甲基-β-环糊精对土壤中芘的吸附效应研究

牛媛媛，夏晓嘉，潘晔星，丁克强，杨 凤

(南京工程学院 环境工程学院，江苏 南京 211167)

随着我国工业化、城市化的快速发展，土壤环境问题日趋复杂，其中土壤PAHs 污染也日趋严重。国内学者研究表明，我国土壤中美国环保署(USEPA)优先控制的16 种PAHs有机污染物都有很高的检出率[1]。PAHs 含量明显高于其背景值,造成生态环境恶化，对农业环境和生物生存构成严重威胁[2-5]。芘具有稳定的四苯环对称结构，相对于低分子的PAHs，四环及四环以上的PAHs结构复杂，难于被生物降解[6]。芘是环境中质量浓度比较高的PAHs，是检测PAHs污染的指示物，所以本文采用芘作目标污染物[7]。

MCD是β-环糊精(β-CD)的甲基化衍生物，其分子空洞适中，包接范围广且价格低廉，有比β-CD更好的水溶性和对难溶物质的增溶能力[8-12]，增溶作用能提高土壤中芘的溶解性和生物可利用性，对土壤吸附芘产生了很大的影响。MCD由于其水溶性好、无毒性和生物友好的特点，通常用于医药工业、食品、农药、化妆品、纺织品染色等领域[13-17]。

学者大多从具体条件研究MCD与其他材料结合对分子或重金属离子等的吸附作用及表观影响，进一步推断其原理，未纵深研究其吸附机理[18-22]。学者未来可以基于MCD的优点修饰衍生出新的MCD种类，为医药、生物细胞、化学工业、生态环境等方面做出理论指导和应用。国内鲜有研究MCD对土壤中芘吸附的影响，对于环境因素如温度、pH值考虑较少。本文基于MCD的浓度测定方法及MCD在土壤中的等温吸附、动力学实验研究了MCD对土壤吸附芘的影响，揭示了MCD对土壤中吸附芘的吸附效应。该研究为多环芳烃污染土壤的修复提供借鉴与参考，也可为与芘污染土壤有关的植物修复技术提供有利条件，为土壤生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

清洁土样采自常熟生态站附近的土壤，理化性质如表1。

表1 土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil

1.2 研究方法

1.2.1 MCD浓度测定

取10 mLMCD溶液于100 mL容量瓶中，依次加入10 mL碳酸钠缓冲液和10 mL酚酞工作液，用水稀释至刻度，摇匀。在波长554 nm处测定酚酞显色液的吸光度。酚酞显色液中不加MCD时测得的吸光度为空白点吸光度，绘制工作曲线。

1.2.2 芘在土壤中的吸附平衡

称取一系列质量的芘，将芘溶于甲醇，之后转移到100 mL容量瓶中用甲醇定容至刻度线，得到一定浓度的芘溶液。用HPLC分别测量各浓度标准液的峰面积，并绘制成标准曲线。

1.2.3 MCD在土壤中的等温吸附

加入1 g实验土样于100 mL锥形瓶中，再分别加入15 mL系列浓度的MCD溶液，振荡24 h，温度为25℃。静置，离心分离，上清液经过滤测定其吸光度，经标准曲线查得对应浓度，计算MCD在土壤中的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 MCD在土壤中的等温吸附行为及形态变化

酚酞作探针[27]用于分光光度法测定MCD的浓度的方法验证实验结果如图1，由全扫图可知酚酞碱性溶液的最大吸收波长位于554 nm，引入0、1.0×10-5、3.0×10-4、4.0×10-4、6.0×10-4、2.0×10-3mol/L浓度的MCD后，光谱扫描形状和最大吸收波长均不变，而吸光度随着MCD浓度增大而减小。

图1 酚酞/MCD混合溶液的吸收光谱图

Fig.1 Absorption spectra of phenolphthalein MCD mixed solution

图2 MCD浓度与测得吸光度之间关系图Fig.2 Relationship between MCD concentration and measured absorbance

由图2知，MCD浓度与测得吸光度之间成负相关，相关系数为0.999。王霆[23]通过实验证明了MCD与酚酞形成1∶1包合物，且得出MCD与酚酞结合常数为1715 L·mol-1；紫外分光光度计测得吸光度代表的是游离的酚酞的浓度，且得到酚酞与MCD包合示意图，如图3所示。

图3 酚酞与MCD包合示意图Fig.3 MCD schematic diagram of inclusion and phenolphthalein

基于上述结果，可知酚酞作探针用于分光光度法测定MCD的浓度的方法可行性良好，可用于MCD浓度测定。

通过实验绘制出工作曲线如图4，由于MCD浓度越高，作出曲线斜率为负值，为了计算和观察方便，将测得的吸光度与空白吸光度差值作为纵坐标，以得出正相关工作曲线。

图4 浓度与空白吸光度差值的线性关系Fig.4 Linear relationship between concentration and blank absorbance

