孫博宇,韓東梅,馬偉芳*

rGO@nZVI-BC修飾的PRB增強糖皮質(zhì)激素還原轉化性能研究

孫博宇1,韓東梅2,馬偉芳1*

(1.北京林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院,北京 100083；2.北京節(jié)能環(huán)保中心,北京 101160)

為制備環(huán)境功能材料rGO@nZVI-BC,以此材料構建可滲透反應墻(PRB)實現(xiàn)對地下水中含氟糖皮質(zhì)激素(FGCs)的有效阻控.結果表明,阻控過程可用改進Yoon-Nelson模型描述,在rGO@nZVI-BC和土壤系統(tǒng)中吸附速率和生物降解速率常數(shù)分別為0.485和0.035d?1、0.233和0.029d?1.提升阻控效能的主要機理是強化吸附和生物降解功能.其中運行初期以吸附作用占主導,貢獻比為76.12%左右.生物強化機制主要為nZVI為GCs還原提供了電子供體,從而增強了還原脫氟功能,該部分貢獻比約為87.06%,并伴隨著脫羥基、氧化側鏈降解和開環(huán)等降解.此外具有還原性脫鹵屬的功能性微生物(和)物種豐度的增加進一步索證了功能材料rGO@nZVI-BC的效能.本研究為地下水中GCs的污染阻控提供了一種有效的方法.

可滲透反應墻；地下水；含氟糖皮質(zhì)激素；還原降解

地下水是水資源系統(tǒng)中最重要的組成部分,然而,隨著人類活動的加劇導致對地下水的需求不斷增加和地下水污染風險提升,造成了嚴重的地下水污染[1-2].其中糖皮質(zhì)激素(GCs)作為一種重要的類固醇激素,主要通過人類和牲畜的尿液和糞便排泄物、醫(yī)院、制藥廠廢水的排放等途徑進入環(huán)境中[3].中國是最大的醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)國和消費國,目前,在中國各種環(huán)境介質(zhì)均檢測到GCs.在南海歡呼灣地區(qū)檢測到2種GCs(皮質(zhì)醇和潑尼松龍)濃度可達40ng/L[4].北京清河及沿河淺層地下水中檢測到GCs濃度分別為476ng/L和65ng/L[5-6].北京的永定河和天津南部的排水河中水化可的松的濃度為4.96～ 8.32ng/L[6-7].很多報道表明即使在環(huán)境濃度水平之下,GCs也會影響動物的性腺發(fā)育,導致畸形生長等不利影響[8].此外,含氟糖皮質(zhì)激素(FGCs)的毒性作用比天然GCs高數(shù)百倍.因此,我們應對FGCs的生態(tài)毒性給予更多的關注.

在進行地下水治理的過程中,傳統(tǒng)的抽出凈化的方式使用的最為廣泛[9],但是在管理的過程中耗費的各項費用過高,并且過分的抽取地下水容易出現(xiàn)地下水位的下沉.可滲透反應墻(PRB)作為污染地下水修復的前景的技術[10],其特點是運行和維護成本低、效率高、避免地下水大量流失.理論上,PRB系統(tǒng)內(nèi)的污染物去除主要發(fā)生在反應介質(zhì)區(qū)域.因此,主要目標是將污染物質(zhì)帶入這個反應區(qū),然后利用吸附、沉淀和還原等過程來有效地去除和穩(wěn)定污染物.由于零價鐵(ZVI)是負標準還原電位(0(Fe2+/Fe0) = -0.4402V),因此常常作為優(yōu)良的電子供體被廣泛應用于處理地下水中的各種有毒污染物[11-12].納米級ZVI(nZVI)(粒徑<100nm)的還原能力大大增加,因為伴隨粒徑減小其表面積增加巨大. nZVI可以通過還原或吸附來去除污染物,已被用于有效降解多種氯化有機物和固定重金屬[13-14].然而, ZVI的主要局限性是由于其固有的鈍化層而導致的低反應性[15].為了提高其反應速率并減少鈍化,可以制備納米零價鐵(nZVI)并將其負載到多孔材料上,還原氧化石墨烯(rGO)和生物炭(BC)則為不錯的選擇.石墨烯(GP)具有比表面積大、良好的導電性和強機械強度而被開發(fā)為一種新型催化劑載體[16].氧化石墨烯(GO)和rGO是兩種石墨烯衍生物.GO已被證明是一種良好的載體,并用于去除有機染料[17].與GO相比,rGO具有更高的導電率(約3個數(shù)量級)、更高的表面積、高效的載流子遷移率[18-19].因此將nZVI裝載在rGO載體上不僅可以提高吸附能力,還能防止nZVI的聚集,提高反應性能.BC是一種天然材料,去除重金屬、非金屬和新型污染物方面已經(jīng)得到了很好的研究[20-21].鑒于其巨大的表面積,我們可以將其作為載體,來負載其他材料,從而起到良好的分散作用.

