環(huán)境水體微囊藻毒素的光催化降解途徑與機(jī)制研究

王逸飛， 倪利曉，2， 岳菲菲， 劉烜瑜， 王 娜， 陳旭清， 張建華

（1．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2．河海大學(xué) 淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3．無錫市藍(lán)藻治理辦公室，江蘇 無錫 214071； 4．江蘇省水利廳水資源處，江蘇 南京 210029）

0 引言

近年來， 隨著人類對環(huán)境資源的開發(fā)利用以及工業(yè)的集中發(fā)展， 我國75%左右的湖泊都出現(xiàn)了富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1]，藍(lán)藻水華頻繁發(fā)生，嚴(yán)重時水面會形成厚厚的藍(lán)綠色湖靛。 產(chǎn)毒有害藍(lán)藻生物量逐年增加，藻細(xì)胞產(chǎn)生并釋放多種藻毒素進(jìn)入水體，給人類的生產(chǎn)、生活帶來了嚴(yán)重的危害。 目前有超過90 種微囊藻毒素（MC-LR）變體，其中MC-LR 被公認(rèn)為毒性最高的變體，世界衛(wèi)生組織將飲用水中MC-LR的暫定準(zhǔn)則值定為1．0 μg/L[2]。 在過去的幾十年中，已經(jīng)研究了許多去除MC-LR 的方法， 半導(dǎo)體光催化氧化由于其高氧化活性和環(huán)境友好性而引起了極大的關(guān)注。

鎢酸鉍（Bi2WO6）作為一種新型的可見光催化劑，因其在鉍系氧化物中具有最好的光催化活性而被廣泛研究[3]。 但純Bi2WO6的可見光響應(yīng)范圍僅為460 nm， 其光生電子-空穴對的高度復(fù)合也限制了其光催化活性。為了提高光催化性能，滿足環(huán)境應(yīng)用的要求，人們開發(fā)了多種改性方法。通過金屬氧化物修飾Bi2WO6是提高光催化性能的有效手段。 單組分光催化劑的缺點(diǎn)可以通過合成復(fù)合組分的多相光催化劑來消除，并具有單組分光催化劑的優(yōu)點(diǎn)[4]。 異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的不同帶隙電位可導(dǎo)致界面上不可逆的電荷載流子分離和轉(zhuǎn)移，從而減少復(fù)合過程，提高光催化活性。 在課題組之前的研究中發(fā)現(xiàn)[5]，通過水熱法制備的Fe2O3/Bi2WO6復(fù)合光催化劑， 在可見光條件下能有效降解MC-LR， 且降解過程受到溶液pH 值、催化劑投加量以及MC-LR 初始濃度的影響， 通過調(diào)節(jié)影響因素至合適值可以提高光催化降解效果。 在降解機(jī)理方面， 半導(dǎo)體光催化的過程中會產(chǎn)生電子和空穴（h+），在光催化劑降解有機(jī)物反應(yīng)中，空穴將OH-和H2O 氧化生成強(qiáng)氧化性的·OH[6]，同時催化劑表面的O2是光生電子的俘獲劑，俘獲電子后生成超氧自由基（·O2-），然后通過一系列反應(yīng)生成·OH 和H2O2。一般來說，·OH 是光催化降解有機(jī)物的主要活性物質(zhì)[7]，另外·O2-和h+也具有較強(qiáng)氧化性，可能會參與氧化有機(jī)物。

本研究在不添加任何表面活性劑的情況下，采用水熱法合成了具有花狀微球結(jié)構(gòu)的Fe2O3/Bi2WO6復(fù)合材料。 利用自由基捕獲實(shí)驗(yàn)研究了h+和·OH 等活性氧的種類。降解產(chǎn)物的檢測采用高效液相色譜-電噴霧離子源-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(HPLC-ESI-MS)。分析了主要中間體的結(jié)構(gòu)，提出了可能的降解途徑。

