Fe2+-熱活化過硫酸鈉氧化降解菲及其對土壤的影響*

伍 林 劉燕澤華 王麗萍

(中國礦業大學環境與測繪學院,江蘇 徐州 221116)

環境中多環芳烴(PAHs)主要來源于工業燃燒、石油生產和運輸泄漏等人類活動[1]。PAHs結構復雜,具有“三致”效應,是一類難降解有機污染物。化學氧化能將難降解有機污染物氧化降解為更簡單、更親水的中間體,提高生物可降解性[2-3]。

菲是一種典型的3環PAHs,因常見于PAHs污染場地而被廣泛關注。因此,本研究以菲為典型PAHs制備了菲污染土壤,在β-CD添加下用Fe2+-熱活化Na2S2O8進行氧化修復,分析Na2S2O8、Fe2+和β-CD劑量對菲降解率的影響;通過測定Fe2+、熱活化階段的主要中間體和自由基,解析菲氧化降解途徑;分析氧化后土壤pH、氧化還原電位(ORP)、溶解性有機碳(DOC)和細菌群落的變化,明晰氧化過程對土壤的影響,以期為PAHs污染場地修復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

未被菲污染的原土(YT)來自云南省紅河州蒙自市,為酸性紅壤,除去石塊、枯葉,經自然干燥研磨,過2 mm篩,混勻備用,基本理化性質如表1所示。

表1 YT基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of YT

將菲先溶于丙酮中,再倒入YT混勻,待丙酮揮發后裝入密封袋,室溫下避光老化1個月,模擬菲污染土壤,污染土壤中菲質量濃度為615.74 mg/kg。

試驗所用Na2S2O8、七水合硫酸亞鐵、β-CD、菲等均為分析純,丙酮、正己烷等有機溶劑均為色譜純。

1.2 試驗設計

選取Na2S2O8為氧化劑,β-CD為螯合劑,采用Fe2+-熱活化Na2S2O8,在250 g菲污染土壤中加入250 mL去離子水,攪拌至泥漿狀,按表2配比依次添加Na2S2O8、β-CD和Fe2+,再加入250 mL去離子水,攪拌混勻。以加完Fe2+時為零時刻,保持土壤含水率為21%±2%,4 h后轉入45 ℃水浴鍋中進行熱活化,水浴48 h后,停止試驗,反應期間適時攪拌。分別在1、15、30、60、120、240、3 120 min時取樣檢測剩余的Na2S2O8、Fe2+、菲及土壤理化性質,每次取3個平行樣,結果取平均值。

表2 添加劑的試驗設計1)Table 2 Experimental design of additives

1.3 分析方法

土樣中加入10 mL正己烷,超聲30 min,重復兩次,靜置分層,上層有機相過0.22 μm濾膜后裝入2 mL進樣瓶,采用高效液相色譜(HPLC)儀(Flexar LC,美國PerkinElmer)測定菲濃度[15]。菲回收率為92.72%±1.76%。菲的中間產物使用氣相色譜—質譜(GC—MS)法測定[16]。

對Na2S2O8氧化前、后土壤細菌進行16S rRNA基因測序,擴增區為V3～V4區,測序所用正向引物為338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’),反向引物為806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。

2 結果與討論

2.1 不同氧化條件對菲降解率的影響

2.1.1 Na2S2O8劑量的影響

圖1 Na2S2O8劑量對菲降解率的影響Fig.1 Effect of Na2S2O8 dosage on degradation rate of PHE

2.1.2 Fe2+劑量的影響

圖2 Fe2+劑量對菲降解率的影響Fig.2 Effect of Fe2+ dosage on degradation rate of PHE

2.1.3 β-CD劑量的影響

保持Na2S2O8∶菲=40、Fe2+∶Na2S2O8=1/2不變,β-CD劑量對菲降解率的影響如圖3所示。只有Fe2+活化Na2S2O8時,30 min內G1、G2和G3組的菲降解率分別為49.9%、39.9%、42.4%,隨后出現不同程度下降,4 h時降解率分別為27.2%、30.9%、8.4%。增加熱活化后,52 h時G1、G2和G3組的菲降解率分別為50.6%、54.9%和46.8%,β-CD劑量對菲降解率的影響與30 min時差別不大。β-CD可以與Fe2+形成螯合物[21],通過對Fe2+的捕獲和釋放來控制PS的反應,提高Fe2+活化PS的效果[22]。因此,β-CD劑量不是越多越好,也不是越少越好,β-CD∶Fe2+=1/10恰到好處。

圖3 β-CD劑量對菲降解率的影響Fig.3 Effect of β-CD dosage on degradation rate of PHE

2.2 氧化過程自由基的鑒定

2.3 菲的氧化降解途徑

根據GC—MS檢測結果,菲的氧化降解中間產物有(1,1’-聯苯)-2,2’-二甲醛、2-乙基-6-甲氧基萘、鄰苯二甲酸二丁酯、4-甲基-2-戊醇等。有研究報道,菲的9、10位點受到攻擊時羥基化開環生成(1,1’-聯苯)-2,2’-二甲醛,再經氧化開環脫羧形成鄰苯二甲酸,進一步氧化成4-甲基-2-戊醇等小分子有機物后礦化成CO2和H2O[26-27]。本研究認為,菲可能存在第2種降解途徑,因為菲的2、3位點也可能被攻擊,由質譜分析結果推測其降解途徑為:菲氧化開環形成2-乙基-6-甲氧基萘,進一步氧化生成萘甲酸,通過羥基化開環形成鄰苯二甲酸二丁酯,進一步發生氧化反應生成鄰苯二甲酸,最后開環形成短鏈脂肪酸并礦化成CO2和H2O(見圖4)。