目前有關FGCs在水環(huán)境中的去除及降解行為還研究尚淺,且去除效果令人擔憂.對于此,本文通過液相還原法合成rGO@nZVI-BC復合材料,該材料不僅能夠提高吸附能力,還可以提高電子供體的濃度,促進微生物對FGCs的還原脫氟[8].對于FGCs來說,生物還原脫鹵是一種有效的解毒途徑.眾所周知的環(huán)境激素(EDC)生物降解屬,即鞘氨醇單胞菌屬、假單胞菌屬和脫硫單胞菌屬,對FGCs有很好的除去作用,具體包括氧化、氫化、水解和脫氟等作用[8,22-23]. FGCs的生物還原脫氟需要兩個電子.因此,可用電子給體的數(shù)量直接影響去除效果.rGO@nZVI-BC中的nZVI可用于通過氧化增加電子供體的數(shù)量,來強化對FGCs的生物降解.因此,以rGO@nZVI-BC修飾的PRB有利于增強對FGCs還原和吸附作用,因為這種rGO@nZVI-BC復合材料對FGCs而言,不僅可以為微生物還原脫鹵提供電子供體,還可以為微生物提供吸附電位和結合位點,這有助于污染物吸附和降低土壤的生物毒性[24].然而,鮮有研究報道以rGO@nZVI-BC修飾的PRB來處理地下水中微量有機污染物污染的阻控效果及機理研究.因此,本研究對于PRB處理FGCs在地下水原位修復過程中具有重要指導意義.

本文將曲安西龍(TRA)作為污染物質(zhì),來進行PRB處理TRA污染地下水的研究.具體目標如下:(i)確定以rGO@nZVI-BC修飾的PRB對于TRA的去除效能;(ii)闡明TRA的代謝途徑;(iii)確定強化微生物對TRA的去除效能研究.

1 材料與方法

1.1 材料

GO是通過改進的hummers法制備的.1g石墨粉在冰浴的條件下與50mL H2SO4和1g NaNO3反應30min,后加入6g KMnO4攪拌30min.后撤掉冰浴,滴加50mL去離子水,使反應物溫度維持在35～40℃.滴加完畢后迅速轉移到95℃水浴中繼續(xù)磁力攪拌加熱30min,后加入200mL 3% H2O2,200mL 10% HCl,靜置過夜,后8000rmp離心清洗,至pH值呈中性后,呈黃褐色膠體.后冷凍干燥24h,得到GO.

rGO@nZVI-BC復合材料是通過液相還原法制備的.將0.5g GO分散于150mL去離子水中,超聲2h得到GO分散液,將溶液放置于三口燒瓶中.后加入100mL 0.05mol/L的FeSO47H2O溶液和2g椰殼生物炭(購買自鞏義市淼源水處理材料有限公司),樣品磁力攪拌2h.后緩慢加入100mL 1mol/L的NaBH4溶液,反應4h(式 (1)).用無水乙醇,去離子水洗滌產(chǎn)物,然后冷凍干燥12h,得到rGO@nZVI-BC.

Fe2++2BH4-+6H2O=Fe0↓+2H2BO3-+2H++7H2↑ (1)

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗裝置 本研究中使用PRB模擬柱來模擬吸附-生物降解過程及對TRA污染地下水的去除性能.該系統(tǒng)由儲水罐、PRB反應器和輸水裝置組成.PRB填料的高度為3cm,上下各為6cm的土壤,如圖1所示.本實驗裝置放置于相對封閉的有機玻璃罩之內(nèi),共設置2組反應器,作為土壤+功能材料(rGO@nZVI-BC)實驗組(rGO@nZVI-BC質(zhì)量占比為40%)及100%土壤對照組.使用滅菌處理平行設置吸附控制實驗.用蒸餾水配置100μg/L的TRA,流速為0.1cm/d,整個實驗過程在黑暗條件下進行,定期采集樣品,測定TRA、氟離子和總鐵離子的濃度.

