錳礦石人工濕地中去除雙氯芬酸的機理研究

翟 俊,戴元貴,馬宏璞,李媛媛,翟豪沖

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錳礦石人工濕地中去除雙氯芬酸的機理研究

翟 俊*,戴元貴,馬宏璞,李媛媛,翟豪沖

(重慶大學(xué),三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400045)

以雙氯芬酸為目標(biāo)有機藥物污染物,探究其在以錳礦石為填料并接種了異化金屬還原菌(,簡稱GS-15細菌)的垂直流人工濕地中的去除過程.結(jié)果表明,雙氯芬酸在錳礦石人工濕地中的平均去除率最高為23.56%.采用XRD和XRF對反應(yīng)前后的錳礦石進行物相和元素相對含量分析,得出錳(Mn)是參與降解雙氯芬酸的關(guān)鍵響應(yīng)元素.GS-15細菌利用錳礦石發(fā)生異化還原對雙氯芬酸的氧化降解是錳礦石人工濕地對雙氯芬酸的主要去除途徑.此外,利用液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)(LC-MS/MS)對降解產(chǎn)物進行鑒定,發(fā)現(xiàn)雙氯芬酸被降解生成了5-羥基雙氯芬酸?雙氯芬酸-2,5-亞氨基琨和1,3-二氯苯三種降解產(chǎn)物,該研究成果對有機藥物廢水的深度處理提供新的方法和理論指導(dǎo).

錳礦石；人工濕地；雙氯芬酸；異化金屬還原

新興有機污染物如雙氯芬酸等在水環(huán)境中普遍存在,雖然其濃度一般較低,但由于大部分有機藥物都具有難降解?難處理的特點,以至于其長期存在于水環(huán)境中,會給環(huán)境中的生物帶來潛在的?慢性的毒性影響[1].人工濕地作為生態(tài)友好型污水處理新技術(shù),具有穩(wěn)定?長期?有效去除污染物等特點[2],目前,研究者發(fā)現(xiàn)人工濕地系統(tǒng)在處理新興有機污染物方面也具有一定的潛能,但其作用機理尚不明晰[3-4].由于人工濕地多處于厭氧或缺氧環(huán)境,人工濕地中新興污染物的厭氧微生物降解成為消減新興污染物的關(guān)鍵過程.異化金屬還原過程是指異化金屬還原微生物在厭氧條件下以高價金屬氧化物作為電子受體化有機物的過程[5].金屬元素(錳、鐵等)在地殼中的豐度較高,使得異化金屬還原廣泛存在于厭氧有機物的降解過程[6].因此,細菌和金屬氧化物的相互作用成為了地球化學(xué)領(lǐng)域的重要研究領(lǐng)域.

近年來,研究者在對異化還原菌研究中發(fā)現(xiàn),異化金屬還原過程對復(fù)雜有機物的降解有較好的作用.Ivanov等[7]利用富集培養(yǎng)的兼性厭氧鐵還原菌對污水中雌激素的去除效果進行研究,報道了對有機物雌二醇的去除率達92%.但此類研究多集中于實驗室單一菌種批次實驗,對新興污染物的去除機理以及高價鐵錳氧化和微生物降解的貢獻還鮮有研究.由此,在厭氧環(huán)境中通過人工投加錳礦物作為電子受體,探究結(jié)合異化金屬還原反應(yīng)降解有機藥物的過程,分析有機藥物在高價金屬氧化物存在條件下對有機藥物的去除機理,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值.

選取雙氯芬酸為目標(biāo)污染物,以天然錳礦石作為人工濕地填料,將異化金屬還原菌(GS-15細菌)與人工濕地處理技術(shù)相結(jié)合,通過設(shè)置3組不同(錳礦石組?錳礦石加MnO2組和錳礦石加GS-15細菌組)的實驗,探究其在垂直流人工濕地中的去除行為,以期為新興污染物廢水的深度處理提供新的方法和理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

主要試劑:雙氯芬酸(純度>98.0%,色譜純)和細菌(簡稱GS-15細菌)分別購自日本梯希愛公司和美國ACTT公司.

主要儀器:高效液相色譜儀(High Performance Liquid Chromatography,型號:Agilent 1260,安捷倫科技有限公司)、質(zhì)譜儀(Mass Spectrograph,型號: Agilent 6410B MS QQQ,安捷倫科技有限公司).

