4_壬基酚臭氧氧化中雌激素活性变化的影响因素

4-壬基酚臭氧氧化中雌激素活性变化的影响因素

孙庆峰,余 刚,刘希涛 (清华大学环境科学与工程系,持久性有机污染物研究中心,北京 100084)

摘要：采用有效的重组基因酵母检测方法,研究了不同影响因素下水中典型内分泌干扰物4-壬基酚(4-NP)在臭氧氧化过程中雌激素活性的变化规律.结果表明,臭氧能迅速氧化4-NP,并有效地去除其雌激素活性;臭氧氧化过程中,水中高臭氧浓度、低pH值、低悬浮物含量、低⋅OH抑制剂浓度以及适量的腐殖酸浓度均有利于降低4-NP的雌激素活性. 关键词：内分泌干扰物；重组基因酵母；臭氧；4-壬基酚；雌激素活性

中图分类号：X131.2, R994.6 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2006)06-06-04

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The influence factors of estrogenic activity variation during ozonation of nonylphenol. SUN Qing-feng, YU Gang, LIU Xi-tao (Research Center for Persistent Organic Pollutants, Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2006,26(6)：6~692

Abstract：A valid recombinant yeast bioassay was adopted to study the estrogenic activity variation law of 4-nonylphenol (4-NP) typical disturbing chemicals in water in the process of ozonation under different influence factors. Ozone could oxidate 4-NP rapidly, and remove its estrogenic activity effectively. In the process of ozonation, in water, the high ozone concentration, low pH value, low suspended matter content, low •OH inhibitor concentration, and appropriate humic acid concentration were all favorable for the decrease of estrogenic activity of 4-NP.

Key words：endocrine disrupting chemicals；recombinant yeast bioassay；ozone；4-NP；estrogenic activity

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近年来,烷基酚类化合物(APs)被证明能够1 材料与方法 与雌激素受体(ER)结合,产生类雌二醇(E2)的雌激素活性,是典型的内分泌干扰物(EDCs).APs易在人体和其他动物体内长期积累,干扰生物体内正常的分泌代谢和生殖机能等[2].目前,APs已广泛存在于地表水中,严重威胁饮用水水质安全.壬基酚(NP)是APs中产量最大和应用最广泛的产品.

Lenz等[4]模拟研究了NaClO、ClO2等氧化剂作用下,4-NP等EDCs雌激素活性的去除,其中对臭氧氧化的研究仅作了简单的效果对比,既未分析中间产物,也未具体考察臭氧氧化过程的主要影响因素对雌激素活性变化的影响.由于不同处理工艺条件下臭氧氧化反应得到的结论不尽相同[5],因此本研究着重考察臭氧氧化4-NP过程中的重要工艺条件,水的pH值,水中臭氧浓度, ⋅OH抑制剂,悬浮物(SS)和天然有机物(NOM)腐殖酸(HA)等对其雌激素活性去除的影响,并与已有研究成果进行比较.

[3][1]

1.1 试剂与仪器

4-壬基酚(4-NP),17β-雌二醇(E2)和邻-硝基酚-D-半乳糖吡喃糖苷(o-NPG)分别购自日本东京化成公司,美国Sigma-Aldrich公司和美国Sigma公司;高岭土(北京化学试剂公司)和HA(天津津科精细化工研究所)为化学纯,有机溶剂均为色谱纯,其他试剂为分析纯.

BioRad-550型酶标仪(美国BioRad公司); DHX-SS-03C型臭氧发生器(哈尔滨久久电化学工程公司);Costar 3599型96孔板(美国Corning公司). 1.2 实验方法

实验装置见图1.待臭氧发生器产生臭氧量稳定后,向封闭恒温反应器(20℃,反应器体积0.25L,

收稿日期：2006-04-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50238020) * 责任作者, 教授, yg-den@tsinghua.edu.cn

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恒温箱尺寸400mm×300mm×500mm)内调节好pH值的150mL高纯水中充臭氧,保持一定时间,采用靛蓝法[6](611nm,ε =25320mol1⋅cm1)测定水

--

后水样的体积比,即浓缩倍数(CF)代替剂量],计算半有效浓度(EC50)和雌二醇当量因子(EEF)[9]. 2 结果与讨论

2.1 水中臭氧浓度对雌激素活性的影响

由图2可见,随着臭氧浓度的增大,水样的雌激素活性不断降低,在目前水厂水中臭氧浓度范围内(0.5~2.0mg/L),水样雌激素活性依然较高;当

中臭氧浓度,加入4-NP储备液在封闭条件下进行反应(初始4-NP浓度为400µg/L),氧化5min后全部取出.水样中的剩余臭氧用Na2S2O3去除.考察水中臭氧浓度的影响时保持pH 6.3;考察pH值的影响时保持水中臭氧浓度1.3mg/L;分别采

