UV365/NaNO2对Microcystin-LR的降解机理及对铜绿微囊藻生长和产毒的影响

论文摘要

生产、生活污水的排放使湖泊和其他自然水体中的营养盐类的浓度增加,水体富营养化在世界范围内频繁发生,部分地区的发生频率和程度呈现增长的趋势。有害水华中的某些主要藻类产生的微囊藻毒素,是一种强烈的肝脏肿瘤促进剂。在藻类死亡过程中会从藻细胞中释放到水中,鉴于微囊藻毒素对人体健康和生态环境的危害,世界卫生组织将水中MC-LR的检出限定为1μg/L。本研究从实验室扩大培养的铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）中分离并纯化MC-LR供实验使用。系统研究了所用的固相萃取方法对MC-LR的提取效率,结合高效液相色谱和质谱分析方法,研究了亚硝酸盐以及紫外结合亚硝酸盐对MC-LR的降解和对铜绿微囊藻生长和产毒的影响。主要结论如下：1.在使用HPLC方法检测藻毒素过程中,MC-LR样品中甲醇含量对MC-LR检测结果有着显著的影响。在不同比例的甲醇中,相同含量的MC-LR在HPLC的检测结果不同。在甲醇比例在80%以下时,相同浓度MC-LR的HPLC检测响应值（峰面积）随着甲醇的比例的增加而缓慢增加。到80%时达到最大,之后随甲醇比例的继续增加而显著降低。因此,样品中甲醇的含量对MC-LR的检测结果有着显著的影响,在使用HPLC方法检测时应严格控制样品中甲醇的含量,以使检测结果具有准确性和可比性。2.实验首次观测到在HNO2存在的情况下,MC-LR发生降解,并初步研究了MC-LR与HNO2反应的准一级动力学特征,探索了不同条件（反应溶液的pH、NaNO2浓度以及MC-LR浓度）对MC-LR降解速率的影响,并结合LC-MS研究了亚硝酸盐对MC-LR的降解动力学及反应机理。在pH为1.73,NaNO2浓度为5 mmol/L, MC-LR浓度为9.78 mg/L时MC-LR的降解速率最快,5h内MC-LR的去除率达到94.89%。MC-LR降解的准一级动力学速率常数k随着pH值的升高而降低。本实验中,在NaNO2浓度小于5 mmol/L时,MC-LR降解的反应速率常数k随NaNO2浓度升高而增加,但在NaNO2浓度大于5 mmol/L时,k随NaNO2浓度升高而降低,亦即k在NaNO2浓度为5 mmol/L时达到最大。MC-LR浓度对其降解无显著影响。HNO2对MC-LR的降解机理主要是破坏Adda基团的共轭二烯双键,和苯环发生亲电加成反应和与MC-LR分子中-NH2末端发生的重氮化反应。3.在UV365/NaNO2对MC-LR的降解过程中,MC-LR的降解可以分别用准一级动力学方程和二级动力学方程拟合,但使用准一级动力学方程拟合的相关系数更高。MC-LR的降解速率分别随着pH值降低而增加,随着NaNO2浓度的升高而增加,随着紫外强度的增加而增加,随着MC-LR浓度的增加而降低。结合质谱分析结果提出了UV365/对MC-LR的具体反应机理：MC-LR分子中的共轭双键和Adda基团末端的苯环是降解过程中的主要反应位点,通过与OH自由基和NO自由基之间的亲电加成反应达到了降解的目的。MC-LR分子中的甲氧基和环状分子中的双键也是主要的反应位点。在紫外的作用下,NaNO2和MC-LR之间的反应可以使这两类污染物在短期内从水中去除。4.文章初步探索了UV365/NaNO2对铜绿微囊藻生长和产毒的影响。在实验室培养的条件下,铜绿微囊藻在15d内进入生长的稳定期。结果表明,在硝酸盐充足的条件下,当向培养基中加入较高浓度的亚硝酸盐（30mg/L）时,其浓度会随时间的增加而降低,当向培养基中加入较低浓度的亚硝酸盐（10mg/L和20mg/L）时,其浓度会随时间的增加而升高。亚硝酸盐对铜绿微囊藻的生长和产毒影响不显著,UV365对其光和速率和胞内毒素含量有着显著的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩写词对照表
• 第一章 引言
• 1. 水体富营养化
• 2 MC-LR及其危害
• 3 自然界中氮元素与亚硝酸盐含量
• 3.1 自然界中的亚硝酸盐
• 3.2 富营养化水中的亚硝酸盐
• 4 MC-LR检测方法研究综述
• 4.1 化学仪器分析法
• 4.2 生物分析法
• 5 MC-LR降解方法研究综述
• 5.1 物理法
• 5.2 生物降解法
• 5.3 化学降解法
• 5.4 高级氧化技术
• 365/NaNO₂反应体系研究进展'>5.5 UV₃₆₅/NaNO₂反应体系研究进展
• 6 研究目的和意义
• 7 技术路线
• 第二章 铜绿微囊藻细胞内MC-LR提取和HPLC检测
• 1 材料与试剂
• 1.1 供试藻种
• 1.2 试剂
• 1.3 仪器
• 2 实验方法与步骤
• 2.1 从铜绿微囊藻细胞中提取并纯化MC-LR
• 2.2 MC-LR检测
• 2.3 MC-LR在不同比例甲醇溶液中的标准曲线
• 3 结果与分析
• 3.1 MC-LR的HPLC检测结果
• 3.2 铜绿微囊藻细胞中MC-LR含量
• 3.3 MC-LR的标准曲线
• 3.4 MC-LR的回收率
• 3.5 不同甲醇含量的溶液中MC-LR的HPLC标准曲线
• 4 讨论
• 4.1 MC-LR标准样品的制备
• 4.2 HPLC检测的流动相选择
• 4.3 固相萃取过程中洗脱液的选择
• 5. 本章小结
• 2对MC-LR的降解'>第三章 HNO₂对MC-LR的降解
• 1 实验材料与试剂
• 1.1 供试藻种
• 1.2 化学试剂
• 1.3 仪器与设备
• 2 实验方法与步骤
• 2.1 MC-LR提取和溶液制备
• 2.2 MC-LR的HPLC检测
• 2.3 实验设计
• 2.4 不同参数对MC-LR降解的影响
• 3 结果与分析