圖4 Na2S2O8氧化降解菲的途徑Fig.4 PHE degradation path during oxidation by Na2S2O8

2.4 氧化降解過程對土壤的影響

2.4.1 土壤理化性質變化

圖5顯示了不同處理組氧化降解過程中土壤pH的變化。所有處理組在Fe2+活化后pH迅速下降,而熱活化對pH幾乎沒有什么影響。Na2S2O8分解產生H+使土壤酸性增強是影響土壤pH的主要原因[28]。土壤酸化會導致土壤緩沖能力下降[29]。此外,pH被認為是影響生物修復效率的主導因素[30]。

圖5 氧化降解過程土壤pH變化Fig.5 Changes of soil pH during oxidation degradation

圖6顯示了不同處理組氧化降解過程中土壤ORP的變化。Fe2+活化階段,不同處理組均誘導出較高的ORP,而熱活化階段,不同處理組的ORP相對于Fe2+活化階段有所降低。

圖6 氧化降解過程土壤ORP變化Fig.6 Changes of soil ORP during oxidation degradation

以G1組為例探究了Fe2+-熱活化Na2S2O8氧化降解菲污染土壤過程中DOC的變化,結果如表3所示。受限于菲的低水溶性,菲污染土壤中DOC僅為16.00 mg/L。Fe2+活化Na2S2O8氧化降解4 h后,DOC增至324.80 mg/L,表明菲氧化后產生極性小分子中間產物,導致DOC含量迅速升高;增加熱活化,48 h后DOC進一步增至613.60 mg/L,更多菲被Na2S2O8氧化,可溶性中間產物進一步累積。

表3 G1組土壤的DOC變化Table 3 Changes of soil DOC in Group G1

2.4.2 土壤細菌群落變化

為了解土壤細菌群落對氧化的響應,分析了YT、G1組土壤中細菌的α多樣性指數,結果如表4所示。與YT相比,菲氧化降解后Chao指數從587降至224,說明細菌群落豐富度明顯減少;Shannon指數降低、Simpson指數升高則表明細菌群落的均勻度下降,Fe2+-熱活化Na2S2O8氧化降解菲污染土壤過程對YT中細菌群落有一定影響,與Fe2+活化后pH迅速下降有很大關系。

表4 細菌的α多樣性指數Table 4 Bacteria’s α diversity index

YT中相對豐度最大的菌門為放線菌門(Actinobacteria),占72.3%,氧化處理后大幅下降,G1組土壤中小于3.5%。相反,變形菌門(Proteobacteria)相對豐度大幅增加,G1組土壤中占到了62.0%。YT的綠彎菌門(Chloroflexi,5.1%)在氧化后幾乎消失,SONG等[31]72也有觀察到類似現象。此外,G1組土壤中厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度也較大,占27.1%。

YT中細菌菌屬主要為放線菌門的偽諾卡氏菌屬(Pseudonocardiaceae,52.6%),氧化處理后不再檢出,有報道稱偽諾卡氏菌屬是憎油菌屬,在長期受石油污染的土壤中相對豐度隨總石油烴含量增加而下降[32]。G1組土壤中變形菌門的代爾夫特菌屬(Delftia,58.0%)成為新優勢菌屬,這種菌屬普遍存在于活性污泥中[33],具有代謝多樣性,能降解苯、二甲基苯酚等芳香類物質[34],菲的降解中間產物鄰苯二甲酸二丁酯也可被此菌屬降解[35]。此外,G1組土壤中擬桿菌門的普雷沃氏菌屬(Prevotella,3.6%),厚壁菌門的乳酸桿菌屬(Lactobacillus,1.9%)和芽孢桿菌屬(Bacillus,1.6%)相對豐度也增加顯著(P<0.05),這些菌屬具有良好的抗逆性,特別是芽孢桿菌屬,可通過形成內生孢子適應惡劣環境[31]72。

3 結論與展望

(2) GC—MS鑒定的菲降解中間產物主要包括(1,1’-聯苯)-2,2’-二甲醛、2-乙基-6-甲氧基萘、鄰苯二甲酸二丁酯、4-甲基-2-戊醇等。推測菲降解路徑主要有兩條:菲的9、10位點受到攻擊時羥基化開環生成(1,1’-聯苯)-2,2’-二甲醛再經氧化開環脫羧形成鄰苯二甲酸或菲的2、3位點受到攻擊時氧化開環生成2-乙基-6-甲氧基萘,進一步氧化生成萘甲酸,通過羥基化開環形成鄰苯二甲酸二丁酯,最終開環形成短鏈脂肪酸并礦化為CO2和H2O。

(3) Fe2+-熱活化Na2S2O8氧化降解菲過程中,pH在Fe2+活化后迅速降低,ORP升高,而熱活化對pH和ORP影響不大;細菌菌落豐富度和均勻度下降明顯,由以YT的放線菌門偽諾卡氏菌屬為主演替成以變形菌門代爾夫特菌屬為主,抗逆性增強。

(4) Fe2+-熱活化Na2S2O8氧化降解菲污染土壤雖然取得了較好的土壤修復效果,但化學氧化對土壤的影響不容忽視。后續可以進一步篩選、馴化具有耐酸、耐鹽等特性的PAHs降解菌,再聯合化學氧化方法,探求更加綠色、經濟且高效的PAHs污染土壤修復技術。