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生物降解过程中对于表面活性剂AS、AE的表面活性以及水生生物毒性的性能的关系——结果与讨论

来源：上海谓载浏览 1324 次发布时间:2021-10-08

3、结果与讨论

3.1、表面张力和水生毒性的变化

3.1.1、LAS的生物降解性、表面张力和水生毒性随时间的变化生物降解过程中生物降解性、表面张力和水生毒性随时间的变化如图1所示，其中每24次测量一次H。

图 1 测试期间 10 mg/L LAS 的生物降解、表面张力和水生毒性。水生毒性用大溞的死亡率表示，生物降解用 BOD 计算。

正如 Yoshimura 等人 12) 所示，我们的 10 mg/L LAS 的结果也显示出约 8 天的生物降解率显着降低，此后生物降解率逐渐开始增加。另一方面，表面张力值在第 4 天迅速增加，并在第 6 天达到约 72.8 mN/m。蒸馏水的表面张力约为 72.8 mN/m 16)，因此该值表示表面活性剂的界面活性丧失。该结果与 Miura 等人的报告一致。 11) 其中解释了MBAS 下降率与生物降解性值之间的关系。 LAS 的死亡率随着表面张力的迅速增加而迅速降低。 20 mg/L LAS 的结果显示出与 10 mg/L LAS 相似的行为，除了每次变化比 10 mg/L 晚约 24 至 48 小时（图 2）。

在我们之前的研究 3,4) 中，LAS 对大型水蚤的 g tox 约为 50 mN/m。当表面张力为 50 ~ 60 mN/m 时，10 mg/L LAS（图 1）和 20 mg/L LAS（图 2）的死亡率预计为 50%，这对应于生物降解下 LAS 的 g tox . 因此，生物降解下的 g tox 显示出与未生物降解的 g tox 相当的值，这表明界面活性是 LAS 对大型水蚤的水生毒性的主要因素。

3.1.2 AE 的生物降解性、表面张力和水生毒性随时间的变化

AE 的生物降解速度比 LAS 快。对于 10 mg/L AE9，BOD 和表面张力值在测试开始后立即开始增加，死亡率立即下降（图 3）。表面张力值在第 2 天达到约 72.8 mN/m。该结果与之前的报告一致9），其中比较了基于 CO2 量的生物降解率（测量的 CO2 产量/理论 CO2 产量）和 CTAS 的降低率。也就是说，Strum 研究中 CTAS 的降低对应于我们研究中表面张力值的增加。

图 2 测试期间 20 mg/L LAS 的生物降解、表面张力和水生毒性。水生毒性用大溞的死亡率表示，生物降解用 BOD 计算。

如果 AE9 的浓度增加到 20 mg/L，观察到与 10 mg/L 结果相似的趋势（图 4）。然而，对于 20 mg/L 的结果，死亡率下降的起点比 10 mg/L 的结果延迟了大约 24 小时。表面张力曲线的增加速度比10mg/L慢。

图 3 测试期间 10 mg/L AE9 的生物降解、表面张力和水生毒性。水生毒性用大溞的死亡率表示，生物降解用 BOD 计算。

图 4 测试期间 20 mg/L AE9 的生物降解、表面张力和水生毒性。水生毒性用大溞的死亡率表示，生物降解用 BOD 计算。

图 5 测试期间 20 mg/L AE8 的生物降解、表面张力和水生毒性。水生毒性用大溞的死亡率表示，生物降解用 BOD 计算。

由于AE8用于商业产品，我们使用AE8来比较另一种AE。 20 mg/L AE8（图5）的结果与20 mg/L AE9（图4）的结果相似。 20 mg/L AE8 的死亡率随着表面张力和生物降解率的增加也迅速下降。测试开始后，表面张力值立即开始增加，并在第 6 天达到约 72.8 mN/m。该结果与之前的报告 9) 以及 20 mg/L AE9 的结果相似（图 4）。 BOD在1-2天内开始增加，并在3天后继续逐渐增加。至于死亡率，4天后略有增加，可能是溶解氧不足所致。

3.2、生物降解途径及其水生毒性比较

3.2.1、LAS HPLC色谱图的变化

生物降解过程中10mg/L LAS的色谱图，通过HPLC使用UV检测器进行分析，如图6所示。在相应的保留时间（RT）处出现不同碳链数的峰组：16至19.5分钟为C10，26.5至32.5分钟是C11，44到55分钟是C12，74到95分钟是C13。由于苯基的结合位置不同，每个峰组都包含异构体峰。参考标准（和光纯药工业株式会社）用于识别每个峰。

LAS异构体根据磺基苯基在烷基链上的连接位置分为两类。即，其中磺基苯基连接到烷基链的外部位置（外部异构体）或内部位置（内部异构体）的异构体17）。尽管外部异构体的生物降解速度比内部异构体快，但这些异构体的所有峰在 96 小时后开始消失（图 6）。这些结果与之前的报告一致12)。新的峰出现在生物降解过程 96 小时（4 天）后 0 到 10 分钟的保留时间，这被认为是 LAS 降解产生的磺苯基羧酸盐 (SPC) 的峰。 96 小时后，其表面张力值开始增加（图 1），LAS 的峰开始消失（图 6）。 144 小时（6 天）后，表面张力值达到约 72.8 mN/m（图 1），LAS 的峰值消失（图 6）。如果 LAS 的浓度增加到 20mg/L，观察到与 10mg/L 相似的结果（图 7）。

大溞的死亡率随着表面张力值的增加而迅速降低（图1），图6的色谱图中推测了相应的从LAS到SPC的化学结构变化。因此LAS的水生毒性降低由于 LAS 降解为 SPC，界面活性丧失可以解释生物降解。

