環境水體微囊藻毒素的光催化降解途徑與機制研究

王逸飛， 倪利曉，2， 岳菲菲， 劉烜瑜， 王 娜， 陳旭清， 張建華

（1．河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；2．河海大學 淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；3．無錫市藍藻治理辦公室，江蘇 無錫 214071； 4．江蘇省水利廳水資源處，江蘇 南京 210029）

0 引言

近年來， 隨著人類對環境資源的開發利用以及工業的集中發展， 我國75%左右的湖泊都出現了富營養化現象[1]，藍藻水華頻繁發生，嚴重時水面會形成厚厚的藍綠色湖靛。 產毒有害藍藻生物量逐年增加，藻細胞產生并釋放多種藻毒素進入水體，給人類的生產、生活帶來了嚴重的危害。 目前有超過90 種微囊藻毒素（MC-LR）變體，其中MC-LR 被公認為毒性最高的變體，世界衛生組織將飲用水中MC-LR的暫定準則值定為1．0 μg/L[2]。 在過去的幾十年中，已經研究了許多去除MC-LR 的方法， 半導體光催化氧化由于其高氧化活性和環境友好性而引起了極大的關注。

鎢酸鉍（Bi2WO6）作為一種新型的可見光催化劑，因其在鉍系氧化物中具有最好的光催化活性而被廣泛研究[3]。 但純Bi2WO6的可見光響應范圍僅為460 nm， 其光生電子-空穴對的高度復合也限制了其光催化活性。為了提高光催化性能，滿足環境應用的要求，人們開發了多種改性方法。通過金屬氧化物修飾Bi2WO6是提高光催化性能的有效手段。 單組分光催化劑的缺點可以通過合成復合組分的多相光催化劑來消除，并具有單組分光催化劑的優點[4]。 異質結構之間的不同帶隙電位可導致界面上不可逆的電荷載流子分離和轉移，從而減少復合過程，提高光催化活性。 在課題組之前的研究中發現[5]，通過水熱法制備的Fe2O3/Bi2WO6復合光催化劑， 在可見光條件下能有效降解MC-LR， 且降解過程受到溶液pH 值、催化劑投加量以及MC-LR 初始濃度的影響， 通過調節影響因素至合適值可以提高光催化降解效果。 在降解機理方面， 半導體光催化的過程中會產生電子和空穴（h+），在光催化劑降解有機物反應中，空穴將OH-和H2O 氧化生成強氧化性的·OH[6]，同時催化劑表面的O2是光生電子的俘獲劑，俘獲電子后生成超氧自由基（·O2-），然后通過一系列反應生成·OH 和H2O2。一般來說，·OH 是光催化降解有機物的主要活性物質[7]，另外·O2-和h+也具有較強氧化性，可能會參與氧化有機物。

本研究在不添加任何表面活性劑的情況下，采用水熱法合成了具有花狀微球結構的Fe2O3/Bi2WO6復合材料。 利用自由基捕獲實驗研究了h+和·OH 等活性氧的種類。降解產物的檢測采用高效液相色譜-電噴霧離子源-質譜聯用技術(HPLC-ESI-MS)。分析了主要中間體的結構，提出了可能的降解途徑。

1 材料與方法

1．1 試劑和儀器

五水合硝酸鉍（Bi(NO3)3·5H2O）、二水合鎢酸鈉（Na2WO4·2H2O）、九水合硝酸鐵（Fe(NO3)3·9H2O）、苯醌（C6H4O2）、碘化鉀（KI）、異丙醇（(CH3)2CHOH）、對苯二甲酸（C8H6O4）、硝酸、氫氧化鈉（國藥，分析純）、色譜級甲醇、乙腈、三氟乙酸（美國Tedia）、MC-LR標樣（純度≥95%，伊普瑞斯科技有限公司）。MC-LR標樣為固體(250 μg)，加入5 mL 色譜級純甲醇稀釋至質量濃度50 mg/L，-20 ℃避光保存待用。

實驗主要儀器和設備包括水熱反應釜、 恒溫水浴鍋、恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風干燥箱、500W 氙燈（GXZ500）；HITACHI F-7000 分子熒光光譜儀;1290 Infinity LC/6460 高效液相質譜聯用儀（ 美國Agilent）。