1 材料與方法

1．1 試劑和儀器

五水合硝酸鉍（Bi(NO3)3·5H2O）、二水合鎢酸鈉（Na2WO4·2H2O）、九水合硝酸鐵（Fe(NO3)3·9H2O）、苯醌（C6H4O2）、碘化鉀（KI）、異丙醇（(CH3)2CHOH）、對苯二甲酸（C8H6O4）、硝酸、氫氧化鈉（國藥，分析純）、色譜級甲醇、乙腈、三氟乙酸（美國Tedia）、MC-LR標(biāo)樣（純度≥95%，伊普瑞斯科技有限公司）。MC-LR標(biāo)樣為固體(250 μg)，加入5 mL 色譜級純甲醇稀釋至質(zhì)量濃度50 mg/L，-20 ℃避光保存待用。

實(shí)驗(yàn)主要儀器和設(shè)備包括水熱反應(yīng)釜、 恒溫水浴鍋、恒溫磁力攪拌器、電熱鼓風(fēng)干燥箱、500W 氙燈（GXZ500）；HITACHI F-7000 分子熒光光譜儀;1290 Infinity LC/6460 高效液相質(zhì)譜聯(lián)用儀（ 美國Agilent）。

1．2 催化劑制備

Fe2O3/Bi2WO6的制備：配制1 mol/L Fe(NO3)3·9H2O溶液， 取3 mL 加水至10 mL， 加入10 mL 1mol/L NaOH 攪拌30 min 得到懸浮液。 取9．7 g Bi（NO3）3·5H2O 溶解在30 mL 蒸餾水中，在磁力攪拌下向其中加入3．3 g Na2WO4·2H2O， 攪拌30 min 得到懸浮液。將上述2 種懸浮液混合， 加入2 mL 1mol/L 的HNO3，攪拌15 min 后轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中160 ℃密封反應(yīng)12 h。 自然冷卻至室溫后，將產(chǎn)物離心分離，洗滌并在80 ℃鼓風(fēng)干燥箱干燥。 制得Fe2O3/Bi2WO6復(fù)合光催化劑[8]。

1．3 可見光催化降解MC-LR

可見光光催化實(shí)驗(yàn)裝置自制， 可見光源為型號GXZ500 的氙燈光源。MC-LR 初始質(zhì)量濃度2 mg/L。5 個分別裝有5 mL MC-LR 溶液的10 mL 離心管放在雙層夾套燒杯中，燒杯兩側(cè)開口處通入冷卻水，防止因氙燈照射使反應(yīng)溶液溫度升高。 一個截止型濾光片（λ ＞420 nm）蓋在夾套燒杯上。 加入質(zhì)量濃度10 g/L Fe2O3/Bi2WO6粉末置于暗處攪拌30 min 達(dá)到吸附平衡。 開啟光源并記時，間隔定時取樣0．5 mL，過0．45 μm 濾膜后定容至1 mL 后通過高效液相色譜測定MC-LR 濃度。 液相色譜條件：Agilent ODS C18 色譜柱250 mm×4．6 mm×5 μm，流動相為各含0．05%三氟乙酸的水和乙腈 （85 ∶15）， 流速1 mL/min,進(jìn)樣體積20 μL，檢測波長238 nm。作為對比試驗(yàn)，還考察了在僅有光照或催化劑條件下溶液MCLR 的濃度變化情況。

1．4 Fe2O3/Bi2WO6 的可見光催化機(jī)理研究

以異丙醇（Isopropanol，IPA）作為羥基自由基（·OH）的捕獲劑[9]，以碘化鉀（KI）作為·OH 和空穴（h+）的捕獲劑，以苯醌（benzoquinone，BQ）作為超氧自由基（·O2-）的捕獲劑[10]，研究3 種捕獲劑對Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 的影響。 實(shí)驗(yàn)中加入的抑制劑體積為1 mL，濃度為0．1 mol/L。 以不加捕獲劑，其他實(shí)驗(yàn)條件相同的實(shí)驗(yàn)組作為對照組。

·OH 的測定采用分子熒光光譜法。 對苯二甲酸能與·OH 反應(yīng)生成2-羥基對苯二甲酸[11]，其具有高熒光性，可以作為檢測·OH 的探針分子。 光催化實(shí)驗(yàn)過程除了反應(yīng)液為對苯二甲酸溶液， 其他實(shí)驗(yàn)過程與降解MC-LR 實(shí)驗(yàn)相同。 反應(yīng)液由對苯二甲酸溶解在NaOH 溶液配制，濃度為0．5 mmol/L。 光反應(yīng)開始后分別在0，15，45，60 min 取樣1 mL 離心，過0．22 μm 濾膜，最后用日立F-7000 分子熒光光譜儀在激發(fā)波長315 nm 下測定熒光強(qiáng)度。

