天然有机物在吸附疏水性有机污染物中的作用.docx

天然有机物在吸附疏水性有机污染物中的作用 由于其自身的物理和化学性质，吸附功能已成为环境中的一个重要转移行为之一。天然有机质是土壤和沉积物环境中非常重要的组成部分。易于变化、分布、迁移和生物多样性。关于HOCs在土壤/沉积物上吸附解吸的研究颇多,其中天然有机质在吸附过程中所起的作用已逐渐成为当前研究的热点问题。 1 生物富集因子 疏水性有机化合物,如环境中的多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、芳香族化合物等,普遍具有较大的辛醇/水分配系数(Kow),较低的水溶性,易于分配到环境中疏水性有机物当中,在生物体内脂类中也易于富集,生物富集因子(BCF)较高。研究表明,这些污染物都具有较强的致癌性、致突变性,甚至还具有环境激素的作用,而且在环境中不易被降解消除而持久性存在,多数已被列为持久性有机污染物(POPs)。目前,由于工业、制造业、能源生产等产业的迅速发展,使它们在环境中广泛存在,严重影响着人类健康,破坏生态环境,已经引起环境科学家的极大关注。 2 有机矿质及理化性质 土壤/沉积物中的天然有机质(Natural Organic Matter,NOM)主要来源是动植物、微生物的残体,其中新鲜的有机质主要是土壤中未分解的生物残体,它因微生物的分解作用,最初的结构已经破坏,变成分散的暗黑色小块,成为半分解有机质,这也是形成腐殖质的原料。土壤有机质在微生物的作用下,可进行矿质化过程和腐殖化过程。矿质化过程可将部分有机质分解成简单的无机化合物,腐殖化过程形成腐殖质,它是经过微生物分解和再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质,此类物质不定形、分子量高、结构复杂、呈胶体状态,是土壤有机质的主要成分,一般占有机质总量的70%～80%,在沉积物中的含量更高。 近来,研究者发现土壤/沉积物中的天然有机质主要包括生物高聚物、腐殖质和油母岩质、碳黑等物质(图1),其中生物高聚物可以说是胡敏素、油母岩质、碳黑的前身,其主要是由分子量<500的聚合物组成,如木质素、脂肪类、糖类、氨基酸化合物以及各种降解产物等。腐殖质包括胡敏素、胡敏酸和富里酸,其中后两个组分合称为腐殖酸,可用混合溶剂提取获得。富里酸因有含氧较多的羧基、羟基等官能团而具有亲水性,胡敏酸富含有羧基和酚基官能团,要比富里酸的芳香性强。胡敏素因与土壤的矿物部分牢固结合,不易被提取出来,具有很低的溶解性。油母岩质是有机质中不可提取的部分,它既不能被非极性或弱极性的有机溶剂所溶解,又不能被无机酸所氧化,与胡敏素相比,油母岩质更加稠密、具有更多的桥连和芳环结构。碳黑同样以大的稠环体系为主,各环之间由脂肪链连接,但相对于腐殖酸和油母岩质,其稠环芳烃体系进一步缩聚,芳碳含量更高,脂肪碳含量减少,芳香结构更加致密。 3 nom对有机污染物的吸附机理 大多数学者认为土壤/沉积物对有机污染物的吸附实际上是由土壤/沉积物中的矿物组分和有机质两部分完成。由于矿物质表面具有极性,在水环境中发生偶极作用,使极性水分子与矿物质表面结合而占据其表层的吸附位,非极性的有机物较难与矿物质结合,因此,认为矿物组分对有机污染物的吸附是次要的,对吸附起作用的主要物质是有机质。 目前,虽对土壤、水和沉积物中存在的NOM的性质、组成和分类方法等仍不是很清楚,但现有研究结果表明,NOM是环境中一类十分活跃的重要化学组分,NOM与进入环境中的有毒有机污染物质的相互作用,使有机污染物的存留和形态结构发生变化。因此,它们对环境中化学物质的环境行为等均具有相当重要的影响。 3.1 生物可利用性和再迁移能力 土壤/沉积物中,可溶性有机质(Dissolved Organic Matter,DOM)泛指能够溶解于水、酸或碱溶液的有机质,它是一类重要的物理化学性质活跃的有机组分,尽管其含量相对不高,但大量研究表明,这些溶解性有机质对有机污染物有明显的增溶作用。如对有机污染物在土壤中的吸附-解吸行为有明显影响,它可改变疏水性有机物在土壤/沉积物-水环境中的分配,甚至改变它们的滞留和挥发。疏水性有机物可通过其在溶解性有机质上的吸附作用来改变其自身的化学活性和生物可利用性,同时增加了有毒有机化合物在环境中的迁移性。 Gao等对德国南部Teufelsweiher湖沉积物中杀虫剂的分布研究发现,沉积物中原位(in site)测得的杀虫剂KOC值比实验室测定值低许多,说明沉积物中DOM吸附了杀虫剂,导致其浓度升高,这种“增溶效应”大大增加了杀虫剂在水体中的生物可利用性和再迁移能力。Chiou等人发现土壤/沉积物中DOM会提高有机污染物在水中的溶解度,两者浓度之间呈线性关系。实验中证实多环芳烃易于与DOM疏水性组分结合,导致多环芳烃等在环境中更大范围内迁移和扩散。土壤和水体中DOM能加速多环芳烃在环境中的迁移,特别是能加速多环芳烃在土壤剖面中的垂直移动,并影