UV与氯联合消毒色氨酸生成碘乙酸的影响因素及路径

杨玉龙 费伟成 季京宣 张可佳

（浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058）

氨基酸是水体中主要的溶解性含氮有机物（DON），其含量一般在20～10 000μg/L［1-2］，其中色氨酸（Trp）是侧链含有碱性氮原子的氨基酸，具有耗氯量高、副产物生成量大的特点［3-4］。当水中含有I-时，色氨酸被氯化，会产生毒性更大的碘代消毒副产物。

由于碘代消毒副产物具有更高的细胞毒性与遗传毒性，因而受到越来越多学者的关注［5-6］。迄今为止，已发现的碘代消毒副产物主要包括碘代三卤甲烷、碘乙酸（IAA）、碘乙腈和碘代酰胺等［7-8］，其中碘乙酸的细胞毒性、基因毒性、诱变性、致畸性和潜在致癌性都更高，如碘乙酸对TA100细胞更具致突变性（分别为一溴乙酸和一氯乙酸的2.6倍和523.3倍）［9-12］。对于中国仓鼠卵巢细胞（CHO），碘乙酸的遗传毒性分别是一溴乙酸和一氯乙酸的2.0倍和47.2倍［13］；细胞毒性分别是一溴乙酸和一氯乙酸的3.2倍和287.5倍［14］。Sayess等［15］测试了6种碘代消毒副产物对人体正常结肠上皮细胞的影响，结果也表明碘乙酸的毒性最强，与对CHO细胞的研究结果一致。目前在实际饮用水中已检测到碘乙酸的存在。Richardson等［8］对美国的多家水厂进行调查后发现，出厂水中均含有碘乙酸，每升水中的含量从几微克到几十微克不等。在我国，Wei等［16］在上海13家水厂的出厂水中均检测到碘乙酸，其含量在0.03～1.66μg/L之间。但现有文献中仅探究了氯胺消毒过程中碘乙酸的生成［17］，对其他消毒工艺中碘乙酸生成规律的研究鲜见报道，碘乙酸的生成影响因素与生成路径尚不明确。

有鉴于此，文中拟对紫外光（UV）与氯联合消毒时色氨酸产生碘乙酸的规律和机制进行探讨。UV与氯联合消毒已逐渐应用在饮用水处理过程中的消毒环节，其产生的消毒副产物不容忽视。目前的研究存在两种不同的观点：一种观点认为，UV与氯联合消毒技术降低了有害消毒副产物的形成［18］；另一种观点认为，UV处理既不会降低所需的氯剂量，也不会显著影响之后的化学消毒所产生的消毒副产物［19］。

为了进一步探究UV与氯联合消毒氨基酸生成消毒副产物的机制，从根本上降低碘乙酸的生成量，文中以色氨酸为例，研究UV与氯联合消毒色氨酸过程中碘乙酸的生成动力学，并分析UV照射时间、加氯量、pH值、Br-含量、I-含量等因素对碘乙酸生成规律的影响，探究碘乙酸的生成路径。

1 材料与方法

1.1 实验装置及方法

1.1.1 实验装置

采用笔者所在课题组自制的UV反应器，如图1所示。该装置长21 cm，内直径8 cm，外直径10 cm。通过低温循环冷却泵控制反应液温度。紫外灯功率为6W，输出波长为254nm。

1.1.2 碘乙酸动力学分析实验

配制Trp、Br-、I-质量浓度（ρTrp、ρBr-、ρI-）分别为2mg/L、200μg/L、200μg/L且pH=7的溶液，在UV中照射5min后，移入具盖的棕色玻璃瓶中，加入一定体积的次氯酸钠溶液使初始余氯质量浓度为2 mg/L。在0.5，1.0、2.0、4.0、6.0、10.0、24.0、48.0 h时分别取30 mL样品测定碘乙酸质量浓度。

1.1.3 生成路径实验

对于碘乙酸的产物分析，分为先紫外、后氯化两部分。首先，用UV单独照射色氨酸，在照射5、10、15 min后取样，低温浓缩后采用LC-MS-MS进行分析；其次，先将样品用UV照射15 min，再将样品移入棕色瓶中进行氯化反应，在0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、24.0 h时分别取样进行固相萃取，采用GC-MS进行分析。