圖1 可滲透反應屏障(PRB)

1.2.2 表征方法 將GO,rGO@nZVI, rGO@nZVI- BC樣品安裝在碳帶上,并使用Phenom ProX 掃描電子顯微鏡(SEM)(SU 8020,日立,日本)進行形態(tài)分析.通過X射線衍射儀(XRD)(Bruker Company, Germany)分析物相組成的晶型結構.通過傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀(Bruker Vertex 80)分析官能團.通過X射線光電子能譜(XPS)(Thermo Scientific Escalab 250Xi)表征表面元素含量和表面官能團.在表面積和孔隙度分析儀(ASAP,2460,麥克,USA)上測量表面積和孔結構.使用電化學工作站(CHI 660E)進行電化學交流阻抗(EIS)表征.

1.2.3 分析方法 TRA的濃度采用高效液相色譜(HPLC)測定,配備C18分析HPLC柱(100.0mm × 2.1mm; particle size of 1.7 μm; Waters, USA) 以及一個1200個二極管陣列探測器,其波長為241nm (Agilent 1290, Agilent Corporation, USA).用于TRA分析的流動相為40%乙腈,流速為1mL/min.該方法具有良好的可靠性和準確性,TRA及其代謝物的回收率為98%～106%.采用超高效液相色譜和高分辨率四極飛行時間質(zhì)譜儀(UHPLC-QTOF) (Agilent 6530Q-TOF, Millford, USA)分析了rGO@nZVI-BC去除TRA過程中的主要脫氟中間體.采用離子色譜法(IC3000,Dionex,USA)測定溶液中的氟離子濃度;用原子吸收法(GFA-6880,SHIMADZU,USA)測定溶液中總鐵的濃度.土壤樣品采集于潮白河沿岸的土壤.按“S”型采集20～40cm土層土壤,過篩之后保存,根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》測定分析土壤有機質(zhì)、全N、全P、全K含量.哈希PH計測定土壤pH,烘干法測定土壤含水量,用環(huán)刀法測定土壤容重.土壤的理化性質(zhì)如表1所.

表1 土壤的理化性質(zhì)

采用改進Yoon-Nelson模型分析了rGO@nZVI-BC和土壤中TRA的穿透模型(式(2)).

式中:1是吸附速率常數(shù),1/d;2是生物降解速率常數(shù),1/d;為穿透一半吸附材料所需要的時間,d;為運行時間,d;0為入口污染物的濃度,μg/L;為出口污染物的濃度,μg/L.

1.2.4 微生物的分析方法 在反應器運行30d和60d時,分別采集0.5g土壤樣品,采用標準強力土壤DNA提取試劑盒(OMEGA,CA,USA)提取DNA.所有DNA溶液均于-20℃保存.通過使用引物515FmodF(5～GTGYCAGCMGCCGCGGTAA～3)和806RmodR(GGACTACNVGGGTWTCTAAT)靶向16S rRNA基因的V4～V5區(qū)域來分析細菌群落.使用QIIME軟件包進行序列分析,使用內(nèi)部Perl腳本測量-和-多樣性.

1.2.5 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析方法 本研究中的所有實驗均為一式三份.使用SPSS軟件(Version 10.0, SPSS Inc., Chicago, IL, USA)進行方差分析.研究采用典型的Rs(RctCPE)等效電路模型,利用ZView 3.0軟件擬合交流阻抗.

2 結果與分析

2.1 功能材料的特性表征

2.1.1 形貌特征分析 利用SEM對材料的形貌進行了分析,如圖2所示,由于GO獨特的材料特性,其表面分布有大量褶皺和空穴,這些褶皺和空穴負載nZVI提供了大量的位點[25](圖2a);nZVI以突出的鏈狀團聚體的形式存在[26],GO起到了分散劑的作用,nZVI基本上均勻分散在半透明的褶皺上(圖2b);rGO@nZVI均勻分布在生物炭的表面和孔隙中(圖2c).

圖2 掃描電子顯微鏡圖像(′8000)

Fig.2 Scanning electron microscope images of

(a) GO; (b) rGO@nZVI;(c) rGO@nZVI-BC

2.1.2 晶格結構分析 GO、rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC在25°C下10°到80°范圍內(nèi)的X射線衍射圖,如圖3所示.

