道路雨水徑流溶解性有機物(DOM)與重金屬相互作用

　　1 引言(Introduction)

　　人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)及交通活動(dòng)中的汽油泄漏、尾氣排放, 以及土壤有機物質(zhì)和植物落葉腐敗等過(guò)程, 致使地表徑流中含大量溶解性有機物(DOM).地表徑流中的DOM是極為活躍的一種有機組分, 可作為重金屬的遷移載體或配位體, 與重金屬離子之間發(fā)生交互作用, 形成復合污染, 進(jìn)而影響重金屬離子的遷移轉化和生物有效性.Nason等(2012)利用吸附陰極溶出伏安法, 對美國俄勒岡州4個(gè)地點(diǎn)收集的公路雨水徑流DOM對銅離子形態(tài)的影響進(jìn)行了研究, 發(fā)現雨水徑流DOM可以與銅離子形成DOM-Cu復合物, 降低Cu2+的生物有效性.Gnecco等(2008)發(fā)現, 機場(chǎng)雨水徑流中的銅離子比鋅離子更容易與雨水徑流中的有機物進(jìn)行結合, 發(fā)生同步遷移.因此, 考察徑流DOM與重金屬的結合作用, 對深入分析重金屬的遷移轉化行為, 進(jìn)而有效控制DOM-重金屬復合污染具有重要意義.

　　目前, 僅有少數學(xué)者對地表徑流DOM與重金屬的結合作用進(jìn)行了研究, 多數研究集中于考察其他不同來(lái)源DOM與重金屬的結合作用.如Wu等(2012)采用三維熒光猝滅滴定法考察了垃圾滲濾液DOM與Cd2+、Cu2+的結合作用, 發(fā)現Cu2+和DOM中的類(lèi)蛋白質(zhì)及類(lèi)腐殖酸組分的結合作用都很強, 而Cd2+只同類(lèi)蛋白物質(zhì)發(fā)生結合作用.Guo等(2012)采用三維熒光光譜和紅外光譜對湖泊沉積物中DOM與Cu2+的結合作用進(jìn)行了研究, 并采用修正型的Stern-Volmer公式來(lái)計算絡(luò )合條件穩定常數, 發(fā)現DOM中的類(lèi)富里酸可為Cu2+提供更多配位點(diǎn).趙萱(2012)運用三維熒光光譜和質(zhì)子核磁共振研究了湖泊沉積物DOM與Cu2+的結合作用, 發(fā)現Cu2+與DOM中糖類(lèi)官能團、醌基、羥基或酚基均可發(fā)生配位作用, 形成復雜的螯合物, 并應用修正型Stern-Volmer方程證實(shí)了DOM中可見(jiàn)光區類(lèi)富里酸物質(zhì)對Cu2+配位能力最強, 類(lèi)蛋白物質(zhì)次之.Chaminda等(2010)利用金屬滴定和Scatchard線(xiàn)性公式擬合測定了道路雨水徑流DOM與Zn2+、Cu2+之間的條件穩定常數及結合位點(diǎn)濃度, 發(fā)現DOM與Zn2+、Cu2+間的結合符合單配位模型.趙晨等(2016)采用三維熒光技術(shù)對北京市住宅區的雨水徑流DOM與Cu2+的相互作用進(jìn)行了探究, 并運用熒光猝滅模型擬合了DOM與Cu2+絡(luò )合物的條件穩定常數和結合容量.由上可知, 在描述DOM與重金屬結合作用時(shí), 常借助于三維熒光光譜法、質(zhì)子核磁共振法、紅外光譜法等分析方法和儀器表征DOM分子結構和組成變化, 并使用配位模型擬合得到飽和結合量及絡(luò )合常數等參數, 進(jìn)而深入分析DOM與重金屬之間的結合作用機制.

