秦松巖，呂務(wù)娟，黃 馨，胡 杰，羅 義，趙立新

(1.天津理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院,天津 300384;2.南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

乙酰氨基酚(acetaminophen，APAP)具有解熱鎮(zhèn)痛的作用，是全世界使用量最高的非甾體抗炎藥物[1]，通過(guò)生物代謝物及過(guò)期或未用完廢棄物進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致其在污水處理廠、自然水環(huán)境、土壤中頻頻檢出，APAP在污水處理廠的出水中質(zhì)量濃度可達(dá)到8 025 ng/L[2].APAP是中國(guó)近45個(gè)污水處理廠活性污泥的主要污染物之一[3].含有微量的APAP水體經(jīng)過(guò)加氯消毒后會(huì)產(chǎn)生毒性更大的苯醌類(lèi)物質(zhì)[4]；APAP在水環(huán)境藥物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中風(fēng)險(xiǎn)值大于1，質(zhì)量濃度超出了無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)濃度值[5-6],其殘留已對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和人體構(gòu)成潛在危害[7-9]，對(duì)其去除成為環(huán)境研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[10].目前，國(guó)內(nèi)外研究用于降解APAP的方法主要有高級(jí)氧化法、TiO2光催化、生物降解[11-16]等.其中，生物降解法由于不存在二次污染以及成本低等備受關(guān)注.

生物錳氧化物是由錳氧化細(xì)菌如惡臭假單胞球菌(PseudomonasPutida)、纖發(fā)菌屬(Leptothrix)、錳土微菌(Pedomicrobiummanganicum)等以O(shè)2為電子受體，通過(guò)多銅氧化酶(MCOs) 將Mn(II)氧化為Mn(IV)而形成高價(jià)態(tài)錳生物氧化物(BioMnOx).BioMnOx作為錳氧化細(xì)菌形成的初級(jí)產(chǎn)物，基本單元是 Mn(Ⅳ)O6的正八面體結(jié)構(gòu)，存在包括Mn(Ⅳ)空缺位點(diǎn)和晶體的邊緣及內(nèi)層位點(diǎn)，Mn(IV)/Mn(II)間的氧化還原電位及強(qiáng)氧化劑Mn(III)為中間體的單電子轉(zhuǎn)移，使其具有較強(qiáng)的氧化能力[17].因此，BioMnOx同時(shí)展現(xiàn)了較強(qiáng)的氧化和吸附能力.Pseudomonassp.作為錳氧化的模式菌株，其形成的錳氧化物已應(yīng)用到多種重金屬和有機(jī)物氧化去除的研究中.Owen[18]研究了PseudomonasputidaGB-1產(chǎn)生的BioMnOx對(duì)草銨鐵的吸附，發(fā)現(xiàn)Fe(III)在多個(gè)位點(diǎn)特異性地吸附到礦物結(jié)構(gòu)上.菅之輿等[19]在以錳氧化細(xì)菌Pseudomonassp.QJX-1構(gòu)建的生物體系中，通過(guò)Pseudomonassp.QJX-1生成的BioMnOx有效去除2-羥基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸(BP-4).Zhang等[7]通過(guò)在錳砂/石英砂好氧生物濾池啟動(dòng)時(shí)引入Pseudomonassp.形成BioMnOx生物膜，對(duì)卡馬西平、雙氯芬酸等通過(guò)開(kāi)苯環(huán)降解.以往研究基于對(duì)實(shí)際工藝的模擬，對(duì)Pseudomonas的不同菌株BioMnOx在水處理反應(yīng)體系中，或?qū)τ袡C(jī)物氧化、或?qū)χ亟饘傥竭M(jìn)行了宏觀評(píng)價(jià).然而，實(shí)際水體中存在著多種金屬離子，在被吸附占據(jù)吸附位點(diǎn)同時(shí)對(duì)BioMnOx氧化有機(jī)物的影響鮮有研究.另外，BioMnOx具有較高的吸附及氧化活性，其微觀結(jié)構(gòu)和活性會(huì)隨時(shí)間快速變化，Pseudomonas的菌株活性、BioMnOx的形成過(guò)程及結(jié)構(gòu)變化等對(duì)吸附和有機(jī)物的降解影響相關(guān)性研究，對(duì)于生物鐵錳反應(yīng)器的參數(shù)設(shè)計(jì)及啟動(dòng)運(yùn)行具有重要意義.