图1 UV反应器Fig.1 UV experimental reactor

1.2 分析方法及试剂

余氯采用美国哈希公司生产的DR2800型紫外分光光度计测定，pH值采用美国哈希公司生产的sensION156型便携式多参数水质测量仪测量。碘乙酸酯化后再进行碘乙酸甲酯的测定。碘乙酸甲酯采用气相色谱法测定，使用安捷伦气相色谱仪/电子捕获检测器ECD、HP5色谱柱（30 m×0.32 mm×0.25μm，美国安捷伦公司生产）、高纯氮气（纯度99.999%）；色谱条件：进样口温度为200℃，不分流进样，柱流量为1 mL/min；升温程序：30℃下持续10 min，再以20℃/min的速率升温至150℃；检测器温度为300℃。LC-MS-MS使用ZORBAX-SB C18色谱柱（250 mm×4.6 mm×5.0μm，美国安捷伦公司生产），流动相为体积比为1∶1的乙腈+异丙醇混合液，体积流量为1.0mL/min，洗脱方式为等度洗脱，柱温为30℃，检测波长为210 nm；进样量为10μL，扫描范围（m/z）为100～1500。GC-MS使用DB-5ms色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm，美国安捷伦公司生产）、高纯氮气（纯度99.999%）；色谱条件：进样口温度为260℃，不分流进样，柱流量为1 mL/min；升温程序：35℃下持续3 min，再以30℃/min的速率升温至300℃；离子源温度为280℃，检测器温度为250℃。自由基采用ESR波谱测定，采用5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）作为自由基自旋捕获剂。

磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、碳酸氢钠、无水硫酸钠、溴化钠购自国药集团；阿特拉津购自北京百灵威科技有限公司；碘乙酸、碘化钠、双氧水、次氯酸钠溶液、甲基叔丁基醚购自阿拉丁试剂（上海）有限公司，DMPO购自同仁化学，以上试剂均为分析纯及以上等级。

2 结果与讨论

2.1 动力学分析

如图2所示，在UV与氯联合消毒工艺下，碘乙酸的生成量随着氯化时间的延长而增加，在10.0 h内增长迅速，在24.0h左右逐渐稳定，此时碘乙酸质量浓度达5.62μg/L。因此，后续的影响因素实验均选取24.0 h的氯化时间作为取样终点。拟一级反应动力学方程见式（1），根据式（1）可推导得式（2）：

式中：ρIAA为碘乙酸的平衡质量浓度，t为氯化时间，ρt为氯化t时刻的碘乙酸质量浓度，k为生成速率常数。

图2 联合消毒下色氨酸生成碘乙酸的反应曲线Fig.2 Generation curve of iodoacetic acid from Trp with the combined disinfection

对碘乙酸生成曲线进行拟一级反应动力学拟合：ρt=5.64（1-e-0.17t），生成速率常数k为0.17h-1，相关系数r2=0.994，表明色氨酸在UV与氯联合消毒作用下生成碘乙酸的反应曲线符合拟一级反应动力学。

2.2 影响因素分析

2.2.1 UV照射时间

在一定照射强度下，改变UV照射时间即可控制UV消毒剂量。文中在ρTrp=2 mg/L、pH=7、加氯量为2.0 mg/L、ρBr-=200μg/L、ρI-=200μg/L的条件下，考察了UV照射时间（分别为0、5、15、30 min）对色氨酸降解生成碘乙酸的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出：当溶液未被UV照射时，碘乙酸的生成量为1.03μg/L；UV照射5 min后，碘乙酸生成量增加到2.16μg/L；UV照射15 min后，碘乙酸生成量增加了1倍多，达5.62μg/L；UV照射30 min时，碘乙酸生成量增加至6.64μg/L，约为未经UV照射时生成量的6倍。可见，UV照射时间越长碘乙酸的生成量越大。

图3 UV照射时间对生成碘乙酸的影响Fig.3 Effect of UV irradiation time on generation of iodoacetic acid

分析其原因，主要是色氨酸的吲哚基团具有不饱和结构与环不稳定性，因此非常活泼，在UV照射下，色氨酸的吲哚基团容易脱离转化为更多的小分子有机物，更易与HOI反应生成碘乙酸。赵敬国［20］在研究UV对三卤甲烷的影响时也得出了类似的结论。

2.2.2 加氯量的影响

在ρTrp=2 mg/L、pH=7、UV照射时间为5 min、ρBr-=200μg/L、ρI-=200μg/L的条件下，考察不同加氯量（分别为0.7、1.0、2.0、4.0、6.0 mg/L）对色氨酸降解生成碘乙酸的影响，结果如图4所示。