圖3 GO,rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC的X射線衍射圖像

GO在10.36°處可以清楚地觀察到衍射峰,該衍射峰對應于純GO樣品的(002)面[27].由于GO表面存在含氧官能團,因此意味著GO可以為裝載納米材料提供很大的空間[28].在rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC的44.9°處可以看到nZVI的清晰衍射峰.此外,rGO@nZVI的XRD圖在33.16°、35.38°處出現(xiàn)了不同程度的特征峰,對應于氧化鐵的衍射峰[29],但峰型較小,說明氧化程度不明顯.而且rGO@nZVI中10.36°處最強烈的GO峰的缺失證實了GO被完全剝離.對于rGO@nZVI-BC復合材料,氧化鐵的特征峰出現(xiàn)了較明顯的減弱,26°左右的寬峰被指定為具有無定形結構的碳材料中的(002)平面[30],44.9°處的衍射峰對應于nZVI的(110)平面[31],這表明rGO@nZVI顆粒成功沉積在BC表面.

2.1.3 官能團分析 在500～4000cm-1的波長范圍內(nèi)對GO、rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC復合材料進行傅里葉紅外光譜分析,如圖4所示.

圖4 GO,rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC的傅里葉變換紅外光譜圖

顯然,裸GO光譜在3384cm-1、1724cm-1、1610cm-1、1216cm-1和1062cm-1處顯示出明顯的特征吸收峰,分別對應于-OH、-C=O、-C=C、-O=O和-CO鍵的伸縮振動[32].可以觀察到,這些峰在rGO@nZVI的光譜中大幅度減弱甚至消失,推測在nZVI的制備過程中GO中的含氧官能團被有效地還原,也可能發(fā)生了金屬配位作用,例如-C=O和-CO參與了金屬鍵合[33].此外,與GO相比, rGO@nZVI在621cm-1附近的特征峰主要歸因于-FeO的伸縮振動[32].說明GO與nZVI的結合主要通過Fe-O鍵來完成[34].說明在rGO@nZVI-BC的圖譜上可以看到GO和nZVI的特征吸收峰,這些結果表明rGO@nZVI已成功加載到BC上.

表2 土壤,GO,rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC的表面積和孔隙度

2.1.4 比表面積及孔容孔徑分析 由表2可知, GO、rGO@nZVI和rGO@nZVI-BC的比表面積大于土壤的比表面積,rGO@nZVI-BC的比表面積最大,為648.940m2/g.此外,由于鏈狀聚集體nZVI沉積在GO表面,rGO@nZVI的比表面積增加了1.17倍.rGO@nZVI的總孔容略低,這是由于負載在rGO表面的nZVI阻塞了微孔,微孔體積與GO相比減少了44.78%[35].在負載到BC上時,與rGO@nZVI相比,微孔體積增加了7.76倍.同時,由于rGO@nZVI的負載,rGO@nZVI-BC的孔徑增加了0.955nm.rGO@nZVI- BC的形態(tài)發(fā)生了變化,呈現(xiàn)出具有大孔徑的蓬松材料[36].

圖5 rGO@nZVI-BC和BC的交流阻抗譜

(a)全光譜rGO@nZVI-BC;(b)rGO@nZVI-BC的鐵的Fe2p譜圖;(c)rGO@nZVI-BC的C1s譜圖;(d)rGO@nZVI-BC的O1s譜圖

2.1.5 電化學交流阻抗分析 rGO@nZVI-BC和BC的電化學交流阻抗分析表明rGO@nZVI-BC功能材料具有良好的電化學性能,如圖5所示.根據(jù)擬合, rGO@nZVI-BC和BC的電荷傳遞電阻分別為0.709和4.740Ω.在低頻率區(qū)域范圍內(nèi),交流阻抗譜越接近90°,說明電化學性能越接近理想.對比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn),rGO@nZVI-BC的曲線在低頻區(qū)最接近垂直,表明電解質(zhì)離子可以最快地與rGO@nZVI-BC材料充分接觸,展現(xiàn)了其良好的電子傳遞效能.