本研究以具有強(qiáng)錳氧化能力的Pseudomonasputida作為模式菌種, 以水體中常見(jiàn)的Fe(III)為共存離子，通過(guò)研究P.putida形成錳氧化物的過(guò)程對(duì)Fe(III)的吸附及對(duì)APAP降解效率，確定BioMnOx吸附過(guò)程對(duì)氧化能力的影響；提出BioMnOx生物量對(duì)APAP降解的動(dòng)力學(xué)并推斷APAP的降解途徑，為BioMnOx應(yīng)用于水體殘留非甾體藥物類(lèi)的去除提供新思路及理論支撐.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

實(shí)驗(yàn)中所用藥品有乙酰氨基酚(acetaminophen，APAP)(純度>99.0%，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司)、四氫呋喃(99.9%，J&K Chemical)、N-O雙(三甲基硅烷基)三氟乙酰胺(BSTFA,99%，TCI)，其他無(wú)機(jī)試劑均為分析純或優(yōu)級(jí)純，甲醇、乙腈等有機(jī)試劑均為色譜純.

1.2 生物錳氧化物的形成

實(shí)驗(yàn)所用菌株為惡臭假單胞菌(PseudomonasputidaQYS-1，CGMCCNO:14390)，從某除鐵錳的生物濾池中篩選分離出來(lái).

培養(yǎng)基成分(g/L)：蛋白胨 0.8，酵母浸粉 0.2，K2HPO40.1，MgSO4·7H2O 0.2，NaNO30.2，CaCl20.1，NH4Cl 0.1，MnSO4·H2O 0.2.配置一定量的培養(yǎng)基， 然后用飽和 NaOH 調(diào)節(jié) pH(7.1～7.2)，分裝后放于滅菌器中 121 ℃滅菌 30 min. 然后將其轉(zhuǎn)入生物安全柜中， 冷卻至室溫.取100 mL裝入錐形瓶中，將PseudomonasputidaQYS-1母液以1%的接種量接入，然后將其置于恒溫振蕩器中培養(yǎng)(溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速125 r/min)，培養(yǎng)40 h，每隔2 h取樣.測(cè)其OD600監(jiān)測(cè)生物錳氧化物的形成過(guò)程.取上層清液測(cè)鐵錳離子質(zhì)量濃度，考察BioMnOx形成過(guò)程對(duì)Fe(III)吸附的影響.

1.3 BioMnOx的制備

配置一批培養(yǎng)基，以相同的條件滅菌冷卻，將母液以1%的接種量接入新配置的培養(yǎng)基中，將其置于恒溫振蕩器中培養(yǎng)(溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速125 r/min)40 h左右生成黑色顆粒沉淀，即培養(yǎng)完全.將培養(yǎng)完全的培養(yǎng)基轉(zhuǎn)入滅菌的離心管中，置于高速離心機(jī)中離心20 min(溫度25 ℃，轉(zhuǎn)速5 000 r/min)，棄掉上清液用無(wú)菌水反復(fù)水洗3次，反復(fù)離心，得到BioMnOx.

1.4 BioMnOx的形成過(guò)程中Fe(III)吸附及APAP氧化相互影響

配置一定量的培養(yǎng)基，加入不同質(zhì)量濃度的APAP溶液(10，100 mg/L)、Fe(III)以檸檬酸鐵銨形式加入(1 g/L)以及1%的惡臭假單胞菌母液，同時(shí)設(shè)置3組平行樣.將Pseudomonasputida接入的時(shí)間記為零時(shí)刻，每隔一定時(shí)間取樣.通過(guò)HPLC和ICP-OES測(cè)定溶液中不同時(shí)刻APAP的剩余質(zhì)量濃度和Fe(III)質(zhì)量濃度，考察BioMnOx形成過(guò)程中Fe(III)吸附及APAP氧化相互影響.

