甲基-β-環糊精對土壤中芘的吸附效應研究

牛媛媛，夏曉嘉，潘曄星，丁克強，楊 鳳

(南京工程學院 環境工程學院，江蘇 南京 211167)

隨著我國工業化、城市化的快速發展，土壤環境問題日趨復雜，其中土壤PAHs 污染也日趨嚴重。國內學者研究表明，我國土壤中美國環保署(USEPA)優先控制的16 種PAHs有機污染物都有很高的檢出率[1]。PAHs 含量明顯高于其背景值,造成生態環境惡化，對農業環境和生物生存構成嚴重威脅[2-5]。芘具有穩定的四苯環對稱結構，相對于低分子的PAHs，四環及四環以上的PAHs結構復雜，難于被生物降解[6]。芘是環境中質量濃度比較高的PAHs，是檢測PAHs污染的指示物，所以本文采用芘作目標污染物[7]。

MCD是β-環糊精(β-CD)的甲基化衍生物，其分子空洞適中，包接范圍廣且價格低廉，有比β-CD更好的水溶性和對難溶物質的增溶能力[8-12]，增溶作用能提高土壤中芘的溶解性和生物可利用性，對土壤吸附芘產生了很大的影響。MCD由于其水溶性好、無毒性和生物友好的特點，通常用于醫藥工業、食品、農藥、化妝品、紡織品染色等領域[13-17]。

學者大多從具體條件研究MCD與其他材料結合對分子或重金屬離子等的吸附作用及表觀影響，進一步推斷其原理，未縱深研究其吸附機理[18-22]。學者未來可以基于MCD的優點修飾衍生出新的MCD種類，為醫藥、生物細胞、化學工業、生態環境等方面做出理論指導和應用。國內鮮有研究MCD對土壤中芘吸附的影響，對于環境因素如溫度、pH值考慮較少。本文基于MCD的濃度測定方法及MCD在土壤中的等溫吸附、動力學實驗研究了MCD對土壤吸附芘的影響，揭示了MCD對土壤中吸附芘的吸附效應。該研究為多環芳烴污染土壤的修復提供借鑒與參考，也可為與芘污染土壤有關的植物修復技術提供有利條件，為土壤生態修復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

清潔土樣采自常熟生態站附近的土壤，理化性質如表1。

表1 土壤的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 研究方法

1.2.1 MCD濃度測定

取10 mLMCD溶液于100 mL容量瓶中，依次加入10 mL碳酸鈉緩沖液和10 mL酚酞工作液，用水稀釋至刻度，搖勻。在波長554 nm處測定酚酞顯色液的吸光度。酚酞顯色液中不加MCD時測得的吸光度為空白點吸光度，繪制工作曲線。

1.2.2 芘在土壤中的吸附平衡

稱取一系列質量的芘，將芘溶于甲醇，之后轉移到100 mL容量瓶中用甲醇定容至刻度線，得到一定濃度的芘溶液。用HPLC分別測量各濃度標準液的峰面積，并繪制成標準曲線。

1.2.3 MCD在土壤中的等溫吸附

加入1 g實驗土樣于100 mL錐形瓶中，再分別加入15 mL系列濃度的MCD溶液，振蕩24 h，溫度為25℃。靜置，離心分離，上清液經過濾測定其吸光度，經標準曲線查得對應濃度，計算MCD在土壤中的吸附量。

2 結果與討論

2.1 MCD在土壤中的等溫吸附行為及形態變化

酚酞作探針[27]用于分光光度法測定MCD的濃度的方法驗證實驗結果如圖1，由全掃圖可知酚酞堿性溶液的最大吸收波長位于554 nm，引入0、1.0×10-5、3.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、2.0×10-3mol/L濃度的MCD后，光譜掃描形狀和最大吸收波長均不變，而吸光度隨著MCD濃度增大而減小。

圖1 酚酞/MCD混合溶液的吸收光譜圖

Fig.1 Absorption spectra of phenolphthalein MCD mixed solution

圖2 MCD濃度與測得吸光度之間關系圖Fig.2 Relationship between MCD concentration and measured absorbance

由圖2知，MCD濃度與測得吸光度之間成負相關，相關系數為0.999。王霆[23]通過實驗證明了MCD與酚酞形成1∶1包合物，且得出MCD與酚酞結合常數為1715 L·mol-1；紫外分光光度計測得吸光度代表的是游離的酚酞的濃度，且得到酚酞與MCD包合示意圖，如圖3所示。

圖3 酚酞與MCD包合示意圖Fig.3 MCD schematic diagram of inclusion and phenolphthalein

基于上述結果，可知酚酞作探針用于分光光度法測定MCD的濃度的方法可行性良好，可用于MCD濃度測定。

通過實驗繪制出工作曲線如圖4，由于MCD濃度越高，作出曲線斜率為負值，為了計算和觀察方便，將測得的吸光度與空白吸光度差值作為縱坐標，以得出正相關工作曲線。

圖4 濃度與空白吸光度差值的線性關系Fig.4 Linear relationship between concentration and blank absorbance

