环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (4): 1521-1528
紫外辐射对水中三氯生降解    [PDF全文]
史鸿乐1 , 刘义青1 , 付永胜1 , 楚英豪2     
1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院, 成都 611756;
2. 四川大学 建筑与环境学院, 成都 610065
摘要: 三氯生(TCS)作为一种新兴的污染物在不同环境介质中(如生活污水、地表水、地下水和底泥)不断被检出,其在环境中可抑制某些藻类的生长发育、干扰人体激素的分泌、诱发抗药性细菌的出现,对人体健康和生态系统造成不利影响.本研究调查了紫外辐射对水中TCS的降解;考察了pH、天然有机物(NOM)、硝酸盐(NO3-)和碳酸氢盐(HCO3-)对TCS去除的影响;探讨了TCS的光解产物和转化机理.结果表明:TCS在紫外光照下降解符合准一级反应动力学.随着pH的升高,TCS的摩尔吸光系数逐渐增大,其降解效率也逐渐提高.相比于质子化形态的TCS,去质子化的TCS更容易发生光降解.NOM的存在会抑制水中TCS的光解,且NOM浓度越高,抑制作用越明显,这主要是由于NOM能够与TCS竞争入射的紫外光子.NO3-在紫外光照下可以产生羟基自由基(HO·),其在水中的存在可以加快TCS的降解.与单独存在NO3-相比,NO3-和HCO3-的共存可以进一步促进TCS的去除,这可能归因于HCO3-和HO·反应生成的碳酸根自由基(CO3·-).利用液相色谱——超高解析度四级杆飞行时间串联质谱仪(LC-QTOF/MS)检测到7种TCS光解产物,基于这些鉴定的反应产物提出TCS的可能降解机理主要包括3种不同的反应路径,分别为脱氯氢化、脱氯羟基化和醌化反应.
关键词: 三氯生     紫外光解     光敏剂     羟基自由基     降解产物    
Degradation of triclosan by UV irradiation in water
SHI Hongle1, LIU Yiqing1 , FU Yongsheng1, CHU Yinghao2    
1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756;
2. College of Architecture & Environment, Sichuan University, Chengdu 610065
Received 29 August 2017; received in revised from 22 September 2017; accepted 22 September 2017
Supported by the Joint Research Project of the Sustainable Utilization of Water and Resource Management in the Upper Yangtze River (No.2012DFG91520) and the Project of Chengdu Science and Technology Bureau (No.2014-HM01-00278-SF)
Biography: SHI Hongle (1980—), male, E-mail: hongle1980@163.com
*Corresponding author: LIU Yiqing, E-mail: swjtu7001@163.com
Abstract: Triclosan (TCS), an emerging contaminant, has been detected frequently in different environmental compartments, such as sewage, surface water, ground water and sediment throughout the world in recent years. Its occurrence in natural environment may have adverse impacts on human health and ecosystem through the inhibition for the growth of alage, disruption of hormone secretion and the development of drug resistant bacteria. The degradation of TCS under UV irradiation was thus investigated in this study. The effect of pH, natural organic matter (NOM), nitrate (NO3-) and bicarbonate (HCO3-) on the removal of TCS was also evaluated. Finally, the degradation products and transformation mechanism of TCS by UV photolysis was studied. The results showed that the degradation of TCS under UV irradiation followed the pseudo first-order kinetics. The molar absorption coefficient of TCS increased with the increase of pH, leading to the enhancement of its degradation efficiency. The deprotonated TCS could be photolyzed more easily than the protonated TCS. Due to the competition for the incident UV photon between NOM and TCS, the presence of NOM could inhibit the photolysis of TCS and the inhibiting effect enhanced with the increase in the concentration of NOM. Hydroxyl radical (HO·) could be generated through NO3- under UV irradiation, resulting in the improvement of TCS degradation. Compared to the presence of NO3- only, the coexist of NO3- and HCO3- could effectively enhance the removal of TCS because of the generation of carbonate radical (CO3·-) through the reaction of HCO3- and HO·. Seven degradation products of TCS were detected using a ultra-high definition accurate-mass quadrupole time-of-flight tandem mass spectrometer coupled with a high performance liquid spectrometer (LC-QTOF/MS). Based on these identified reaction products, the possible degradation mechanism of TCS by UV photolysis was proposed showing three different transformation pathways, including dechlorination-hydrogenation, dechlorination-hydroxylation and quinonization.
Key words: triclosan     UV photolysis     photosensitizer     hydroxyl radical     degradation products    
1 引言(Introduction)