另外，配置不同Mn2+質(zhì)量濃度(8.13，16.25，24.38，32.50 mg/L)的培養(yǎng)基，接種1%的Pseudomonasputida母液，每組設(shè)置3個(gè)平行樣.不同量的BioMnOx生成后離心收集，加入APAP溶液中，將BioMnOx接入的時(shí)間記為零時(shí)刻，每隔一定時(shí)間取樣，檢測(cè)剩余APAP質(zhì)量濃度，以此探討B(tài)ioMnOx的量對(duì)APAP氧化的影響.

1.5 Pseudomonas putida對(duì)APAP的氧化活性

制備6組相同條件下生成的BioMnOx，振蕩離心后棄掉上清液，將BioMnOx與10 mg/L APAP的無(wú)菌溶液混合，同時(shí)向其中3瓶加入50 mg/L的疊氮化鈉，作為抑制組1，其余3瓶不加作為對(duì)照組1[9].將其置于恒溫振蕩器中振蕩(溫度 25 ℃；轉(zhuǎn)速 125 r/min).將加入BioMnOx的時(shí)間記為零時(shí)刻，在振蕩2 h及24 h時(shí)各取一次樣，測(cè)定溶液中APAP質(zhì)量濃度.通過(guò)兩組APAP去除情況的比較，探討Pseudomonasputida的氧化活性對(duì)Fe(III)吸附及APAP氧化的影響.

振蕩24 h后，將兩組溶液分別超聲1 h，取其上清液檢測(cè)溶液中鐵錳質(zhì)量濃度，探討其在APAP降解過(guò)程中的作用.

1.6 降解產(chǎn)物分析

配置一定質(zhì)量濃度的APAP溶液，加入生成的BioMnOx，將BioMnOx接入的時(shí)間記為零時(shí)刻，每隔一定時(shí)間取樣，通過(guò)GC-MS系統(tǒng)分析降解產(chǎn)物.

1.7 分析方法

1.7.1 樣品分析

實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)刻所取的樣品于20 ℃、4 000 r/min條件下離心20 min，上清液經(jīng)0.22 μm濾膜過(guò)濾后于4 ℃下保存，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析.

APAP質(zhì)量濃度通過(guò)HPLC-UV系統(tǒng)分析，配置反向C18高效液相色譜柱(150×4.6 mm，5 μm).柱溫設(shè)為30 ℃，進(jìn)樣量20 μL.流動(dòng)相，V(甲醇)∶V(超純水)(含0.05%冰乙酸)=20∶80，流速0.5 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)240 nm[9].

溶液中鐵錳離子質(zhì)量濃度通過(guò)電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定.

1.7.2 動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

對(duì)APAP的降解、Mn2+的氧化過(guò)程進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合，反應(yīng)速率方程如下

(1)

積分形式為

(2)

式中：t為時(shí)間，h；ρ為t時(shí)刻APAP或Mn2+的質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為0時(shí)刻APAP或Mn2+的質(zhì)量濃度，mg/L；K為反應(yīng)速率常數(shù).

1.7.3 降解產(chǎn)物分析

采用GC-MS分析主要降解產(chǎn)物，GC-MS條件[20]：進(jìn)樣口溫度280 ℃，采用程序升溫，初始60 ℃，保持3 min，然后以10 ℃/min升至280 ℃，保持3 min；He為載氣，流量1 mL/min，分流20 mL/min，進(jìn)樣量1 μL；EI源為電離源，70 eV.樣品前處理：取水樣150 μL，加入氣相色譜瓶中，以輕柔的氮?dú)獯蹈?，然后加?50 μL無(wú)水四氫呋喃和60 μL BSTFA，加蓋密封后置于40 ℃烘箱中衍生30 min，用于GC-MS分析.

