离子液体的生物降解性研究进展

袁 祥，钱茂升，郭 琬，吕 坪，马锦琦，徐兴敏，周海梅

(河南科技大学 法医学院，河南 洛阳 471023)

离子液体(Ionic Liquids,ILs)是指由离子构成、熔点低于100 ℃的熔融盐[1]。离子液体作为一种新型溶剂，因其具有低蒸气压、高极性、离子导电性、宽的电化学窗口以及优异的化学稳定性和热稳定性等特点，广泛应用于医药、空间技术、电化学、催化反应、工艺材料、运输物品等领域[2-7]。然而近年来，随着研究的不断深入以及离子液体数量和种类突飞猛涨，人们逐渐认识到离子液体并非那么真正“绿色”，对人类具有一定的危害[8]。如果离子液体使用时产生的废水排到自然界，会对生态环境造成严重的污染，进而危及人类健康。因此，ILs的研究者们开始探索其毒性及降解途径，探寻减少环境损害之良策。本文将重点综述ILs的生物降解研究进展。

1 概述

1.1 离子液体的结构

离子液体按照其组成的阳离子类型可以分为：吡啶类、咪唑类、吡咯烷类、吗啉类、季磷类、季铵类等；组成ILs的阴离子可以是无机离子或者有机基团，主要有Cl-、Br-、BF4-、PF6-、N(CN)2-等[9]。阳离子的不对称性以及弱配位的阴离子等因素，往往会降低ILs的晶格能，从而降低熔点。一般来说，头基团(带正电的核心结构)、取代基和相应的阴离子具有很高的结构可变性，由此可以获得大量的离子液体。因此，改变ILs的阳离子或阴离子成分，可以很容易地微调ILs的物理化学性质，与传统溶剂相比，反应产物更容易从ILs中分离出来，以便适应于各种化学工业领域。

1.2 离子液体的特点

ILs具有独特的物理化学性质，主要表现在以下几个方面：①蒸气压几乎可以忽略不计，与传统有机溶剂相比，不会因为挥发而对环境产生危害。②具有离子导电性和宽的电化学窗口，ILs目前被认为是开发先进锂离子电池最有吸引力的电解质之一。③热稳定性好，ILs的热稳定性与阴离子物种有很大关系，阴离子不同，热稳定性也不同。④大多数ILs的黏度较高，通常ILs的黏度值20～40 000 mPa·s，比传统有机溶剂高1～3个数量级。对于吡啶和吡咯烷这类的ILs，黏度随着烷基链长的增加而增加，这与离子之间较强的范德华力密不可分[10-11]。总的来说，ILs的黏度随离子体积的增大而减小。

1.3 离子液体的生物毒性

1.3.1离子液体对动物的毒性

LI等[12]在实验中以金鱼作为研究对象，研究了离子液体1-辛基-3-甲基咪唑溴([C8mim]Br)对金鱼的急性毒性和表面损伤。通过扫描电镜和组织学观察，发现金鱼的肠道、鳃、皮肤等都有损伤，结果表明[C8mim]Br是一种对生物具有低度或中等毒性的化学物质以及这些损伤部位可能是离子液体在鱼体内的第一个直接作用靶点。许峰等[13]初步研究了离子液体1-十四烷基-3-甲基咪唑溴([C14mim]Br)对大鼠的亚慢性毒性，通过对大鼠的病理组织学检查，发现大鼠的肝、肾、肺都伴随有不同程度的损伤，其中以肝脏损伤最为严重。且毒性与剂量存在依赖性关系，随着剂量的增加，肝、肾、肺受损程度加重，停止染毒后，这些受损伤部位的功能有一定程度的恢复。以上研究表明，离子液体对动物具有很大的危害性，可以直接作用其靶器官，造成动物器官功能的不断衰竭，进而死亡，提示我们ILs废液需要经过降解处理，才不会对自然环境中的生物造成伤害。

