粪固醇在粗胡敏素(HM)上吸附特性研究

詹叶敬， 徐恒振， 张 明， 赵元凤

(1.大连海洋大学生命与科学技术学院，辽宁大连116023; 2.国家海洋环境监测中心，辽宁大连116023)

粪固醇是一类环戊烷多氢菲结构的化合物，其指纹值常被用来指示沉积物、水体粪便污染源［1－2］，有着显著的环境意义.其化学行为研究很少，国内理应开展粪固醇在环境中的迁移、归趋的研究，确证粪固醇作为沉积物粪便污染指示物的可靠性，以适应不同污染源监测工作的需要.有关沉积物对有机污染物吸附研究已经做出了良好的总结，现在普遍认为:有机污染物在迁移和转化过程中，土壤(沉积物)与有机污染物的相互作用主要受土壤性质、生物、气候、污染物结构等因素的影响，其中土壤性质、污染物结构是影响吸附的两个极为重要的因素［3］.土壤(沉积物)对有机污染物的吸附主要是有机物与有机质的相互作用.粗胡敏素是土壤(沉积物)有机质中含量最高、组成最稳定的组分，是一类复杂的天然大分子，其分子结构中含有大量的活性基团，同时又具有疏松的“海绵状”结构和巨大的表面能，能够吸附许多有机、无机物质，对土壤环境质量有重要的影响［4］.本文主要以粗胡敏素与12种粪固醇的吸附为研究对象，探讨其吸附特性和环境因素对吸附行为的影响，为准确估计该污染物在土壤 (沉积物)中的运移及降解提供参考.

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

Agilent 6890/5973N气相色谱-质谱联用仪; KQ-250DE型数控超声波清洗机;TDL-5Z离心机;马弗炉;电热恒温振荡器;旋转蒸发器RE-2000;层析柱(0.8 cm×30 cm);BS124S电子天平;SHZ-Ⅲ型循环水真空泵.

二氯甲烷、正己烷(色谱级和分析级，Tedia of USA);无水硫酸钠(650℃下活化4 h);硅胶(100目～200目，650℃下马弗炉中加热4 h);中性氧化铝(100目～200目，450℃下马弗炉中4 h);甲醇、氢氧化钾(天津科密欧，分析纯);水(Millipore超纯水).

1.2 粗胡敏素制备

供制备粗胡敏素的沉积物采自大连湾，采用国际标准腐殖酸协会(IHSS)推荐方法制备粗胡敏素.称取100 g沉积物样品(35目)于1L烧杯中，加入600 mL蒸馏水(土水比l∶6)，搅拌均匀.在70℃恒温水浴上震荡1 h，3500 r/min离心5 min，滤去水溶物，再往烧杯里残渣中加入0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L焦磷酸钠(pH= 13)混合溶液，搅拌均匀，震荡l h，取棕褐色上清液，以3 700 r/min离心30 min，得到碱可提取物质(HE)，反复提取13次左右，直至上清液无色.水洗残渣2～3次，自然风干，为不可提取态有机质，即粗胡敏素(粗HM).

1.3 粪固醇混合吸附液制备

取适量肉食动物、杂食动物、草食动物粪便样品和沉积物样品，按质量比2.2∶1∶1.5∶10混匀，按固-液比1∶4加入CH2Cl2-CH3OH(体积比为2∶1)混合液，超声萃取20 min，重复3次，合并提取液，加入足量KOH-CH3OH(体积分数为95%)溶液，80℃皂化40 min，将皂化液转移至500 mL分液漏斗中，加入适量 CH2Cl2-nC6H14(体积比为4∶1)溶液反萃取，取下层有机相溶液，浓缩，过硅胶(4 g)-中性氧化铝(2 g)层析柱纯化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(体积比为2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋转蒸发近干，用甲醇定容，备用待测.制得 C27:coprostanol、coprostanone、cholesterol、 cholestanol、 cholestanone， C28: 24-methyl coprostanol、24-methyl coprostanone、campsterol，C29:24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol 3类粪固醇的混合吸附液.