1.7.4 BioMnOx表征方法

分別收集培養(yǎng)24，44 h時(shí)的BioMnOx，將其置于冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥，分別取少許置于電鏡樣品臺(tái)上作噴金處理，然后采用掃描電鏡(SEM，Quanta FEG 250，美國(guó))、透射電鏡(TEM，Talos F200 X，美國(guó))對(duì)BioMnOx的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 BioMnOx的形成過(guò)程

從P.putidaQSY-1接種至6 h，培養(yǎng)基保持澄清透明，顏色為橙黃色，從6 h起培養(yǎng)基溶液顏色加深，為紅棕色，觀測(cè)到10 h無(wú)明顯沉淀，但溶液逐漸渾濁；從10 h起開(kāi)始逐漸出現(xiàn)棕黑色錳沉淀物，到20 h之間培養(yǎng)基呈黑褐色膠體狀溶液，靜置不分層；20 h后大量絮狀棕黑色沉淀逐漸積累，靜置后固液邊界清晰，上清液澄清透明；由圖2可知,OD600也與觀測(cè)現(xiàn)象吻合，在6～18 h呈線性遞增，20 h后OD600幾乎不再增加，但誤差棒增大，是因?yàn)殄i氧化物顆粒變化較大，培養(yǎng)基由乳濁液變化至可分離懸濁態(tài)，說(shuō)明BioMnOx在形成過(guò)程中自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.

BioMnOx生成過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖1.可以看出，在BioMnOx形成初期，BioMnOx表面較為平整，但內(nèi)部嵌布顆粒，粒徑較小，直徑約為49.9 nm，可見(jiàn)此時(shí)生物氧化形成的錳氧化物結(jié)晶較弱[21]，由TEM圖可以看出，BioMnOx為無(wú)定型的納米顆粒.在24～44 h，BioMnOx結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由平整演變?yōu)槊芗?、突出的顆粒狀，顆粒邊界更為清晰，粒徑約70 nm.Tebo等研究發(fā)現(xiàn)生物錳氧化物初級(jí)產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，在初級(jí)產(chǎn)物中共存著正六邊形和假直角型兩種晶體結(jié)構(gòu).12 h時(shí)正六邊形結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)，之后假直角結(jié)構(gòu)逐漸變成主導(dǎo)[22].

由圖2可知，溶解性錳離子在0～10 h質(zhì)量濃度變化較小，10～20 h迅速降低，從44.44 mg/L降至0.86 mg/L，尤其是在14～16 h，2 h內(nèi)減少了40.8 mg/L.Mn離子的急劇減少并非是Mn離子的完全氧化，因?yàn)镺D600在2 h內(nèi)沒(méi)有急劇增加，仍處于線性遞增，Mn離子的急劇減少應(yīng)源于BioMnOx對(duì)Mn離子的吸附.Forrez等[23]觀察到錳氧化物形成過(guò)程中表面可吸附大量的Mn離子，培養(yǎng)20 h時(shí)Mn2+/Mn4+的比率為0.57 mg/mg.20 h后，Mn離子質(zhì)量濃度再次處于緩慢降低的過(guò)程，最終Mn離子質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.15 mg/L左右.

圖1 不同時(shí)刻BioMnOx的TEM結(jié)構(gòu)

