糞固醇在粗胡敏素(HM)上吸附特性研究

詹葉敬， 徐恒振， 張 明， 趙元鳳

(1.大連海洋大學生命與科學技術學院，遼寧大連116023; 2.國家海洋環境監測中心，遼寧大連116023)

糞固醇是一類環戊烷多氫菲結構的化合物，其指紋值常被用來指示沉積物、水體糞便污染源［1－2］，有著顯著的環境意義.其化學行為研究很少，國內理應開展糞固醇在環境中的遷移、歸趨的研究，確證糞固醇作為沉積物糞便污染指示物的可靠性，以適應不同污染源監測工作的需要.有關沉積物對有機污染物吸附研究已經做出了良好的總結，現在普遍認為:有機污染物在遷移和轉化過程中，土壤(沉積物)與有機污染物的相互作用主要受土壤性質、生物、氣候、污染物結構等因素的影響，其中土壤性質、污染物結構是影響吸附的兩個極為重要的因素［3］.土壤(沉積物)對有機污染物的吸附主要是有機物與有機質的相互作用.粗胡敏素是土壤(沉積物)有機質中含量最高、組成最穩定的組分，是一類復雜的天然大分子，其分子結構中含有大量的活性基團，同時又具有疏松的“海綿狀”結構和巨大的表面能，能夠吸附許多有機、無機物質，對土壤環境質量有重要的影響［4］.本文主要以粗胡敏素與12種糞固醇的吸附為研究對象，探討其吸附特性和環境因素對吸附行為的影響，為準確估計該污染物在土壤 (沉積物)中的運移及降解提供參考.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質譜聯用儀; KQ-250DE型數控超聲波清洗機;TDL-5Z離心機;馬弗爐;電熱恒溫振蕩器;旋轉蒸發器RE-2000;層析柱(0.8 cm×30 cm);BS124S電子天平;SHZ-Ⅲ型循環水真空泵.

二氯甲烷、正己烷(色譜級和分析級，Tedia of USA);無水硫酸鈉(650℃下活化4 h);硅膠(100目～200目，650℃下馬弗爐中加熱4 h);中性氧化鋁(100目～200目，450℃下馬弗爐中4 h);甲醇、氫氧化鉀(天津科密歐，分析純);水(Millipore超純水).

1.2 粗胡敏素制備

供制備粗胡敏素的沉積物采自大連灣，采用國際標準腐殖酸協會(IHSS)推薦方法制備粗胡敏素.稱取100 g沉積物樣品(35目)于1L燒杯中，加入600 mL蒸餾水(土水比l∶6)，攪拌均勻.在70℃恒溫水浴上震蕩1 h，3500 r/min離心5 min，濾去水溶物，再往燒杯里殘渣中加入0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L焦磷酸鈉(pH= 13)混合溶液，攪拌均勻，震蕩l h，取棕褐色上清液，以3 700 r/min離心30 min，得到堿可提取物質(HE)，反復提取13次左右，直至上清液無色.水洗殘渣2～3次，自然風干，為不可提取態有機質，即粗胡敏素(粗HM).

1.3 糞固醇混合吸附液制備

取適量肉食動物、雜食動物、草食動物糞便樣品和沉積物樣品，按質量比2.2∶1∶1.5∶10混勻，按固-液比1∶4加入CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液，超聲萃取20 min，重復3次，合并提取液，加入足量KOH-CH3OH(體積分數為95%)溶液，80℃皂化40 min，將皂化液轉移至500 mL分液漏斗中，加入適量 CH2Cl2-nC6H14(體積比為4∶1)溶液反萃取，取下層有機相溶液，濃縮，過硅膠(4 g)-中性氧化鋁(2 g)層析柱純化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋轉蒸發近干，用甲醇定容，備用待測.制得 C27:coprostanol、coprostanone、cholesterol、 cholestanol、 cholestanone， C28: 24-methyl coprostanol、24-methyl coprostanone、campsterol，C29:24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol 3類糞固醇的混合吸附液.

1.4 糞固醇定量方法

Agilent 6890/5973N氣相色譜-質譜聯用儀配備色譜柱:HP-5 ms，30 m×0.25 mm×0.25 μm，高純氦氣為載氣，柱流速為2 mL/min，進樣口溫度為260℃，無分流進樣，進樣量1 μL.程序升溫:初始溫度為60℃，以15℃/min速率升至250℃，不保持;以1℃/min速率升至280℃，不保持;以5℃/min速率升至300℃，保持10 min.

分別配制不同濃度梯度的 cholesterol與sitosterol標準品，C27類糞固醇用cholesterol來定量，C29類糞固醇用sitosterol定量，C28類糞固醇用cholesterol、sitosterol平均值定量.考察糞固醇濃度與峰面積的線性關系，自變量為濃度.最終得到定量曲線:C27類糞固醇，y=182 732x，R2= 0.996;C28類糞固醇，y=94 244x，R2=0.995;C29類糞固醇，y=84 581x，R2=0.997.

