溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)含有發(fā)色基團(tuán)，是重要的天然光敏劑，在紫外輻射或太陽(yáng)光照射下，單線態(tài)(state DOM singlet，1DOM)分子吸收光能先轉(zhuǎn)化為激發(fā)單線態(tài)(excited state DOM singlet，1DOM*)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為激發(fā)三線態(tài)(excited state DOM triplets，3DOM*)，進(jìn)一步與溶解氧分子發(fā)生一系列反應(yīng)，產(chǎn)生活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species，ROS)，如羥基自由基(hydroxyl radical，· OH)、單線態(tài)氧(singlet oxygen，1O2)、超氧化物(superoxide，O2-)等(見(jiàn)反應(yīng)式(1)、(2.這些活性氧物質(zhì)可以誘導(dǎo)有機(jī)污染物光降解，同時(shí)，DOM也會(huì)與目標(biāo)化合物競(jìng)爭(zhēng)光吸收，或猝滅目標(biāo)化合物的激發(fā)態(tài)，DOM對(duì)有機(jī)污染物的光解具有光敏化和光屏蔽雙重作用(Chen et al., 2009;，這與DOM的來(lái)源、組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)密切相關(guān).因此，溶解性有機(jī)質(zhì)在水生生態(tài)系統(tǒng)光化學(xué)中扮演重要角色，可以影響有機(jī)污染物的環(huán)境行為和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).
為了更好地探究DOM對(duì)有機(jī)污染物光降解的影響，研究人員對(duì)DOM光化學(xué)反應(yīng)特征，如機(jī)理、定量關(guān)系等開(kāi)展了大量研究通過(guò)對(duì)自然水體進(jìn)行研究，率先建立了DOM與單線態(tài)氧之間的定量關(guān)系.此后針對(duì)DOM產(chǎn)生ROS的反應(yīng)，用從自然水體、土壤等不同來(lái)源介質(zhì)中提取的腐殖酸、富里酸等不同組分，在太陽(yáng)光及模擬日光等不同光照條件下，進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)光化學(xué)行為等研究此外，溶解性有機(jī)質(zhì)光譜特征與1O2產(chǎn)量之間的關(guān)系的研究也有一定的深入報(bào)道.小分子量的DOM光敏效率較大分子量的高;DOM的光譜特征(如E2:E3(254 nm與365 nm處吸光度的比值)、a300、S300~600(300~600 nm段吸光光譜斜率)等)與單線態(tài)氧產(chǎn)量及量子產(chǎn)率存在一定的相關(guān)性，一定程度上還可運(yùn)用這些關(guān)系對(duì)1O2量子產(chǎn)率進(jìn)行預(yù)測(cè);Coelho et al.(2011)認(rèn)為單線態(tài)氧平衡濃度與DOM的長(zhǎng)波段熒光強(qiáng)度有很強(qiáng)的相關(guān)性，熒光類有機(jī)質(zhì)在產(chǎn)生單線態(tài)氧反應(yīng)中有一定作用.目前，國(guó)外對(duì)光誘導(dǎo)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生單線態(tài)氧的機(jī)制研究較多，而針對(duì)該反應(yīng)影響因素方面的研究較少且缺乏系統(tǒng)性和全面性，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究則更多關(guān)注于有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物光降解的影響.本文將從水環(huán)境和光照條件兩方面，探討pH、溫度、光照強(qiáng)度、以及腐植酸含量等因素對(duì)光誘導(dǎo)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生單線態(tài)氧反應(yīng)的影響.
腐殖酸(humic acid，HA)作為DOM的重要組成部分，廣泛存在于天然水體、土壤、沉積物等介質(zhì)中.本研究利用我們課題組發(fā)明的用于有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生單線態(tài)氧研究的實(shí)驗(yàn)裝置(何偉等，2015)，選用典型溶解性有機(jī)質(zhì)——腐殖酸，在氙燈模擬日光照射下，選取HA濃度、pH、溫度和光照強(qiáng)度等因素，對(duì)腐殖酸產(chǎn)生單線態(tài)氧反應(yīng)的影響進(jìn)行探究，選取E2:E3分析腐殖酸光譜特征與1O2量子產(chǎn)率間的關(guān)系，以期明晰溶液環(huán)境、光照條件對(duì)腐殖酸光敏化產(chǎn)生1O2反應(yīng)的影響，為天然有機(jī)質(zhì)的光化學(xué)行為及其影響因素研究和水體自凈能力評(píng)估提供理論依據(jù).
