范围100 ～1 200。 ESI 护套气体为30 个单位(1 个单位=15 mL/min)，辅助气体为4 个单位。加热毛细管温度为300 ℃，毛细管电压范围为10 ～30 V。

2 结果与讨论

2．1 光催化对比实验

在pH 值为6．5，初始质量浓度为2 mg/L 的MC-LR 溶液在不同条件下的降解情况见图1。在有可见光照射且无Fe2O3/Bi2WO6催化剂条件下放置60 min 后，MC-LR 浓度几乎无变化，说明光照对MC-LR 的影响可以忽略不计。在黑暗且有催化剂条件下MC-LR 溶液浓度降低了约20%，说明催化剂对MC-LR 有一定的吸附性，催化剂的吸附性有利于光催化降解。而在既有光又有催化剂条件下，反应60 min 后MC-LR 浓度降低了近80%，表明在可见光照射下，Fe2O3/Bi2WO6复合光催化剂展现出较强的光催化活性，能有效降解水中的MC-LR。

图1 不同反应条件下MC-LR 的降解效果

2．2 Fe2O3/Bi2WO6 的可见光催化机理

为了确定Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 过程中的活性物质，使用异丙醇作为·OH 的捕获剂，碘化钾作为h+和·OH 的捕获剂，苯醌作为·O2-的捕获剂，分别加入反应体系中，比较MC-LR 的光催化降解效率。实验结果见图2。可见加入BQ 后对藻毒素的降解效率几乎无影响，说明·O2-不是Fe2O3/Bi2WO6可见光光催化降解MC-LR 的主要活性物质。然而当加入KI 和IPA 后，反应被强烈抑制，说明主要活性物质是·OH 和h+。

图2 可见光照射下不同抑制剂对Fe2O3/Bi2WO6 光催化降解MC-LR 效率的影响

上述实验结果表明Fe2O2/Bi2WO6光催化降解MC-LR 过程中可能会产生·OH，但产生·OH 的能力却不清楚。利用分子荧光光谱法检测催化剂表面形成的·OH，在425 nm 处的荧光强度可归因于2-羟基对苯二甲酸的特性[12]。在激发波长为315 nm 时，Fe2O3/Bi2WO6在可见光照射下与对苯二甲酸溶液反应过程中检测到的荧光强度变化（见图3）。从图3中可以看到，425 nm 处的荧光强度随时间成比例变化，即与溶液中形成的·OH 量成正比，证实了Fe2O3/Bi2WO6可见光催化会产生·OH。

图3 可见光照射下对苯二甲酸溶液中Fe2O3/Bi2WO6的·OH 捕获荧光光谱

2．3 光催化降解MC-LR 中间产物鉴定

微囊藻毒素结构复杂，反应活性位点较多。MCLR（m/z 为995．5）的分子结构示意[13]见图4。 MC-LR是由7 个氨基酸组成的环状结构物质，结构中的不饱和双键以及肽键是易被攻击的活性位点。

图4 MC-LR 分子结构示意

要探明光催化剂降解MC-LR 的途径，首先要弄清楚MC-LR 在降解过程中究竟产生了多少种产物。通过液相色谱-质谱（HPLC-ESI-MS）联用技术，根据（M+H）+m/z 数据鉴定产物。 MC-LR 的质谱图和片段峰的结构推导分别见图5 和表1。结合中间产物的质谱图共鉴定出9 种主要降解产物。根据不同产物的（M+H）+m/z 数据推断产物结构，进而推断可能的降解途径。

