王 哲，姜新舒，朱米家，姚 俊

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響

王 哲，姜新舒，朱米家，姚 俊*

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083)

利用高壓汞燈對不同濃度的乙硫氨酯溶液進行光降解，采用微量熱法探究乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響。結(jié)果表明，利用高壓汞燈光照乙硫氨酯2 h可高效降解乙硫氨酯，降解率可達85%以上。微量熱實驗表明乙硫氨酯的光降解產(chǎn)物對土壤微生物的毒性比其本身更大，因此，乙硫氨酯在環(huán)境中的降解行為及毒性值得關(guān)注。

乙硫氨酯；光降解；毒性；微量熱

選礦藥劑作為選礦過程中大量應(yīng)用的化學(xué)藥劑，包括捕收劑、起泡劑、抑制劑、絮凝劑等，其中的大多數(shù)藥劑，如氰化物、砷化物、各類烷基黃藥、醛酯等為有毒有害物質(zhì)。這些物質(zhì)隨選礦廢水的排放或通過尾礦庫淋溶滲漏等形式進入環(huán)境，在水體、大氣和土壤介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化，甚至形成二次污染，嚴重威脅生態(tài)環(huán)境[1]。

近年來發(fā)展起來的微量熱法是一種原位、實時、在線監(jiān)測樣品熱力學(xué)與動力學(xué)的重要方法。熱效應(yīng)伴隨著所有化學(xué)、物理和生命過程，通過微量熱法可對這些熱效應(yīng)進行精確的測定、分析，表征其過程[2]，如微量熱法可對土壤微生物生物學(xué)特性進行準確表征。土壤是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)良好運轉(zhuǎn)的主要場所，但人類的采選冶活動使大量土壤受到選礦藥劑污染[3-5]。研究環(huán)境中的選礦藥劑及其降解后的物質(zhì)對土壤微生物代謝活性的影響，有助于理解選礦藥劑污染對土壤微生物的毒性。

乙硫氨酯(O-isopropyl-N-ethylthionocarbamate,IPETC)是一類重要的硫化礦捕收劑，捕收效率高并具有良好的選擇性，被世界各國廣泛應(yīng)用。目前，針對乙硫氨酯合成方法以及工業(yè)應(yīng)用的報道頗多，但對其光化學(xué)行為和毒性的研究尚屬空白。Chen等[6]利用厭氧消化污泥在厭氧環(huán)境下降解乙硫氨酯，另外發(fā)現(xiàn)在好氧環(huán)境下乙硫氨酯很難被微生物降解[7]。但是，在這兩篇文獻中，乙硫氨酯及其降解產(chǎn)物的毒性都沒有被提及。因此，作者在此研究乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響。

1 實驗

1.1 供試土樣

實驗土壤采集自北京科技大學(xué)校園，除去土壤中的石塊、動植物殘體等雜質(zhì)后，過2 mm細篩。測定土壤的基本理化性質(zhì)如下：pH=7.57，有機質(zhì)0.73%(質(zhì)量分數(shù))，速效磷60.0 mg·kg-1，速效鉀120 mg·kg-1，全氮65.0 mg·kg-1[8]。

1.2 試劑與儀器

乙硫氨酯，工業(yè)級，鐵嶺選礦藥劑有限公司。

UV-1800型紫外可見分光光度計，日本島津公司；BL-GHX-V型光化學(xué)反應(yīng)儀，上海比朗儀器有限公司；TAMⅢ型十二通道微量量熱儀，美國TA儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 乙硫氨酯標(biāo)準曲線的繪制

分別稱取 2 mg、4 mg、6 mg、8 mg、10 mg 乙硫氨酯置于5 mL小燒杯中，加水溶解，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容并搖勻，得到濃度(mg·L-1)分別為20、40、60、80、100的乙硫氨酯標(biāo)準溶液。使用紫外可見分光光度計測量上述標(biāo)準溶液在 243 nm處的吸光度，設(shè)置空白對照，繪制標(biāo)準曲線。

1.3.2 光降解實驗

配制一組濃度(mg·L-1)分別為20、40、60、80、100的乙硫氨酯溶液，將不同濃度的溶液置于光化學(xué)反應(yīng)儀中光照2 h，每隔30 min取樣測定吸光度。根據(jù)標(biāo)準曲線計算溶液中乙硫氨酯的濃度，進而計算降解率。

光照條件：500 W高壓汞燈，30 ℃。

1.3.3 微量熱實驗

實驗前，將土樣在28 ℃及有氧條件下放置1 d以保持土壤微生物活性；將安瓿瓶清洗后置于110 ℃下滅菌30 min。取土樣各1 g分別置于安瓿瓶中，分別加入0.2 mL混合營養(yǎng)液(含葡萄糖和硫酸銨各5.0 mg)；再分別加入乙硫氨酯溶液(20 mg·L-1、40 mg·L-1、60 mg·L-1、80 mg·L-1、100 mg·L-1)和其經(jīng)高壓汞燈光照2 h后的溶液各0.2 mL，渦旋混合均勻；最后將密封的安瓿瓶放入微量量熱儀中(溫度設(shè)為28 ℃)。通過檢測器監(jiān)測微生物代謝過程中釋放的熱量并傳輸數(shù)據(jù)給計算機，繪制微量量熱曲線，分析微量量熱曲線的熱力學(xué)參數(shù)，評價乙硫氨酯對土壤微生物代謝活性的影響[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙硫氨酯的光降解(圖1)