圖2 錳氧化物的形成

2.2 BioMnOx的形成過(guò)程對(duì)Fe(III)的吸附及對(duì)APAP的氧化

由圖3可知，BioMnOx對(duì)Fe(III)的吸附發(fā)生在對(duì)APAP的氧化之前.在APAP的共存體系中，無(wú)論APAP是低或高質(zhì)量濃度(10，100 mg/L)，F(xiàn)e(III)的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)一致，即0～12 h質(zhì)量濃度變化不大，保持在123 mg/L左右，而12～16 h急劇下降至1.3 mg/L左右，在20 h后少量回增又下降至穩(wěn)定，保持在1.2 mg/L左右.12～16 h是錳氧化物初級(jí)產(chǎn)物形成期，其結(jié)構(gòu)正逐漸由正六邊形演化至假直角型[22]，Tebo等[22]研究發(fā)現(xiàn)后者中的Mn(Ⅳ)缺位較少，而Mn(Ⅳ)空缺位點(diǎn)的數(shù)量直接影響到吸附能力.因此，在12～16 h BioMnOx對(duì)Fe(III)顯示出較強(qiáng)的吸附性能，16～20 h則保持穩(wěn)定.20 h以后APAP開(kāi)始被BioMnOx氧化，部分Mn(IV)氧化物作為電子受體轉(zhuǎn)化為溶解性的Mn(II)，結(jié)構(gòu)改變致使吸附位點(diǎn)減少，已吸附的Fe(III)被解吸釋放.通過(guò)比較10及100 mg/L的APAP體系可知，在100 mg/L體系中Fe(III)的釋放量(22.4 mg/L)幾乎為10 mg/L體系中(2.8 mg/L)的10倍.吸附后期隨著P.putida的氧化作用，持續(xù)地將Mn2+轉(zhuǎn)化為BioMnOx，繼而對(duì)釋放的Fe(III)重新吸附至接近1.2 mg/L.因此，APAP與Fe(III)共存時(shí)，BioMnOx對(duì)APAP的氧化影響了對(duì)Fe(III)的吸附，致使其發(fā)生解吸，但解吸可通過(guò)持續(xù)的BioMnOx生成而消除.

圖3 不同初始質(zhì)量濃度APAP與Fe3+、Mn2+質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化

圖4 降解速率曲線

表1 APAP降解及錳氧化過(guò)程一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)

APAP的存在對(duì)Mn2+的變化規(guī)律亦產(chǎn)生了影響.由圖5可知，在只有Fe3+存在而無(wú)APAP時(shí)，Mn2+在14～16 h由38.2 mg/L急劇減少至3.62 mg/L，然而在APAP存在時(shí)，Mn2+減少速率放緩(圖3).為分析APAP質(zhì)量濃度對(duì)Mn2+氧化速率的影響，取圖3(a)中18～23 h、圖3(b)中18～30 h Mn2+的氧化速率進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擬合，反應(yīng)速率方程擬合曲線如圖6所示，可以看出，Mn2+的氧化速率符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且速率常數(shù)與相對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度的APAP氧化速率常數(shù)接近，即10，100 mg/L APAP質(zhì)量濃度下的Mn2+氧化速率常數(shù)KMn分別為0.760 55和0.134 36 h-1，K(Mn,10)遠(yuǎn)大于K(Mn,100)，同時(shí)K(APAP,10)也遠(yuǎn)大于K(APAP,100)(表1)，表明100 mg/L質(zhì)量濃度下的Mn2+氧化速率低，導(dǎo)致該質(zhì)量濃度下APAP的降解速率較慢.錳氧化速率的降低應(yīng)該是由APAP對(duì)Pseudomonasputida生長(zhǎng)抑制作用導(dǎo)致,本課題組前期實(shí)驗(yàn)表明，高質(zhì)量濃度下(100 mg/L)的APAP對(duì)Pseudomonasputida生長(zhǎng)有抑制作用，100 mg/L的APAP培養(yǎng)基中細(xì)菌數(shù)量較10 mg/L減少了約75%，因此，對(duì)Mn2+的氧化速率產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致高質(zhì)量濃度APAP降解速率降低.