　　針對地表徑流DOM污染, 筆者已對地表徑流DOM物質(zhì)及結構組成進(jìn)行了系統研究, 發(fā)現道路雨水徑流DOM中類(lèi)色氨酸蛋白物質(zhì)含量最多, 其次是富里酸物質(zhì)和類(lèi)絡(luò )氨酸蛋白物質(zhì), 類(lèi)腐殖酸物質(zhì)和微生物代謝物含量較少;道路雨水徑流DOM主要含有的官能團為—OH、—COOH、苯環(huán)等, 含有的不飽和鍵有C=O及苯環(huán)上的C=C雙鍵等(于振亞等, 2018).由于地表徑流DOM與重金屬復合污染特性尚不全面、不明確, 本研究擬在前期研究的基礎上, 采用三維熒光光譜、離子選擇電極、超濾及紅外光譜等技術(shù)深入研究道路雨水徑流DOM與城市雨水徑流中幾種常見(jiàn)重金屬Cu2+、Pb2+和Cd2+之間的結合作用, 并采用配位模型法分析發(fā)揮絡(luò )合作用的主要物質(zhì)和組分, 以期為進(jìn)一步控制地表徑流DOM-重金屬復合污染提供研究基礎.

　　2 材料與方法(Materials and methods)2.1 道路雨水徑流DOM的采集

　　選取北京市西城區車(chē)公莊大街進(jìn)行道路雨水徑流樣品的采集.采樣點(diǎn)處道路下墊面、車(chē)流量狀況等詳見(jiàn)表 1.

　　道路雨水徑流樣品采集于2016年5月2日, 是2016年第一場(chǎng)形成地表徑流的降雨.該場(chǎng)降雨持續時(shí)間9 h, 總降雨量為8.1 mm, 分別在12：00和15：00降雨量達到峰值1.8 mm·h-1, 每小時(shí)降雨量如圖 1所示.降雨當日于道路產(chǎn)生地表徑流后開(kāi)始采集樣品, 所采集的徑流樣品時(shí)間為：0(以地表形成徑流時(shí)為0時(shí)刻)、15、20、25、160、260 min.采集各時(shí)段樣品后, 對各時(shí)段樣品進(jìn)行混合用于提取道路徑流DOM.

　　圖 1

　　圖 1采樣當日降雨特征

　　將混合樣品經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜(預先經(jīng)450 ℃灼燒后)過(guò)濾后, 采用RE-52AA旋轉蒸發(fā)儀(30 ℃、140 r·min-1)進(jìn)行濃縮至溶解性有機碳(DOC)濃度約為200 mg·L-1(MULTI N/C 3100總有機碳分析儀, 德國耶拿分析儀器股份公司)時(shí), 停止旋轉蒸發(fā)獲得實(shí)驗所用DOM樣品溶液.

　　2.2 DOM-重金屬熒光猝滅滴定

　　采用硫酸銅(CuSO4·5H2O)、硝酸鉛(Pb(NO3)2)和氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)分別配制一系列濃度梯度(0、0.2、0.5、1、2、3、5、8、10、12、15 mg·L-1)的Cu2+、Pb2+和Cd2+溶液.取若干100 mL錐形瓶依次加入不同濃度梯度3種金屬離子溶液各40 mL, 為了降低內濾效應(Hudson et al., 2010), 在重金屬溶液中逐一加入2 mL濃縮后的DOM樣品;避光條件下, 將錐形瓶放入DDHZ-300臺式恒溫振蕩器(25 ℃、120 r·min-1)振蕩反應24 h.振蕩后的溶液分別使用Cu-US銅離子選擇性電極、Pb-US鉛離子選擇性電極和Cd-US鎘離子離子選擇性電極(BANTE931, 上海般特儀器制造有限公司)測量溶液中游離態(tài)重金屬離子濃度;與DOM絡(luò )合態(tài)重金屬離子濃度即為重金屬溶液初始濃度與游離態(tài)濃度之差.