2.1.6 元素的定性定量及固體表面分析 XPS分析用于表征rGO@nZVI-BC表面的元素組成和鐵、氧和碳的價態(tài),如圖6所示.rGO@nZVI-BC的表面元素是鐵、碳和氧(圖6a).由C(1S)分峰圖(圖6c)看出,結合能在284.7,285.8和289.1eV分別對應C-C、C-O、和O-C=O.由O(1S)分峰圖(圖6d)看出,結合能在531.0,532.5和533.4eV分別對應O2-、OH-和H2O.由Fe(2p)分峰圖(圖6b)看出,結合能在706.7、711.2和713.1eV分別對應nZVI、Fe2+、和Fe3+[37-38].因此,結果證明了nZVI的存在及其外層被氧化為不同的氧化態(tài),這與XRD的結果一致.而且,BC中GO的存在已被證明有助于阻止鐵被氧化成更多的氧化物.XPS結果表明rGO@nZVI成功負載,形成穩(wěn)定的生物炭復合材料.

2.2 rGO@nZVI-BC修飾的PRB對TRA的強化去除效能及機制

2.2.1 rGO@nZVI-BC修飾的PRB對TRA去除效能研究 隨著時間的延長,TRA的出水濃度逐漸增加,穿透過程呈“S”型曲線,如圖7所示.在整個穿透過程中,rGO@nZVI-BC表現(xiàn)出比土壤更強的去除能力.rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中污染物的高去除效果不僅是由于吸附容量的增加(rGO@nZVI-BC對TRA的飽和吸附容量為46.816μg/g,而土壤則僅為0.628μg/g,rGO@nZVI-BC的飽和吸附容量比土壤系統(tǒng)高74.55倍.rGO@nZVI-BC材料具有較大的比表面積和表面吸附活性點位.GO含有大量含氧官能團,使其富含高負電荷密度,增強了層間靜電排斥效應從而降低了因范德華力吸引導致的層間團聚,因此可為nZVI顆粒提供穩(wěn)定的位點,以防止其氧化和聚集,而且其巨大的表面積增強了對污染物的吸附能力[39].與此同時,BC的加入不僅增強其吸附性能,而且也增加了其穩(wěn)定程度),還歸因于促進生物降解和電子轉移效率的微生物豐度和多樣性的增加[40]. rGO@nZVI-BC系統(tǒng)的穿透一半吸附材料所需要的時間(τ)高于土壤系統(tǒng),同時土壤系統(tǒng)也較早達到飽和,這可以從改進Yoon-Nelson穿透模型中獲得,如表3所示.與土壤系統(tǒng)相比,rGO@nZVI-BC吸附速率常數(shù)和生物降解速率常數(shù)均高于土壤系統(tǒng),從改進Yoon-Nelson模型看出,土壤系統(tǒng)的k1和k2分別為0.233和0.029d?1,rGO@nZVI-BC系統(tǒng)的k1和k2分別為0.485和0.035d?1.吸附率和生物降解率分別提高了2.08倍和1.21倍.其中rGO@nZVI-BC滅菌實驗組的吸附速率為0.362d?1,且反應器運行100d時出水濃度已接近進水濃度,證明完全穿透,也從側面證明了rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中的生物降解作用.因此,Yoon-Nelson模型適用于柱試驗中污染物突破曲線的模擬和預測.rGO@nZVI-BC與土壤相比,對地下水中的TRA具有更加長期穩(wěn)定的去除效果,同時也利于強化土壤修復能力[41].為了確定rGO@nZVI-BC體系中電子傳輸?shù)幕钚?在以下實驗中研究了脫氟作用和鐵氧化反應.

圖7 rGO@nZVI-BC修飾的PRB去除TRA的穿透曲線

表3 改進Yoon-Nelson穿透模型模擬參數(shù)

2.2.2 rGO@nZVI-BC修飾的PRB對TRA脫氟效能研究 在rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中,氟離子的濃度隨著反應時間的增加而增加.這清楚地表明nZVI增強了TRA的還原脫氟作用,如圖8所示.還原脫鹵作用是TRA降解的重要代謝途徑[42].在此過程中,nZVI氧化為生物還原脫鹵提供了所需的電子供體.氟離子的濃度增加到0.78 μg/L,從而占總TRA脫氟的87.06%.總鐵濃度逐漸達到3.21mg/L,后鐵離子濃度下降,當運行到100d時,鐵離子濃度下降到1.23mg/L.表明此時nZVI已消耗殆盡.溶解鐵的量與nZVI的氧化強度密切相關,它代表了rGO@nZVI- BC和微生物之間的電子轉移強度[22].足夠的供電子底物的存在是增強TRA還原脫氟的關鍵因素.因此,nZVI是一種將TRA進行高效降解的還原劑[38].雖然生物降解是TRA去除的主要機制,但吸附和生物降解這兩種機制對TRA去除的貢獻需要進一步研究.