圖5 MCD在土壤中吸附量變化Fig.5 Change of adsorption of MCD in Soil

MCD在土壤中吸附量變化如圖5，可知，當MCD濃度較低時，吸附等溫線有線性表現。但當MCD濃度增大到0.5～0.6 g/L時，MCD的吸附量變化不大，且隨著濃度繼續增大，吸附量有下降趨勢。隨著MCD濃度繼續增大，在土壤中的吸附量達到飽和點，土壤中的活性吸附位點降低且趨于飽和，吸附量不再增加，溶解態MCD增加，對土壤吸附MCD起抑制作用[24]。

圖6 MCD等溫吸附線的Langmuir方程擬合線Fig.6 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

圖6為Langmuir等溫方程擬合MCD在土壤中的吸附的擬合線。相關性為0.985在0.968～0.994之間。由MCD吸附實驗可得MCD的土水分配系數:q= KsC，其中，q表示MCD被單位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD濃度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系數。

計算不同MCD的吸附平衡濃度的土水分配系數，并求其平均值，得出MCD的土水分配系數為9.72 mL/g，由實驗所得數據可知當加入的MCD濃度為9 g/L時，土壤對MCD吸附量最大，此時溶液中的MCD的濃度為5.144 g/L。加入MCD后土水體系中存在著MCD和土壤相，此時MCD在土水體系中以水相溶解態和土壤吸附態存在，當MCD濃度小于9 g/L時，絕大多數MCD以吸附態的形式存在，當其濃度高于9 g/L時，由于土壤對MCD達到飽和，此時大多數MCD以溶解態形式存在。

2.2 MCD對土壤中芘的吸附影響

如圖7和圖8所示，芘的標準曲線的擬合度分別為0.999、1，具有可靠性，可用于土壤中芘的計算。

圖7 較高濃度芘的標準曲線Fig.7 Standard curve of pyrene with higher concentration

圖8 較低濃度芘的標準曲線Fig.8 Standard curve of pyrene with lower concentration

芘在土壤中的吸附動力學實驗得到如圖9曲線，由圖可知上清液中芘的濃度在10 h之前波動較大，可能在短時間內形成一個吸附解吸附同時進行的過程，但隨著時間的推移，在吸附進行24 h左右上清液中芘的濃度基本不變，由此可見芘在土壤中的吸附達到吸附平衡，因此本實驗以24 h為芘在土壤中的吸附平衡時間。

圖9 芘的濃度變化曲線Fig.9 Concentration variation curve of pyrene

MCD對土壤吸附芘的影響實驗結果如圖10，由圖可知，芘在土壤中的吸附行為受MCD濃度影響。當MCD濃度低時，芘在土壤中的吸附受到促進，且當MCD濃度為9 g/L時，芘在土壤中的吸附量達到最大，MCD濃度繼續升高時，芘在土壤中的吸附受到抑制。而且隨著溶液中MCD濃度的增加，芘的吸附量降低了10～81 μg/g。

圖10 不同起始濃度的MCD條件下芘的等溫吸附線Fig.10 Adsorption isotherms of pyrene with different initial concentration under the condition of MCD

加入MCD后，土水體系中存在MCD、芘和土壤相。芘在該土水體系中表現為四個分配狀態即水相溶解態、土壤吸附態、吸附到吸附態MCD中的部分和吸附到液相MCD中的部分[25]。由此可見，吸附態的MCD對芘在土壤中的吸附有促進作用，溶解態的MCD對芘在土壤中的吸附有抑制作用。MCD的加入，改變了芘在土水體系中分配行為。

2.3 MCD在土壤中的吸附動力學表達

圖11 MCD等溫吸附線的Langmuir方程擬合線Fig.11 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

圖11為Langmuir等溫方程擬合MCD在土壤中的吸附的擬合線。相關性為0.984在0.968～0.994之間。由MCD吸附實驗可得MCD的土水分配系數:q= KsC，其中，q表示MCD被單位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD濃度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系數。

計算不同MCD的吸附平衡濃度的土水分配系數，并求其平均值，得出MCD的土水分配系數為9.72 mL/g，由實驗所得數據可知當加入的MCD濃度為9g/L時，土壤對MCD吸附量最大，此時溶液中的MCD的濃度為5.144 g/L。加入MCD后土水體系中存在著MCD和土壤相，此時MCD在土水體系中以水相溶解態和土壤吸附態存在，當MCD濃度小于9 g/L時，絕大多數MCD以吸附態的形式存在，當其濃度高于9 g/L時，由于土壤對MCD達到飽和，此時大多數MCD以溶解態形式存在。

3 研究結論

(1)芘在土壤中的動力學實驗得出芘在土壤中的吸附平衡時間為24 h；9 g/L是MCD使芘在土壤中的吸附量達到最大的臨界濃度。

(2)吸附態MCD可提高芘在土壤中的吸附，而溶解態的MCD增大了芘的表觀溶解度，大幅降低了土壤對芘的吸附量，幅度范圍為10～81 μg/g，它們的綜合結果改變了芘在土水體系中的吸附系數。

致謝

在此特別感謝中國科學院南京地理與湖泊所的研究員徐力剛老師的指導幫助。