　　取5 mL振蕩后的溶液采用F-7000型熒光分光光度計(日本日立公司)進(jìn)行三維熒光光譜測定.設置熒光分光光度計的激發(fā)光源為150 W氙弧燈, PTM電壓為700 V, 信噪比大于110.發(fā)射光及激發(fā)光的帶通均為5 nm, 光譜儀掃描范圍為激發(fā)波長(cháng)/發(fā)射波長(cháng)(λEx/λEm)=200~400 nm/250~550 nm, 掃描速度為1200 nm·min-1.掃描結束后, 使用Origin 9.0軟件將λEx/λEm所對應的熒光強度(I)進(jìn)行處理, 形成等高圖.為定量描述重金屬離子與雨水徑流DOM的配位絡(luò )合作用, 假設重金屬離子與雨水徑流DOM形成n:1配合物, 利用雙對數回歸曲線(xiàn)方程計算配位穩定常數(張冰衛等, 2011), 具體如公式(1)所示.

　　式中, F0和F分別為DOM添加重金屬前后三維熒光圖中相關(guān)峰的熒光強度, M為金屬溶液的濃度, n為被金屬離子配位的結合位點(diǎn)(熒光基團的比例), K為條件穩定常數(絡(luò )合常數).

　　2.3 DOM組分-重金屬熒光猝滅滴定

　　采用超濾膜法對 < 0.45 μm的地表徑流濾后水使用再生纖維膜通過(guò)攪拌式超濾裝置(Amicon Stirred Cell Model 8200)進(jìn)行多級超濾.在濃縮模式下, < 0.45 μm的濾后水先后被截留分子量為30 kDa(3 nm)、10 kDa(2.5 nm)和1 kDa(1 nm)的再生纖維膜分離.過(guò)濾時(shí), 高純氮氣以不同的壓力(0.4~2.7 kgf·cm-2, 1kgf·cm-2=1.033×105 Pa)充入超濾裝置, 直到濾前水量和未過(guò)膜的量為6:1時(shí), 超濾停止.超濾時(shí), 在膜表面上方持續攪拌, 以減少膜上的濃度效應(Beckett et al., 1987).

　　同樣, 將超濾分級后不同分子量區間的DOM樣品進(jìn)行旋轉蒸發(fā)濃縮至DOC濃度約為200 mg·L-1后, 進(jìn)行DOM組分與Cu2+、Pb2+和Cd2+的熒光猝滅滴定;并采用重金屬離子選擇電極測定各DOM組分與重金屬結合后溶液中游離態(tài)重金屬離子濃度.

　　2.4 紅外光譜

　　分別取30 mL DOM原樣和DOM-重金屬絡(luò )合后的溶液, 由德國Christ ALPHA 1-4 LSC冷凍干燥機(-55 ℃、6.8 Pa)冷凍干燥48 h至粉狀, 之后采用光譜純KBr壓片, 在傅立葉變換紅外光譜儀(NICOLET 6700型)上進(jìn)行紅外光譜分析.

　　3 結果與討論(Results and discussion)