图5 MCD在土壤中吸附量变化Fig.5 Change of adsorption of MCD in Soil

MCD在土壤中吸附量变化如图5，可知，当MCD浓度较低时，吸附等温线有线性表现。但当MCD浓度增大到0.5～0.6 g/L时，MCD的吸附量变化不大，且随着浓度继续增大，吸附量有下降趋势。随着MCD浓度继续增大，在土壤中的吸附量达到饱和点，土壤中的活性吸附位点降低且趋于饱和，吸附量不再增加，溶解态MCD增加，对土壤吸附MCD起抑制作用[24]。

图6 MCD等温吸附线的Langmuir方程拟合线Fig.6 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

图6为Langmuir等温方程拟合MCD在土壤中的吸附的拟合线。相关性为0.985在0.968～0.994之间。由MCD吸附实验可得MCD的土水分配系数:q= KsC，其中，q表示MCD被单位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD浓度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系数。

计算不同MCD的吸附平衡浓度的土水分配系数，并求其平均值，得出MCD的土水分配系数为9.72 mL/g，由实验所得数据可知当加入的MCD浓度为9 g/L时，土壤对MCD吸附量最大，此时溶液中的MCD的浓度为5.144 g/L。加入MCD后土水体系中存在着MCD和土壤相，此时MCD在土水体系中以水相溶解态和土壤吸附态存在，当MCD浓度小于9 g/L时，绝大多数MCD以吸附态的形式存在，当其浓度高于9 g/L时，由于土壤对MCD达到饱和，此时大多数MCD以溶解态形式存在。

2.2 MCD对土壤中芘的吸附影响

如图7和图8所示，芘的标准曲线的拟合度分别为0.999、1，具有可靠性，可用于土壤中芘的计算。

图7 较高浓度芘的标准曲线Fig.7 Standard curve of pyrene with higher concentration

图8 较低浓度芘的标准曲线Fig.8 Standard curve of pyrene with lower concentration

芘在土壤中的吸附动力学实验得到如图9曲线，由图可知上清液中芘的浓度在10 h之前波动较大，可能在短时间内形成一个吸附解吸附同时进行的过程，但随着时间的推移，在吸附进行24 h左右上清液中芘的浓度基本不变，由此可见芘在土壤中的吸附达到吸附平衡，因此本实验以24 h为芘在土壤中的吸附平衡时间。

图9 芘的浓度变化曲线Fig.9 Concentration variation curve of pyrene

MCD对土壤吸附芘的影响实验结果如图10，由图可知，芘在土壤中的吸附行为受MCD浓度影响。当MCD浓度低时，芘在土壤中的吸附受到促进，且当MCD浓度为9 g/L时，芘在土壤中的吸附量达到最大，MCD浓度继续升高时，芘在土壤中的吸附受到抑制。而且随着溶液中MCD浓度的增加，芘的吸附量降低了10～81 μg/g。

图10 不同起始浓度的MCD条件下芘的等温吸附线Fig.10 Adsorption isotherms of pyrene with different initial concentration under the condition of MCD

加入MCD后，土水体系中存在MCD、芘和土壤相。芘在该土水体系中表现为四个分配状态即水相溶解态、土壤吸附态、吸附到吸附态MCD中的部分和吸附到液相MCD中的部分[25]。由此可见，吸附态的MCD对芘在土壤中的吸附有促进作用，溶解态的MCD对芘在土壤中的吸附有抑制作用。MCD的加入，改变了芘在土水体系中分配行为。

2.3 MCD在土壤中的吸附动力学表达

图11 MCD等温吸附线的Langmuir方程拟合线Fig.11 Langmuir equation fitting line of MCD isothermal adsorption line

图11为Langmuir等温方程拟合MCD在土壤中的吸附的拟合线。相关性为0.984在0.968～0.994之间。由MCD吸附实验可得MCD的土水分配系数:q= KsC，其中，q表示MCD被单位土壤吸附的量(mg/g)；C表示溶液中MCD浓度(mg/mL) ；Ks表示MCD的土水分配系数。

计算不同MCD的吸附平衡浓度的土水分配系数，并求其平均值，得出MCD的土水分配系数为9.72 mL/g，由实验所得数据可知当加入的MCD浓度为9g/L时，土壤对MCD吸附量最大，此时溶液中的MCD的浓度为5.144 g/L。加入MCD后土水体系中存在着MCD和土壤相，此时MCD在土水体系中以水相溶解态和土壤吸附态存在，当MCD浓度小于9 g/L时，绝大多数MCD以吸附态的形式存在，当其浓度高于9 g/L时，由于土壤对MCD达到饱和，此时大多数MCD以溶解态形式存在。

3 研究结论

(1)芘在土壤中的动力学实验得出芘在土壤中的吸附平衡时间为24 h；9 g/L是MCD使芘在土壤中的吸附量达到最大的临界浓度。

(2)吸附态MCD可提高芘在土壤中的吸附，而溶解态的MCD增大了芘的表观溶解度，大幅降低了土壤对芘的吸附量，幅度范围为10～81 μg/g，它们的综合结果改变了芘在土水体系中的吸附系数。

致谢

在此特别感谢中国科学院南京地理与湖泊所的研究员徐力刚老师的指导帮助。