氧协同菱铁矿降解微囊藻毒素机理研究

2022-02-17孙文倩牛慧斌黄应平田海林方艳芬

岩石矿物学杂志 2022年1期

张静, 孙文倩, 黄佳, 牛慧斌, 黄应平, 田海林, 方艳芬

(1. 三峡大学生物与制药学院, 湖北宜昌 443002; 2. 三峡大学水利与环境学院, 湖北宜昌 443002;3. 三峡库区生态环境教育部工程研究中心, 三峡大学, 湖北宜昌 443002)

微囊藻毒素microcystins(MCs)是在水体富营养化后蓝藻向水体释放的一种天然七肽环状毒素, 直接饮用含有MCs的水会导致人体脏器受损并高度诱发肝癌(Haradaetal., 2019; Hirookaetal., 1999; Pestanaetal., 2020; Heetal., 2020)。微囊藻毒素-LR(MC-LR)是MCs中分布最广毒性最强的一类, 世界卫生组织规定其在饮用水中最高含量不得超过1 μg/L, 其分子结构见图1。从2006年开始, 我国太湖(谢平， 2015; 秦伯强等， 2016)、滇池(Shanetal., 2019)、三峡库区香溪河库湾(袁玉洁等， 2018)及相关饮用水源地都陆续爆发了不同程度的蓝藻藻华和MCs污染, 如何有效地去除饮用水中的MCs是急待解决的问题。

图 1 MCs的分子结构图Fig. 1 The molecular structure diagram of MCs

大量研究发现矿物在O2存在下能显著提高对污染物的去除效率, 其机理主要涉及O2被协同活化产生各种氧自由基, 如还原态绿脱石与O2发生作用产生羟基自由基(·OH), 可实现对苯酚的高效降解(袁松虎等， 2019)。含铁粘土矿物在有氧环境中可以产生大量的·OH, 能够有效地降解游离态的有机污染物(Zhuetal., 2019; Vanetal., 2019; Thiametal., 2020), 目前已开发有粘土矿物-亚硫酸盐催化体系在O2氧化作用下降解有机废水的技术(Zhangetal., 2017; Ahmadrezaetal., 2018; Chenetal., 2020)。然而, 菱铁矿如何活化O2产生氧自由基或者促进酸催化效率等科学问题还需要研究。

本文通过实验对比了在无氧和有氧条件下菱铁矿对MC-LR的降解速率，并进行了不同O2含量、外加腐殖酸(humic acid, HA)以及自由基捕获实验等研究, 期望揭示有氧催化降解过程中O2对去除MC-LR的贡献。此外, 还进行了MC-LR降解中间产物的液质分析, 以推测其降解路径, 探究菱铁矿在有氧环境下降解MC-LR的机理。

1 材料和方法

菱铁矿样品由中南冶金地质研究所提供, MC-LR标准样品为固体(1 mg/瓶)(MC-LR含量≥95%, 购买自伊普瑞斯科技有限公司), 加入4 mL色谱级甲醇稀释至250 mg/L, -20℃避光保存。腐殖酸的标示物胡敏酸(humic acid, HA)购买于国际腐殖质物质协会(IHSS)。甲醇、乙腈均为色谱纯, 液相用水为哇哈哈矿物质水, 其他试剂为分析纯。

采用X射线荧光光谱仪(XRF, EDX-7000, 日本岛津)测试菱铁矿元素组成。采用X射线衍射仪(XRD, Rigaku公司)对菱铁矿样品的晶相结构进行分析, 以Cukα(λ=1.540 5 Å)为射线源, 扫描范围2θ°=5°～ 90°, 扫描速度为8°/min。通过X射线光电子能谱(XPS， ESCALAB 250Xi, Thermo Fisher)分析样品表面化学成分。

用于测定MC-LR含量的高效液相色谱仪(e2695, Waters)配置二极管阵列检测器(Waters 2695 HPLC), 分析条件如下: Waters C18色谱柱(4.6 mm×250 mm, 粒径10 μm), 流动相为MeOH∶0.05% TFA=60∶40, 流速为0.8 mL/min, 检测温度为35℃, 紫外检测波长为238 nm， MC-LR的出峰时间为8.2 min。

采用XPA系列光化学反应仪(南京胥江机电厂)、二维液相色谱-离子阱质谱联用仪(AmozonSL+1200, 美国Agilent)，利用LC-ESI/MS分析法对MC-LR降解过程中间产物进行分析，分析条件: 离子源为电喷雾离子源(ESI)，雾化气压强为15.0 Psi，毛细管出口电压为138.6 V，干燥气流量为8.00 L/min，干燥气温度为350℃，离子化模式为正离子化模式，喷雾电压为3.7 kV; 脱溶温度为350℃，离子源温度为120℃，离子能量为1.0 V，锥孔电压为40 V，扫描范围为m/z=200～1 150，流动相为甲酸(pH=2.6)和乙腈的梯度洗脱，梯度设定为0～20%乙腈(10 min), 然后增加到35%(10 min)、60%(15 min)和80% (10 min)。

溶氧仪(HQ30D, 美国哈希)用于测定溶液中溶解氧的含量。

2 实验流程

2.1 MC-LR的降解实验

在2 mL圆柱形硬质棕色玻璃瓶(暗反应)中加入1 mL 2.0 mg/L MC -LR溶液, 然后加入30 mg的天然菱铁矿矿石粉末, 置于25℃循环水中搅拌反应。无氧环境是用氩气吹扫3 min并加盖实现的。有氧环境是在无氧环境的条件下, 用泵抽出部分氩气, 再注射等量O2进去, 实现定量交换的实验条件。反应过程中间隔时间段取样300 μL于1.5 mL离心管中, 15 000 r/min离心20 min, 取上清液进行HPLC分析，测出不同实验阶段的MC-LR浓度(mg/L)，然后按照公式(1)、(2)分别计算MC-LR的降解率和降解速率常数k0(零级反应) ，绘制St/S0-t降解曲线。

