GC-MS分析好氧颗粒污泥降解黄连素的产物

刘风华,宋永会,王全红,韩 双,宋宝华,胡 霖

（1. 中国环境科学研究院 城市水环境研究室,北京 100012；2. 中节能六合天融环保科技有限公司,北京 100082；3. 北京市畜牧业环境监测站,北京 102200）

黄连素又叫小檗碱，分子式C20H18NO4，相对分子质量 336.37，黄色结晶性粉末，无嗅，味极苦，是一种具有多种药理学和生物学作用的异喹啉天然生物碱，为目前广泛使用的一种广谱抗菌药物，对多种革兰阳性及阴性菌均产生强烈抑制作用［1］。制药行业化学合成黄连素成品母液因其含强抑菌性物质黄连素，严重影响常规废水生物处理单元的处理效果，属于难生物降解的高浓度有机废水。好氧颗粒污泥是微生物细胞通过自身固定化形成的一种特殊形式的生物膜。最早有关好氧颗粒污泥的研究始于上世纪90年代［2-3］，自从Morgenroth等［4］在SBR中成功培养出了好氧颗粒污泥后，SBR的运行模式一直被广泛用来培养好氧颗粒污泥。目前，几乎所有好氧颗粒污泥的培养和稳定化运行都是在SBR及其变形反应器中实现的［5-6］。好氧颗粒污泥密实的结构、高效的生物学特性、丰富的微生物相组成、优异的沉降性能、高的有机负荷和毒性物质的耐受性，使其具有普通活性污泥不可比拟的优点［7］，已经广泛应用于氟苯酚、内分泌干扰物等有毒有害废水的处理中［8-10］。

本工作采用实验室培养的成熟好氧颗粒污泥降解黄连素，基于GC-MS技术分析好氧颗粒污泥降解黄连素的代谢产物。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

黄连素：纯度为99%；二氯甲烷、正己烷、甲醇：色谱纯。

6890 -5973型GC-MS仪：C 18柱，美国Agilent公司；微孔过滤膜：孔径0.45 μm，北京佳源兴业科技有限公司； Oasis HCB型固相萃取柱：沃特世科技（上海）有限公司；Quanta200型扫描电子显微镜：美国FEI公司。

1.2 实验方法

在含有以醋酸钠为唯一碳源培养成熟的好氧颗粒污泥的SBR内，对质量浓度为10 mg/L的黄连素模拟废水进行处理，取反应器出水分析降解产物。SBR反应器为圆柱形，内径6 cm，高150 cm，有效容积2.8 L。稳定阶段运行参数：运行周期360 min（进水5 min，曝气345 min，沉淀5 min，排水5 min），曝气量240 L/h，表面气速2.4 cm/s，换水率50%。

1.3 分析方法

水样的前处理采用固相萃取方法：依次用5 mL二氯甲烷、5 mL甲醇、5 mL纯水分别对固相萃取柱进行活化；然后将经过孔径0.45 μm膜过滤的500 mL水样通过固相萃取柱进行富集；采用质量分数70%正己烷和质量分数30%二氯甲烷混合液10 mL洗脱C 18柱，采用质量分数90%二氯甲烷和质量分数10%甲醇混合液10 mL洗脱Oasis HCB柱；洗脱液混合，用无水硫酸钠脱水，旋蒸、氮吹定容至1 mL，进行GC-MS分析。

气相色谱条件：载气为高纯氦气，不分流进样1 μL，进样口温度280 ℃，检测器温度290 ℃。初始柱温50 ℃，稳定2 min，程序升温至290 ℃，升温速率6 ℃/min，恒温15 min。质谱条件：电子轰击式离子源，离子源温度230 ℃；四极杆温度150℃，离子源电压70 eV，质量扫描范围35～500 amu（原子质量单位）。