1.3.2离子液体对植物的毒性

宋焕鸽[14]采用Hogland营养液培养方式，研究了[C6mim][BF4]、[C8mim][BF4]、[C10mim][BF4]这三种烷基咪唑离子液体对油菜幼苗生长发育的影响。研究结果表明：①当ILs浓度较低时，与对照组相比，油菜幼苗的根长和株高有一定的上升，即对油菜幼苗有促进作用；当浓度较高时，根、茎的生长受到抑制；②毒性大小作用顺序为[C10mim][BF4]>[C8mim][BF4]>[C6mim][BF4]，即咪唑ILs的毒性随烷基链长度的增加而增大。

1.3.3离子液体对微生物的毒性

VENTURA等[15]研究了胆碱型离子液体对费氏弧菌的生态毒性，发现胆碱柠檬酸二氢盐([ChoI][DHCit])毒性最大，胆碱碳酸氢盐([ChoI][Bic])毒性最小，结果表明与水亲和力较高的胆碱型ILs具有较低的毒性，即ILs毒性大小与其亲脂性/疏水性有关。通过对不同家族的ILs毒性的进一步研究，结果发现1-丁基-3-甲基咪唑甲烷磺酸盐([C4mim][CH3SO3])毒性最低，二庚基-四甲基-碘化胍([TMGC7]I)对费氏弧菌毒性最高。

2 离子液体的生物降解性

离子液体因稳定性好等独特性质引起人们极大的兴趣，越来越多地应用于电化学、生物工程等领域，但是，同时稳定性好又成为一个弊端——难以降解。因此，我们需要对ILs进行降解，才不至于对自然环境造成损害。目前，ILs的降解方法可分为化学法和生物法，一般来说，化学降解更加彻底，但与化学法相比，生物法更加环保。其中生物法又可分为活性污泥法、闭瓶实验法、CO2顶空实验法等。

2.1 活性污泥法

为了提高ILs的生物降解性和降低毒理危害，STOLTE等[16]使用了两种不同类型的接种物(废水处理厂的活性污泥微生物和冷冻干燥的细菌混合物)研究不同ILs经活性污泥法降解的产物，发现短烷基(C6以下)侧链的咪唑ILs没有生物降解，反而长烷基侧链的(C6以上)有比较显著的初步降解。在侧链上引入不同的官能团可以提高化学反应活性，但对于生物降解性没有明显改善。NEUMANN等[17]研究了含有机氟和氰基的ILs阴离子对生物降解的影响，通过对离子色谱的特异性分析，测定了它们在活性污泥中60天左右的生物降解性。结果表明，这些阴离子在好氧或反硝化条件下都不能被降解，这可能与这些阴离子本身具有良好的化学稳定性、热稳定性和电化学稳定性等特性有关。DOCHERTY等[18]利用活性污泥研究咪唑和吡啶ILs([C4mim]Br、[C6mim]Br、[C8mim]Br、[C4mpyr]Br(1-丁基-3-甲基吡啶溴)、[C6mpyr]Br、[C8mpyr]Br)的生物降解性。结果表明，吡啶ILs一般比咪唑ILs更容易进行生物降解。而且ILs的生物降解率随烷基链的增长而增大。因此，他们认为，烷基链长的ILs毒性更大，成为能够将其用作碳源的微生物选择剂，杀死其他非代谢细菌，使生物降解的微生物能够尽快生长，加快降解过程。2019年，张文林等[19]采用驯化活性污泥的方法研究了3种咪唑类ILs的降解过程，结果表明60天以内的驯化，ILs可被部分降解；当驯化期>120天，ILs的降解率明显增高，可达94%以上，且降解的效果与侧链的长短有很大关系。侧链的长度不同，ILs的毒性和降解性均不同，侧链越短，毒性越小，随之降解率也越小。