1.4 粪固醇定量方法

Agilent 6890/5973N气相色谱-质谱联用仪配备色谱柱:HP-5 ms，30 m×0.25 mm×0.25 μm，高纯氦气为载气，柱流速为2 mL/min，进样口温度为260℃，无分流进样，进样量1 μL.程序升温:初始温度为60℃，以15℃/min速率升至250℃，不保持;以1℃/min速率升至280℃，不保持;以5℃/min速率升至300℃，保持10 min.

分别配制不同浓度梯度的 cholesterol与sitosterol标准品，C27类粪固醇用cholesterol来定量，C29类粪固醇用sitosterol定量，C28类粪固醇用cholesterol、sitosterol平均值定量.考察粪固醇浓度与峰面积的线性关系，自变量为浓度.最终得到定量曲线:C27类粪固醇，y=182 732x，R2= 0.996;C28类粪固醇，y=94 244x，R2=0.995;C29类粪固醇，y=84 581x，R2=0.997.

1.5 吸附实验

在一定的温度下(温度22.0℃)，称取2.0 g粗胡敏素(如1.2粗HA的制备方法)，加入30 mL蒸馏水，再加入1.50 mL粪固醇溶液，持续震荡.考察3 h、6 h、12 h、18 h、24 h内粗胡敏素对粪固醇的吸附情况，每个时间点设置3个平行样，48 h后取出样品离心，弃去上清液，再向粗胡敏素中依次加入适量无水 Na2SO4、30 mL CH2Cl2-CH3OH(体积比为2∶1)超声振荡30 min，离心，将提取液旋转蒸发至1 mL，过硅胶(4 g)-中性氧化铝(2 g)层析柱纯化(20 mL CH2Cl2-CH3OH(体积比为2∶1)混合液淋洗)，淋洗液旋转蒸发近干，正己烷定容1.0 mL，4.0℃保存待测.

1.6 吸附等温实验

在一定的温度(22.0℃)下，称取2.0 g粗胡敏素，分别加入0.4～2.0 mL粪固醇溶液，对应加入0～1.6 mL甲醇，再加入30 mL蒸馏水，持续震荡，考察5个不同初始浓度对粗胡敏素吸附粪固醇的影响，每个浓度设置2个平行样，24 h后取出样品离心，弃去上清液.以下步骤同1.5.

1.7 吸附影响实验

1.7.1 温度的影响

在盐度为0.0，pH值为8.36的条件下，考察温度为0.5℃、15℃、25℃、35℃、45℃时，不同温度对粗胡敏素吸附粪固醇的影响.称取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL粪固醇溶液，再加入30 mL蒸馏水摇晃振荡6次/d，置于不同温度下，每个温度3个平行样，24 h后样品离心，弃去上清液.以下步骤同1.6.

1.7.2 盐度的影响

在温度t=22.0℃、pH=8.36的条件下，研究盐度(0‰、11‰、16‰、21‰、32‰)对粗胡敏素吸附粪固醇类物质性能的影响.称取2.0 g粗胡敏素，加入1.5 mL粪固醇溶液，再加入30 mL蒸馏水，每天摇晃振荡6次，置于室温下(室内温度22.0℃)，每个盐度值设置3个平行样，24 h后取出样品离心，去上清液，以下步骤同1.7.1.

1.7.3 pH的影响

在温度t=22.0℃、盐度为0.0的条件下，测定了pH值为2.28、5.25、7.46、10.74和13.3时对粗胡敏素吸附粪固醇的影响.称取制备的粗胡敏素2.0 g，加入1.5 mL粪固醇溶液，再加入30 mL蒸馏水，每天摇晃振荡6次，置于室温下(室内温度22.0℃)，每个pH值设置3个平行样，24 h后取出样品离心，去上清液.以下步骤同1.7.2.

2 结果与讨论

2.1 吸附平衡时间的确定

图1中(a)～(c)分别为不同时段内粗胡敏素对C27、C28、C29粪固醇的吸附率(吸附率η= (p/p0)×100%，其中，p为沉积物对粪固醇吸附量，p0为粪固醇加入量).

图1 不同时段内粗胡敏素对C27、C28、C29粪固醇的吸附率Fig.1 The sorptive percentage of faecal sterols on crude HM in different time

由图1可以看出，粗胡敏素对粪固醇的吸附可分为快吸附、慢吸附2个阶段.前12 h吸附较快，12 h后吸附较慢，18～24 h吸附达到平衡，吸附率为19.5%～65.3%.确定24 h为粗胡敏素对粪固醇的吸附平衡时间.