1．2 催化劑制備

Fe2O3/Bi2WO6的制備：配制1 mol/L Fe(NO3)3·9H2O溶液， 取3 mL 加水至10 mL， 加入10 mL 1mol/L NaOH 攪拌30 min 得到懸浮液。 取9．7 g Bi（NO3）3·5H2O 溶解在30 mL 蒸餾水中，在磁力攪拌下向其中加入3．3 g Na2WO4·2H2O， 攪拌30 min 得到懸浮液。將上述2 種懸浮液混合， 加入2 mL 1mol/L 的HNO3，攪拌15 min 后轉移到水熱反應釜中160 ℃密封反應12 h。 自然冷卻至室溫后，將產物離心分離，洗滌并在80 ℃鼓風干燥箱干燥。 制得Fe2O3/Bi2WO6復合光催化劑[8]。

1．3 可見光催化降解MC-LR

可見光光催化實驗裝置自制， 可見光源為型號GXZ500 的氙燈光源。MC-LR 初始質量濃度2 mg/L。5 個分別裝有5 mL MC-LR 溶液的10 mL 離心管放在雙層夾套燒杯中，燒杯兩側開口處通入冷卻水，防止因氙燈照射使反應溶液溫度升高。 一個截止型濾光片（λ ＞420 nm）蓋在夾套燒杯上。 加入質量濃度10 g/L Fe2O3/Bi2WO6粉末置于暗處攪拌30 min 達到吸附平衡。 開啟光源并記時，間隔定時取樣0．5 mL，過0．45 μm 濾膜后定容至1 mL 后通過高效液相色譜測定MC-LR 濃度。 液相色譜條件：Agilent ODS C18 色譜柱250 mm×4．6 mm×5 μm，流動相為各含0．05%三氟乙酸的水和乙腈 （85 ∶15）， 流速1 mL/min,進樣體積20 μL，檢測波長238 nm。作為對比試驗，還考察了在僅有光照或催化劑條件下溶液MCLR 的濃度變化情況。

1．4 Fe2O3/Bi2WO6 的可見光催化機理研究

以異丙醇（Isopropanol，IPA）作為羥基自由基（·OH）的捕獲劑[9]，以碘化鉀（KI）作為·OH 和空穴（h+）的捕獲劑，以苯醌（benzoquinone，BQ）作為超氧自由基（·O2-）的捕獲劑[10]，研究3 種捕獲劑對Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 的影響。 實驗中加入的抑制劑體積為1 mL，濃度為0．1 mol/L。 以不加捕獲劑，其他實驗條件相同的實驗組作為對照組。

·OH 的測定采用分子熒光光譜法。 對苯二甲酸能與·OH 反應生成2-羥基對苯二甲酸[11]，其具有高熒光性，可以作為檢測·OH 的探針分子。 光催化實驗過程除了反應液為對苯二甲酸溶液， 其他實驗過程與降解MC-LR 實驗相同。 反應液由對苯二甲酸溶解在NaOH 溶液配制，濃度為0．5 mmol/L。 光反應開始后分別在0，15，45，60 min 取樣1 mL 離心，過0．22 μm 濾膜，最后用日立F-7000 分子熒光光譜儀在激發波長315 nm 下測定熒光強度。

1．5 Fe2O3/Bi2WO6 對MC-LR 的降解機理研究

反應實驗條件均為催化劑質量濃度10 g/L，MC-LR 初始質量濃度2 mg/L，溶液pH 值為6．5。 實驗研究了Fe2O3/Bi2WO6在可見光條件下對MC-LR的深度氧化特性， 每隔15 min 取樣0．5 mL 過0．45 μm膜后用色譜級乙腈定容至1mL， 通過液相質譜聯用儀 （1290 Infinity LC/6460 QQQMS，Agilent，USA）檢測了Fe2O3/Bi2WO6降解MC-LR 產生的主要中間產物。 HPLC-ESI-MS 分析條件如下：

色譜柱是Agilent ODS C18 250 mm×4．6 mm×5 μm；檢測波長為238 nm；流動相是各含0．05%三氟乙酸的超純水和乙腈按體積比85 ∶15； 柱溫是30 ℃，流速為1 mL/min，進樣量20 μL。 電離源為正離子模式ESI 電離源，電壓4 kV，質荷比（m/z）掃描范圍100 ～1 200。 ESI 護套氣體為30 個單位(1 個單位=15 mL/min)，輔助氣體為4 個單位。 加熱毛細管溫度為300 ℃，毛細管電壓范圍為10 ～30 V。