2 结果与讨论

2.1 成熟好氧颗粒污泥形态特征

成熟好养颗粒污泥外观形态见图1。由图1可见，好痒颗粒污泥外表光滑、结构密实、呈黄色。经测定，各项理化指标分别为MLSS 20 855 mg/L，SVI 24.64 mL/g、VSS∶SS 0.81、比耗氧速率232.21 mg /（g · h）。成熟好氧颗粒污泥粒径分布见图2。由图2可见，成熟好养颗粒污泥粒径主要介于100～1 000 μm。

图1 成熟好养颗粒污泥外观形态

图2 成熟好氧颗粒污泥粒径分布

2.2 黄连素降解产物分析

对好氧颗粒污泥反应器处理黄连素模拟废水的稳定出水进行GC-MS分析。黄连素降解产物的GC-MS离子流谱图见图3。

图3 黄连素降解产物GC-MS离子流谱图

由图3可见：在保留时间为 22.682，24.451，25.017，25.209，26.652，31.177 min时分别呈现出6个特征色谱峰。

黄连素降解产物的质谱谱图见图4。由图4可见：保留时间为22.682 min处色谱峰相对分子质量是180，其质谱图与6-甲氧苯并二氢呋喃-7-醇-3-酮相符；保留时间为24.451 min处色谱峰相对分子质量是166，是相对浓度最大的峰之一，与2，5-二甲氧基苯甲醛质谱图一致；保留时间为25.017 min处色谱峰相对分子质量是193，与4-烯丙基-5-氨基-藜芦醚质谱图一致；保留时间为25.209 min处色谱峰相对分子质量是180，与2，4-二羟基-6-甲基-1，3-间苯二甲醛质谱图相符；保留时间为26.652 min处色谱峰相对分子质量是208，是相对浓度最大的峰之一，其质谱图与3，4-亚甲基二氧苯基丙酮酸相符；保留时间为31.177 min处色谱峰相对分子质量是191，是相对浓度最大的峰之一，与1，3-二噁唑并（4，5-g）异喹啉-5（6H）-酮，7，8-二氢质谱图相符。

根据GC-MS的分析结果，经过360 min的降解，黄连素被好养颗粒污泥分解为：6-甲氧苯并二氢呋喃-7-醇-3-酮；2，5-二甲氧基苯甲醛；4-烯丙基-5-氨基-藜芦醚；2，4-二羟基-6-甲基-1，3-间苯二甲醛；3，4-亚甲基二氧苯基丙酮酸；1，3-二噁唑并 （4，5-g）异喹啉-5（6H）-酮，7，8-二氢。

图4 黄连素降解产物质谱谱图

2.3 好氧颗粒污泥电镜分析

好氧颗粒污泥降解黄连素前（a）后（b）的电镜照片见图5。由图5（a）可见：为了克服好氧颗粒污泥密实结构对氧气和基质向内部传递的阻碍，颗粒污泥中还分布有许多孔隙和通道，基质和氧气通过这些通道能够更好地向内层细菌扩散。由图5（b）可见：降解黄连素后，好养颗粒污泥表面存有黏胶层，使好养颗粒污泥表面的球菌和类短杆菌紧密黏结在一起，尽管其空隙和通道变小，但其结构更加致密，这种致密的菌群排列结构赋予污泥良好的沉降性能、生物活性和抗毒物冲击能力。

图6 好氧颗粒污泥降解黄连素前（a）后（b）的电镜照片

3 结论

a）采用GC-MS技术分析好氧颗粒污泥对黄连素的降解产物，经过360 min降解，黄连素被分解为6-甲氧苯并二氢呋喃-7-醇-3-酮；2，5-二甲氧基苯甲醛；4-烯丙基-5-氨基-藜芦醚；2，4-二羟基-6-甲基-1，3-间苯二甲醛；3，4-亚甲基二氧苯基丙酮酸；1，3-二噁唑并 （4，5-g）异喹啉-5（6H）-酮，7，8-二氢。

b）降解黄连素后，好养颗粒污泥结构更加致密，这种致密的菌群排列结构赋予污泥良好的沉降性能、生物活性和抗毒物冲击能力。

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