圖5 無(wú)APAP存在時(shí)鐵錳離子質(zhì)量濃度變化

圖6 Mn2+氧化速率曲線

在Pseudomonasputida氧化Mn2+生成BioMnOx過(guò)程中，雖然對(duì)Fe(III)的吸附先于對(duì)APAP的氧化，但對(duì)Fe(III)的吸附并未對(duì)APAP的氧化速率產(chǎn)生影響；APAP的氧化過(guò)程中則會(huì)導(dǎo)致Fe(III)解吸的發(fā)生，但新增的BioMnOx可對(duì)Fe(III)再吸附；APAP質(zhì)量濃度增加可抑制Mn2+的氧化速率來(lái)減緩APAP的降解速率.因此，Pseudomonasputida對(duì)Mn2+的氧化活性及BioMnOx的量將會(huì)對(duì)APAP降解造成影響.

2.3 Pseudomonas putida的氧化活性對(duì)Fe(III)吸附及APAP氧化的影響

本實(shí)驗(yàn)利用疊氮化鈉抑制Pseudomonasputida的活性[9].由圖7可知，Pseudomonasputida的活性被抑制后APAP的降解效果變差，反應(yīng)2 h時(shí)，對(duì)照組1中APAP的去除率為72%，而抑制組1中其去除率只有33%，反應(yīng)24 h時(shí)，對(duì)照組1中APAP的去除率達(dá)100%，實(shí)現(xiàn)完全降解，而抑制組1中APAP的去除率與反應(yīng)2 h時(shí)相比幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明PseudomonasputidaMn2+氧化活性的抑制嚴(yán)重影響了APAP的降解.Sabirova等[24]也發(fā)現(xiàn)了疊氮化鈉可以抑制Pseudomonasputida的活性使其降解17α-炔雌醇的能力變差，這是因?yàn)橛捎诏B氮化鈉的抑制作用，Pseudomonasputida活性受到抑制后就無(wú)法繼續(xù)氧化培養(yǎng)基中的Mn2+，使得培養(yǎng)基喪失持續(xù)產(chǎn)生BioMnOx的能力，進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)污染物不能被完全降解.所以，抑制組1中APAP的去除率沒(méi)有隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而有所變化.抑制組1中反應(yīng)2 h時(shí)達(dá)到的33%的去除率可能是加入疊氮化鈉前培養(yǎng)基中已經(jīng)生成的BioMnOx作用的結(jié)果.以上證明APAP質(zhì)量濃度的增加可以抑制培養(yǎng)基中Mn2+的氧化速率進(jìn)而減緩APAP的去除速率.

圖7 APAP降解效率

對(duì)照組1和抑制組1超聲后檢測(cè)溶液中溶解性鐵錳離子質(zhì)量濃度，結(jié)果顯示兩組中鐵離子質(zhì)量濃度均非常低，約為零，這表明Pseudomonasputida的氧化活性抑制對(duì)BioMnOx吸附?jīng)]有產(chǎn)生影響.抑制組1中Mn2+質(zhì)量濃度平均為9.3 mg/L，對(duì)照組1中Mn2+質(zhì)量濃度僅為0.5 mg/L.這也表明BioMnOx對(duì)Fe(III)的吸附并非為與Mn2+的離子交換機(jī)制.結(jié)合上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)照組1中APAP的去除率達(dá)100%，而抑制組1中APAP的去除率僅達(dá)33%，這說(shuō)明培養(yǎng)基中Mn2+的持續(xù)氧化是實(shí)現(xiàn)APAP能夠達(dá)到完全降解的重要因素.對(duì)照組中由于BioMnOx表面負(fù)載少量Mn2+，在與APAP溶液混合后，表面的Mn2+不斷被釋放出來(lái)，Pseudomonasputida持續(xù)氧化Mn2+，繼而生成新的BioMnOx，不斷生成的BioMnOx能夠促使溶液中的APAP持續(xù)降解，所以，對(duì)照組1中的APAP去除效果較抑制組1更為顯著，同時(shí)，由于培養(yǎng)基中Mn2+被不斷消耗生成新的BioMnOx，其超聲后的質(zhì)量濃度較低.而抑制組1中，由于Pseudomonasputida的活性被抑制，進(jìn)而Mn2+氧化作用被抑制，不能生成新的BioMnOx，APAP的降解只能由培養(yǎng)基中原有的BioMnOx來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于原有的BioMnOx量很少，抑制組1中的APAP不能實(shí)現(xiàn)完全降解，超聲后的Mn2+質(zhì)量濃度也比對(duì)照組1中的高.因此，BioMnOx量對(duì)APAP的氧化產(chǎn)生一定影響.

