三种光敏剂介导的光动力对水体中8种多环芳烃的降解作用

卢娜，李兆杰，王志广，唐庆娟，薛长湖，薛勇，徐杰

（中国海洋大学食品科学与工程学院，山东青岛 266003）

多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）是指由两个或多个苯环缩合而成的碳氢化合物，具有较强的亲脂性和化学稳定性，广泛分布于水体、土壤和大气等环境中，属于典型持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants，POPs），具有致癌致畸致突变等危害性[1]。多环芳烃的来源包括化石燃料的不完全燃烧，交通排放，工业污水排放等，近年来随着海上作业的增多，溢油事故也成为PAHs的重要来源之一，因此水环境中的多环芳烃污染问题也愈发严重[2-4]。由于平时的生活用水以及食品工厂用水大多来自江河湖泊和地下水等，经过沉淀消毒过滤等处理而来，但是在处理过程中并未考虑到有机污染问题，一旦水环境被污染，就有潜在的致病风险。此外由于其极高的亲脂性和持久性，养殖水体中的多环芳烃极易富集到水产品中，尤其是牡蛎等贝类，由于其自身活动范围小以及非选择性滤食的特点，造成多环芳烃在体内的长期残留，威胁到广大消费者的健康，因此养殖水体的水源卫生安全问题至关重要[5,6]。

近些年来，随着水源污染问题的爆发以及人们安全环保意识的提高，水源污染的控制也越来越成为人们关注的焦点。对于多环芳烃等有机污染物，传统的处理方法主要包括物理方法、化学方法和生物降解方法[7]。其中，土壤和水环境中多环芳烃去除的主要途径是生物降解，但是该方法只对四环以下的低分子量多环芳烃起作用，而对于高环数多环芳烃的降解效果不佳，并且对于食用水体来说具有一定的局限性[8-11]。然而研究表明，多环芳烃可以吸收紫外和可见光，因此光降解可以通过氧化作用破坏多环芳烃，从而达到降解目的[12,13]。虽然这些方法都具有一定的降解效果，但都存在一些弊端，包括操作复杂繁琐、设备成本高、处理时间长、降解效率低、易产生毒副产物等[7,14,15]。因此，仍需探索高效经济的方法来处理生活及养殖水体中高毒性和难生化降解的多环芳烃，以保证其食用安全性。

本研究所采用的光动力技术（photodynamic technology，PDT）最早应用在医学领域，主要用于杀灭癌细胞和致病菌以及医药用品的消毒杀菌。其原理是经特定波长的光源照射，无毒的光敏剂分子吸收光的能量从基态跃迁到激发态，激发态的光敏剂将能量转移给氧分子，生成单线态氧，通过氧化作用破坏细胞结构，从而达到杀灭微生物以及肿瘤细胞的目的，具有创伤小、毒性低、选择性好、可重复治疗等优点[16-18]。由于其灭菌原理与光降解多环芳烃原理均是通过氧化作用，因此推测光动力技术对多环芳烃可能具有一定的降解效果。在光动力技术中，最重要的因素之一是光敏剂，光敏剂是一种能吸收光辐射能，经激发发生光化学变化，产生具有引发聚合能力的活性中间体物质，目前已经发展了三代。其中本研究所采用的三种无毒光敏剂（姜黄素、核黄素和金丝桃素）都是来源于中草药或植物提取物，由于其良好的光敏活性而广泛应用于光动力杀菌领域[19-21]。其中，姜黄素在200～230 nm和400～450 nm处均有吸收峰，其光降解产物主要是无毒的香草醛和阿魏酸，不会产生毒副产物[22,23]。金丝桃素作为一种新型的中草药光敏剂，一般选用590 nm黄光作为激发光源，具有选择性好、光敏期短、穿透能力强等优点，已经在抗肿瘤方面取得显著的医学效果[24]。大量研究表明，在可见光及紫外光照射下，核黄素能显著降低真菌和细菌等多种致病菌的存活率[25]。

本研究以8种多环芳烃混合水溶液为研究对象，通过三种光敏剂介导的光动力进行处理，采用同步荧光法测定，探究光动力对水溶液中多环芳烃的降解效果，以期为光动力技术在生产生活用水以及水产养殖方面的应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

JL-420-590多功能LED光源仪，青岛建亮科技有限公司；f-7000荧光分光光度计，日立公司；Milli Q超纯水系统，美国Millipore公司；MD-200-1干式氮吹仪，浙江赛德仪器设备有限公司。

