溶解有机物在水相中对蒽和芘的光降解

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随着中国经济的迅速发展,“中国制造”迅速崛起,但同时也伴随着制造业工厂在作业过程中产污量更大,其中包括对生态造成恶劣影响的各类难去除的污染物质如多环芳烃类。它们的排放主要来源于工业活动如加工、废弃物的不完全燃烧并排入大气、土壤和水体环境中。多环芳烃作为最具危险性的典型有机污染物之一,是由两个或多个稠环在共轭体系中组成的一类有机污染物,普遍以痕量的形式存在于水体环境中,不仅对生物体造成巨大伤害而且是常见的食品污染物,其毒性较大且具有半挥发性难以降解受到国际上的广泛关注。光化学降解是地表水或土壤表层中的多环芳烃的重要降解方式,一些生物难降解的多环芳烃也很容易被日光辐射降解。溶解性有机物(DOM)是植物组织、生物体排泄物在生物和非生物的氧化过程中被降解后留下的有机物质。分子结构复杂的混合物,在水环境中普遍存在,常常与环境有机污染物或金属类物质之间发生吸附作用,对其生物可降解性及在含水层中的溶解度及贮存情况有很大程度的影响。目前的研究主要关注DOM对金属离子和有机污染物的吸附,对多环芳烃在环境中主要的光化学降解方式的影响研究成果还不够清晰。因此,为了更详细了解多环芳烃这种具有典型有机污染物在水环境中光化学反应的趋势变化,有必要进一步探究不同来源的生物碳末端物质对多环芳烃的光解影响的作用及机制。本文在光化学反应仪中进行光解实验,125W高压汞灯模拟日光照射条件,选择了水环境中最具代表性且广泛存在的多环芳烃物质,蒽和芘作为研究对象。通过陆源性DOM末端成员(ESHA和LHA)和水源性DOM末端成员(UMRN和SRFA)来比较不同来源的DOM对两种多环芳烃光解的作用行为。通过光谱法,如紫外-可见光谱、傅里叶红外光谱、同步荧光光谱及三维荧光光谱等技术手段分析二者的作用机制,结合能力以及主要引起的结构变化。主要研究成果如下:(1)经光照180 min后,蒽和芘在纯水中发生迅速降解,符合一级反应动力学,自身光解程度可分别达到36%和24%。加入四种DOM后,UMRN能够促进蒽的光解,ESHA,LHA,SRFA均抑制了蒽的光解且LHA抑制作用最强,ESHA、SRFA其次;除SRFA之外,其他三种DOM均抑制了芘的光解且抑制作用程度相当。蒽在SRFA、LHA、UMRN、ESHA中的表观光解速率常数分别为0.17,0.14,0.20,0.15,芘为0.14,0.09,0.09,0.09。(2)探究陆源DOM和水源DOM造成对蒽和芘光解作用的抑制机制原因,发现存在DOM的淬灭效应和对多环芳烃的光屏蔽作用的双重机制,其中DOM的光屏蔽作用是抑制蒽和芘光解的主要原因。利用荧光淬灭法计算二者的结合能力大小,四种DOM与蒽的结合能力依次为UMRN>LHA>SRFA>ESHA,与芘的结合能力表现为SRFA>UMRN>ESHA>LHA。通过对表观光解常数和结合能力(KDOM)作相关性分析发现,DOM与多环芳烃结合能力与光解抑制作用有显性相关性。(3)同步荧光光谱和三维光谱均可直观观察到DOM对多环芳烃的淬灭作用。通过EEM光谱扫描,陆源DOM比水源DOM具有较多的芳香结构和更大的分子量。从与蒽的结合来看,陆源DOM类蛋白组分表现更加敏感;与芘结合的过程中,水源DOM类腐殖酸和类酪氨酸组分相对较容易与DOM结合。对蒽来说,类蛋白组分更易发生光解,而从DOM与芘相互作用来看,各荧光团区域降解容易程度为类蛋白质>类腐殖酸>类溶解性微生物代谢副产物。(4)通过紫外和傅里叶红外技术分析,DOM与PAHs之间存在NH-及π-π作用力,陆源DOM与蒽的结合主要涉及N-H的伸缩振动以及多糖羧酸的C-O的伸缩振动;水源DOM与蒽的结合与N-H的伸缩振动以及无机硫酸盐的S-O伸缩振动有关。四种DOM与芘结合主要由脂肪环中醚键的C-O-C非对称伸缩振动引起,同时,形成了C-O官能团。
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