当加氯量从0.7 mg/L增加到4.0 mg/L时，碘乙酸的生成量从2.95μg/L增加到15.30μg/L；当加氯量为6.0 mg/L时，碘乙酸生成量反而降低到10.51μg/L。可见：低加氯量下，随着氯含量的增大，碘乙酸的生成量也随之增大；并在色氨酸浓度与加氯量比例为1∶2时，碘乙酸的生成量达到最大。但当加氯量过大时，会造成碘乙酸生成量不升反降。

Liu等［17］在研究加氯量对碘仿、碘乙酸及碘代乙酰胺的影响时，也发现了相似的规律。这主要是因为次氯酸可以将I-氧化为HOI，且次氯酸量越大，产生的HOI就越多，从而生成更多的碘代消毒副产物，因此，当加氯量从零增加至4.0 mg/L时，碘乙酸生成量随加氯量增大。但是，过量的次氯酸能将HOI氧化为IO2-、IO3-。IO2-、IO3-形式的碘无法与有机物反应产生碘代消毒副产物［21］，使得加氯量过大时碘乙酸的生成量反而降低。此外，在过量HOCl存在下，碘乙酸部分转化为氯碘乙酸［17］，如以下反应式所示：

据此可推测：加氯量过大会使碘乙酸继续氯化产生其他碘代消毒副产物。有鉴于此，在实际消毒过程中，为控制碘乙酸等毒性更强的消毒副产物的生成，应进一步优化氯的投加量。

2.2.3 pH值的影响

在ρTrp=2 mg/L，UV照射时间为5 min，加氯量为2.0mg/L，ρI-=200μg/L，ρBr-=200μg/L，pH值分别为6、7和8的条件下，考察了不同pH值对色氨酸降解产生碘乙酸的影响，结果如图5所示。

当pH值分别为6、7、8时，碘乙酸的质量浓度依次为3.81、5.62和7.29μg/L。可以看出，随着pH值的增大，碘乙酸的生成量增加。

碘乙酸生成量随pH值的增加可能与HOI和HOCl在水中的形态有关。Liu等［17］在测定HOI与I2在不同pH值下的形态关系时发现：当pH值从4升高到8时，I2不断转变为HOI，如以下反应式所示：

因此，在该体系中HOI占的占比随着pH值的增大而不断增加。有学者在研究色氨酸、天冬门氨酸［22］与腐殖酸［23］的单独氯化消毒时也发现，碘代三卤甲烷的生成量随着pH值的增大而增加，认为由于HOI比例增大，I-更易与有机物反应生成碘代消毒副产物。同时，水中HOCl的比例也会减少，OCl-的比例增大。与HOCl相比，OCl-更难将HOI氧化为IO2-、IO3-［24］，因而会存在更多的HOI与前体物反应生成碘乙酸。此外，实验表明，在pH 6～8范围内，碘乙酸较稳定，受水解的影响可忽略。

2.2.4 Br-、I-含量的影响

在ρTrp=2 mg/L、pH=7、UV照射时间为5 min、加氯量为2.0 mg/L、ρI-=200μg/L、ρBr-=0,100,200,400μg/L的条件下，考察了Br-和I-含量对色氨酸降解生成碘乙酸的影响，结果如图6所示。

图4 加氯量对生成碘乙酸的影响Fig.4 Effect of chlorine dosage on generation of iodoacetic acid

图5 pH值对生成碘乙酸的影响Fig.5 Effect of pH value on generation of iodoacetic acid

图6 加溴量对生成碘乙酸的影响Fig.6 Effect of bromide on generation of iodoacetic acid

可以看出，当Br-质量浓度从0μg/L增加到400μg/L时，碘乙酸的生成量从11.16μg/L降低到3.65μg/L。原因可能是Br-消耗了更多的氯产生HOBr，从而削弱了碘代化合物的形成，但相应地也会产生更多的溴代消毒副产物［25-26］，并且Br-能与HOI反应生成IO3-［27］，进一步减少碘代消毒副产物的生成。

此外，在ρTrp=2 mg/L、pH=7、UV照射时间为5 min、加氯量为2.0 mg/L、ρBr-=200μg/L、ρI-=100,200,300,400μg/L的条件下，文中还考察了I-含量对色氨酸降解产生碘乙酸的影响，结果如图7所示。