圖8 PRB系統(tǒng)中鐵的氧化和TRA的脫氟作用

2.2.3 rGO@nZVI-BC修飾的PRB對TRA去除的歸趨貢獻分析 測定土壤中TRA濃度,可以看出吸附和生物降解作用作為TRA去除的貢獻機制,在反應初期,吸附作用為主要的去除作用,如圖9所示.

在以rGO@nZVI-BC為填料的PRB反應墻的情況下,吸附作用占主導,占比76.12%左右.而同一時期的土壤系統(tǒng)則已發(fā)生了滲漏,吸附作用僅為37.12%.這些結果與TRA的穿透曲線動力學的分析一致,吸附發(fā)生在早期而生物降解在后期發(fā)揮了重要作用,因為生物降解逐漸取代吸附成為主要貢獻機制,吸附能力趨于迅速飽和.環(huán)境中多環(huán)有機化合物如PAHs、EDCs和PCBs的長期去除機制是生物降解[43].此外,rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中的nZVI為TRA還原提供了電子供體,尤其是氟的去除[36,44].為了分析增強的脫氟作用與nZVI之間的關系,我們提出了主要的代謝途徑,并在后續(xù)的實驗中分析了微生物群落結構的演變.

圖9 rGO@nZVI-BC去除TRA過程中的貢獻解析占比

2.2.4 TRA代謝途徑解析 TRA微生物代謝產(chǎn)物是根據(jù)源自母體化合物的元素組成、質(zhì)荷比、生化反應途徑分析確定的.

基于本研究中出現(xiàn)的代謝產(chǎn)物,推測了三種主要的TRA生物降解途徑,即脫氟作用、脫羥基作用和氧化側鏈降解作用,如圖9所示.主要的降解途徑為還原脫氟(途徑Ⅰ),從C9的環(huán)B開始氫化,接受兩個電子形成一種還原性脫氟低毒代謝產(chǎn)物2 (C21H28O6,/=376. 19;(8S, 10R, 11S, 13S, 14S, 16R, 17S)-11, 16,17-trihydroxy-17-(2-hydroxyacetyl)-10, 13-dimethyl-6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17-dodecahydro-3H-cyclopenta[a]phenanthren-3-one).后C17之間的碳鏈斷開以至D環(huán)上的支鏈斷裂,生成三羥基酮,代謝產(chǎn)物3(C19H26O4,/=318.18;(8S, 10R, 11S, 13S, 14S, 16R, 17S)-11, 16, 17- trihydroxy-10, 13-dime-thyl-6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17-dodecahydro-3H-cyclopenta[a] phenanthren-3-one).代謝物3進一步脫羥基生成羥基酮,代謝產(chǎn)物10(C19H26O2,/=286. 19,8S, 10R, 11S, 13S, 14S)-11-hydroxy-10, 13-dimethyl-6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17-dodecah-ydro-3H- cyclopenta[a] phenanthren-3-one),此反應類似于雌二醇的生物降解機制[45].第二個代謝途徑(途徑II)主要以脫羥基作用為主.通過C17的D環(huán)脫羥基生成代謝產(chǎn)物4(C21H27FO5,/=378. 18;8S, 9R, 10S, 11S, 13S, 14S, 16R, 17R)-9-fluoro-11, 16-dihydroxy-17- (2-hydroxyacetyl)-10, 13-dimethyl-6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17-dodecahydro-3H-cyclopenta [a]phenanthren-3-one),該反應類似于對四環(huán)素的生物降解[46].后推測通過水解作用生成代謝產(chǎn)物5,后通過脫氟脫羥基作用生成代謝產(chǎn)物10.