1．5 Fe2O3/Bi2WO6 對MC-LR 的降解機(jī)理研究

反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件均為催化劑質(zhì)量濃度10 g/L，MC-LR 初始質(zhì)量濃度2 mg/L，溶液pH 值為6．5。 實(shí)驗(yàn)研究了Fe2O3/Bi2WO6在可見光條件下對MC-LR的深度氧化特性， 每隔15 min 取樣0．5 mL 過0．45 μm膜后用色譜級乙腈定容至1mL， 通過液相質(zhì)譜聯(lián)用儀 （1290 Infinity LC/6460 QQQMS，Agilent，USA）檢測了Fe2O3/Bi2WO6降解MC-LR 產(chǎn)生的主要中間產(chǎn)物。 HPLC-ESI-MS 分析條件如下：

色譜柱是Agilent ODS C18 250 mm×4．6 mm×5 μm；檢測波長為238 nm；流動相是各含0．05%三氟乙酸的超純水和乙腈按體積比85 ∶15； 柱溫是30 ℃，流速為1 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。 電離源為正離子模式ESI 電離源，電壓4 kV，質(zhì)荷比（m/z）掃描范圍100 ～1 200。 ESI 護(hù)套氣體為30 個單位(1 個單位=15 mL/min)，輔助氣體為4 個單位。 加熱毛細(xì)管溫度為300 ℃，毛細(xì)管電壓范圍為10 ～30 V。

2 結(jié)果與討論

2．1 光催化對比實(shí)驗(yàn)

在pH 值 為6．5， 初始 質(zhì) 量 濃 度 為2 mg/L 的MC-LR 溶液在不同條件下的降解情況見圖1。 在有可見光照射且無Fe2O3/Bi2WO6催化劑條件下放置60 min 后，MC-LR 濃度幾乎無變化， 說明光照對MC-LR 的影響可以忽略不計。在黑暗且有催化劑條件下MC-LR 溶液濃度降低了約20%， 說明催化劑對MC-LR 有一定的吸附性， 催化劑的吸附性有利于光催化降解。而在既有光又有催化劑條件下，反應(yīng)60 min 后MC-LR 濃度降低了近80%， 表明在可見光照射下，F(xiàn)e2O3/Bi2WO6復(fù)合光催化劑展現(xiàn)出較強(qiáng)的光催化活性，能有效降解水中的MC-LR。

圖1 不同反應(yīng)條件下MC-LR 的降解效果

2．2 Fe2O3/Bi2WO6 的可見光催化機(jī)理

為了確定Fe2O3/Bi2WO6光催化降解MC-LR 過程中的活性物質(zhì)， 使用異丙醇作為·OH 的捕獲劑，碘化鉀作為h+和·OH 的捕獲劑， 苯醌作為·O2-的捕獲劑，分別加入反應(yīng)體系中，比較MC-LR 的光催化降解效率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。 可見加入BQ 后對藻毒素的降解效率幾乎無影響， 說明·O2-不是Fe2O3/Bi2WO6可見光光催化降解MC-LR 的主要活性物質(zhì)。然而當(dāng)加入KI 和IPA 后，反應(yīng)被強(qiáng)烈抑制，說明主要活性物質(zhì)是·OH 和h+。

圖2 可見光照射下不同抑制劑對Fe2O3/Bi2WO6 光催化降解MC-LR 效率的影響

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Fe2O2/Bi2WO6光催化降解MC-LR 過程中可能會產(chǎn)生·OH，但產(chǎn)生·OH 的能力卻不清楚。 利用分子熒光光譜法檢測催化劑表面形成的·OH， 在425 nm 處的熒光強(qiáng)度可歸因于2-羥基對苯二甲酸的特性[12]。 在激發(fā)波長為315 nm 時，F(xiàn)e2O3/Bi2WO6在可見光照射下與對苯二甲酸溶液反應(yīng)過程中檢測到的熒光強(qiáng)度變化（見圖3）。 從圖3中可以看到，425 nm 處的熒光強(qiáng)度隨時間成比例變化，即與溶液中形成的·OH 量成正比，證實(shí)了Fe2O3/Bi2WO6可見光催化會產(chǎn)生·OH。