2 材料與方法
2.1 腐殖酸溶液制備
將固體腐殖酸(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)置于水中，用0.1 mol · L-1氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，攪拌、溶解、離心、過(guò)0.45 μm微孔濾膜，得到pH分別為4、5、6、7、8、10、12的HA溶液，儲(chǔ)存于棕色玻璃瓶中，4 ℃下保存?zhèn)溆?采用有機(jī)碳分析儀(TOC-V WP，日本島津公司)測(cè)得各pH下提取HA溶液的DOC含量.光照實(shí)驗(yàn)HA工作液用儲(chǔ)備液按DOC設(shè)定濃度成一定比例稀釋所得，稀釋選用相應(yīng)pH的5 mmol · L-1磷酸鹽緩沖溶液.
2.2 單線態(tài)氧捕獲劑及敏化劑
糠醇(Furfuryl alcohol，F(xiàn)FA，98%，阿法埃莎(天津)化學(xué)有限公司)作為一種經(jīng)典單線態(tài)氧捕獲劑廣泛用于腐殖酸光化學(xué)研究(Peterson et al., 2012; Mostafa et al., 2013).光照實(shí)驗(yàn)中FFA濃度為10 μmol · L-1.萘嵌苯酮(Perinaphthenone，PN，97%，美國(guó)西格瑪奧德里奇公司)是一種重要的單線態(tài)氧敏化劑，實(shí)驗(yàn)中PN的濃度為100 μmol · L-1.
2.3 高效液相色譜測(cè)定
FFA測(cè)定采用高效液相色譜分析儀，色譜柱為RP-Amide C16，流動(dòng)相為醋酸緩沖溶液(5 mmol · L-1，pH=4.56)/乙腈=9/1，V/V，流速為1.0 mL · min-1，紫外檢測(cè)器波長(zhǎng)為219 nm.標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度梯度選擇2、5、10、25、50、100 μmol · L-1.液相色譜分析中，F(xiàn)FA出峰時(shí)間為6.2~6.8 min.
2.4 實(shí)驗(yàn)裝置及條件控制
本課題組設(shè)計(jì)的單線態(tài)氧捕獲裝置如圖 1所示(何偉等，2015).該裝置由4個(gè)部分構(gòu)成，從左到右依次為光反應(yīng)裝置(Solar-500，北京紐比特科技有限公司，中國(guó))、四通道全自動(dòng)蠕動(dòng)泵采樣裝置(BT100-1F，河北保定蘭格恒流泵有限公司，中國(guó))、四通道部分收集器(EBS-20，上海滬西分析儀器廠有限公司，中國(guó))和低溫恒溫循環(huán)水裝置(ILB-008-4，施都凱儀器設(shè)備(上海)有限公司，中國(guó)).該裝置可以調(diào)節(jié)改變光強(qiáng)，控制反應(yīng)溫度.光源采用500 W球形氙燈，部分接收裝置外部用黑紙進(jìn)行了包裹以免收集到的樣品受到外界光的影響而發(fā)生降解.
圖1 單線態(tài)氧捕獲裝置示意圖(1.光源，2.光強(qiáng)調(diào)節(jié)器，3.單色儀，4.暗室，5.多通量反應(yīng)杯，6.冷阱，7.恒流泵，8.部分收集器，9.恒溫循環(huán)水，10.遮光罩，11.采樣管路，12冷凝水管路)
光化學(xué)反應(yīng)影響因素選擇HA濃度、pH、溫度和光照強(qiáng)度.在腐殖酸溶液中加10 μmol · L-1 FFA，同時(shí)設(shè)置FFA空白組和PN校正組，氙燈下垂直照射3 h，采樣間隔時(shí)間為30 min，連續(xù)采7次，每次取樣0.5 mL，過(guò)0.22 μm尼龍微孔濾膜后封裝于棕色樣品瓶中待測(cè).
2.5 單線態(tài)氧平衡濃度及量子產(chǎn)率計(jì)算
一般采用單線態(tài)氧平衡濃度(singlet oxygen steady-state concentrations，[1O2]ss)對(duì)腐殖酸產(chǎn)生1O2的產(chǎn)量進(jìn)行表征.FFA作為對(duì)1O2的捕獲劑，其降解的快慢可以反映產(chǎn)生1O2的速率.[1O2]ss可由FFA降解速率常數(shù)kobs，DOM和FFA自身光降解速率常數(shù)kobs，dir經(jīng)公式(3)計(jì)算得到.