圖10 提出的TRA代謝途徑

途徑I分別占rGO@nZVI-BC和土壤系統(tǒng)地下水中TRA衰減的87.10%和20.01%.代謝途徑分析結果表明, rGO@nZVI-BC的加入改善了TRA的還原降解,尤其是還原脫氟作用.氧化分解途徑(途徑Ⅲ)源于D環(huán)C16和C17處羥基的氧化,根據(jù)氧化程度的不同,生成代謝產(chǎn)物6(C19H21FO4, m/z=332. 14; (8S, 9R, 10S, 11S, 13S, 14S)-9-fluoro-11-hydroxy- 10, 13-dimethyl-7, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15- octahydro-3H-cyclopenta [a] phenanthrene-3, 16, 17(6H, 10H)- trione)跟代謝產(chǎn)物7(C19H23FO4,m/ z=334. 16;(8S, 9R, 10S, 11S, 13S, 14S)-9-fluoro-11, 16-dihydroxy-10, 13-dimethyl-7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16- decahydro-3H-cyclopenta[a] phenan- threne-3, 17 (6H)-dione).代謝產(chǎn)物6和代謝產(chǎn)物7進一步發(fā)生羥基化、氫化和脫氟作用形成代謝產(chǎn)物10.代謝產(chǎn)物10通過苯環(huán)加成和A,C和D環(huán)開環(huán)進一步降解,生成代謝產(chǎn)物11(C16H30O4,/=286.21; 2-hydroxy-3-((S)-1-hydroxybutyl)-4-propylcyclohexylpropionate).隨后代謝產(chǎn)物11的側鏈在環(huán)B的C8和C9位置發(fā)生斷裂,生成cyclohexane-1, 2-diol(代謝產(chǎn)物12, C6H12O2,/=116.08).代謝產(chǎn)物12進一步氧化開環(huán)形成6-hydroxyhexanoic acid(代謝產(chǎn)物13,C6H12O3,/=132.08).功能微生物群落結構和多樣性在TRA生物降解過程中發(fā)揮了重要作用[19].為了分析微生物的去除代謝與rGO@nZVI-BC促進作用之間的關系,在以下實驗中分析了微生物群落的演變.

2.3 強化微生物對TRA的去除效能研究

2.3.1 微生物多樣性和豐富度的變化 培養(yǎng)30d和60d后,收集兩個反應器中的微生物樣品進行分析.在V4～V5區(qū)域,從5個PRB反應介質(zhì)層土壤樣本中檢索到16Sr RNA基因序列,序列范圍為29676到33894.這些序列進一步聚類為1888～2223個OUT,如表3所示.在所有樣本中,OTU隸屬于36門105綱557屬的已知細菌.由于添加了TRA,各個體系的微生物群落豐富度和多樣性較對照CK有所下降.這樣的結果也證明了TRA的內(nèi)分泌干擾特性會對天然土壤中的微生物多樣性和豐度產(chǎn)生負面影響.進一步對添加了rGO@nZVI-BC的微生物多樣性和豐富度分析表明,與土壤體系相比,Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)分別增加了約1.08～1.11倍和1.14～1.16倍,同時對比30d和60d的樣本,微生物多樣性隨著生物降解反應時間的增加而增加,這也說明了微生物群落多樣性和豐度有隨時間恢復的趨勢.