1.5 吸附實驗

在一定的溫度下(溫度22.0℃)，稱取2.0 g粗胡敏素(如1.2粗HA的制備方法)，加入30 mL蒸餾水，再加入1.50 mL糞固醇溶液，持續震蕩.考察3 h、6 h、12 h、18 h、24 h內粗胡敏素對糞固醇的吸附情況，每個時間點設置3個平行樣，48 h后取出樣品離心，棄去上清液，再向粗胡敏素中依次加入適量無水 Na2SO4、30 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)超聲振蕩30 min，離心，將提取液旋轉蒸發至1 mL，過硅膠(4 g)-中性氧化鋁(2 g)層析柱純化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(體積比為2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋轉蒸發近干，正己烷定容1.0 mL，4.0℃保存待測.

1.6 吸附等溫實驗

在一定的溫度(22.0℃)下，稱取2.0 g粗胡敏素，分別加入0.4～2.0 mL糞固醇溶液，對應加入0～1.6 mL甲醇，再加入30 mL蒸餾水，持續震蕩，考察5個不同初始濃度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響，每個濃度設置2個平行樣，24 h后取出樣品離心，棄去上清液.以下步驟同1.5.

1.7 吸附影響實驗

1.7.1 溫度的影響

在鹽度為0.0，pH值為8.36的條件下，考察溫度為0.5℃、15℃、25℃、35℃、45℃時，不同溫度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響.稱取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水搖晃振蕩6次/d，置于不同溫度下，每個溫度3個平行樣，24 h后樣品離心，棄去上清液.以下步驟同1.6.

1.7.2 鹽度的影響

在溫度t=22.0℃、pH=8.36的條件下，研究鹽度(0‰、11‰、16‰、21‰、32‰)對粗胡敏素吸附糞固醇類物質性能的影響.稱取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水，每天搖晃振蕩6次，置于室溫下(室內溫度22.0℃)，每個鹽度值設置3個平行樣，24 h后取出樣品離心，去上清液，以下步驟同1.7.1.

1.7.3 pH的影響

在溫度t=22.0℃、鹽度為0.0的條件下，測定了pH值為2.28、5.25、7.46、10.74和13.3時對粗胡敏素吸附糞固醇的影響.稱取制備的粗胡敏素2.0 g，加入1.5 mL糞固醇溶液，再加入30 mL蒸餾水，每天搖晃振蕩6次，置于室溫下(室內溫度22.0℃)，每個pH值設置3個平行樣，24 h后取出樣品離心，去上清液.以下步驟同1.7.2.

2 結果與討論

2.1 吸附平衡時間的確定

圖1中(a)～(c)分別為不同時段內粗胡敏素對C27、C28、C29糞固醇的吸附率(吸附率η= (p/p0)×100%，其中，p為沉積物對糞固醇吸附量，p0為糞固醇加入量).

圖1 不同時段內粗胡敏素對C27、C28、C29糞固醇的吸附率Fig.1 The sorptive percentage of faecal sterols on crude HM in different time

由圖1可以看出，粗胡敏素對糞固醇的吸附可分為快吸附、慢吸附2個階段.前12 h吸附較快，12 h后吸附較慢，18～24 h吸附達到平衡，吸附率為19.5%～65.3%.確定24 h為粗胡敏素對糞固醇的吸附平衡時間.

2.2 吸附等溫結果

吸附等溫式常用以下幾種模型描述:

線性等溫吸附式:

式中S為沉積物中糞固醇的吸附量(μg/g)，ρ為平衡溶液中糞固醇的質量濃度(mg/L)，K為平衡常數(mL/g)［5－7］.

Freundlich等溫吸附式:

式中S和ρ同(1)式，n為非線性常數，Kf為吸附系數，與吸附容量和吸附強度有關的常數［8－10］.

Langumir等溫吸附式:

式中S和ρ同(1)式，Qm為最大吸附量(μg/g)，k為結合能常數［10－11］.

表1是擬合幾種等溫吸附曲線的相關參數和吸附系數，其中，a為截距，r為直線的相關系數，sig為顯著性水平.可以看出線性等溫模型對coprostanol、24-methyl coprostanol、24-methyl-coprostanone、24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitostanol和sitostanol擬合得到截距a為負值，無意義.其余5種糞固醇線性擬合r為0.723～0.991，均比相對 應的Freundlich擬合系數r小.

表1 糞固醇在粗胡敏素上吸附的3種等溫吸附方程參數Table 1 3 kinds of isothermal adsorption equation parameters of facial sterols adsorpted on crude HM

Langumir模型對 coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol擬合得最大吸附量Qm為負值，無意義.其余6種糞固醇Langumir擬合結果均顯著，但Qm與實測值差距較大.糞固醇在粗胡敏素吸附為非單分子層吸附.