圖3 可見光照射下對苯二甲酸溶液中Fe2O3/Bi2WO6的·OH 捕獲熒光光譜

2．3 光催化降解MC-LR 中間產(chǎn)物鑒定

微囊藻毒素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)活性位點(diǎn)較多。MCLR（m/z 為995．5）的分子結(jié)構(gòu)示意[13]見圖4。 MC-LR是由7 個氨基酸組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)， 結(jié)構(gòu)中的不飽和雙鍵以及肽鍵是易被攻擊的活性位點(diǎn)。

圖4 MC-LR 分子結(jié)構(gòu)示意

要探明光催化劑降解MC-LR 的途徑， 首先要弄清楚MC-LR 在降解過程中究竟產(chǎn)生了多少種產(chǎn)物。 通過液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-ESI-MS）聯(lián)用技術(shù)，根據(jù)（M+H）+m/z 數(shù)據(jù)鑒定產(chǎn)物。 MC-LR 的質(zhì)譜圖和片段峰的結(jié)構(gòu)推導(dǎo)分別見圖5 和表1。 結(jié)合中間產(chǎn)物的質(zhì)譜圖共鑒定出9 種主要降解產(chǎn)物。 根據(jù)不同產(chǎn)物的（M+H）+m/z 數(shù)據(jù)推斷產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，進(jìn)而推斷可能的降解途徑。

圖5 MC-LR 的質(zhì)譜

表1 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 過程中檢測到的主要中間產(chǎn)物

2．4 Fe2O3/Bi2WO6 降解MC-LR 的途徑分析

根據(jù)光催化降解產(chǎn)生的中間產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的鑒定以及·HO 或h+與MC-LR 的反應(yīng)機(jī)理， 提出了以下3種主要降解途徑。

（1）Adda 基團(tuán)苯環(huán)上的羥基化反應(yīng)

Adda 基團(tuán)上的苯環(huán)是易受·OH 攻擊的位點(diǎn)之一。 由于苯環(huán)上電子云密度較大，所以易于被親電物質(zhì)攻擊發(fā)生取代反應(yīng)。 本實(shí)驗(yàn)檢測到的m/z 為1 011．5 的產(chǎn)物與MC-LR 相對分子量（m/z 為995．5）相差16，可能為MC-LR 分子中Adda 基團(tuán)苯環(huán)的羥基取代產(chǎn)物。 首先·OH 與Adda 基團(tuán)苯環(huán)結(jié)合，形成碳正離子中間體，然后與溶液中的氧快速反應(yīng)，形成過氧自由基（ROO·），最后通過脫去ROO·，生成羥基取代物[14]。 與苯環(huán)相連的烷基可以提供電子，對苯環(huán)上的正電荷有分散作用， 所以碳正離子中間體相對苯環(huán)比較穩(wěn)定[15]，使取代反應(yīng)容易發(fā)生。 第一次苯環(huán)羥基化反應(yīng)后， 第二次苯環(huán)羥基化反應(yīng)生成m/z 為1 027．5 中間體。 羥基取代可以發(fā)生在鄰位、對位和間位，這3 個位置中哪一個更容易發(fā)生親電取代是由連接在苯環(huán)上的Adda 氨基酸的剩余部分決定的。 m/z為1 027．5 的檢測證實(shí)了上述推測，因?yàn)閱瘟u基取代反應(yīng)增加了苯環(huán)的電子密度， 使親電反應(yīng)（如·OH攻擊）進(jìn)行得更快。

（2）Adda 基團(tuán)共軛雙鍵的羥基化反應(yīng)