3.2.2、AE HPLC色谱图的变化

用高效液相色谱法分析生物降解过程中AE 的色谱图如图8 所示，其中10 毫克/升C12-AE9 的峰出现在11 分钟的保留时间，作为内标的C18 醇出现在18 分钟的保留时间。在 8 分钟的保留时间之前观察到主要由衍生产物引起的干扰峰。 10mg/L AE9 的大部分峰在 48 小时后消失（图 8），而图 3 中此时基于需氧量的生物降解保持 35%。此时表面张力值达到约 72.8 mN/m . 因此，表明AE9在其生物降解率低于50%的时间内失去了其界面活性和水生毒性。

使用商用 AE8 进行生物降解测试获得的结果如图 9 所示，其中 C12-AE8 和 C14-AE8 的峰分别在保留时间 11 分钟和 14 分钟附近观察到。观察到18分钟内标峰和8分钟前的干扰峰以及图8中AE9的结果。24小时后观察到AE8峰面积减少，72小时峰消失。 144 小时（6 天）后表面张力值达到约 72.8 mN/m，而生物降解率仅为 45%，死亡率在 48 小时时降至 0%（图 5）。与 10 mg/L AE9 的结果相似，20 mg/L AE8 的水生毒性在基于需氧量的生物降解增加到 50% 之前消失。

图 6 测试期间 10 mg/L LAS 的色谱图。

图 7 测试期间 20 mg/L LAS 的色谱图。

图 8 测试期间 10 mg/L AE9 的色谱图。

图 9 测试期间 20 mg/L AE8 的色谱图。

3.3、驯化对生物降解的影响

3.3.1、LAS重加测试结果

生物降解试验中死亡率降至零，表面张力增加至蒸馏水后，在原试液中加入一定量的LAS，得到LAS的初始浓度，测定水蚤的表面张力和死亡率magna 被观察到。结果如图 10 所示，其中表面张力增加到蒸馏水水平并且死亡率在第 7 天下降到 0%。因此，在第 8 天重新添加 LAS。然而，在这种情况下没有测量基于需氧量的生物降解，因为重新添加过程会改变溶解氧。

结果，在第8天重新加入LAS使试液的表面张力降低到与初始阶段相同的水平，但死亡率没有达到100%。重新添加后不久，观察到表面张力值迅速增加，水生毒性和死亡率迅速下降。重新添加 LAS 后，死亡率暂时增加，但随后立即降至 0%。重新添加后第 2 天，表面张力值达到约 72.8 mN/m。

图 11 显示了 HPLC 色谱图，表明 LAS 的峰面积在重新加入后约 5 小时立即开始下降，并在重新加入过程后 48 小时从测试溶液中完全消失。

图 10 10 mg/L LAS 驯化试验的生物降解和表面张力。水生毒性以大溞的死亡率表示。

图 11 驯化测试期间重新添加后 10 mg/L LAS 的色谱图。描述了重新添加后的时间和当时的表面张力。

20 mg/L LAS（图12）的结果与10 mg/L LAS（图10）的结果相似，只是表面张力值的恢复需要更长的时间，死亡率暂时达到100 %。 HPLC 色谱图显示 LAS 的峰面积在 24 小时内开始减少，并在重新加入后 96 小时消失（图 13）。

图 12 20 mg/L LAS 驯化试验的生物降解和表面张力。水生毒性以大溞的死亡率表示。

图 13 驯化试验期间重新添加 20 mg/L LAS 后的色谱图：描述了重新添加后的时间和当时的表面张力。

图 14 10 mg/L 驯化试验的生物降解和表面张力 AE9：水生毒性用大溞的死亡率表示。

10 mg/L LAS 和 20 mg/L LAS 的重新添加测试结果表明，驯化增加了初级生物降解率，可以通过表面张力值的变化来识别。 LAS 驯化引起的 LAS 水生毒性的快速降低应该是评估表面活性剂环境风险的重要因素。

3.3.2、AE重新添加测试结果

为明确驯化对AE生物降解及相关事项的影响，对10mg/L AE9、20mg/L AE9和20mg/L AE8的再添加试验测定了表面张力和死亡率；结果分别如图 14、15 和 16 所示。在每个实验中，重新添加一定量的相同 AE 以给出初始浓度。

在 10 mg/L AE9 的情况下，在第 6 天进行重新添加，因为此时死亡率和表面张力已稳定下来。重新添加后第2天表面张力恢复到蒸馏水的水平，死亡率在暂时增加到80％后立即下降到0％（图14）。因此得出结论，AE9 在重新添加后 24 小时内发生了初级生物降解，这表明驯化加速了 AE9 的初级生物降解。

在图15中的20mg/L AE9的情况下，在第15天进行重新添加并且表面张力恢复速度和水生毒性降低速度变得比10mg/L AE9慢。在这种情况下，最佳再读时间可以估计为 10 天，但因情况而延迟了 5 至 6 天。

图 15 20 mg/L AE9 驯化试验的生物降解和表面张力。水生毒性以大溞的死亡率表示。

对于20 mg/L AE8，根据表面张力和死亡率的变化在10天时重新添加，趋势与20 mg/L AE9的情况相似。在重新添加后 48 小时观察到 20 mg/L AE8 的 HPLC 峰，峰面积表明此时保留了约 30% 的 AE8（图 17）。这一事实表明，如果 AE 的浓度增加超过 20 毫克/升，重新添加后 AE 的生物降解速度相当缓慢。可以假设 20 mg/L AE 的负载对于本研究中的细菌活性来说太重了。然而，如果浓度低于 10 毫克/升，无论有没有驯化，都获得了极好的生物降解性。