式中，kobs，DOM和kobs，dir可由準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程ln(C0-C)=-kt計(jì)算得到，單位為s-1，F(xiàn)FA和1O2雙分子反應(yīng)速率常數(shù)krxn，F(xiàn)FA取值為8.3×107 mol · L-1 · s-1.
單線態(tài)氧的量子產(chǎn)率ФΔ，是指吸收1 mol光子產(chǎn)生1O2的摩爾數(shù)，一般通過(guò)與一種已知其Ф值的1O2敏化劑比較得出，本研究中選用的單線態(tài)氧敏化劑萘嵌苯酮(PN)的ФPN為98%.則ФΔ計(jì)算公式如下：
式中，Iλ表示光源在每個(gè)波長(zhǎng)下的光照強(qiáng)度(W · m-2);aλ，DOM和aλ，PN分別表示腐殖酸和光敏劑在每個(gè)波長(zhǎng)處的納氏吸收系數(shù)(m-1)，可由公式(5)計(jì)算得到;Sλ是屏蔽因子，無(wú)量綱，可由公式(6)計(jì)算得到.
式中，Abs表示在每個(gè)波長(zhǎng)下的吸光度值，L和d均表示輻射光源的路徑長(zhǎng)度，取值均為0.01 m.
3 結(jié)果與討論
3.1 腐殖酸濃度(DOC)與pH對(duì)1O2的平衡濃度的影響
溶解性有機(jī)質(zhì)濃度(DOC)是溶解性有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生1O2的重要影響因素，研究結(jié)果表明，[1O2]ss與DOC顯著線性相關(guān)(R2=0.95).由圖 2可知，本研究中同pH值下，DOC值高的腐殖酸溶液產(chǎn)生的1O2 均高于低DOC的溶液，但因未設(shè)置多個(gè)DOC濃度梯度實(shí)驗(yàn)，本研究不能得到[1O2]ss與DOC的關(guān)系曲線.
pH作為水環(huán)境中重要的理化性質(zhì)指標(biāo)，對(duì)水中DOM的水化學(xué)、光化學(xué)等行為的解釋和預(yù)測(cè)具有重要作用(Frimmel et al., 1987; Dalrymple et al., 2010).圖 2為不同pH條件下，腐殖酸光敏化產(chǎn)生1O2的平衡濃度. [1O2]ss 值在pH=7的溶液中最高，其中DOC值為18 mg · L-1和30 mg · L-1的腐殖酸溶液產(chǎn)生的[1O2]ss分別為596.9 fmol · L-1和677.3 fmol · L-1.隨著酸堿性增強(qiáng)，[1O2]ss值逐漸減小，但弱酸環(huán)境中的[1O2]ss值較弱堿環(huán)境中的高.
圖2 不同pH及DOC濃度的HA溶液中[1O2]ss值
不同pH值條件下，腐殖酸產(chǎn)生的1O2的平衡濃度不同，且呈倒“U”形分布，可能因?yàn)楦乘嶙鳛橐环N帶負(fù)電荷的高分子聚合物，其所含有的羧基、羥基以及醌基等官能團(tuán)會(huì)隨著pH值的不同而改變其存在狀態(tài).Sharpless et al.(2014)研究發(fā)現(xiàn)，酚基和醌基是腐殖質(zhì)光化學(xué)反應(yīng)中重要的發(fā)色基團(tuán).本研究中對(duì)不同pH值下提取的腐殖酸進(jìn)行了紅外光譜(FT-IR)掃描(圖 3).1137~1280 cm-1間的信號(hào)峰表明酯和酚的C—O伸縮振動(dòng)的存在，1580~1800 cm-1間的信號(hào)峰表明C C及酮、醌中的C O伸縮振動(dòng)的存在.由圖 3 可知，pH >7時(shí)，腐殖酸在1137~1280 cm-1間信號(hào)峰缺失以及1580~1800 cm-1間的信號(hào)峰也低于酸性條件下的(pH=4組除外)，表明腐殖酸在堿性環(huán)境中酚基和醌基顯著減少，致使光敏化產(chǎn)生的1O2減少，且比酸性環(huán)境中的小.對(duì)于pH<7時(shí)，[1O2]ss的降低可能是因?yàn)镠A分子發(fā)生團(tuán)聚(李文慧等，2009)，接觸光面積減少，發(fā)色基團(tuán)吸收光能效率下降，使得3DOM*通過(guò)能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生1O2的反應(yīng)減弱.