    3.1 道路雨水徑流DOM與不同重金屬相互作用分析

         3.1.1 雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合作用

　　地表徑流DOM與15 mg·L-1的Cu2+、Pb2+和Cd2+溶液熒光猝滅滴定前后的三維熒光光譜變化如圖 2所示.通常三維熒光光譜圖中不同位置的熒光峰代表了不同的物質(zhì), 如圖 2所示, T1峰代表類(lèi)絡(luò )氨酸物質(zhì)(λEx/λEm=200~230 nm/300~320 nm), T2峰代表類(lèi)色氨酸物質(zhì)(λEx/λEm=270~280 nm/330~370 nm), A峰代表類(lèi)富里酸物質(zhì)(λEx/λEm=240~250 nm/400~420 nm), 其中, 類(lèi)絡(luò )氨酸和類(lèi)色氨酸物質(zhì)均為類(lèi)蛋白類(lèi)物質(zhì), 類(lèi)蛋白類(lèi)物質(zhì)的存在可能與芳香性化合物的存在有關(guān)(He et al., 2011;朱大偉等, 2015;Kalbitz et al., 1999;Santos et al., 2010).由圖 2可知, 雨水徑流DOM溶液中添加金屬離子Cu2+、Pb2+后, 出現了熒光猝滅現象, 其三維熒光圖中T1和T2兩個(gè)峰的熒光強度明顯下降, 表明雨水徑流DOM中類(lèi)蛋白類(lèi)物質(zhì)與Cu2+和Pb2+之間發(fā)生了配位絡(luò )合作用, 且添加Cu2+后的熒光猝滅現象更顯著(zhù), 說(shuō)明DOM與Cu2+之間的絡(luò )合作用更強;而雨水徑流DOM溶液中加入重金屬離子Cd2+后, 其三維熒光圖中熒光峰的強度并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化, 這可能是由于絡(luò )合作用較弱, 并未產(chǎn)生熒光猝滅現象導致的.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 2

　　圖 2道路雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合前后三維熒光光譜圖 (a.DOM, b.DOM-Cu, c.DOM-Pb, d.DOM-Cd)Fig. 2 Three-dimensional fluorescence spectroscopy of DOM in road stormwater runoffs before and after complexation with heavy metals (a.DOM, b.DOM-Cu, c.DOM-Pb, d.DOM-Cd)

　　3.1.2 雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合常數

　　根據雙對數回歸曲線(xiàn)方程(1)對雨水徑流DOM與3種重金屬之間的絡(luò )合作用進(jìn)行擬合, 求出絡(luò )合常數K及被金屬離子配位的結合位點(diǎn)n;擬合結果見(jiàn)圖 3, 絡(luò )合常數及結合位點(diǎn)的數值見(jiàn)表 2.

　　圖 3)

　　圖 3道路雨水徑流DOM與3種重金屬絡(luò )合的雙對數回歸曲線(xiàn) (a.DOM-Cu, b.DOM-Pb, c.DOM-Cd)

　　由圖 3可知, 雨水徑流DOM熒光強度變化與Cu2+、Pb2+和Cd2+濃度之間具有較強的線(xiàn)性關(guān)系, 說(shuō)明DOM與Cu2+、Pb2+和Cd2+ 3種重金屬離子均發(fā)生了絡(luò )合作用.由熒光峰熒光強度變化可見(jiàn), T1峰類(lèi)絡(luò )氨酸物質(zhì)和T2峰類(lèi)色氨酸物質(zhì)均與Cu2+和Pb2+發(fā)生了配位作用, 而只有T1峰類(lèi)絡(luò )氨酸物質(zhì)與Cd2+發(fā)生配位作用.

　　一般而言, DOM物質(zhì)與重金屬離子的絡(luò )合常數越大, 絡(luò )合作用越強.由表 2可見(jiàn), 雨水徑流DOM中的類(lèi)絡(luò )氨酸物質(zhì)(T1峰)與Cu2+、Pb2+和Cd2+的絡(luò )合常數K比類(lèi)色氨酸物質(zhì)(T2峰)大一個(gè)數量級, 分別為7.92×10-2、5.82×10-2和3.49×10-3, 說(shuō)明雨水徑流中的類(lèi)絡(luò )氨酸蛋白物質(zhì)在DOM-重金屬的絡(luò )合中起主要配位作用.此外, 由T1峰和T2峰與Cu2+、Pb2+和Cd2+的絡(luò )合常數大小可以看出, 雨水徑流DOM與3種重金屬離子的結合作用由強到弱依次是：Cu2+>Pb2+>Cd2+;DOM與Cd2+之間的絡(luò )合作用很弱, 這與圖 2絡(luò )合前后熒光峰熒光強度變化的結果一致.

