天然有机质与多环芳烃相互作用的荧光光谱学研究—以苝、菲和蒽为例

自然界水体（如地下水、湖泊、河流及海洋）中的天然有机质（NOM）因具有显著的生态及环境功能而受到人们的广泛关注。NOM作为全球碳循环的主要组成部分，是水体中异养型微生物生长所需碳及能量的重要来源。此外，NOM对湖泊生态系统中的多种物理、化学过程具有不同程度的影响：NOM中的有机酸对淡水体系的酸度具有控制作用而且对酸沉降有一定的缓冲作用；NOM通过减弱可见光及紫外线照射从而影响淡水系统的光化学环境，这一方面降低了水体中自养生物的繁衍速度，同时保护水生生物免受有害的紫外线辐射。更为重要的是，NOM能够影响环境中污染物的命运，比如重金属离子和疏水性有机污染物与天然有机质结合后，其迁移途径、溶解度、生物可利用性及毒性受到明显的控制，这样其对环境中生物的危害性减弱。多环芳烃（PAHs）是一类对环境危害极大的疏水性有机污染物，多数PAHs对有机体具有毒性和致癌性而被美国环保署（EPA）列为优先处理的污染物。因此，确定NOM-PAHs反应的强弱，即PAHs在NOM中的分配系数（Kdoc）以及NOM的物化特性对Kdoc的影响对于预测PAHs毒性和生物可利用性大小、了解NOM-PAHs相互作用的机理及确立污染预测模型具有十分重大的意义。前人的研究结果表明，多环芳烃与天然有机质相互作用的分配系数Kdoc的与PAHs的疏水度（即Kow大小）、NOM的物化特性（如芳香度、脂肪碳含量、分子量及极性等）和水化学参数（pH、离子强度等）有很大的相关性。然而，许多学者在NOM的物化特性对分配系数的影响方面存有较大分歧。前人在研究天然有机质与多环芳烃之间的相互作用时所用的NOM多为腐殖质，即水体NOM中的疏水性组分，而其中的亲水性组分与PAHs的结合作用文献中却鲜见提及，因此人们对其结合作用的特性如反应机理和结合作用强弱等的了解十分有限。 本论文利用XAD树脂分离技术把红枫湖水体中天然有机质分成了疏水性酸、碱、中性物质和亲水性酸、碱、中性物质等六种有机组分。同时运用元素分析、有机碳分析仪、紫外－可见分光光度，高效液相体积排阻色谱、三维荧光光谱和荧光偏振技术等现代分析方法，对各有机组分的物理、化学特性进行了表征。荧光光谱技术被用于研究水化学参数对腐殖质荧光特性和分子构型的影响以及测定Amherst腐殖酸（Amherst HA）、垃圾渗滤液富里酸（LF FA）和红枫湖NOM有机组分与多环芳烃苝、菲和蒽的结合系数（分配系数、条件稳定常数）并探讨了影响分配系数的各种因素和NOM与多环芳烃相互作用的机理。本论文的获得的主要结果如下： 1. 在水化学参数对腐殖质荧光特性及分子构型的影响方面： 在NOM与PAHs相互作用过程中，腐殖质的分子构型起着关键性的作用，而其分子构型又受到其本身的浓度、溶液的pH和离子强度等水化学参数的影响。本论文运用三维荧光光谱和荧光偏振技术研究了水化学参数对腐殖质荧光特性的影响，并由此推断其分子构型变化情况。实验结果表明随着腐殖质浓度、溶液的pH和离子强度的改变，腐殖质荧光特性（如荧光强度、荧光峰位和荧光偏振值等）出现不同程度的变化，揭示了腐殖质分子构型的改变。因此，本实验结果有利于深入了解腐殖质的分子构型及其对吸附PAHs的重要影响，对理解NOM的环境行为具有一定的理论价值。 2. 运用荧光猝灭滴定法研究Amherst HA和红枫湖NOM有机组分对多环芳烃苝、菲和蒽的吸附作用，结果表明NOM对多环芳烃的吸附能力与其中芳香结构单元有很强的相关性，logKdoc值与NOM在280 nm处的摩尔吸收（ε280）和分子量有线性度较高的正比关系，而C/H原子比值对不饱和碳含量（芳香度）并没有很好的指示作用。同时，脂肪碳（0－50 ppm）中的聚亚甲基碳对吸附PAHs也有很大的贡献，而有机组分的极性与分配系数有明显的负相关性。不同种类的多环芳烃与NOM有机组分的结合能力有很大的差异，这取决于不同PAHs的疏水度大小。本研究结果有利于弥合前人在NOM物化特性对PAHs吸附能力的影响方面的分歧，揭示了NOM的组成和结构在与PAHs等疏水性有机污染物相互作用方面的重要影响。 3. 在结合机理方面，苝与NOM有机组分结合的Stern－Volmer图具有较高的线性度，这表明其结合机理以疏水反应（或分配）为主，而菲和蒽与有机组分相互作用的吸附等温线显示较多的非线性特征表明极性反应为主要反应机理，结合过程以吸附为主。在红枫湖NOM有机组分中，疏水性组分显示对PAHs较高的结合能力，同时疏水性组分与PAHs相互作用的吸附等温线具有较高的线性度。这一结果揭示了不同种类的PAHs和各NOM有机组分之间结合机理的差异，加深了人们对NOM与PAHs相互作用机理的认识。 4. 前人在研究pH、离子强度等水化学参数对分配系数的影响方面得到的结果多有矛盾之处，同时，对实验结果的解释也不尽相同。本实验结果表明分配系数随pH增加而下降；离子强度对分配系数的影响比较复杂，就总体趋势而言，增加离子强度有利于对PAHs吸附能力的提高，这一结果初步揭示了水化学参数对PAHs分配系数的影响，丰富了人们对其影响机理的认识。 5. 运用荧光偏振技术测定了蒽与Amherst HA、LF FA和红枫湖NOM有机组分的条件稳定常数，结果如下：随着NOM浓度增加，蒽的荧光偏振值不断下降，这表明蒽的分子构型由平面线性向圆柱状转变。在所有NOM样品中，土壤源的Amherst HA与蒽结合的条件稳定常数最大（pH 4时logK=5.6，pH 6时 logK=5.4）；就NOM有机组分而言，疏水性组分的logK变化范围在pH 6时为（4.4－5.2），而亲水性组分为（4.3－4.8），这表明疏水性组分具有相对较高的蒽吸附能力。实验结果有利于了解PAHs与NOM相互作用前后的分子构型变化情况，揭示了不同的NOM有机组分在吸附PAHs过程中的差异。