Adda 基團(tuán)上的共軛雙鍵是另一個易被·OH 攻擊的位點(diǎn)[16]。 實(shí)驗(yàn)檢測到m/z 為835．2 的產(chǎn)物，結(jié)合已有文獻(xiàn)[17]和HPLC-ESI-MS 分析測定的反應(yīng)中間體m/z 為759．2，743．3，274．3 產(chǎn)物， 推測其為Adda基團(tuán)側(cè)鏈C6 與C7 之間雙鍵被羥基取代而生成的酮類衍生物。 首先·OH 攻擊Adda 側(cè)鏈的C6 ～C7 雙鍵并取代C7 的氫，形成不穩(wěn)定的烯醇MC-LR（m/z 為1 011．5），且C4 ～C5 雙鍵保留在MC-LR 基質(zhì)中。烯醇MC-LR 迅速異構(gòu)化為更穩(wěn)定的酮MC-LR 互變異構(gòu)體[14]，C6 ～C7 鍵被氧化導(dǎo)致斷裂，轉(zhuǎn)化為酮衍生物（m/z 為835．2）。 羥基進(jìn)攻共軛雙鍵形成的產(chǎn)物m/z 為835．2 進(jìn)一步降解有2 種途徑：一種是共軛雙鍵斷裂，剩余部分產(chǎn)物繼續(xù)降解，另一種途徑是發(fā)生在Mdha 氨基酸上， 在本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)質(zhì)譜分析檢測的產(chǎn)物推斷降解途徑是第二種。 中間產(chǎn)物在Mdha不飽和鍵上進(jìn)一步氧化， 生成醛類物質(zhì) （m/z 為851．3），之后Mdha 鍵被除去。此外，Adda 鏈C4 ～C5雙鍵進(jìn)一步受到·OH 的攻擊， 斷裂形成m/z 為743．3。 在光催化條件下，m/z 為743．3 通過醛的氧化步驟向m/z 為759．2 轉(zhuǎn)化，生成羧酸；或Arg 氨基酸和Adda 之間的肽鍵斷裂生成產(chǎn)物m/z 為274．3。

（3）MC-LR 環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部反應(yīng)

由于MC-LR 環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在不飽和雙鍵和游離羧基團(tuán)， 在強(qiáng)氧化環(huán)境中可能會脫去H2O，NH3，CO2等分子而形成鏈狀結(jié)構(gòu)[18]。 通過質(zhì)譜分析，檢測到的m/z 為877．4 和681．4 可能是環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi) 部發(fā)生反應(yīng)和Adda 側(cè)鏈共軛雙鍵被雙羥基取代形成的中間產(chǎn)物。 如前所述， 羥基加成可能發(fā)生在C4 ～C5 或C6 ～C7 之間。以這種方式，·OH 攻擊C6 ～C7 雙鍵，發(fā)生加成反應(yīng)， 接著Arg 氨基酸脫去NH3形成產(chǎn)物m/z為1 011．5。 中間體m/z 為1 011．5 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，導(dǎo)致D-MeAsp 氨基酸和L-Leu 氨基酸之間的肽鍵斷裂，環(huán)狀結(jié)構(gòu)被打開。 同時被羥基化的Adda 基團(tuán)在C9處發(fā)生斷裂脫去苯環(huán)， 從而形成中間產(chǎn)物m/z 為877．4。而后L-Leu 氨基酸和D-Ala 氨基酸之間的肽鍵發(fā)生斷裂，Leu 被除去，得到764．2 產(chǎn)物離子。接著D-Ala 氨基酸和D-MeAsp 氨基酸生成肽鍵重新組成環(huán)狀結(jié)構(gòu)， 這樣導(dǎo)致Mdha 氨基酸和D-Ala 氨基酸之間的肽鍵斷裂，使Mdha 氨基酸分離，生成鏈狀結(jié)構(gòu)的MC-LR 衍生物m/z 為681．5[19]。

3 結(jié)論

（1）可見光照射下，復(fù)合催化劑Fe2O3/Bi2WO6在降解MC-LR 方面展現(xiàn)出較強(qiáng)的光催化活性。

（2）通過氧化物種捕獲試驗(yàn)以及對·OH 的測定分析了Fe2O3/Bi2WO6可見光催化過程中的主要活性物質(zhì)是·OH 和h+。

（3）通過HPLC-ESI-MS 測定了降解過程中的中間產(chǎn)物， 提出了MC-LR 降解的可能途徑：Fe2O3/Bi2WO6可見光催化降解MC-LR 過程涉及到MCLR 分子中Adda 基團(tuán)上的苯環(huán)羥基化反應(yīng)，Adda 基團(tuán)側(cè)鏈共軛雙鍵的羥基化反應(yīng)以及環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部氨基酸的脫氨、肽鍵斷裂重組反應(yīng)。