用叔丁醇、高岭土和HA作为⋅OH捕获剂,模拟浓度增大到17.00mg/L时,水样基本没有雌激素天然水体中的SS和NOM,考察这些因素的影响活性.表明臭氧能够去除水中4-NP的雌激素活时,均保持pH 6.3,水中臭氧浓度1.3mg/L.

11610Na2S2O3KI10T性,如若完全去除需要采用较高的臭氧浓度.国外研究在采用臭氧控制饮用水和污水中E2、炔雌醇(EE2)和雌酮(E1)等时也发现,臭氧能够完全去

7M8除这些EDCs的雌激素活性[9].

756555453525155-5-1水中臭氧浓度0.567mg/L1.70mg/L3.40mg/L6.81mg/L17.0mg/LP931

2

54

图1 臭氧氧化实验装置示意

Fig.1 Schematic diagram of the ozonation apparatus

1.氧气瓶 2.臭氧发生器 3.流量计 4.恒温箱 5.多孔板

6.温度计 7.搅拌机 8.进水口 9.取水口

10.臭氧吸收瓶 11.排入通风橱

半半乳乳糖糖苷苷酶酶活活性性01lg CF23图2 臭氧浓度对雌激素活性的影响

Fig.2 Effect of ozone concentration on estrogenic activity

2.2 pH值对雌激素活性的影响

pH值不但直接影响臭氧在水中的分解速度,

向水样中加入H3PO4调节pH值至2,按文献

1.3 水样预处理

[10]

[7]的方法用二氯甲烷萃取水样中4-NP(回收率而且影响水中臭氧和⋅OH的分配.由图3可见,95.3%)及臭氧氧化中间产物,剩余水分用无水硫经过臭氧氧化,水样的雌激素活性随着pH值的

酸钠去除,得到的有机相用氮吹仪吹干,转溶于二

增大而增大,在强酸性反应条件下基本没有雌激

甲基亚砜(DMSO)中,采用半倍稀释得6~8个浓素活性;在中性条件下保持在较低的水平;当反应

体系处于强碱性条件时,水样的雌激素活性剧增.度梯度的样品,-20℃冰箱中保存. 1.4 重组基因酵母检测雌激素活性

反应5min后对体系中的臭氧检测发现,当pH值

重组基因酵母来自中国科学院生态环境研较高时,体系中基本没有臭氧,而在pH值较低时,

[10]

究中心,该菌种由英国Brunel大学Sumpter教授臭氧浓度依然很高.Elovitz等发现,在给定的提供.实验中每块96孔板上同时设DMSO空白臭氧投加量下,总的⋅OH间接氧化基本保持恒定,样,每个浓度梯度设置3个平行样,具体检测步骤而总的臭氧直接氧化将随着pH值的增大而减少.及半乳糖苷酶活性计算参照文献[8],绘出每个样品的剂量-效应曲线[对于非E2的样品用浓缩前由于高pH值反应体系中臭氧量减少,导致其对4-NP的直接氧化能力降低,不利于水样雌激素活

6期 孙庆峰等：4-壬基酚臭氧氧化中雌激素活性变化的影响因素 691

性的去除.

55半乳糖甘酶活性 半乳糖苷酶活性2.4 SS对雌激素活性的影响

由图5可见,水体中SS的含量增大,雌激素

pH值2.606.3010.0012.00453525155-5-1活性也开始逐渐增加.SS在水体中一方面可以通过阻碍臭氧的传质抑制4-NP的氧化反应,从而阻碍雌激素活性的降低;另一方面也能够吸附水体中的微量4-NP,从而达到去除雌激素活性的目的.结果表明,水中SS对反应的抑制作用强于其吸附作用,阻碍了EDCs的去除,这与文献[13]的研究结果不同,可能由于SS对不同有机物吸附性能的差异引起的.由于SS含量较低的水有利于臭氧降解4-NP,因而采取混凝沉淀方法能够在一定程度上促进采取臭氧预氧化和臭氧消毒等水处理工艺对这类EDCs的去除.