2 結果與討論

2．1 光催化對比實驗

在pH 值 為6．5， 初始 質 量 濃 度 為2 mg/L 的MC-LR 溶液在不同條件下的降解情況見圖1。 在有可見光照射且無Fe2O3/Bi2WO6催化劑條件下放置60 min 后，MC-LR 濃度幾乎無變化， 說明光照對MC-LR 的影響可以忽略不計。在黑暗且有催化劑條件下MC-LR 溶液濃度降低了約20%， 說明催化劑對MC-LR 有一定的吸附性， 催化劑的吸附性有利于光催化降解。而在既有光又有催化劑條件下，反應60 min 后MC-LR 濃度降低了近80%， 表明在可見光照射下，Fe2O3/Bi2WO6復合光催化劑展現出較強的光催化活性，能有效降解水中的MC-LR。

圖1 不同反應條件下MC-LR 的降解效果

2．2 Fe2O3/Bi2WO6 的可見光催化機理

為了確定Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 過程中的活性物質， 使用異丙醇作為·OH 的捕獲劑，碘化鉀作為h+和·OH 的捕獲劑， 苯醌作為·O2-的捕獲劑，分別加入反應體系中，比較MC-LR 的光催化降解效率。 實驗結果見圖2。 可見加入BQ 后對藻毒素的降解效率幾乎無影響， 說明·O2-不是Fe2O3/Bi2WO6可見光光催化降解MC-LR 的主要活性物質。然而當加入KI 和IPA 后，反應被強烈抑制，說明主要活性物質是·OH 和h+。

圖2 可見光照射下不同抑制劑對Fe2O3/Bi2WO6 光催化降解MC-LR 效率的影響

上述實驗結果表明Fe2O2/Bi2WO6光催化降解MC-LR 過程中可能會產生·OH，但產生·OH 的能力卻不清楚。 利用分子熒光光譜法檢測催化劑表面形成的·OH， 在425 nm 處的熒光強度可歸因于2-羥基對苯二甲酸的特性[12]。 在激發波長為315 nm 時，Fe2O3/Bi2WO6在可見光照射下與對苯二甲酸溶液反應過程中檢測到的熒光強度變化（見圖3）。 從圖3中可以看到，425 nm 處的熒光強度隨時間成比例變化，即與溶液中形成的·OH 量成正比，證實了Fe2O3/Bi2WO6可見光催化會產生·OH。

圖3 可見光照射下對苯二甲酸溶液中Fe2O3/Bi2WO6的·OH 捕獲熒光光譜

2．3 光催化降解MC-LR 中間產物鑒定

微囊藻毒素結構復雜，反應活性位點較多。MCLR（m/z 為995．5）的分子結構示意[13]見圖4。 MC-LR是由7 個氨基酸組成的環狀結構物質， 結構中的不飽和雙鍵以及肽鍵是易被攻擊的活性位點。

圖4 MC-LR 分子結構示意

要探明光催化劑降解MC-LR 的途徑， 首先要弄清楚MC-LR 在降解過程中究竟產生了多少種產物。 通過液相色譜-質譜（HPLC-ESI-MS）聯用技術，根據（M+H）+m/z 數據鑒定產物。 MC-LR 的質譜圖和片段峰的結構推導分別見圖5 和表1。 結合中間產物的質譜圖共鑒定出9 種主要降解產物。 根據不同產物的（M+H）+m/z 數據推斷產物結構，進而推斷可能的降解途徑。

圖5 MC-LR 的質譜

表1 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 過程中檢測到的主要中間產物

2．4 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 的途徑分析

根據光催化降解產生的中間產物結構的鑒定以及·HO 或h+與MC-LR 的反應機理， 提出了以下3種主要降解途徑。

（1）Adda 基團苯環上的羥基化反應

Adda 基團上的苯環是易受·OH 攻擊的位點之一。 由于苯環上電子云密度較大，所以易于被親電物質攻擊發生取代反應。 本實驗檢測到的m/z 為1 011．5 的產物與MC-LR 相對分子量（m/z 為995．5）相差16，可能為MC-LR 分子中Adda 基團苯環的羥基取代產物。 首先·OH 與Adda 基團苯環結合，形成碳正離子中間體，然后與溶液中的氧快速反應，形成過氧自由基（ROO·），最后通過脫去ROO·，生成羥基取代物[14]。 與苯環相連的烷基可以提供電子，對苯環上的正電荷有分散作用， 所以碳正離子中間體相對苯環比較穩定[15]，使取代反應容易發生。 第一次苯環羥基化反應后， 第二次苯環羥基化反應生成m/z 為1 027．5 中間體。 羥基取代可以發生在鄰位、對位和間位，這3 個位置中哪一個更容易發生親電取代是由連接在苯環上的Adda 氨基酸的剩余部分決定的。 m/z為1 027．5 的檢測證實了上述推測，因為單羥基取代反應增加了苯環的電子密度， 使親電反應（如·OH攻擊）進行得更快。