三氯生(2, 4, 4-三氯-2-羟基二苯醚,triclosan, TCS)作为一种广谱杀菌消毒剂被广泛添加于日常生活用品和个人护理品(如牙膏、肥皂、洗手液、洗涤剂、护肤品等)(Gao et al., 2014).当前,TCS在不同环境介质(包括生活污水、地表水、地下水和底泥)中频繁被检出,美国30个洲139条河流中有80条检测到TCS;我国在珠江流域水体中检出TCS浓度高达478 ng·L-1(Kliegman et al., 2013; Kolpin et al., 2002; Zhao et al., 2010).有研究表明,TCS对某些水生生物(如藻类、鱼类等)有急性或慢性毒性作用.例如,TCS对淡水藻(S. subspicatus)的最大无影响浓度(NOEC)、最低有影响浓度(LOEC)和半抑制浓度(EC50)分别为0.5、1.2和2.8 μg·L-1;对青鳉(O. latipes)的半致死浓度(LC50)为600 μg·L-1(Kim et al., 2009; Orvos et al., 2002).此外,TCS能够干扰人体雌雄激素的分泌、诱发抗药性细菌的出现,其对人体健康和生态系统的影响不容忽视(Aranami and Readman, 2007; Gao et al., 2014).因此,TCS被认定为一种新兴的环境污染物,有必要对其在水中的消除进行研究.目前,国内外对水中TCS的去除已有诸多研究报道,多种处理技术(如臭氧氧化(Suarez et al., 2007)、高铁酸盐氧化(Yang et al., 2011)、高锰酸盐氧化(Zhang and Huang, 2003)、紫外/过氧化氢(罗从伟等,2017)、紫外/过硫酸盐(李青松等,2017)、光催化氧化(Yu et al., 2006)等)被证明能够有效降解水中的TCS.

TCS对光较为敏感,在太阳光照下,水中的TCS可直接发生降解.Aranami和Readman(2007)发现:TCS在淡水和海水中可被直接光解,其在这两种水体中的半衰期分别为8 d和4 d.虽然已有文献报道了TCS在水中的光解,但是研究重点集中在TCS的降解动力学和反应产物,对水中常见成分(如天然有机物(NOM)、无机阴离子等)对TCS光解的影响却少见报道.NOM和硝酸盐(NO3-)是水体中比较常见的两种光敏物质,其在太阳光照下可以产生羟基自由基(HO·),从而可以导致水中污染物的间接降解(Chen et al., 2009; Keen et al., 2012).传统的混凝沉淀和活性污泥处理工艺不能完全去除TCS,而UV-254 nm在饮用水和污水的消毒中正逐渐被使用,因此有必要研究UV-254 nm对TCS的光解.本研究拟在254 nm波长紫外光照下,考察pH、NOM、NO3-和HCO3-对水中TCS降解的影响;并利用液相色谱——质谱联用仪对TCS的降解产物进行检测分析;最后,根据鉴定的反应产物推测TCS的光解机理.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试剂

三氯生(HPLC级,纯度≥97%)购自Sigma-Aldrich公司;硝酸钠(NaNO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)、磷酸氢二钾(K2HPO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)均为分析纯级,购自Fisher Scientific公司;Suwannee河腐殖酸(Humic acid, HA)和富里酸(Fulvic acid, FA)购自国际腐殖质学会(International Humic Substances Society, IHSS);甲醇和乙腈为色谱纯;去离子水(Milli-pore, 18 MΩ·cm)用于试剂和反应液的配置.

2.2 光照实验

光照实验在自制的平行光发射装置中进行,如图 1所示.所用光源为两根15 W的低压汞灯(Cole-Parmer公司),主要发射波长254 nm的紫外光.紫外光光强通过校准的光辐射计进行测定,平均光强为0.1 mW·cm-2.一个典型的试验过程如下:在反应器(Pyrex玻璃培养皿)中加入总体积为10 mL的反应液,盖上石英盖,将反应器放置到磁力搅拌器上,打开遮光板,平行光即会照射到反应器中,反应即开始并开始计时,在指定的取样时间点,取出0.15 mL的反应液加入到液相小瓶中,避光待测.整个试验都是在恒温和恒定搅拌速度下进行的.反应溶液的pH利用10 mmol·L-1的磷酸盐缓冲液进行调节.在TCS光解影响因素实验中,使用初始浓度为1 μmol·L-1的TCS;在TCS光解产物研究中,TCS初始浓度为10 μmol·L-1.除了产物分析,其他所有实验都至少重复3次.