2.4 BioMnOx量對(duì)APAP氧化的影響

BioMnOx量對(duì)APAP氧化速率常數(shù)的線性關(guān)系采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖8和表2)，其相關(guān)系數(shù)均較好(R2=0.92～0.99)，符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.Mn2+質(zhì)量濃度為24.38，32.50 mg/L時(shí)所生成的BioMnOx能夠在14 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)APAP降解完全，而Mn2+質(zhì)量濃度為8.13，16.25 mg/L時(shí)所生成的BioMnOx分別在24，18 h時(shí)才能實(shí)現(xiàn)APAP降解完全，說(shuō)明APAP所需完全降解的時(shí)間與生成的BioMnOx的量成正相關(guān).

圖8 速率常數(shù)曲線

表2 速率常數(shù)曲線參數(shù)

2.5 APAP的氧化降解途徑推斷

采用GC-MS對(duì)APAP氧化降解的中間產(chǎn)物進(jìn)行分析[12]，結(jié)果列于表3，根據(jù)表3推測(cè)APAP氧化降解可能的降解途徑，結(jié)果見(jiàn)圖9.

首先APAP苯環(huán)上的乙?；蝗〈梢阴０?1)、對(duì)氨基苯酚和對(duì)苯二酚(6)，(1)進(jìn)一步被氧化為乙醇酸(2)，繼而生成乙二酸(3)，最終氧化為二氧化碳和水；同時(shí)對(duì)氨基苯酚的-NH2被取代生成(6)，之后(6)脫下羥基生成苯醌(7)，(7)進(jìn)一步開(kāi)環(huán)裂解、雙鍵打開(kāi)生成順丁烯二酸，順丁烯二酸繼續(xù)被氧化生成(3)[25]，最終被礦化為二氧化碳和水，或者對(duì)氨基苯酚被氧化生成苯醌亞胺(4)，進(jìn)一步再生成(7)，然后重復(fù)上述降解途徑；(6)同時(shí)被氧化生成(7)和丁二酸(5)，(5)繼續(xù)氧化生成(3)，而(7)重復(fù)上述降解途徑，最終生成二氧化碳和水.

表3 APAP降解的中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)推測(cè)

圖9 APAP氧化降解可能的降解途徑

3 結(jié) 論

1)BioMnOx為無(wú)定型的納米顆粒，在形成過(guò)程中自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表面由平整變?yōu)槊芗⑼怀龅念w粒狀，顆粒邊界更為清晰，顆粒粒徑從約49.9 nm長(zhǎng)至約70 nm.BioMnOx在形成過(guò)程中Mn離子的急劇減少主要是由于BioMnOx對(duì)Mn離子的吸附.

2)BioMnOx形成過(guò)程中對(duì)Fe(III)的吸附發(fā)生在對(duì)APAP的氧化之前，但對(duì)Fe(III)的吸附并未對(duì)APAP的氧化速率產(chǎn)生顯著影響.APAP氧化降解過(guò)程以及不同APAP質(zhì)量濃度對(duì)Mn2+氧化速率影響過(guò)程均符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程.

3)APAP質(zhì)量濃度增加可抑制Mn2+的氧化速率來(lái)減緩APAP的降解速率.Pseudomonasputida對(duì)Mn2+的氧化活性及BioMnOx的量對(duì)APAP降解有一定的影響.

4)在APAP氧化降解過(guò)程中，生成了對(duì)苯二酚、乙酰胺、對(duì)氨基苯酚等一系列產(chǎn)物，隨后繼續(xù)被氧化為結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的有機(jī)物，最后生成CO2和H2O，實(shí)現(xiàn)APAP的降解.