　　3.2 雨水徑流DOM組分與重金屬結合作用分析

　　利用雙對數回歸曲線(xiàn)方程(1)對超濾后4個(gè)不同分子量(X)區間的DOM組分與3種重金屬離子之間的絡(luò )合作用進(jìn)行擬合, 求出二者之間的絡(luò )合常數K, 結果如表 3所示.

　　由表 3可以看出, 雨水徑流中不同分子量DOM組分與Cu2+、Pb2+和Cd2+之間的絡(luò )合常數因重金屬種類(lèi)不同而不同.各分子量段DOM組分與Cu2+、Pb2+的絡(luò )合常數普遍大于其與Cd2+的絡(luò )合常數, 其中與Cu2+的絡(luò )合常數最大;說(shuō)明不同DOM組分與Cu2+、Pb2+的絡(luò )合作用較強, 而與Cd2+的絡(luò )合作用較弱, 其中與Cu2+的絡(luò )合作用最強.這與雨水徑流DOM和重金屬絡(luò )合前后熒光峰熒光強度變化的結果一致.

　　此外, 對不同重金屬來(lái)說(shuō), 4種分子量DOM組分與重金屬之間均發(fā)生了絡(luò )合配位作用.DOM組分分子量越小, 與重金屬之間的絡(luò )合常數越大, 其中, 分子量 < 1 kDa的DOM組分同金屬離子的絡(luò )合常數最大;說(shuō)明分子量小的DOM組分與金屬離子的絡(luò )合作用較強, 其中, 分子量 < 1 kDa的DOM組分同金屬離子的絡(luò )合作用最強.

　　3.3 雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合前后重金屬活性分析

　　離子選擇性電極法是通過(guò)測量電極電位來(lái)測定離子活度的一類(lèi)電化學(xué)方法, 可用于表征溶液中游離態(tài)重金屬濃度(王中榮等, 2015).在不同濃度梯度的Cu2+、Pb2+和Cd2+溶液中加入徑流DOM絡(luò )合后, 使用離子選擇性電極檢測溶液中游離態(tài)重金屬離子濃度, 并求出DOM絡(luò )合態(tài)重金屬濃度(即重金屬總濃度與游離態(tài)重金屬離子濃度之差), 結果如圖 4所示.

　　圖 4

　　圖 4道路雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合態(tài)濃度隨初始重金屬濃度的變化

　　由圖 4可見(jiàn), 3種重金屬離子均與道路徑流DOM發(fā)生了絡(luò )合反應, 且隨初始重金屬濃度升高, 絡(luò )合態(tài)重金屬濃度呈現先快速升高后略降低的趨勢.在初始重金屬離子濃度相同時(shí), 與道路雨水徑流DOM發(fā)生絡(luò )合的重金屬濃度大小為：Cu2+>Pb2+>Cd2+;表明道路雨水徑流同3種金屬離子之間絡(luò )合作用的強弱為：Cu2+>Pb2+>Cd2+, 這與熒光猝滅滴定模型中絡(luò )合常數所指示的絡(luò )合作用強弱結果一致.

　　3.4 雨水徑流DOM組分-重金屬絡(luò )合前后重金屬活性分析

　　利用選擇性電極測定不同DOM組分與重金屬離子絡(luò )合后剩余的游離態(tài)金屬離子濃度, 并求出絡(luò )合態(tài)重金屬濃度, 結果如圖 5所示.由圖 5可知, 不同道路徑流DOM組分與3種重金屬離子之間均發(fā)生了絡(luò )合反應, 且隨初始重金屬濃度升高, 絡(luò )合態(tài)重金屬濃度呈現與總DOM絡(luò )合相同的趨勢, 先快速升高后略降低.在初始重金屬離子濃度相同時(shí), 與不同DOM組分發(fā)生絡(luò )合的重金屬濃度大小為：Cu2+>Pb2+>Cd2+, 這與熒光猝滅滴定模型中絡(luò )合常數所指示的絡(luò )合作用強弱結果一致.