图 1 实验反应装置 Fig. 1 Experimental setup
2.3 分析方法

TCS利用高效液相色谱仪(HPLC, Agilent 1100)进行定量检测.Discovery HS C18色谱柱(2.1mm×150 mm, 5 μm, Supelco公司)用作固定相;流动相由25%纯水和75%乙腈组成;流速为0.2 mL·min-1;检测波长为221 nm;进样体积为50 μL;柱温为25 ℃.溶液pH采用pH计(pH meter 245, Corning公司)进行检测.TCS紫外可见吸收光谱利用紫外可见分光光度计(8452A, Hewlett Packard公司)进行扫描.TCS降解产物利用液相色谱——超高解析度四级杆飞行时间串联质谱仪(LC-QTOF/MS, Agilent公司)进行检测和鉴定.具体方法如下:色谱柱为Agilent ZORBAX Eclipse XDB-C18 Narrow Bore Rapid Resolution(2.1 mm×50 mm, 3.5 μm);流动相由纯水和乙腈组成,采用梯度洗脱的方式:0~8 min,乙腈由20%匀速增加到85%;然后保持1 min;9~10 min,乙腈由85%降回到20%.流速为0.4 mL·min-1;进样体积为20 μL;柱温为30 ℃.采用电喷雾电离(ESI),在负离子模式下进行扫描,扫描范围在50~500 u.所有质谱数据利用MassHunter B.04.00工作站软件(Agilent公司)进行分析.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 pH的影响

图 2所示,TCS在紫外辐射下可以发生降解,且降解效率随着pH的升高而逐渐增大.TCS的光解符合准一级反应动力学,其降解速率可以表示如下:

(1)
图 2 pH对TCS降解的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液) Fig. 2 Effect of pH on the degradation of TCS by UV irradiation

将式(1)修改为基于紫外线剂量的准一级反应动力学形式(Khan et al., 2014),得:

(2)

式中,[TCS]0和[TCS]为反应前和指定的紫外线剂量下TCS的摩尔浓度(μmol·L-1);kobs为基于紫外线剂量的表观准一级反应速率常数(cm2·mJ-1);UVfluence为紫外线剂量(mJ·cm-2).

根据式(2),我们可以求得不同pH条件下TCS直接光解的表观速率常数,见表 1.在紫外光照下,TCS降解的表观速率随着pH的升高而逐渐增大,从pH 5.3时的(2.51 ± 0.19) × 10-3 cm2·mJ-1增大到pH 8.5时的(7.36 ± 0.04) × 10-3 cm2·mJ-1.该结果可能与TCS的摩尔吸光系数(εTCS)和量子产率(ΦTCS)有关,因为一种有机物发生光解需要满足两个必要条件:①有机物吸收一定波长的光子后可以发生激发,即摩尔吸光系数的情况;②激发态的有机物发生化学分解过程要明显优于物理失活过程,即量子产率的大小(Liu et al., 2015).图 3为不同pH值下TCS的摩尔吸光系数.在254 nm波长下,TCS的摩尔吸光系数从pH 5.9时的2118.1 L·mol-1·cm -1逐渐升高到pH 8.5时5065.1 L·mol-1·cm -1,如表 1所示.因此,在pH 5.9~8.5范围内,TCS降解速率的提高可能归因于逐渐升高的εTCS.除了摩尔吸光系数,量子产率也是影响化合物光解效率的一个重要因素.TCS在254 nm波长下的量子产率可以根据式(3)计算(Bolton and Stefan, 2002):

(3)
表 1 不同pH值下TCS光解的表观速率常数及在254 nm波长下的摩尔吸光系数和量子产率 Table 1 The observed degradation rate constant, molar absorption coefficient and quantum yield at 254 nm of TCS at different pH values

图 3 不同pH下TCS的摩尔吸光系数 (实验条件:[TCS]0 = 30 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液) Fig. 3 The molar absorption coefficient of TCS at different pH values

式中:Uλ为254 nm波长下的摩尔光子能量,其值为471528 J·Einstein-1(Bolton and Stefan, 2002).

求出的ΦTCS表 1.虽然TCS在pH 5.3时的摩尔吸光系数高于pH 5.9时的值,但是pH 5.3时的ΦTCS最小,因此,这两种因素可能综合影响了TCS在该pH值下的光解,使其在研究的pH值中降解速率最慢.TCS的pKa为8.1(Kliegman et al., 2013),随着pH的升高,TCS主要以去质子化的形态存在,由上述结果可知:去质子化的TCS吸光能力强于质子化的TCS.