η=(S0-St)/S0×100%=(1-St/S0)×100% (1)

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

其中，η为降解率(%)，k0为降解速率常数(零级反应)(mg·L-1·h-1)，S0和St指在0和t时刻的MC-LR浓度(mg/L)。

2.2 O2含量对降解体系的影响

在上述实验过程中, 在封闭体系内用注射器定量交换0.25、0.50、0.75和1 mL O2, 每隔12 h取一次样, 离心, 取上清液测定MC-LR的浓度。取50 mL的离心管, 加入25 mL的RO水(水温15℃), 密封, 充氮5 h, 排除水中的溶解氧。用注射器分别交换0、6.25、12.5、18.75和25 mL的O2, 震荡10 min, 并用溶氧仪测定水中的含氧量。

2.3 自由基捕获实验

2.4 腐殖酸(HA)对菱铁矿降解MC-LR的影响

在上述实验过程中加入一定量的HA(20.0 mg/L), 间隔12 h取样, 离心, 测定上清液MC-LR的浓度。

3 结果与讨论

3.1 菱铁矿的物理表征

对菱铁矿样品进行的XRD表征结果见图2。由图2可知, 在32°、52.8°时出现较强的衍射峰, 将其与标准PDF卡(JCPDS 29-0696)进行对比, 确定其为三方晶型FeCO3的衍射峰。

图 2 菱铁矿的XRD图谱Fig. 2 XRD pattern of siderite

采用X射线荧光光谱仪(XRF)对矿物进行的元素分析结果表明，菱铁矿中主要元素为Fe(57.583%)和Si(20.645%), 还含有少量的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%)。

为进一步验证XRD和XRF的结果, 又对菱铁矿进行了X射线光电子能谱(XPS)全谱表征，结果显示菱铁矿的XPS全谱较简单, 出现了O1s、C1s、Fe2p、Si2p、Si2s、Ca2p、Al2p特征峰以及MgKLL和MnLMM俄歇电子峰(图3)。其中, O、C的信号很强, Fe、Si信号较强, Mg、Mn信号稍弱, Ca、Al信号较弱，图中并无其他明显杂质峰, 表明菱铁矿纯度较高, 其主要成分为FeCO3和SiO2,与XRD分析结果一致。

图 3 菱铁矿的X射线光电子能谱图Fig. 3 XPS spectrum of siderite

3.2 菱铁矿催化降解MC-LR分析

3.2.1 菱铁矿降解MC-LR动力学

图4是菱铁矿在有氧和无氧的环境中对MC-LR的降解情况的动力学曲线。在没有菱铁矿时, 无论是否有氧, MC-LR都不发生降解(图4a、4b)。在无氧条件下60 h菱铁矿对MC-LR的降解率为100%(图4c); 而在通入O2后, 菱铁矿在36 h后就能将MC-LR降解完全(图4d)，说明O2存在能有效地促进菱铁矿降解MC-LR。由于前期研究证明菱铁矿对MC-LR的降解途径主要为水解作用(Fangetal.， 2018), 这就说明O2亦或者能提高菱铁矿对MC-LR的水解率。

图 4 不同条件下菱铁矿对MC-LR降解动力学曲线Fig. 4 The degradation kinetic curves of MC-LR by siderite under different conditions

3.2.2 不同O2含量对菱铁矿降解MC-LR的影响

为了验证O2对菱铁矿降解MC-LR体系的影响, 进行了不同氧气量存在时菱铁矿对MC-LR的降解动力学实验。由降解MC-LR的动力学曲线(图5a)可以发现， O2含量对MC-LR降解速率影响显著，加入不同体积(0.00、0.25、0.50、0.75和1.00 mL)的O2, 溶液中溶解氧含量分别为1.62、10.97、18.47、21.30和21.87 mg/L(由溶氧仪测定)，它们的降解动力学常数k0分别为0.030 16、0.038 16、0.052 5、0.056和0.083 34 mg·L-1·h-1。在反应24 h时加入不同体积O2对MC-LR的降解率见图5b, 可以看出随着溶氧量的增加, MC-LR的降解率分别为34%、45%、66%、78%和100%, 进一步说明大量O2存在能加速菱铁矿对MC-LR的降解。

3.2.3 自由基捕获实验

图 5 不同溶氧量条件下MC-LR降解动力学曲线(a)和 24 h不同氧含量存在条件下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)

图 6 自由基捕获实验Fig. 6 Free radical capture experiment

3.2.4 外加HA对菱铁矿降解MC-LR的影响

图 7 外加HA条件下菱铁矿对MC-LR降解动力学曲线Fig. 7 The degradation kinetic curves of MC-LR by siderite plus HA

3.3 MC-LR降解产物分析

在菱铁矿、O2和MC-LR体系中存在着酸催化水解和氧化这两种降解途径, 为了弄清楚O2在菱铁矿/MC-LR对催化降解中所起到的贡献，采用LC-ESI/MS分析法对降解中间产物进行了提取和分析，菱铁矿有氧体系对MC-LR降解12 h时降解产物的总离子流图见图8。由图8可见, 此时降解产物出峰位置主要集中在28～45 min, 该部分主要为水解反应的多肽产物和部分氧化产物，主要提取物见表1。