2.2 闭瓶实验法

GARCIA等[20]用闭瓶实验法(OECD 301D)研究了一系列二烷基咪唑类ILs(C4mimX)的生物降解性，发现这类ILs的生物降解性可以忽略不计，并表明这类ILs是很难生物降解的物质。在咪唑阳离子的侧链上引入酯基，可以显著提高其生物降解性。GATHERGOOD等[21]采用闭瓶实验法(OECD 301D)研究了阴离子对ILs降解的作用，结果表明侧链含有酯基的ILs的生物降解度(23%～33%)大于二烷基咪唑ILs的生物降解度(0～1%)，而侧链含有酯基、阴离子为辛基硫酸盐的ILs生物降解度最大(49%～56%)。GATHERGOOD的实验结果与GARCIA一致，即ILs的侧链上加入酯基，生物降解性增高。FERLIN等[22]采用闭瓶实验(OECD 301D)对3种ILs进行了降解研究，发现(S)-脯氨酸四丁基铵、(R)-脯氨酸四丁基铵和反式-4-羟基-(S)-脯氨酸四丁基铵的降解率<60%，不属于易生物降解的物质。HOU等[23]采用闭瓶实验法研究了18种由氨基酸和胆碱阳离子结合后的ILs，发现其降解率均>60%(62%～87%)，属于易生物降解的物质。结果表明，含有羧基或酰胺基团的氨基酸的ILs更易被微生物降解，具有支化侧链的氨基酸比未支化侧链的氨基酸的ILs具有更强的抗裂解能力。

2.3 CO2顶空实验法

HARJANI等[24]用CO2顶空实验法(ISO 14593)，对一系列吡啶类ILs进行了研究，当吡啶环上引入酰胺基团时，生物降解率并没有明显提高；当引入辛基硫酸盐阴离子时，ILs的生物降解率也没有明显增加。相比之前的研究，在咪唑类ILs中引入辛基硫酸盐阴离子，其生物降解率显著增加。MORRISSEY等[25]也采用CO2顶空实验法(ISO 14593)，对15种ILs的降解性进行了研究，5种ILs都表现出了显著的生物降解性(55%～59%)，这与咪唑类ILs [C4mim][BF4]、[C4mim][PF6]可以忽略的降解性相比，有了很大的改善；6种ILs的降解率≥60%，这6种ILs被称为容易生物降解的物质；虽然具有丙氧基或者丁氧基末端的ILs很容易进行生物降解(降解率≥60%)，但具有甲氧基或者乙氧基末端取代的ILs则不被归为容易降解的物质。PRETTI等[26]采用CO2顶空实验法(ISO 14593)，研究了环胺基ILs的生物降解性，结果表明，DABCO基ILs降解率在5%～30%，吗啉ILs的生物降解率22%～40%，在这些结果中，两种ILs均表现出较低的生物降解性。相比，乙基取代ILs(对于DABCO和吗啉)的降解性比癸基衍生物更好。ILs中的苄基吗啉阳离子不能生物降解，而功能化侧链代替苄基则可以提高生物降解性。

3 结论与展望

与传统有机溶剂相比，ILs有着巨大的优势，未来会越来越多地投入到生产生活中去，因此，ILs的降解就显得格外重要。其中，生物降解又扮演着更重要的角色。文中所提到的活性污泥法、闭瓶实验法、CO2顶空实验法3种降解方法。具体来说降解有以下两种途径：引入可以提供酶解位点的基团以及在单加氧酶的作用下，将ILs阳离子侧链甲基末端氧化为羟基，然后再形成醛基和羧酸，最后进行β-氧化过程，使侧链裂解(大多数情况下，咪唑环并未开环)。根据ILs的结构设计，头基、取代基侧链对ILs降解性均有影响。对于头基，只要取代相同的侧链，就可以建立如下生物降解性顺序：吡咯烷类≈吡啶类﹥哌啶类≈吗啉类≥咪唑类。一般来说，无论ILs家族如何，ILs的生物降解性随着阳离子烷基链的长度增长而增长，或者通过在这些链中加入官能团(比如：羟基、羧酸、醇或者醚)而增加。

综上所述，对于ILs的生物降解，我们已经形成了一定的经验规则，这对大部分ILs(有规律可循的咪唑、吡啶类)来说是很重要的。但随着ILs种类和数量的不断增多，ILs的毒性、降解性将更加复杂。因此，未来应建立ILs毒性和降解性的数据库；努力探索更多的方法降解ILs；同时在设计ILs时，不仅要考虑其在生产中的应用，更多地要考虑其毒性和降解性，在三者之间寻找一种平衡关系，使之成为真正的绿色溶剂，更好地应用于各个领域。