3.2 NOM的影响

NOM在自然水体中是普遍存在的,在太阳光照下,其对水中污染物降解影响的研究已经被大量报道(Canonica, 2007; Carlos et al., 2012; Yu et al., 2010).通常,NOM对水中污染物的去除具有双重效应:①由NOM的遮光作用和自由基淬灭引起的抑制效应;②由激发态的NOM或光激发生成的活性氧物质(Reactive Oxygen Species, ROS,如HO·、1O2和O2·-等)引起的促进作用(Carlos et al., 2012; Xu et al., 2011).当前研究中,我们分别采用腐殖酸(HA)和富里酸(FA)代表NOM,研究NOM对254 nm波长紫外辐射下TCS降解的影响.如图 4所示,当存在不同浓度的HA或者FA时(通过溶解性有机碳来定量),TCS降解的表观速率与纯水中的相比会有一定程度的减小,且NOM浓度越高,TCS光解被抑制的越多.与FA相比,HA对TCS降解的抑制作用更大,这可能与它们的分子量及分子结构不同有关,需要对此进一步研究.该结果表明:在直接紫外光解TCS时,NOM的效应①强于效应②.

图 4 NOM对TCS去除的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4)) Fig. 4 Effect of NOM on TCS removal under UV irradiation
3.3 NO3-的影响

图 5可以看出,NO3-的存在可以促进TCS的光解,且降解速率随着NO3-浓度的升高而增快.这可能归因于光激发NO3-产生的HO·的作用.NO3-作为水中比较常见的一种光敏物质,其在太阳光照下可以产生HO·,如式(4)~(7)所示(Mack and Bolton, 1999).为了证明上述的解释,我们向反应溶液中加入了HO·淬灭剂,即50 mmol·L-1甲醇(MeOH, kHO·/MeOH = 9.7 × 108 L·mol-1·s-1(Buxton et al., 1988)),结果如图 6所示.相比于UV/NO3-体系,TCS在UV/NO3-/MeOH体系中的降解受到了一定的抑制,与其直接紫外光解类似.这一结果有力地证明了我们的推测.

(4)
(5)
(6)
(7)
图 5 NO3-对TCS降解的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4)) Fig. 5 Influence of NO3- on TCS degradation under UV irradiation

图 6 UV/NO3-体系中HO·的证明 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, [NO3-]0 = 10 mmol·L-1, [MeOH]0 = 50 mmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 7.4)) Fig. 6 Confirmation of HO· in UV/NO3- system
3.4 UV/NO3-体系中HCO3-的影响

HCO3-是水体中普遍存在的一种阴离子,也是一种重要的HO·淬灭剂,两者的反应如式(8)所示(Buxton et al., 1988).自然水体中存在着多种光敏物质(如NOM、NO3-),在太阳光照下,这些光敏物质受激发可以生成一定浓度的HO·.因此,HCO3-可能会对水中有机污染物的光降解有一定的影响.为了弄清HCO3-对实际水体中TCS光解的影响,本研究利用UV/NO3-体系来探讨HCO3-对TCS光解的影响,结果如图 7所示.为了避免pH对TCS降解的影响,我们同时进行了3组控制实验,即TCS在UV/pH 8.5 buffer、UV/HCO3-和UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系(4个反应体系pH相同,均为8.5)中的光解.从图 7可以看出,TCS在UV/pH 8.5 buffer和UV/HCO3-这两个体系中的降解基本类似;相比于UV/pH 8.5 buffer体系,TCS在UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系中的降解效率明显提高,该发现与3.3节得到的结果相同,主要是由于光活化NO3-生成的HO·的作用.与UV/NO3-/pH 8.5 buffer体系相比,TCS在UV/NO3-/HCO3-中的降解速率进一步提高,这可能与HCO3-和HO·反应生成的碳酸根自由基(CO3·-)有关.CO3·-是一种选择性的单电子氧化剂,其主要通过电子转移或者抽氢作用与富含电子的有机物进行反应.虽然目前无文献资料报道CO3·-和TCS的二级反应速率常数,但是CO3·-与酚类化合物较易发生反应(Canonica et al., 2005),如苯酚(kCO3·-/phenol=2.4×108~4.7×108 L·mol-1·s-1)(Neta et al., 1988)、对氯苯酚(kCO3·-/4-chlorophenol=1.9×108 L·mol-1·s-1)(Neta et al., 1988).TCS分子结构中有酚结构,因此我们预测TCS与CO3·-的二级反应速率常数可能在106~108 L·mol-1·s-1范围内,两者可以发生较快的反应.