苯并[a]芘、萘、菲、䓛、苯并[a]蒽、苯并[k]荧蒽、蒽和荧蒽的混合标准溶液，北京嘉世玉禾化工技术研究院（浓度为200 μg/mL）；多环芳烃储备液，将标准混合液用乙腈稀释成浓度为1 μg/mL的乙腈储备液，于-18 ℃保存备用。姜黄素，河北天旭生物科技有限公司；核黄素、金丝桃素，西安佰斯特生物科技有限公司。姜黄素原液：用食用乙醇溶解，浓度为20 mM；核黄素和金丝桃素原液：分别用超纯水溶解，浓度均为20 mM。

1.2 方法

1.2.1 标准曲线的绘制

分别吸取一定量的多环芳烃储备液，氮吹至近干除去溶剂，用超纯水分别定容至 100 mL，即得到浓度为1 ng/mL、5 ng/mL、10 ng/mL、20 ng/mL、50 ng/mL、100 ng/mL的多环芳烃梯度稀释液。采用荧光分光光度计通过同步荧光法进行检测分析，以8种多环芳烃浓度为横坐标，以荧光强度为纵坐标绘制标准曲线。得到的多环芳烃标准曲线如图1所示，8种多环芳烃在 1.0～100.0 ng/mL的范围内，相对荧光强度和质量浓度之间呈现良好的线性关系。

图1 8种多环芳烃的标准曲线Fig.1 Standard curve of 8 PAHs

1.2.2 样品制备

吸取 50 mL多环芳烃乙腈储备液，氮吹除去溶剂，用超纯水定容至1 L，得到质量浓度为50 ng/mL的工作液。吸取适量三种光敏剂原液，分别溶于工作液，使光敏剂的浓度均为10 μM。分别吸取15 mL添加光敏剂的工作液，在对应波长光源（姜黄素：420 nm；核黄素：420 nm；金丝桃素：590 nm）下光照15 min，同步荧光法分析光动力对8种多环芳烃的降解作用。

1.2.3 测定条件

取待测液于1.0 cm×1.0 cm比色皿，恒波长差△λ分别为40 nm、100 nm、160 nm和200 nm。扫描速率为1200 nm/min。激发和发射狭缝宽度为5 nm，激发波长扫描范围是200～500 nm[26,27]。

1.3 数据分析

所有样品平行测定3次，实验数据以（Mean±SD）表示，采用SPSS 20.0统计软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），并比较其显著性，以p＜0.05表示差异有统计学意义。作图采用Origin 9.1软件。

2 结果与分析

2.1 8 种多环芳烃的同步荧光光谱

表1 8种多环芳烃的波长差及特征峰Table 1 Wavelength intervals (Δλ) and characteristic peaks of 8 PAHs

图2 8种多环芳烃的同步荧光光谱Fig.2 Synchronous fluorescence spectra of 8 PAHs

首先采用同步荧光法测定混合液中的8种多环芳烃，同步荧光法与普通荧光法的最大区别在于同时扫描激发波长和发射波长，同步荧光法在扫描过程中激发波长和发射波长之间的差值是一个固定值(Δλ=λem-λex=常数)，常用于同时测定混合液中多组分PAHs，其优点包括高选择性、高灵敏度、抗干扰等，能够简便有效地测定混合物中的PAHs[28]。图2表示8种多环芳烃混合物的同步荧光光谱图。从图中可以观察到，在4个恒波长差条件下，8种多环芳烃能够被很好地区分开。多环芳烃的对应波长差及特征峰如表1所示，当△λ=40 nm时，苯并[a]芘的特征峰对应的激发波长为360 nm；当△λ=100 nm时，萘、菲、䓛、苯并[a]蒽和苯并[k]荧蒽的特征峰分别位于220.2、248、263、286和308 nm；当△λ=160 nm时，蒽的特征峰对应的激发波长为246 nm；当△λ=200 nm时，荧蒽的特征峰位置位于286 nm。因此，通过同步荧光法可以简便快捷地识别出PAHs混合物中的8种多环芳烃。宋广清等[27]采用同步荧光法，确定萘和菲的最优波长差，当△λ=100 nm时，萘和菲的激发波长为220.2 nm和248.8 nm。章汝平等[26]建立多环芳烃混合液的同步荧光法，当△λ=40 nm时，苯并[a]芘的激发波长为360 nm；当△λ=100 nm 时，菲、䓛、苯并[a]蒽和苯并[k]荧蒽的激发波长分别为248、263、286和308 nm；当△λ=160 nm时，蒽的激发波长为246 nm；当△λ=200 nm时，荧蒽的激发波长为286 nm，可简便快速地实现对多组分多环芳烃的定性定量测定。

表2 光动力处理对8种多环芳烃的降解效果Table 2 Degradation of 8 PAHs by photodynamic treatment

图3 光动力处理后8种多环芳烃的同步荧光光谱图Fig.3 Synchronous fluorescence spectra of 8 PAHs after photodynamic treatment