2.2 吸附等温结果

吸附等温式常用以下几种模型描述:

线性等温吸附式:

式中S为沉积物中粪固醇的吸附量(μg/g)，ρ为平衡溶液中粪固醇的质量浓度(mg/L)，K为平衡常数(mL/g)［5－7］.

Freundlich等温吸附式:

式中S和ρ同(1)式，n为非线性常数，Kf为吸附系数，与吸附容量和吸附强度有关的常数［8－10］.

Langumir等温吸附式:

式中S和ρ同(1)式，Qm为最大吸附量(μg/g)，k为结合能常数［10－11］.

表1是拟合几种等温吸附曲线的相关参数和吸附系数，其中，a为截距，r为直线的相关系数，sig为显著性水平.可以看出线性等温模型对coprostanol、24-methyl coprostanol、24-methyl-coprostanone、24-ethyl coprostanol、24-ethyl coprostanone、sitostanol和sitostanol拟合得到截距a为负值，无意义.其余5种粪固醇线性拟合r为0.723～0.991，均比相对 应的Freundlich拟合系数r小.

表1 粪固醇在粗胡敏素上吸附的3种等温吸附方程参数Table 1 3 kinds of isothermal adsorption equation parameters of facial sterols adsorpted on crude HM

Langumir模型对 coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanone、sitosterol、sitostanol拟合得最大吸附量Qm为负值，无意义.其余6种粪固醇Langumir拟合结果均显著，但Qm与实测值差距较大.粪固醇在粗胡敏素吸附为非单分子层吸附.

Freundlich吸附模型对12种粪固醇在粗胡敏素上吸附均拟合良好.coprostanol、24-methyl coprostanol、 24-methyl-coprostanone、 24-ethyl coprostanol、24-ethylcoprostanone、sitosterol和sitostanol的n＞1，其余5种粪固醇n＜1，为非线性吸附，吸附机理比较复杂.除cholestanone外，Freundlich吸附模型拟合结果均显著.粗胡敏素对粪固醇吸附机理复杂，其起主导作用的是分配作用和表面吸附作用.

2.3 吸附影响实验

2.3.1 温度的影响

图2(a)～(c)为不同温度对Kd(分配系数，固相与液相中单位吸附量的比值)的影响.可以看出随温度升高，粪固醇在粗胡敏素上的分配系数降低.当温度由1.5℃升高至50.0℃时，12种粪固醇的分配系数下降了58.2%～74.3%.如t=1.5℃时，coprostanol在粗胡敏素上的分配系数(Kd)最大，Kd=7.639 mL/g，当温度升高到50.0℃，Kd降低到2.806 mL/g，下降了63.3%.表明温度对粪固醇在粗胡敏素上的吸附有着明显的影响.

图2 温度对Kd的影响Fig.2 The influence of temperature on Kd

应用吉布斯方程可以计算温度对平衡吸附系数的影响:

式中，△G0为吸附的标准自由能变，△H0为标准吸附热，△S0为吸附的标准熵变，R为气体摩尔常数(8.314 5 J/mol·K)，T为绝对温度，K为吸附平衡常数.若不考虑△H0、△S0的影响，将式(6)中的lnK和1/T作图，得一线性回归方程，r为直线的相关系数，sig为显著性水平［12－13］.通过斜率、截距分别求出△H0、△S0.列于表2.可以看出12种粪固醇在粗胡敏素上吸附的△H0为－20 940～－10 883 J/mol，△S0为－58.5～－32.6 J/mol·K，均小于0，表明12种粪固醇的吸附过程是放热反应，当温度升高时，反应向降低温度的逆反应进行，不利于正向的吸附反应.

表2 粗胡敏素对粪固醇的吸附△H0、△S0Table 2 The△H0and△S0of facial sterols adsorpted on the crude HM

2.3.2 盐度的影响

图3(a)～(c)为不同盐度对Kd的影响.