表1 目標(biāo)化合物的理化性質(zhì)

1.2 裝置設(shè)計

實驗裝置由有機玻璃制成的3套圓柱狀垂直流人工濕地模擬系統(tǒng)組成(圖1,直徑150mm,高1000mm),水流為向上流,采用連續(xù)運行模式.該3套圓柱狀垂直流人工濕地裝置均填充天然錳礦石(粒徑為6~10mm,MnO2含量約為11.26%),并且共用一個總?cè)莘e約60L的進水箱.氮氣罐和濕地裝置與進水箱之間均采用硅膠管連接.在恒溫實驗室內(nèi)運行該實驗裝置.使用黑色牛皮紙包裹裝置,以防止光照對目標(biāo)物質(zhì)的降解[8].同時在垂直流人工濕地系統(tǒng)的填料區(qū)域內(nèi)設(shè)置四個取樣口(直徑10mm,間距160mm),用于探究目標(biāo)污染物的沿程去除效果.

圖1 實驗裝置示意

1.3 裝置運行與采樣分析方法

實驗選取適應(yīng)性強的風(fēng)車草(, CA)作為濕地植物.用人工配制的生活污水進行連續(xù)培養(yǎng),每次配制含目標(biāo)污染物濃度約0.50mg/L的進水.通過曝氮氣嚴(yán)格控制進水箱為厭氧環(huán)境,采用3臺蠕動泵調(diào)節(jié)進水流量.在3個不同水平條件下,同時探究錳礦石人工濕地分別對目標(biāo)污染物的去除效果,每組穩(wěn)定運行2個月,每6d測定一組數(shù)據(jù).

填料中目標(biāo)污染物吸附量的測定: ①從錳礦石人工濕地系統(tǒng)中取出全部填料,混合勻稱,暗處晾干稱重; ②分別取3份等量的錳礦石,分別置于250mL的錐形瓶中,每一個錐形瓶中加入一定量的甲醇,并恰好浸沒礦石,在超聲波清洗儀里超聲1h后,置于200r/min的空氣恒溫振蕩器中振蕩24h; ③將上述溶液轉(zhuǎn)移?濃縮至近干,再用甲醇定容至5mL,高效液相色譜測定.

植物中目標(biāo)污染物吸收量的測定: ①從錳礦石人工濕地系統(tǒng)中取出全部植物,并暗處晾干,然后將根莖葉分別剪開稱重; ②用一定量的甲醇分三次對濕地植物根組織進行洗脫,每一次洗脫2h; ③將洗脫后的溶液進行濃縮,再用甲醇定容至5mL,高效液相色譜測定; ④將植物的根莖葉組織分別剪碎,再分別從中隨機取出20g,搗碎研磨后,轉(zhuǎn)移至250mL的錐形瓶中,加入200mL甲醇,置于200r/min的空氣恒溫振蕩器中振蕩24h, ⑤然后以2000r/min的速度離心15min,利用0.22μm的有機濾膜過濾上清液,濾液濃縮至近干后用甲醇定容至5mL,高效液相色譜測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 錳礦石人工濕地對雙氯芬酸的去除效果

3個實驗組中,雙氯芬酸在錳礦石人工濕地中的去除效果如圖2所示.結(jié)果表明,雙氯芬酸在錳礦石人工濕地中的平均去除率最高為23.56%.針對三個不同水平條件下雙氯芬酸的去除效果進行F檢驗發(fā)現(xiàn),錳礦石組(平均去除率11.35%)和錳礦石加MnO2組(平均去除率10.63%)對雙氯芬酸的去除均無顯著性影響(>0.05),而錳礦石組和錳礦石加MnO2組對雙氯芬酸的去除效果均極顯著地小于錳礦石加GS-15細菌組(平均去除率23.56%)對雙氯芬酸的去除效果(<0.01).

圖2 錳礦石人工濕地對雙氯芬酸去除率隨時間的變化

2.2 錳礦石人工濕地不同深度對雙氯芬酸的去除效果

圖3 二價錳離子濃度變化及其錳礦石人工濕地對雙氯芬酸去除率的沿程變化

錳礦石人工濕地的二價錳離子變化及其雙氯芬酸去除率的豎向沿程變化如圖3所示.由于在錳礦石加GS-15細菌組中人工濕地系統(tǒng)的填料區(qū)域260mm位置處加入了異化金屬還原GS-15菌,該部位對雙氯芬酸的去除率顯著增高,相對應(yīng)的該部位的二價錳離子濃度也是整個錳礦濕地最高的,而其他深度區(qū)間對雙氯芬酸的去除率和錳離子的濃度變化均無顯著性差異(>0.05).由此,異化金屬還原菌加入能顯著提高雙氯芬酸的去除效率.