(8)
图 7 UV/NO3-体系中HCO3-的影响 (实验条件:[TCS]0 = 1 μmol·L-1, [NO3-]0 = 10 mmol·L-1, [HCO3-]0 = 3 mmol·L-1, 10 mmol·L-1磷酸盐缓冲液(pH = 8.5)) Fig. 7 Effect of HCO3- on TCS removal in UV/NO3- system
3.5 TCS光解产物分析及机理推测

液相色谱——超高解析度四级杆飞行时间串联质谱仪(LC-QTOF/MS)用于TCS光解产物的检测和分析.为了提高产物丰度以便于检测,该部分研究使用初始浓度为10 μmol·L-1的TCS.为了避免磷酸盐对仪器测定的干扰,实验在超纯水中进行.在紫外光解TCS反应中,共检出7种降解产物,其分子质量(Mw)、质荷比(m/z)、分子式和可能的结构见表 2.图 8为TCS和主要反应产物(包括m/z 267、253、249和235)浓度随时间的变化.由于缺乏反应产物的标准物质,故不能对其浓度进行定量,因此本研究直接采用各个产物的峰体积数值(从质谱分析软件MassHunter B.04.00直接获得)来反映每种产物在反应体系中浓度的变化.从图 8可以看出,TCS持续被降解,在紫外线剂量为640 mJ·cm-2时,大约75%的TCS被消除;四种主要产物的浓度不断上升,其中m/z 253为最重要的产物.另外3种产物(m/z 231、217和215)在初始样品中未被检出,在光照后的水样中至少被检出2次,且浓度呈上升趋势,因此,也被认为是TCS的光解产物.

表 2 TCS光解产物 Table 2 Degradation products of TCS by UV irradiation

图 8 TCS及其主要降解产物随时间的变化 (实验条件:[TCS]0 = 10 μmol·L-1,去离子水) Fig. 8 Evolution of TCS and its major degradation products by UV irradiation

基于检出的降解产物,我们推测紫外光解TCS的反应机理主要包括3种不同的转化路径,分别为:(1)脱氯氢化、(2)脱氯羟基化、(3)醌化反应,如图 9所示.TCS在吸收紫外光子后可以转变为激发态的TCS,激发态的TCS可能会发生3种反应:①通过能量释放(如发射荧光)转变回基态的TCS;②直接分解;③通过能量转移(Ⅰ类反应)或电子转移(Ⅱ类反应)产生活性氧物质,如1O2、O2·-和HO·等,这些ROS可能与TCS发生反应.因此,TCS的紫外光降解可能包括直接光解和间接降解(自敏化降解)两种反应途径.其中,脱氯氢化可能是由直接紫外光解引起;脱氯羟基化和醌化反应可能是由自敏化降解引起.TCS通过脱氯氢化反应生成脱氯产物m/z 253,该产物通过脱氯羟基化反应和醌化反应分别生成产物m/z 235和m/z 267.生成的m/z 235通过路径(2)和(3)分别产生产物m/z 217和m/z 249,氢醌产物m/z 217通过抽氢作用生成产物m/z 215.产物m/z 249除了由m/z 235通过醌化反应生成,还可以由m/z 267通过路径(2)得到,该产物可进一步发生脱氯氢化和脱氯羟基化反应生成产物m/z 215和m/z 231.

图 9 TCS可能的光解路径 Fig. 9 Possible transformation pathways of TCS by UV irradiation

有研究表明,TCS在光照下可以转化为毒性更强的2, 8-二氯二苯并-对-二英(2, 8-dichlorodibenzo-p-dioxin, 2, 8-DCDD)(Latch et al., 2003; Wong-Wah-Chung et al., 2007).本研究只在紫外线剂量为80 mJ cm-2时检测到2, 8-DCDD,而在其他样品中未检出该化合物,因此我们不能确定该物质是否为TCS的光解产物,但是不能排除这种可能.由反应产物可以看出,TCS在紫外辐射下产生了多种醌类化合物,其毒性可能会有所增强,下一步我们将对反应液的毒性进行研究.

4 结论(Conclusions)

1) TCS在紫外光照下可以发生降解,其光解遵循准一级反应动力学.TCS的降解效率随着pH的升高逐渐增大,去质子化的TCS摩尔吸光系数强于质子化的TCS.

2) 由于NOM的光掩蔽作用,NOM会抑制水中TCS的光解,且NOM浓度越高,抑制作用越明显.

3) NO3-的存在可以促进TCS的降解,这是由于光激发NO3-产生的HO·的作用.与单独存在NO3-相比,NO3-和HCO3-的同时存在进一步加快了TCS的光解,这可能归因于HCO3-和HO·反应生成的CO3·-.

4) TCS在紫外辐射下共生成7种降解产物,根据这些反应产物推测TCS的光解机理主要包括3种不同的转化路径,分别为脱氯氢化、脱氯羟基化和醌化反应.

参考文献
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