圖1 不同濃度乙硫氨酯的光降解

由圖1可知，初始濃度為20 mg·L-1、40 mg·L-1、60 mg·L-1、80 mg·L-1、100 mg·L-1的乙硫氨酯溶液經(jīng)高壓汞燈照射2 h后即可大部分降解，降解率分別為90.1%、84.0%、91.3%、87.0%和85.1%，說明高壓汞燈可高效降解乙硫氨酯。

由圖1還可知，隨著時間的延長，乙硫氨酯的光降解具有減緩趨勢，且初始濃度越低其減緩趨勢越明顯。有機物光降解隨著時間的推移逐漸減緩的現(xiàn)象多有報道，這可能是由于光化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物會與底物競爭光子，從而抑制乙硫氨酯進一步光降解[10]。理論上，這種影響將越來越占主導(dǎo)作用，因為中間產(chǎn)物逐漸積累會導(dǎo)致阻礙其降解的化合物濃度升高。此外，某些中間產(chǎn)物和光降解最終產(chǎn)物可能吸收光線，從而減弱用于降解乙硫氨酯的入射光線強度。在初始濃度較低的情況下，光化學(xué)反應(yīng)進行一段時間后，其中間產(chǎn)物與最終產(chǎn)物會很快占據(jù)吸收光線的主導(dǎo)作用。而初始濃度較高時，這個主導(dǎo)作用將相對有所延遲，因此光降解減緩趨勢相對不明顯。

以ln(ct/c0)(ct、c0分別為t時刻和初始t0時乙硫氨酯濃度)對時間t作圖，如圖2所示。

圖2所得直線斜率即為一級動力學(xué)速率常數(shù)K(min-1)，對不同初始濃度的乙硫氨酯的光降解速率進行動力學(xué)擬合，發(fā)現(xiàn)其光降解符合一級動力學(xué)模型(ct=c0e-Kt)，光降解動力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 不同濃度乙硫氨酯的光降解速率擬合曲線

由表1可知，初始濃度在20～100 mg·L-1時，乙硫氨酯的光降解一級動力學(xué)速率常數(shù)在0.0159～0.0207 min-1之間，說明初始濃度對其光降解的影響并不明顯。乙硫氨酯作為一種常見的硫化礦捕收劑，其化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定。在本研究中，乙硫氨酯在高壓汞燈照射下明顯被降解，且其降解符合一級動力學(xué)模型，這為乙硫氨酯的光降解研究提供了很有參考價值的研究依據(jù)。

表1 乙硫氨酯的光降解動力學(xué)參數(shù)

Tab.1 The photodegradation kinetic parameters of IPETC

初始濃度 mg·L-1一級動力學(xué)擬合參數(shù)K/min-1R2200．02070．9766400．01680．9624600．02050．9675800．01700．97021000．01590．9714

2.2 乙硫氨酯及其光降解后溶液對土壤微生物代謝活性的影響

不同濃度乙硫氨酯及其光降解后溶液對土壤微生物代謝活性的影響見圖3。

a.乙硫氨酯 b.乙硫氨酯光降解后溶液

從圖3可知，土壤微生物的微量量熱曲線都存在明顯的微生物生長周期，即延遲期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰退期。

通過熱力學(xué)方程lnPt=lnP0+kt計算獲得微生物生長速率常數(shù)k。式中:Pt為t時刻的細菌總熱功率,P0為時間t0時的細菌總熱功率。微生物活性越強、生長越快,則k值越大[11-13]。其相應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)見表2。

由表2可知，土壤微生物微量量熱曲線的Pmax均隨著乙硫氨酯及其降解產(chǎn)物濃度的增大而逐漸降低。這說明乙硫氨酯及其降解產(chǎn)物對土壤微生物的代謝活性有明顯的抑制作用，濃度增大抑制作用更明顯。降解前，tmax基本穩(wěn)定在4 h左右。而QT與k并未呈現(xiàn)較好規(guī)律性，其值在一定范圍內(nèi)波動。這是因為，QT、tmax、k與土壤理化性質(zhì)、土壤微生物量及受污染程度等因素有關(guān)。污染程度較小時，會刺激微生物生長，從而增大放熱量；但當(dāng)污染較為嚴重時，為抵抗外來污染物質(zhì)的影響，微生物會消耗更多能量從而放出更大熱量。QT、tmax、k未能與乙硫氨酯的加入濃度呈現(xiàn)出較好規(guī)律性，這是由于土壤微生物應(yīng)對污染的復(fù)雜機制導(dǎo)致的。