Freundlich吸附模型對12種糞固醇在粗胡敏素上吸附均擬合良好.coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanol、24-ethylcoprostanone、sitosterol和sitostanol的n＞1，其余5種糞固醇n＜1，為非線性吸附，吸附機理比較復雜.除cholestanone外，Freundlich吸附模型擬合結果均顯著.粗胡敏素對糞固醇吸附機理復雜，其起主導作用的是分配作用和表面吸附作用.

2.3 吸附影響實驗

2.3.1 溫度的影響

圖2(a)～(c)為不同溫度對Kd(分配系數，固相與液相中單位吸附量的比值)的影響.可以看出隨溫度升高，糞固醇在粗胡敏素上的分配系數降低.當溫度由1.5℃升高至50.0℃時，12種糞固醇的分配系數下降了58.2%～74.3%.如t=1.5℃時，coprostanol在粗胡敏素上的分配系數(Kd)最大，Kd=7.639 mL/g，當溫度升高到50.0℃，Kd降低到2.806 mL/g，下降了63.3%.表明溫度對糞固醇在粗胡敏素上的吸附有著明顯的影響.

圖2 溫度對Kd的影響Fig.2 The influence of temperature on Kd

應用吉布斯方程可以計算溫度對平衡吸附系數的影響:

式中，△G0為吸附的標準自由能變，△H0為標準吸附熱，△S0為吸附的標準熵變，R為氣體摩爾常數(8.314 5 J/mol·K)，T為絕對溫度，K為吸附平衡常數.若不考慮△H0、△S0的影響，將式(6)中的lnK和1/T作圖，得一線性回歸方程，r為直線的相關系數，sig為顯著性水平［12－13］.通過斜率、截距分別求出△H0、△S0.列于表2.可以看出12種糞固醇在粗胡敏素上吸附的△H0為－20 940～－10 883 J/mol，△S0為－58.5～－32.6 J/mol·K，均小于0，表明12種糞固醇的吸附過程是放熱反應，當溫度升高時，反應向降低溫度的逆反應進行，不利于正向的吸附反應.

表2 粗胡敏素對糞固醇的吸附△H0、△S0Table 2 The△H0and△S0of facial sterols adsorpted on the crude HM

2.3.2 鹽度的影響

圖3(a)～(c)為不同鹽度對Kd的影響.

圖3 鹽度對Kd的影響Fig.3 The influence of salt on Kd

圖3中(a)～(c)分別為鹽度值對C27、C28、C29類糞固醇吸附性能的影響.可以看出，糞固醇Kd值隨鹽度升高而升高，呈現出良好的線性關系.表明水體的鹽度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響明顯.當鹽度由32.0‰下降到0.0‰時，糞固醇在粗胡敏素上的 Kd下降了32.60% ～65.90%.如cholestanol在粗胡敏素的Kd在鹽度為32.0‰時最大，Kd=7.671 mL/g，鹽度降低到0.0‰，S降低到 5.21mL/g，減少了36.4%.鹽度的增大導致粗胡敏素部分膠體物質的沉降，從而增大粗胡敏素對糞固醇的吸附量.

2.3.3 pH值的影響

圖4為不同pH值對Kd的影響.

圖4 pH值對Kd的影響Fig.4 The influence of pH on Kd

圖4中(a)～(c)分別為pH值對粗胡敏素吸附C27、C28、C29糞固醇吸附性能的影響.可以看出3類糞固醇Kd值隨pH值變化規律一致.當pH值為10.74時，糞固醇在粗胡敏素上Kd最小.如當pH=10.74時，cholestanol在粗胡敏素Kd=1.25 mL/g，pH值為其它值時，Kd為1.65～1.72 mL/g.粗胡敏素為酸堿不可溶物質，由礦物質、胡敏素構成.當pH值為10.0左右時，胡敏素可分為重顆粒、輕顆粒胡敏素(膠體)［14］，所以pH值為10.74時，Kd最小，而其它pH值條件下，Kd差異不明顯.

3 結論

(1)粗胡敏素對糞固醇的吸附分為快吸附、慢吸附2個階段，確定24 h為吸附平衡時間.

(2)吸附作用所涉及到的機理非常復雜，受到的影響因素也很多，有外界環境因素，也有沉積物自身的物理化學特性.通常，若沉積物中有機碳和黏土礦物含量高，則沉積物對有機物的吸附以分配為主，且吸附等溫線符合Langmuir型;當沉積物比表面積較大時，它對有機物的吸附以表面吸附為主，且吸附等溫線符合 Freundlich型.本實驗所得的吸附等溫線為S型，經線性擬合后，線型、Freundlich型和Langmuir型吸附等溫式都能較好地描述糞固醇在粗胡敏素上的吸附行為;但相比較而言，Freundlich型擬合效果最好.這說明粗胡敏素的成份較為復雜，吸附機理也很復雜，其對糞固醇的吸附是多種作用力的結果，其中起主導作用的是分配作用和表面吸附作用，物之間的吸附差異性有待進一步研究論證.