2.3.2 屬水平微生物群落結構的分析 通過分析具有降解復雜有機化合物潛力的10種細菌的屬,可以看出其相對豐度與CK相比有明顯變化,如圖11所示.rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中主要的兩個屬包括和,它們屬于,具有降解糖皮質(zhì)激素和內(nèi)分泌干擾的化學物質(zhì)[47-48].在培養(yǎng)了60d后,其相對豐度與CK對比分別增加了30.56倍(0.55%～16.87%)和5.12倍(2.21%～11.32%)且與TRA的脫氟率成正相關(=0.97,=0.95;<0.05).是受污染土壤中多環(huán)芳烴的生物降解劑,可能有助于去除TRA[49].會生物降解有毒有機化合物,如多環(huán)芳烴和EDCs[49].因此,被認為是TRA降解的促成因素之一.經(jīng)過30d和60d的馴化,相對豐度為7.37-10.21%的成為rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中第三大優(yōu)勢屬.研究表明對重金屬和有機質(zhì)污染具有較強的抗性,是一種潛在的土壤生物修復細菌[50].第四豐富的屬,即,屬于微桿菌科.該菌屬以多環(huán)有機化合物(如五溴二苯醚或氫化可的松)作為碳源參與還原脫鹵[51].連續(xù)運行60d后, rGO@nZVI-BC的相對豐度比CK高9.76倍(1.57%～ 15.35%).的相對豐度與TRA脫氟率呈正相關(=0.92,<0.05).在rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中,和屬于.與CK相比,其相對豐度分別增大了5.99倍(0.86%～5.12%)和74.70倍(0.15%～ 11.5%).作為土壤中常見的菌屬,常作為復雜有機污染物的降解聚生體[52].同時也有助于去除多環(huán)和鹵素有機物,如呋喃有機化合物、六氯環(huán)己烷和氯化聯(lián)苯[48].屬含有一個加氧酶編碼基因,該基因與TRA脫鹵后的有效氧化和開環(huán)有關. rGO@nZVI-BC中第七豐富的屬,的相對豐度在連續(xù)運行60d后,比CK高2.58倍(1.82%～ 4.69%).因為它可以生物降解芳香族化合物[53-54]. Pseudomonas的相對豐度與rGO@nZVI-BC系統(tǒng)的脫氟率呈正相關(=0.98;<0.05).屬于Burkholderiaceae的兩個屬,即Hydrogenophaga和Paraburkholderia,可以降解TRA[55-56].連續(xù)運行60d后,與還原性脫鹵降解率呈正相關(=0.93,=0.98;<0.05).經(jīng)過30d和60d的馴化,rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中相對豐度為1.28～2.41%的Hyphomicrobium成為第十優(yōu)勢屬.Hyphomicrobium是一種對二甲基亞砜和多環(huán)芳烴有良好降解效果的菌屬,其豐度與TRA脫氟率呈正相關[57](=0.98;<0.05).一般來說,微生物向具有降解或電子轉化功能的群落的進化及其協(xié)同作用有助于有效去除TRA.

表3 rGO@nZVI-BC修飾的PRB系統(tǒng)中細菌種群多樣性指數(shù)

圖11 rGO@nZVI-BC修飾的PRB系統(tǒng)在屬水平上的微生物群落結構

3 結論

3.1 制備的rGO@nZVI-BC材料具有核-殼結構和較高的比表面積特性,同時以rGO@nZVI-BC修飾的PRB可以有效強化TRA的固定和生物降解.

3.2 rGO@nZVI-BC功能材料的核殼結構不僅提高了吸附容量,而且提供了生物降解所需要的電子,從而促進了TRA的還原脫氟效能.與土壤系統(tǒng)相比,生物降解作用提高了約1.21倍.

3.3 在rGO@nZVI-BC系統(tǒng)中,微生物群落演化為具有還原脫鹵、水解和氧化降解功能的微生物,從而來強化微生物對TRA的去除效能研究.

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Enhancement of glucocorticoid reduction transformation by PRB modified with rGO@nZVI-BC.

SUN Bo-yu1, HAN Dong-mei2, MA Wei-fang1*

(1.School of Environmental Science and Engineering, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；2.Beijing Energy Conservation and Environmental Protection Center, Beijing 101160, China)., 2022,42(7)：3212～3223

In order to synthesize an environmentally useful material, rGO@nZVI-BC, and to design a permeable reactive barrier (PRB) employing this material for the effective removal of fluorinated glucocorticoids (FGCs) from groundwater. The results indicated that the inhibitory process could be represented using an improved Yoon-Nelson model, with adsorption and biodegradation rate constants of 0.485 and 0.035d-1, 0.233 and 0.029d-1, respectively, in rGO@nZVI-BC and soil systems. The primary mechanism for increasing the efficacy of the process is by strengthening the adsorption and biodegradation activities. At the first stage of operation, adsorption was found to be the dominant mechanism, accounting for approximately 76.12% of the total removal. The mechanism of bioaugmentation is that nZVI acts as an electron donor for the reduction of GCs, thus, enhancing the defluorination reduction function. This component contributed to approximately 87.06% of the total, which is accompanied by dehydroxylation, oxidative side chain degradation, and ring-opening degradation. Additionally, the increased relative abundance of the functional bacteria belonging to the reductive dehalogenation taxa (,, and) indicated the efficiency of rGO@nZVI-BC. This research provides a practical strategy for preventing and controlling the contamination of groundwater.

permeable reactive barrier；groundwater；fluoroglucocorticoid；reductive degradation

X703,X523

A

1000-6923(2022)07-3212-12

孫博宇(1997-),男,河北衡水人,北京林業(yè)大學碩士研究生,主要從事PRB介質(zhì)材料研究.

2021-12-27

國家自然科學基金資助項目(51678052)

* 責任作者, 教授, mpeggy@163.com