2.3 錳礦石人工濕地對雙氯芬酸去除機理

2.3.1 濕地反應(yīng)前后錳礦石特性表征分析 對反應(yīng)前后錳礦石的成分進行XRD分析(圖4),發(fā)現(xiàn)錳礦石成分中主要由鈣硬錳礦和鈣錳輝石組成.但由于反應(yīng)過程當(dāng)中錳礦石參與反應(yīng)的量相對較少,通過對比錳礦石反應(yīng)前后的物相變化,發(fā)現(xiàn)二者之間沒有顯著差異.而Liu等[9]認(rèn)為納米級的錳礦石具有非常大的比表面積,可以有效去除有機藥物.從XRF圖(圖5)中可以看出,錳礦石中共含有11種金屬元素和3種非金屬元素.分析比較錳礦石反應(yīng)前后元素含量的變化,結(jié)果表明,錳(Mn)在礦石中的金屬元素含量最高,并且反應(yīng)前后的相對減小量約7.27%.在厭氧環(huán)境反應(yīng)體系中,Mn(IV)被還原成Mn(II),所以Mn是參與降解雙氯芬酸的關(guān)鍵響應(yīng)元素.

圖4 反應(yīng)前后錳礦石XRD的測試結(jié)果

2.3.2 錳礦石人工濕地對雙氯芬酸去除作用的分析 錳礦石人工濕地系統(tǒng)對雙氯芬酸的去除過程主要包含錳礦石的直接吸附?植物對雙氯芬酸的吸收截留以及人工濕地系統(tǒng)中錳礦石?植物?細菌協(xié)同降解作用(圖6).其中,植物的吸收及錳礦石的吸附對雙氯芬酸的截留作用均比較小,濕地中大部分雙氯芬酸的去除是由于生物化學(xué)過程降解的(96.08%).而在錳礦石加GS-15細菌組中,84.00%的雙氯芬酸去除是在0~420mm區(qū)域(富含外加GS-15細菌)完成.這也說明植物對雙氯芬酸的降解作用比較小.同時,錳礦石組與錳礦石加MnO2組對雙氯芬酸的去除率均顯著小于錳礦石加GS-15細菌組對雙氯芬酸的去除率(<0.05).Zhang等[10]研究結(jié)果表明生物氧化錳濾池對雙氯芬酸的去除率大于填充天然沸石的濾池,并且該研究進一步闡述了隨著反應(yīng)的進行天然錳礦石中的錳氧化物對雙氯芬酸的氧化降解作用逐漸減弱,原因在于還原性活性位點的飽和.據(jù)此可知,設(shè)置錳礦石加MnO2有助于與錳礦石組形成對比,而在錳礦石加GS-15組,GS-15細菌的加入能顯著提高雙氯芬酸的去除效率.因此,在錳礦石?細菌與植物對雙氯芬酸的協(xié)同降解作用中,GS-15細菌利用錳礦石發(fā)生異化還原的過程對雙氯芬酸的降解起到了主導(dǎo)作用.

圖5 反應(yīng)前后錳礦石XRF的測試結(jié)果

2.3.3 錳礦石人工濕地系統(tǒng)對雙氯芬酸的降解產(chǎn)物分析 對出水中DCF的降解產(chǎn)物通過液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)進行檢測,分析出三種可能的降解產(chǎn)物,其色譜分離時的保留時間分別為r1=9.834min,r2= 10.074min和r3=13.219min,質(zhì)荷比分別為/=312?310和149.Huguet和Forrez等研究學(xué)者報道雙氯芬酸被生物錳氧化物降解生成了質(zhì)荷比為312的5-羥基雙氯芬酸和質(zhì)荷比為310的雙氯芬酸-2,5-亞氨基琨[11,13].同時結(jié)合文獻[11-15],由此推斷雙氯芬酸在錳礦石人工濕地中可能也被氧化降解為5-羥基雙氯芬酸(P1,5OH-DCF)?雙氯芬酸-2,5-亞氨基琨(P2,DCF- 2,5-IQ).對/=149的降解產(chǎn)物P3進行二級質(zhì)譜分析以及通過與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)品的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進行對比可推斷其為1,3-二氯苯.