(3)隨著溫度的升高，粗胡敏素對糞固醇的吸附有一定程度的降低，溫度對糞固醇在粗胡敏素上吸附行為影響明顯.△H0、△S0均小于0，溫度的升高不利于反應的進行.當溫度升高時，糞固醇本身的溶解度增加，解離程度增強，相應地增加糞固醇的溶解度.而在水中溶解度越大的疏水性有機化合物越難被沉積物有機質吸附.粗胡敏素中含有許多親水性的官能團，當溫度升高時粗胡敏素中有機質容易向水體中釋放，而且，在高溫情況下粗胡敏素容易發生許多化學反應而放出許多可溶的有機反應產物，這些都減小了粗胡敏素的吸附分配系數.溫度升高使吸附質分子通過溶劑擴散至吸附劑表面及內部的速度加快，但同時也減弱了吸附劑對吸附質的平衡吸附能力，最終導致沉積物對12種糞固醇的吸附量因溫度升高而降低.

(4)鹽度從0.0‰增加到32.0‰時，12種糞固醇在粗胡敏素上分配系數增加32.60%～65.90%，cholesterol、cholestanone增加程度最明顯.這是因為:一方面，鹽度的升高導致粗胡敏素中水溶性物質易形成膠體沉降，水體中懸著固體顆粒沉降，從而導致Kd值的增加.另一方面，鹽度升高導致糞固醇物質溶解度降低，親水性降低，更易被粗胡敏素吸附.表明水體的鹽度對粗胡敏素吸附糞固醇的影響明顯.

(5)當pH值為10.74時，糞固醇在粗胡敏素上Kd最小;pH值為其它值時，Kd為1.65～1.72 mL/g，Kd無明顯差異.pH值的改變對酸堿不可溶的粗胡敏素影響不大，僅當值為10.0左右時，有部分胡敏素溶出形成懸濁液，降低了糞固醇在粗胡敏素上的分配系數.

［1］ Reeves A D，Patton D.Faecal Sterols as Indicators of Sewage Contamination in Estuaryine Sediments of the Tay Estuary，Scotland:an Extended Baseline Survey［J］.Hydrology and Earth System Sciences，2005(9):81－94.

［2］ Leeming R，Coleman R.Bayside Drains Faecal Origins Study［R］.Austrilia:CSIRO，2000.

［3］ 陳迪云，黃偉林.不同土壤有機質組分對憎水有機物的吸附機理研究［J］.地球化學，2003，32(4): 368－373.

［4］ 劉峙嶸，周利民.胡敏素在水溶液中吸附鎳［J］.石油化工高等學校學報，2007，20(2):5－8.

［5］ 燕啟社，孫紅文.Fenton氧化對土壤有機質及其吸附性能的影響［J］.農業環境科學學報，2006，25 (2):412－417.

［6］ 常春英，呂貽忠.兩種胡敏酸對2，4-D的吸附特性及機理研究［J］.光譜學與光譜分析，2009，29 (11):2926－2929.

［7］ ZHAO Zhen-guo.Principle of Adsorption Application［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2005: 190.

［8］ 冉勇，林崢，王錫莉，等.對二氯苯在泥炭上的吸附和解吸［J］.科學通報，2000，45:2737－2742.

［9］ Weber W J Jr，Huang W.A Distributed Reactivity Model for Sorption by Soils and Sediments.4.Intraparticle Baterogeneity and Phase-distribution Relationship under Nonequilibrium Conditions［J］.Environ Sci Technol，1996，30(3):881－888.

［10］Karidchoff S W，Brown D S，Scott T.Sorption of Hydrophobic Pollutants an Natural Sediments［J］.Water Research，1979，13(3):241－248.

［11］Xing B，Pignatello J.Dual-mode Sorption of Lowpolarity Comprounds in Glassy Poly and Soil Organic Matter［J］.Environ Sci Technol，1997，31 (3):792－799.

［12］李英敏，楊海波，呂福榮，等.小球藻對Cu2+的吸附性能及動力學研究［J］.能源環境保護，2004，18 (6):36－42.

［13］高繼賢，王鐵峰，王光潤.煙氣水蒸氣含量對變溫吸附煙氣脫硫過程的影響［J］.過程工程學報，2009，9(1):18－22.

［14］武天云.土壤有機質概念和分組技術研究進展［J］.應用生態學報，2004，15(4):717－772.