圖3 不同pH下溶液中提取的腐殖酸紅外光譜圖
3.2 溫度對(duì)1O2的平衡濃度的影響
為模擬實(shí)際水環(huán)境，本研究所選溫度段為1.5、5、10、15和25 ℃，[1O2]ss與T(T為絕對(duì)溫度)的關(guān)系如圖 4所示.實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，[1O2]ss值為400~506 fmol · L-1，隨T增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì).分析推測(cè)溫度升高，溶液中分子活躍度增強(qiáng)，使得HA吸收光子能量發(fā)生能級(jí)躍遷生成三線激發(fā)態(tài)(3HA*)的速率增大，使得更多的氧分子獲得3HA*轉(zhuǎn)移的能量形成1O2.
圖4 不同溫度下的[1O2]ss值
本研究表明，在一定范圍內(nèi)，溫度升高對(duì)腐殖酸產(chǎn)生1O2的反應(yīng)有促進(jìn)作用.溫度低于這一范圍時(shí)，如在0 ℃以下，處于冰晶中的DOM中的光化學(xué)反應(yīng)組分會(huì)濃縮在更小的空間內(nèi)，使得其間接光降解雪中艾氏劑的速率高于液態(tài)水環(huán)境中的，且降解速率隨溫度降低而增大(Grannas et al., 2014);溫度超過(guò)本文的溫度范圍時(shí)，分子結(jié)構(gòu)、發(fā)色團(tuán)及1O2穩(wěn)定性等性質(zhì)都可能發(fā)生變化，[1O2]ss在這一溫度范圍內(nèi)的變化規(guī)律還需通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)獲得.
3.3 光強(qiáng)對(duì)1O2的平衡濃度的影響
自然界直射的光照強(qiáng)度范圍為3.2×104到10×104 lux，本研究在此基礎(chǔ)上盡量模擬不同強(qiáng)度的太陽(yáng)光，同時(shí)設(shè)置了光源光照強(qiáng)度最大值，評(píng)估光源的最大潛力.圖 5 為不同光照強(qiáng)度(0.8、2.3、4、7.5、10、15.5 ×104 lux)下，腐殖酸產(chǎn)生的[1O2]ss值.光強(qiáng)為15.5×104 lux時(shí)，[1O2]ss值達(dá)到666.1 fmol · L-1，隨著光強(qiáng)減弱，1O2產(chǎn)生速率降低，在0.8×104 lux光照下，單線態(tài)氧產(chǎn)生速率k與最大光強(qiáng)時(shí)相比低1個(gè)數(shù)量級(jí)，[1O2]ss值僅為37.3 fmol · L-1.DOM產(chǎn)生1O2是一個(gè)能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程，且更依賴于365 nm左右處的紫外光子能量(Vinoe et al., 2010; Dalrymple et al., 2010).本研究中采用氙燈模擬300~800 nm波段日光輻射，365 nm處能量本身較弱，光照強(qiáng)度降低，使得供腐殖酸吸收的光子減少，減弱了光敏化反應(yīng).
圖5 不同光照強(qiáng)度下[1O2]ss值
3.4 腐殖酸光譜特征與1O2量子產(chǎn)率的關(guān)系
盡管腐殖酸結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的復(fù)雜性對(duì)其分子規(guī)模下光化學(xué)模型的建立造成了很大阻礙，但眾多研究表明了用光譜數(shù)據(jù)對(duì)腐殖酸光化學(xué)反應(yīng)速率進(jìn)行預(yù)測(cè)的可能性.例如，一些研究結(jié)果表明：熒光特性指標(biāo)與DOM的平均分子量負(fù)相關(guān)(Coelho et al., 2011)，小分子量的HA光敏化降解2，4，6-三甲基苯酚的效率比大分子量的高(Halladja et al., 2007).Dalrymple et al., 2010)用測(cè)定得到的ФΔ與E2:E3的關(guān)系式對(duì)ФΔ進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)果與實(shí)際值的誤差為-3%～60%.