圖6 錳礦石人工濕地中不同作用對雙氯芬酸去除的貢獻率

表2 雙氯芬酸的降解產(chǎn)物

根據(jù)降解產(chǎn)物的鑒定結(jié)果可推斷出DCF在錳礦石人工濕地內(nèi)可能的氧化降解途徑,如圖7所示.DCF首先通過羥基化生成5OH-DCF,隨后進一步脫氫氧化生成DCF-2,5-IQ.而1,3-二氯苯則可能是由DCF?5OH-DCF或者DCF-2,5-IQ分子上含氯原子一側(cè)苯環(huán)上的C-N鍵斷裂得到.為了驗證1,3-二氯苯的這3種產(chǎn)生途徑是否可行,利用Gaussian軟件對DCF、5OH-DCF和DCF-2,5-IQ分子中的該位置的C-N鍵的鍵參數(shù)進行了計算.計算結(jié)果表明,DCF、5OH-DCF和DCF-2,5-IQ分子上含氯原子一側(cè)苯環(huán)上的C-N鍵的平均鍵長分別為1.38438nm,1.38713nm和1.39280nm.由此可見, DCF-2,5-IQ苯環(huán)上C-N鍵的平均鍵長最長,鍵能最小,最容易發(fā)生斷裂.在此基礎(chǔ)上,利用ABEEMσπ/ MM模型對DCF-2,5-IQ及其降解產(chǎn)物的分子能量進行計算,其優(yōu)化值分別為-47329.711eV, -31328.028eV和-16034.032eV.DCF-2,5-IQ降解生成1,3-二氯苯(1,3-DCB)的反應(yīng)熱等于-32.348eV,反應(yīng)熱小于零,表明該反應(yīng)在一定條件下能夠自發(fā)進行.因此, DCF-2,5-IQ分子中含氯一側(cè)的C-N鍵斷裂產(chǎn)生1,3-二氯苯的途徑是可能的.

圖7 雙氯芬酸的降解途徑

需要注意的是,隨著目標(biāo)污染物雙氯芬酸在錳礦石人工濕地裝置中被氧化降解為其他產(chǎn)物,該系統(tǒng)中有機藥物的生物毒性也會發(fā)生相應(yīng)的變化. Wang等[16]揭示了1,3-二氯苯的生物毒性高于雙氯芬酸.Salaeh等[17]報道了DCF氧化降解生成的5OH-DCF和DCF-2,5-IQ都具有一定的生物毒性.但隨著反應(yīng)的進行,其復(fù)合生物毒性先增加后減小至低于母體化合物.目前錳礦石人工濕地系統(tǒng)對DCF氧化降解的產(chǎn)物能否被體系中過量的Mn(IV)繼續(xù)異化金屬還原尚不清晰.故該研究對進一步評估雙氯芬酸對環(huán)境的潛在生物毒性影響具有重要意義.

3 結(jié)論

3.1 雙氯芬酸在錳礦石加GS-15細菌組(平均去除率23.56%)的去除效果極顯著地大于錳礦石組和錳礦石加MnO2組(平均去除率分別為11.35%和10.63%) (<0.01).

3.2 GS-15細菌利用錳礦石發(fā)生異化還原對雙氯芬酸的氧化降解是錳礦石人工濕地對雙氯芬酸的主要去除途徑.

3.3 結(jié)合反應(yīng)后雙氯芬酸的降解產(chǎn)物,獲得了以錳礦石驅(qū)動的異化金屬還原菌介導(dǎo)下錳礦石人工濕地對雙氯芬酸的降解途徑.

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Mechanisms of diclofenac removal in manganese ore constructed wetland.

ZHAI Jun*, DAI Yuan-gui, MA Hong-pu, LI Yuan-yuan, ZHAI Hao-chong

(Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2018,38(11)：4056~4060

This study investigated diclofenac (DFC) removal in a vertical flow constructed wetland, in which manganese ores were used as substrates, and dissimilatory metal reducing bacteria (GS-15) were added as inoculum. The results indicated that maximum average removal of DFC was 23.56% in this wetland. After analyzing the manganese ores by XRD and XRF before and after the experiments, Mn was identified as the key element participating DFC removal. The main DFC removal pathway in the wetland is the dissimilatory Mn(IV) reduction. In this process, DFC was degraded by GS-15using manganese ores as the electron acceptor. In addition, LC-MS/MS analysis was used to identify the degradation intermediates of DCF. Three intermediates are identified, namely 5-hydroxydiclofenac (5-OH-DCF), diclofenac-2, 5-iminoquinone (DCF-2, 5-IQ), and 1,3-dichlorobenzene (1,3-DCB). The results of this research provide new insight and theoretical guidance on the advanced technologies for pharmaceutical treatment in wastewater.

manganese ores；constructed wetlands；diclofenac；dissimilatory metal reduction

X52

A

1000-6923(2018)11-4056-05

翟 俊(1977-),男,江蘇溧陽人,教授,博士,從事廢水處理理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文50余篇.

2018-04-18

國家自然科學(xué)基金項目(51478062)

* 責(zé)任作者, 教授, zhaijun@cqu.edu.cn