（2）Adda 基團共軛雙鍵的羥基化反應

Adda 基團上的共軛雙鍵是另一個易被·OH 攻擊的位點[16]。 實驗檢測到m/z 為835．2 的產物，結合已有文獻[17]和HPLC-ESI-MS 分析測定的反應中間體m/z 為759．2，743．3，274．3 產物， 推測其為Adda基團側鏈C6 與C7 之間雙鍵被羥基取代而生成的酮類衍生物。 首先·OH 攻擊Adda 側鏈的C6 ～C7 雙鍵并取代C7 的氫，形成不穩定的烯醇MC-LR（m/z 為1 011．5），且C4 ～C5 雙鍵保留在MC-LR 基質中。烯醇MC-LR 迅速異構化為更穩定的酮MC-LR 互變異構體[14]，C6 ～C7 鍵被氧化導致斷裂，轉化為酮衍生物（m/z 為835．2）。 羥基進攻共軛雙鍵形成的產物m/z 為835．2 進一步降解有2 種途徑：一種是共軛雙鍵斷裂，剩余部分產物繼續降解，另一種途徑是發生在Mdha 氨基酸上， 在本實驗中根據質譜分析檢測的產物推斷降解途徑是第二種。 中間產物在Mdha不飽和鍵上進一步氧化， 生成醛類物質 （m/z 為851．3），之后Mdha 鍵被除去。此外，Adda 鏈C4 ～C5雙鍵進一步受到·OH 的攻擊， 斷裂形成m/z 為743．3。 在光催化條件下，m/z 為743．3 通過醛的氧化步驟向m/z 為759．2 轉化，生成羧酸；或Arg 氨基酸和Adda 之間的肽鍵斷裂生成產物m/z 為274．3。

（3）MC-LR 環狀結構內部反應

由于MC-LR 環狀結構存在不飽和雙鍵和游離羧基團， 在強氧化環境中可能會脫去H2O，NH3，CO2等分子而形成鏈狀結構[18]。 通過質譜分析，檢測到的m/z 為877．4 和681．4 可能是環狀結構內 部發生反應和Adda 側鏈共軛雙鍵被雙羥基取代形成的中間產物。 如前所述， 羥基加成可能發生在C4 ～C5 或C6 ～C7 之間。以這種方式，·OH 攻擊C6 ～C7 雙鍵，發生加成反應， 接著Arg 氨基酸脫去NH3形成產物m/z為1 011．5。 中間體m/z 為1 011．5 結構不穩定，導致D-MeAsp 氨基酸和L-Leu 氨基酸之間的肽鍵斷裂，環狀結構被打開。 同時被羥基化的Adda 基團在C9處發生斷裂脫去苯環， 從而形成中間產物m/z 為877．4。而后L-Leu 氨基酸和D-Ala 氨基酸之間的肽鍵發生斷裂，Leu 被除去，得到764．2 產物離子。接著D-Ala 氨基酸和D-MeAsp 氨基酸生成肽鍵重新組成環狀結構， 這樣導致Mdha 氨基酸和D-Ala 氨基酸之間的肽鍵斷裂，使Mdha 氨基酸分離，生成鏈狀結構的MC-LR 衍生物m/z 為681．5[19]。

3 結論

（1）可見光照射下，復合催化劑Fe2O3/Bi2WO6在降解MC-LR 方面展現出較強的光催化活性。

（2）通過氧化物種捕獲試驗以及對·OH 的測定分析了Fe2O3/Bi2WO6可見光催化過程中的主要活性物質是·OH 和h+。

（3）通過HPLC-ESI-MS 測定了降解過程中的中間產物， 提出了MC-LR 降解的可能途徑：Fe2O3/Bi2WO6可見光催化降解MC-LR 過程涉及到MCLR 分子中Adda 基團上的苯環羥基化反應，Adda 基團側鏈共軛雙鍵的羥基化反應以及環狀結構內部氨基酸的脫氨、肽鍵斷裂重組反應。