2501lg CF23图3 pH值对4-NP臭氧化中雌激素活性的影响 Fig.3 Effect of pH value on estrogenic activity during

ozonation of 4-NP

2.3 ⋅OH抑制剂对雌激素活性的影响 化能力比直接氧化更强[11],图4表明,反应体系中加入叔丁醇,水样的雌激素活性增大,这主要是由于反应体系中的抑制剂通过捕获水中的⋅OH使得氧化反应减弱.随着叔丁醇的投加量不断增大,水样雌激素活性的逐渐增加,但幅度较平缓.这可能是因为在较短的反应时间内,单纯靠臭氧激发⋅OH的量比较少,⋅OH在反应体系中还没有占主要地位,与文献[12]的结果一致.天然水体中还存在着许多的⋅OH抑制剂,如Br、碳酸盐、磷酸盐等,因而去除水中这类物质有利于最大限度地发挥⋅OH的强氧化作用.

30半乳糖苷酶活性 半乳糖苷酶活性－

半乳乳糖糖苷甘酶酶活活性性 半在水中,臭氧通过生成⋅OH对酚类物质的氧

20151050-5-1.5SS00.4NTU2.7NTU11.5NTU-0.50.5 lg CF1.52.5图5 悬浮物对4-NP臭氧氧化中雌激素活性

变化的影响

Fig.5 Effect of suspended solids on estrogenic activity

during ozonation of 4-NP

2.5 HA对雌激素活性变化的影响

研究结果表明,由于HA的分子结构中具有

2520151050-5-105mg/L10mg/L30mg/L类似雌二醇的结构,因而具有雌激素效应[14].由图6(a)可见,经过臭氧氧化后HA雌激素活性明显降低,并且在本实验选择的浓度范围内随着浓度的增大不断降低.

由图6(b)可见,在微量HA存在的反应体系中,

01lg CF23随着HA浓度的增大,4-NP臭氧水溶液的雌激素活性不断降低.这主要由于HA是⋅OH的引发剂、促进剂,其分子表面的基团引发臭氧分解产生的⋅OH增加,从而加速了4-NP的氧化反应.同样,HA水溶液臭氧氧化后雌激素活性的降低也正是被⋅OH氧化所致.这与Kim等[15]的研究结果相似.因

图4 叔丁醇对4-NP臭氧化中雌激素活性

变化的影响

Fig.4 Effect of tert-butanol on estrogenic activity

during ozonation of 4-NP

692 中 国 环 境 科 学 26卷

此,水体中存在微量的腐殖酸类对于臭氧氧化有机物具有一定的促进作用.虽然HA同时具有抑制⋅OH的作用,但本研究中没有出现,主要是由于其浓度没有达到临界值.值得注意的是,虽然一定程度上增加水中的NOM有利于去除EDCs及其臭氧氧化中间产物的雌激素活性,但会导致消毒副产物的前驱物增多,使得在饮用水加氯消毒工艺中具致突变作用的有机卤化物的生成势增大.因此,还需要进一步研究确定临界NOM含量,或者采用其他高级氧化技术(AOPs),如与H2O2、紫外、光催化等联用来增加水中⋅OH以强化去除水中的EDCs.

15 0 0.07mg TOC/L 0.15mg TOC/L 0.50mg TOC/Lchemicals associated with estrogenic activity [J]. J. Biol. Chem., 1997,272(6):3280-3288.

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半乳糖苷酶活性 1050-5-1.550(a)-0.50.51.52.5半乳糖苷酶活性 403020100-10-1.5 00.07 mg TOC/L0.15 mg TOC/L0.22 mg TOC/L0.50 mg TOC/L(b)-0.50.5lg CF1.52.5图6 HA对雌激素活性变化的影响 Fig.6 Effect of HA on estrogenic activity

(a)臭氧氧化腐殖酸水溶液 (b)腐殖酸存在下臭氧氧化4-NP水溶液

3 结语

通过改变影响臭氧氧化过程的重要因素,如合理提高水中臭氧量、降低pH值、减少悬浮物含量、降低·OH抑制剂浓度以及控制适量的腐殖的雌激素活性.

参考文献：

[1] Routledge E J, Sumpter J P. Structural features of alkylphenolic

研究方向为饮用水水质安全.发表论文2篇.

酸浓度,高效地去除水中的酚类EDCs,降低水体作者简介：孙庆峰(1977-),男,江苏镇江人,清华大学博士研究生,

致谢：感谢中国科学院生态环境研究中心王子健研究员提供重组

基因酵母.