本研究選光譜特征值E2:E3與ФΔ值進(jìn)行相關(guān)分析，所得關(guān)系圖見(jiàn)圖 6.量子產(chǎn)率ФΔ與E2:E3顯著正相關(guān)(p<0.01)，線性擬合所得方程為y=1.09x-1.90，R2=0.44.Petersone et al.(2012)針對(duì)水體DOM的研究結(jié)果顯示，ФΔ與E2:E3之間成正相關(guān)(y=0.196 x+0.605，R2=0.592).本研究中ФΔ與E2:E3的線性相關(guān)擬合斜率(1.09)顯著大于Petersone et al.(2012)研究結(jié)果(0.196)，可能因本研究腐殖酸與他人研究樣品相比有機(jī)質(zhì)類型不同且較為單一所致.E2:E3作為表征DOM的芳香性和分子量的特征值(Peuravuori and Pihlaja， 1997;Dalzell et al., 2009)，其差異可以反映有機(jī)質(zhì)類型的不同.Petersone et al.(2012)的研究中5﹤E2:E3﹤25，有機(jī)質(zhì)類型多樣，以小分子量的DOM為主;而本研究中E2:E3值較小且范圍窄(2.32～2.61)，有機(jī)質(zhì)類型單一，腐殖酸分子量大，芳構(gòu)化程度高.這表明，存在單線態(tài)氧量子產(chǎn)率隨有機(jī)質(zhì)分子量減小及芳香性減弱而增大的趨勢(shì)，且對(duì)于高分子量的DOM，該趨勢(shì)更為顯著.
圖6 1O2量子產(chǎn)率與E2:E3關(guān)系
3.5 實(shí)際環(huán)境條件下影響單線態(tài)氧產(chǎn)生的主要因素
在實(shí)際環(huán)境條件下，影響單線態(tài)氧產(chǎn)生的因素很多，如DOM含量與組成、光照與氣溫、以及水體pH值與離子含量等水環(huán)境特征.不同水體(如湖泊、河流和海洋等)中DOM含量與組成、以及水環(huán)境條件可能差異較大，這會(huì)造成其1O2產(chǎn)生潛力會(huì)有較大變化.由于氣溫與光照的不同，季節(jié)變化會(huì)導(dǎo)致光誘導(dǎo)DOM(如腐殖酸)產(chǎn)生1O2潛力的變化;冬季溫度和光強(qiáng)均較低，1O2產(chǎn)生潛力則較低，而夏季溫度高和光強(qiáng)大，利于1O2的產(chǎn)生，冬季與夏季的溫度與光強(qiáng)相差也大，相應(yīng)產(chǎn)生的1O2產(chǎn)生的潛力差別也越大，如在本文氙燈模擬日光照射實(shí)驗(yàn)中，最小光強(qiáng)(0.8×104 lux)和最大光強(qiáng)(15.5×104 lux)情況下，[1O2]ss值相差約一個(gè)數(shù)量級(jí);此外，季節(jié)更替也會(huì)影響到水環(huán)境中DOM含量與組成、以及其他離子(如NO3-、Fe離子等)濃度等因素的變化，進(jìn)而對(duì)1O2的生成產(chǎn)生影響(De Laurentiis et al., 2014).一些受到污染的水體具有過(guò)高的堿性或酸性，均會(huì)減弱1O2的產(chǎn)生潛力，而正常水體pH為6~9，利于1O2的產(chǎn)生.實(shí)際水環(huán)境中眾多重金屬離子，可與腐殖酸形成螯合物，影響1O2的產(chǎn)生潛力(Gao and Zepp， 1998).此外，針對(duì)同一水環(huán)境，一天中不同時(shí)段及不同深度下，因溫度、光照強(qiáng)度、DOM濃度等因素的差異，光誘導(dǎo)DOM產(chǎn)生1O2的潛力也存在差別.
4 結(jié)論
溶液環(huán)境和光照條件對(duì)腐殖酸光化學(xué)反應(yīng)有一定影響，中性以及弱酸性環(huán)境中產(chǎn)生的單線態(tài)氧速率較高，所以維持水體環(huán)境pH值接近于中性，有利于水中溶解性有機(jī)質(zhì)對(duì)有機(jī)污染物的光降解.一定范圍內(nèi)，溫度和光強(qiáng)的增大對(duì)腐殖酸光化敏化產(chǎn)生單線態(tài)氧反應(yīng)均有促進(jìn)作用，據(jù)此推測(cè)夏季(溫度高和光照強(qiáng)度大)更有利于水環(huán)境中腐殖酸類溶解性有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，促進(jìn)對(duì)有機(jī)污染物的光降解作用.腐殖酸的來(lái)源、性質(zhì)等差異對(duì)光化學(xué)反應(yīng)的影響也需考慮，分子量小、芳構(gòu)化程度高、含氧共軛體系發(fā)色基團(tuán)多的腐殖酸(較高E2:E3值)，使得光子能量轉(zhuǎn)化效率高，單線態(tài)氧量子產(chǎn)率大.
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