對比乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響可以發(fā)現(xiàn)，加入乙硫氨酯光降解后溶液的土壤微生物能量代謝的Pmax明顯降低，tmax推遲。加入濃度為20 mg·L-1、40 mg·L-1、60 mg·L-1、80 mg·L-1、100 mg·L-1乙硫氨酯溶液的土壤微生物能量代謝的Pmax分別為136.09μW、130.72μW、129.71μW、124.47μW和100.95μW，而加入其相應(yīng)降解后

表2 不同濃度乙硫氨酯及其光降解后溶液對土壤微生物的熱力學(xué)參數(shù)

Tab.2 Thermodynamic parameters of soil microorganisms added with different concentrations of IPETC and its photodegradation products

cmg·L-1乙硫氨酯降解前QT/JPmax/μWtmax/hk/(1×10-3min-1) 乙硫氨酯降解后QT/JPmax/μWtmax/hk/(1×10-3min-1) 201536．207136．08744．500．2360501429．447103．161412．930．20946401362．622130．72054．450．216121321．50596．210313．250．25432601433．361129．70634．280．191301353．97985．594312．400．25080801378．015124．46533．740．298621322．95678．798113．790．273521001441．192100．95063．350．297071325．42474．547912．850．22573平均值1430．279124．38604．060．247831350．66294．988712．860．23819

注：QT為總發(fā)熱量，Pmax為最大總熱功率，tmax為最大總熱功率時間。

溶液的土壤微生物能量代謝的Pmax分別為103.16μW、96.21μW、85.59μW、78.80μW和74.55μW；tmax在乙硫氨酯降解前為3.35～4.50 h，降解后推遲到12.40～13.79 h左右。QT、k平均值在乙硫氨酯降解前為1 430.28 J、0.248×10-3min-1，降解后為1 350.66 J、0.238×10-3min-1，整體上QT值降低，k略有降低。這些參數(shù)說明乙硫氨酯光降解后產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的抑制作用更為明顯。據(jù)文獻報道，許多有機污染物的降解產(chǎn)物對環(huán)境和人類的危害比其本身更大，二次污染物通常比一次污染物對環(huán)境存在更為嚴重的潛在威脅[14-15]。本研究中，乙硫氨酯的光降解產(chǎn)物對土壤微生物的毒性比其本身更大，說明乙硫氨酯在環(huán)境中的降解行為值得關(guān)注。

3 結(jié)論

高壓汞燈可高效降解乙硫氨酯溶液，光照2 h后，濃度為20 mg·L-1、40 mg·L-1、60 mg·L-1、80 mg·L-1、100 mg·L-1的乙硫氨酯溶液的降解率分別為90.1%、84.0%、91.3%、87.0%和85.1%。對不同濃度的乙硫氨酯光降解速率進行動力學(xué)擬合，發(fā)現(xiàn)其光降解符合一級動力學(xué)模型。同時，采用微量熱法研究乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響，發(fā)現(xiàn)乙硫氨酯光降解后產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的抑制作用更為明顯，說明乙硫氨酯的光降解產(chǎn)物對土壤微生物的毒性比其本身更大。因此，乙硫氨酯在環(huán)境中的降解行為及毒性值得關(guān)注。

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Effect ofO-Isopropyl-N-ethylthionocarbamate(IPETC) and Its Photodegradation Products on Metabolic Activity of Soil Microorganisms

WANG Zhe，JIANG Xin-shu，ZHU Mi-jia,YAO Jun*

(SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083,China)

UsingahighpressuremercurylamptophotodegradedifferentconcentrationsofO-isopropyl-N-ethylthionocarbamate(IPETC)solutions，theeffectsofIPETCanditsphotodegradationproductsonthemetabolicactivityofsoilmicroorganismswereevaluatedbymicrocalorimetry.Theresultsindicatedthat，after2hirradiationbythehighpressuremercurylamp，IPETCcouldbeeffectivelydegraded，anditsdegradationratereachedabove85%.ThemicrocalorimetryexperimentshowedthephotodegradationproductsofIPETCcouldbemoretoxictosoilmicroorganismsthanIPETC.So，thedegradationbehaviourandtoxicityofIPETCintheenvironmentareworthattention.

O-isopropyl-N-ethylthionocarbamate;photodegradation;toxicity;microcalorimetry

2016-10-15

王哲(1990-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境毒理學(xué)，E-mail：976269876@qq.com；

姚俊，教授，E-mail：yaojun@ustb.edu.cn。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.03.011

Q935

A

1672-5425(2017)03-0045-04

王哲，姜新舒，朱米家，等.乙硫氨酯及其光降解產(chǎn)物對土壤微生物代謝活性的影響[J].化學(xué)與生物工程，2017，34(3)：45-48.