图7 加碘量对生成碘乙酸的影响Fig.7 Effect of iodide on generation of iodoacetic acid

可以看出，当I-质量浓度从100μg/L增加到400μg/L时，碘乙酸的生成量从1.83μg/L不断增加到11.33μg/L。与预期相同，I-含量越高，被氧化产生的HOI越多，并且碘原子的电子密度高于氯原子，C-I键合能量低于C-Cl［28］，更有利于亲电取代稳定碳正离子化，形成碘乙酸。

为进一步研究Br-、I-含量对生成碘乙酸的影响，在碘代、溴代消毒副产物的生成模型［29］基础上，提出了碘乙酸基于Br-、I-质量浓度的生成模型：

式中，ρIAA为碘乙酸的平衡质量浓度，ρBr-与ρI-分别为Br-、I-的初始质量浓度，K、ε、x、y为待测模型系数。

通过计算得到碘乙酸的生成模型，见式（4），相关系数r2=0.967，拟合良好。从式（4）可以看出，Br-对碘乙酸的生成起负相关作用，而I-起正相关作用，且I-质量浓度的影响更大。碘乙酸生成量的实际值与计算值见表1。

2.3 色氨酸生成碘乙酸的路径

I-在UV照射下会生成碘自由基。碘自由基可能会进一步掺入前体物中，从而立即形成碘代消毒副产物［30］。但是，由于C-I键比C-Cl键弱［31］，中间的I-DBP很不稳定，实际检测中很难捕捉到含碘中间产物，因此无法确定Br-和I-的取代反应发生在哪个阶段。

UV辐射过程的中间产物采用LC-MS-MS检测，氯化过程的中间产物采用GC-MS检测。通过检测出的C11H15NO3、C12H17NO3，结合色氨酸的原子电位图（见图8），推测由于吲哚基团上的N键与相邻两个C原子都具有较大的电位差［24］，因而在UV作用下吲哚基团优先开环生成C11H15NO2，然后在UV作用下使得苯环脱氢羟基化生成C11H15NO3，再通过加成反应生成C12H17NO3。

图8 色氨酸的原子电位图Fig.8 Atom potential map of Trp

表1 碘乙酸生成量的实际值及计算值Table 1 Actual and calculated values of iodoacetic acid yield

氨基酸、有机酸等物质在HOCl、HOI的作用下可以通过一系列取代、消去反应形成碘乙酸［17，32］。根据GC-MS检测出的异戊酸甘与丁酸酐，推测C12H17NO3在次氯酸的作用下产生了异戊酸，异戊酸再断键生成丁酸。丁酸与HOI发生取代反应生成2-碘丁酸（C4H7IO2），再经过水解产生碘乙酸。综上，色氨酸在UV与氯联合消毒作用下生成碘乙酸的路径见图9。

图9 色氨酸在UV与氯联合消毒作用下生成碘乙酸的路径Fig.9 Generation pathway of iodoacetic acid from Trp during UV irradiation combined with chlorine disinfection

3 结论

为有效控制或减少碘乙酸等毒性更强的消毒副产物的生成，文中通过考察色氨酸在UV与氯联合消毒过程中生成碘乙酸的动力学和UV照射时间、加氯量、pH值、Br-含量、I-含量等因素的影响，明确了此消毒工艺中碘乙酸的生成机制及生成路径，从而确定了适宜的反应时间及关键影响因素，得到以下结论：

1）在UV与氯联合工艺下，碘乙酸的生成量与氯化时间的关系符合拟一级反应动力学；

2）碘乙酸生成量随UV照射时间的延长而增加，pH值在6～8范围内时，碘乙酸的生成量随pH值的增大而增加；

3）随着加氯量的增加，碘乙酸生成量先增加后减少，当色氨酸浓度与加氯量比例约为1∶2时，碘乙酸的生成量最大；

4）I-能促进碘乙酸的生成，而Br-起抑制作用，通过建立碘乙酸关于Br-质量浓度、I-质量浓度的生成模型，可知I-的影响更大；

5）碘乙酸的生成路径可能为：色氨酸在UV直接光解与羟基自由基作用下，产生C12H17NO3，然后在HOCl和HOI作用下依次生成异戊酸、丁酸与碘乙酸；

6）采用UV与氯联合消毒色氨酸应综合考虑pH值及溴、碘离子等的影响，优化UV照射时间和加氯量，从而减少碘乙酸的生成量。