　　圖 5

　　圖 5道路雨水徑流DOM組分-重金屬絡(luò )合態(tài)濃度隨初始重金屬濃度的變化 (a.DOM-Cu, b. DOM-Pb, c. DOM-Cd)

　　此外, 對同一重金屬來(lái)說(shuō), 隨初始重金屬濃度變化, 與不同DOM組分發(fā)生絡(luò )合的重金屬濃度變化趨勢一致;分子量越小, DOM組分與重金屬的絡(luò )合度越大, 4個(gè)分子量區間DOM組分與重金屬之間的絡(luò )合度由高到低的順序為：< 1 kDa組分、1~10 kDa組分、10~30 kDa組分、30 kDa~0.45 μm組分, 其中, 分子量 < 1 kDa的DOM組分同金屬離子的絡(luò )合度最大;這與絡(luò )合常數所指示的道路雨水徑流DOM組分與Cu2+、Pb2+和Cd2+絡(luò )合作用強弱結果一致.

　　3.5 雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合機理分析

　　將道路雨水徑流DOM同Cu2+、Pb2+和Cd2+絡(luò )合前后的樣品進(jìn)行紅外光譜分析, 結果如圖 6所示.由圖 6可知, 道路雨水徑流DOM紅外光譜圖在3396、1629、1429和1145 cm-1左右處均出現了較明顯的吸收峰.雨水徑流DOM與Cu2+和Pb2+絡(luò )合后, 紅外光譜特征峰明顯減少, 3396、1629和1429 cm-1等特征峰變弱或消失;而與Cd2+發(fā)生絡(luò )合后特征峰變尖.通常處于3396 cm-1處的峰為—OH的伸縮振動(dòng)峰, 1629 cm-1處的峰表示醛、酮中—C=O的伸縮振動(dòng)或芳香環(huán)上C=C的伸縮振動(dòng), 1429 cm-1處的峰是脂肪族上—CH3、—CH2的C—H振動(dòng), 1145 cm-1處的峰是C—C伸縮振動(dòng).由雨水徑流DOM與Cu2+和Pb2+絡(luò )合后, 紅外光譜特征峰變弱或消失可以推斷, Cu2+和Pb2+可能是通過(guò)羥基、甲基、羧基和芳香環(huán)上的羧基取代等途徑實(shí)現與DOM絡(luò )合(Wang et al, 2003;朱麗珺等, 2007;陳兆銀, 2011);而由Cd2+與雨水徑流DOM結合后紅外光譜特征峰強度增加, 峰形變尖推斷, 雨水徑流DOM同Cd2+的結合并非通過(guò)化學(xué)反應, 而可能是通過(guò)氫鍵力、疏水鍵力或范德華力作用進(jìn)行結合(Naidu et al., 1997;Bessbousse et al, 2012).

　　圖 6

　　圖 6道路雨水徑流DOM-重金屬絡(luò )合前后紅外光譜圖

　　4 結論(Conclusions)

　　1) 道路雨水徑流DOM及不同分子量DOM組分可與Cu2+、Pb2+和Cd2+發(fā)生絡(luò )合, 與3種重金屬離子的絡(luò )合作用由強到弱依次是：Cu2+>Pb2+>Cd2+.初步判斷, 雨水徑流DOM中的類(lèi)絡(luò )氨酸蛋白物質(zhì)在DOM-重金屬的絡(luò )合中發(fā)揮主要作用.

　　2) 道路雨水徑流DOM組分分子量越小, DOM組分與重金屬之間的絡(luò )合作用越強.4個(gè)不同分子量區間的DOM組分與Cu2+、Pb2+和Cd2+之間的絡(luò )合作用由強到弱的順序為：< 1 kDa組分、1~10 kDa組分、10~30 kDa組分、30 kDa~0.45 μm組分.(來(lái)源：環(huán)科科學(xué)學(xué)報 作者：于振亞)