图5 MC-LR 的质谱

表1 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 过程中检测到的主要中间产物

2．4 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 的途径分析

根据光催化降解产生的中间产物结构的鉴定以及·HO 或h+与MC-LR 的反应机理，提出了以下3种主要降解途径。

（1）Adda 基团苯环上的羟基化反应

Adda 基团上的苯环是易受·OH 攻击的位点之一。由于苯环上电子云密度较大，所以易于被亲电物质攻击发生取代反应。本实验检测到的m/z 为1 011．5 的产物与MC-LR 相对分子量（m/z 为995．5）相差16，可能为MC-LR 分子中Adda 基团苯环的羟基取代产物。首先·OH 与Adda 基团苯环结合，形成碳正离子中间体，然后与溶液中的氧快速反应，形成过氧自由基（ROO·），最后通过脱去ROO·，生成羟基取代物[14]。与苯环相连的烷基可以提供电子，对苯环上的正电荷有分散作用，所以碳正离子中间体相对苯环比较稳定[15]，使取代反应容易发生。第一次苯环羟基化反应后，第二次苯环羟基化反应生成m/z 为1 027．5 中间体。羟基取代可以发生在邻位、对位和间位，这3 个位置中哪一个更容易发生亲电取代是由连接在苯环上的Adda 氨基酸的剩余部分决定的。 m/z为1 027．5 的检测证实了上述推测，因为单羟基取代反应增加了苯环的电子密度，使亲电反应（如·OH攻击）进行得更快。

（2）Adda 基团共轭双键的羟基化反应

Adda 基团上的共轭双键是另一个易被·OH 攻击的位点[16]。实验检测到m/z 为835．2 的产物，结合已有文献[17]和HPLC-ESI-MS 分析测定的反应中间体m/z 为759．2，743．3，274．3 产物，推测其为Adda基团侧链C6 与C7 之间双键被羟基取代而生成的酮类衍生物。首先·OH 攻击Adda 侧链的C6 ～C7 双键并取代C7 的氢，形成不稳定的烯醇MC-LR（m/z 为1 011．5），且C4 ～C5 双键保留在MC-LR 基质中。烯醇MC-LR 迅速异构化为更稳定的酮MC-LR 互变异构体[14]，C6 ～C7 键被氧化导致断裂，转化为酮衍生物（m/z 为835．2）。羟基进攻共轭双键形成的产物m/z 为835．2 进一步降解有2 种途径：一种是共轭双键断裂，剩余部分产物继续降解，另一种途径是发生在Mdha 氨基酸上，在本实验中根据质谱分析检测的产物推断降解途径是第二种。中间产物在Mdha不饱和键上进一步氧化，生成醛类物质（m/z 为851．3），之后Mdha 键被除去。此外，Adda 链C4 ～C5双键进一步受到·OH 的攻击，断裂形成m/z 为743．3。在光催化条件下，m/z 为743．3 通过醛的氧化步骤向m/z 为759．2 转化，生成羧酸；或Arg 氨基酸和Adda 之间的肽键断裂生成产物m/z 为274．3。

（3）MC-LR 环状结构内部反应

由于MC-LR 环状结构存在不饱和双键和游离羧基团，在强氧化环境中可能会脱去H2O，NH3，CO2等分子而形成链状结构[18]。通过质谱分析，检测到的m/z 为877．4 和681．4 可能是环状结构内部发生反应和Adda 侧链共轭双键被双羟基取代形成的中间产物。如前所述，羟基加成可能发生在C4 ～C5 或C6 ～C7 之间。以这种方式，·OH 攻击C6 ～C7 双键，发生加成反应，接着Arg 氨基酸脱去NH3形成产物m/z为1 011．5。中间体m/z 为1 011．5 结构不稳定，导致D-MeAsp 氨基酸和L-Leu 氨基酸之间的肽键断裂，环状结构被打开。同时被羟基化的Adda 基团在C9处发生断裂脱去苯环，从而形成中间产物m/z 为877．4。而后L-Leu 氨基酸和D-Ala 氨基酸之间的肽键发生断裂，Leu 被除去，得到764．2 产物离子。接着D-Ala 氨基酸和D-MeAsp 氨基酸生成肽键重新组成环状结构，这样导致Mdha 氨基酸和D-Ala 氨基酸之间的肽键断裂，使Mdha 氨基酸分离，生成链状结构的MC-LR 衍生物m/z 为681．5[19]。