• 3.1 降解过程中MC-LR的HPLC检测结果
• 3.2 pH对MC-LR降解的影响
• 2浓度对MC-LR降解的影响'>3.3 NaNO₂浓度对MC-LR降解的影响
• 3.4 MC-LR浓度对其降解速率的影响
• 3.5 降解动力学分析
• 3.6 反应速率常数与溶液中理论亚硝酸浓度的关系
• 4 降解机理分析
• 4.1 反应途径1:酸催化亚硝化反应
• 4.2 反应途径2:重氮化反应
• 4.3 反应途径2:亚硝酸与Adda基团末端的苯环反应
• 5 讨论
• 6 小结
• 365/HNO₂对MC-LR的降解'>第四章 UV₃₆₅/HNO₂对MC-LR的降解
• 1 实验材料与试剂
• 1.1 供试藻种
• 1.2 化学试剂
• 1.3 仪器与设备
• 2 实验方法与步骤
• 2.1 MC-LR提取和溶液制备
• 2.2 MC-LR检测
• 2.3 实验方法与步骤
• 2.4 各参数对MC-LR降解的影响
• 3 实验结果与分析
• 365/HNO₂作用下MC-LR的HPLC检测结果'>3.1 UV₃₆₅/HNO₂作用下MC-LR的HPLC检测结果
• 3.2 pH值对MC-LR降解的影响
• 2浓度对MC-LR降解的影响'>3.3 NaNO₂浓度对MC-LR降解的影响
• 3.4 MC-LR浓度对其降解的影响
• 3.5 紫外强度对MC-LR降解的影响
• 3.6 降解动力学分析
• 365/硝酸对MC-LR降解的协同作用'>3.7 UV₃₆₅/硝酸对MC-LR降解的协同作用
• 3.8 中间产物分析
• 4 降解机理分析
• 4.1 反应途径1:OH自由基攻击Adda基团的双键
• 4.2 反应途径2:OH自由基攻击Adda基团的苯环
• 4.3 反应途径3:NO自由基与Adda基团的苯环加合
• 4.4 反应途径4:OH自由基与MC-LR分子中Adda基团上的甲氧基反应
• 4.5 反应途径5:OH自由基与MC-LR分子七肽环中的双键反应
• 5 小结
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻生长和产毒的影响'>第五章 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻生长和产毒的影响
• 1 实验材料与试剂
• 1.1 供试藻种
• 1.2 化学试剂
• 1.3 仪器与设备
• 1.4 光照培养装置
• 1.5 紫外光源
• 2 实验方法与步骤
• 2.1 铜绿微囊藻的培养
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻细胞总数的影响'>2.2 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻细胞总数的影响
• 2.3 铜绿微囊藻细胞中叶绿素a含量的测定
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻光合速率的影响'>2.4 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻光合速率的影响
• 365/NaNO₂浓度对铜绿微囊藻胞内MC-LR含量的影响'>2.5 UV₃₆₅/NaNO₂浓度对铜绿微囊藻胞内MC-LR含量的影响
• 2.6 培养基中硝酸盐和亚硝酸盐含量的测定
• 3 结果与分析
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻细胞生长的影响'>3.1 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻细胞生长的影响
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻产生MC-LR的影响'>3.2 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻产生MC-LR的影响
• 365/NaNO₂对培养基中硝酸盐和亚硝酸盐含量的影响'>3.3 UV₃₆₅/NaNO₂对培养基中硝酸盐和亚硝酸盐含量的影响
• 4 讨论
• 4.1 亚硝酸盐对铜绿微囊藻生长的影响
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻生长的影响'>4.2 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻生长的影响
• 4.3 培养基中硝酸盐和亚硝酸盐含量的变化
• 5 小结
• 第六章 结论与展望
• 1 主要结论
• 1.1 MC-LR的HPLC检测结果与溶液中甲醇含量的关系
• 1.2 使用固相萃取方法纯化MC-LR过程中洗脱液对MC-LR检测结果的影响
• 2对MC-LR的降解作用'>1.3 HNO₂对MC-LR的降解作用
• 365/HNO₂对MC-LR的降解机理'>1.4 UV₃₆₅/HNO₂对MC-LR的降解机理
• 365/NaNO₂对铜绿微囊藻生长和产毒的影响'>1.5 UV₃₆₅/NaNO₂对铜绿微囊藻生长和产毒的影响
• 2 主要创新点
• 3 自然降解实验设计的限制因素和存在的主要问题
• 3.1 实验模拟条件与自然条件下藻类的生长环境的差别
• 3.2 无法模拟自然水体中紫外的强度亚硝酸盐含量和pH值
• 4 后续研究展望
• 4.1 紫外/亚硝酸体系在天然有机物降解中的贡献
• 4.2 紫外/亚硝酸体系与铜绿微囊藻/MC-LR的关系
• 4.3 水华暴发前后氮元素形态变化
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及所获专利
• 致谢