2.2 光动力处理对8种多环芳烃的降解效果

采用三种光敏剂（姜黄素、核黄素和金丝桃素）介导的光动力处理多环芳烃混合水溶液，探究光动力对8种多环芳烃的降解效果，得到的同步荧光光谱图如图3所示。可以发现，与对照组相比，经光动力处理后8种多环芳烃对应的相对荧光强度明显降低，说明光动力对多环芳烃具有一定的降解效果。

通过各组多环芳烃对应的相对荧光强度，对比标准曲线得出8种多环芳烃的质量浓度，如表2所示。对于苯并[a]芘和苯并[k]荧蒽，相比于姜黄素（苯并[a]芘：1.70 ng/mL；苯并[k]荧蒽：9.93 ng/mL）和核黄素（苯并[a]芘：4.58 ng/mL；苯并[k]荧蒽：5.87 ng/mL）介导的光动力，金丝桃素介导的光动力（苯并[a]芘：1.12 ng/mL；苯并[k]荧蒽：5.49 ng/mL）处理后剩余浓度最低，降解效果最好。而对于萘、菲、䓛、苯并[a]蒽、蒽和荧蒽，姜黄素介导的光动力（萘：2.02 ng/mL；菲：10.84 ng/mL；䓛：7.01 ng/mL；苯并[a]蒽：2.27 ng/mL；蒽：2.31 ng/mL；荧蒽：11.42 ng/mL）降解效果明显优于其他两种光敏剂。

为了更直观地看出三种光敏剂介导的光动力对 8种多环芳烃的降解作用，计算求得各种多环芳烃的降解率，结果如图4所示。从图中可以观察到，与核黄素和金丝桃素介导的光动力相比，姜黄素介导的光动力处理后混合液中各种多环芳烃均能快速有效降解，其中苯并[a]芘、萘、苯并[a]蒽和蒽的降解率高达95%以上，其余四种多环芳烃的降解率为70%～90%，说明姜黄素介导的光动力对水溶液中的多环芳烃具有良好的降解效果。

图4 光动力处理对8种多环芳烃的降解率Fig.4 Degradation rate of 8 PAHs by photodynamic treatment

与光动力降解多环芳烃相似的是光催化氧化降解法，是指以某种物质为光催化剂，通过在光的作用下产生大量的活性氧物质，对多环芳烃进行氧化降解的过程[15]。Pal等[29]以TiO2薄膜为光催化剂，采用125 W 的汞灯照射萘和蒽的饱和水溶液，经过紫外光照射 50 min后，萘和蒽的降解率分别达到约 100%和80%。章豪等[30]采用掺杂1% Ca的TiO2光催化氧化降解污泥中的9种PAHs，结果表明，处理1.5 h后，9种PAHs都能够在一定程度上降解，其中苯并[a]蒽、蒽、苯并[a]芘的降解率达到 98%以上。虽然光催化氧化法对于多环芳烃的降解率较高，但是所需光照时间长。与之相比，光动力方法由于其中的光敏剂可以吸收光子的能量从基态转变为激发态，激发态的光敏剂将能量传递给氧，使其转变为单线态氧，从而达到快速降解多环芳烃的效果。而在本研究中，姜黄素介导的光动力处理15 min后，8种多环芳烃均能发生不同程度的降解，降解效果显著且光照时间短。除此之外，通过探究姜黄素光动力对牡蛎体内富集多环芳烃的降解效果，发现降解率在 20%～80%之间，降解效果良好，进一步说明了该技术在水产养殖方面的应用具有广阔的发展前景（实验结果略）。

3 结论

3.1 对于8种多环芳烃混合水体，采用恒波长同步荧光法进行测定，当△λ=40 nm、100 nm、160 nm 和200 nm时，能够清楚地将8种多环芳烃区分开。8种多环芳烃在1.0～100.0 ng/mL的范围内，相对荧光强度和质量浓度之间线性关系良好。

3.2 采用三种光敏剂介导的光动力处理8种多环芳烃混合水体，发现对于苯并[a]芘和苯并[k]荧蒽，金丝桃素降解效果最好，光照 15 min时降解率分别高达97.76%和 88.98%。而对于其余 6种多环芳烃，明显可以观察到姜黄素光动力处理后降解率更高（萘：95.94%；菲：78.31%；䓛：85.95%；苯并[a]蒽：95.47%；蒽：95.39%；荧蒽：77.07%）。本研究的结果为光动力技术在生产生活用水以及养殖水体中多环芳烃降解方面的应用奠定理论基础，但还需要进一步研究光动力降解多环芳烃的机理以及降解产物的毒性。