图3 盐度对Kd的影响Fig.3 The influence of salt on Kd

图3中(a)～(c)分别为盐度值对C27、C28、C29类粪固醇吸附性能的影响.可以看出，粪固醇Kd值随盐度升高而升高，呈现出良好的线性关系.表明水体的盐度对粗胡敏素吸附粪固醇的影响明显.当盐度由32.0‰下降到0.0‰时，粪固醇在粗胡敏素上的 Kd下降了32.60% ～65.90%.如cholestanol在粗胡敏素的Kd在盐度为32.0‰时最大，Kd=7.671 mL/g，盐度降低到0.0‰，S降低到 5.21mL/g，减少了36.4%.盐度的增大导致粗胡敏素部分胶体物质的沉降，从而增大粗胡敏素对粪固醇的吸附量.

2.3.3 pH值的影响

图4为不同pH值对Kd的影响.

图4 pH值对Kd的影响Fig.4 The influence of pH on Kd

图4中(a)～(c)分别为pH值对粗胡敏素吸附C27、C28、C29粪固醇吸附性能的影响.可以看出3类粪固醇Kd值随pH值变化规律一致.当pH值为10.74时，粪固醇在粗胡敏素上Kd最小.如当pH=10.74时，cholestanol在粗胡敏素Kd=1.25 mL/g，pH值为其它值时，Kd为1.65～1.72 mL/g.粗胡敏素为酸碱不可溶物质，由矿物质、胡敏素构成.当pH值为10.0左右时，胡敏素可分为重颗粒、轻颗粒胡敏素(胶体)［14］，所以pH值为10.74时，Kd最小，而其它pH值条件下，Kd差异不明显.

3 结论

(1)粗胡敏素对粪固醇的吸附分为快吸附、慢吸附2个阶段，确定24 h为吸附平衡时间.

(2)吸附作用所涉及到的机理非常复杂，受到的影响因素也很多，有外界环境因素，也有沉积物自身的物理化学特性.通常，若沉积物中有机碳和黏土矿物含量高，则沉积物对有机物的吸附以分配为主，且吸附等温线符合Langmuir型;当沉积物比表面积较大时，它对有机物的吸附以表面吸附为主，且吸附等温线符合 Freundlich型.本实验所得的吸附等温线为S型，经线性拟合后，线型、Freundlich型和Langmuir型吸附等温式都能较好地描述粪固醇在粗胡敏素上的吸附行为;但相比较而言，Freundlich型拟合效果最好.这说明粗胡敏素的成份较为复杂，吸附机理也很复杂，其对粪固醇的吸附是多种作用力的结果，其中起主导作用的是分配作用和表面吸附作用，物之间的吸附差异性有待进一步研究论证.

(3)随着温度的升高，粗胡敏素对粪固醇的吸附有一定程度的降低，温度对粪固醇在粗胡敏素上吸附行为影响明显.△H0、△S0均小于0，温度的升高不利于反应的进行.当温度升高时，粪固醇本身的溶解度增加，解离程度增强，相应地增加粪固醇的溶解度.而在水中溶解度越大的疏水性有机化合物越难被沉积物有机质吸附.粗胡敏素中含有许多亲水性的官能团，当温度升高时粗胡敏素中有机质容易向水体中释放，而且，在高温情况下粗胡敏素容易发生许多化学反应而放出许多可溶的有机反应产物，这些都减小了粗胡敏素的吸附分配系数.温度升高使吸附质分子通过溶剂扩散至吸附剂表面及内部的速度加快，但同时也减弱了吸附剂对吸附质的平衡吸附能力，最终导致沉积物对12种粪固醇的吸附量因温度升高而降低.

(4)盐度从0.0‰增加到32.0‰时，12种粪固醇在粗胡敏素上分配系数增加32.60%～65.90%，cholesterol、cholestanone增加程度最明显.这是因为:一方面，盐度的升高导致粗胡敏素中水溶性物质易形成胶体沉降，水体中悬着固体颗粒沉降，从而导致Kd值的增加.另一方面，盐度升高导致粪固醇物质溶解度降低，亲水性降低，更易被粗胡敏素吸附.表明水体的盐度对粗胡敏素吸附粪固醇的影响明显.

(5)当pH值为10.74时，粪固醇在粗胡敏素上Kd最小;pH值为其它值时，Kd为1.65～1.72 mL/g，Kd无明显差异.pH值的改变对酸碱不可溶的粗胡敏素影响不大，仅当值为10.0左右时，有部分胡敏素溶出形成悬浊液，降低了粪固醇在粗胡敏素上的分配系数.

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