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SPE和HPLC对微生物降解体系中十溴联苯醚含量的测定

  • 投稿李小
  • 更新时间2015-09-22
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赵银平,赵晓祥,王 玥

(东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

摘要:采用固相萃取法提取菌GH10降解体系中的十溴联苯醚(BDE-209),高效液相色谱法测定十溴联苯醚的含量,并对各种试验条件进行了优化。结果表明,固相萃取的最佳洗脱剂为正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V),最佳洗脱体积为4 mL(2 mL×2);高效液相色谱法的最佳检测条件:检测波长为260 nm,柱温箱温度为30 ℃,流动相为乙腈∶水(95∶5,V/V),流动相流速为1.2 mL/min,在此条件下 BDE-209的出峰时间为24.705 min;菌GH10在3 d内能够快速降解高浓度BDE-209(50 mg/L),第3天的降解率达到最高为59.24%。通过固相萃取法和高效液相色谱法能够快速提取和检测微生物降解体系中的十溴联苯醚,该方法操作简单,节省时间。

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关键词 :十溴联苯醚(BDE-209);固相萃取法(SPE);高效液相色谱法(HPLC);菌GH10;降解率

中图分类号:O657.7+2文献标识码:A文章编号:0439-8114(2015)05-1198-05

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.05.043

收稿日期:2014-04-10

基金项目:上海市基础研究重点项目(09JC1400600)

作者简介:赵银平(1989-),女,河南林州人,在读硕士研究生,研究方向为环境微生物学,(电话)18818236924(电子信箱)rengebengcui@163.com;

通信作者,赵晓祥,研究员,硕士生导师,主要从事有机污染物的降解、监测与分析等相关研究,(电子信箱)zxx@dhu.edu.cn。

多溴联苯醚(PBDEs)是一类高效添加型溴系阻燃剂,被广泛应用于各种电子、电器、纺织、建材等产品中[1,2]。而这些产品在大量生产、使用和废弃的过程中,均不同程度地使PBDEs进入各种环境介质当中,甚至在人的毛发和母乳中都能检测到[3-6]。据研究表明,PBDEs具有致癌性及内分泌干扰毒性[7-12],因此环境中的PBDEs严重威胁人类健康及生态安全

多溴联苯醚中的十溴联苯醚(BDE-209)因其具有溴化程度高,阻燃性能好,价格低等优点,所以是使用最多的一种PBDEs[13,14]。目前,环境样品和生物样品中BDE-209的提取方法主要有索氏提取、液液萃取、超声波辅助萃取和固相萃取(SPE)等方法[15-17]。相比于其他方法,固相萃取具有耗时短、消耗溶剂少、操作简便等优点,可以高效提取样品中的BDE-209。BDE-209的检测方法主要有高效液相色谱法(HPLC)和气相色谱-质谱联用法(GC-MS),其中GC-MS的离子源多采用NCI源[18],而采用EI源的GC-MS不能检测高溴代联苯醚,例如BDE-209。

本研究采用微生物法对BDE-209进行降解,并采用固相萃取法(C18固相萃取小柱)和HPLC法对降解体系中的BDE-209进行提取和检测。试验过程中对HPLC的检测条件进行了优化,同时考察了不同溶剂对BDE-209的萃取效率,为水相中高浓度BDE-209的提取和检测提供一定的理论依据及基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试剂 二甲亚砜(AR级),二氯甲烷(AR级),正己烷(AR级),四氢呋喃(AR级),甲醇(HPLC级),乙腈(HPLC级),均购自上海凌峰化学试剂有限公司;BDE-209(纯度99%,百灵威科技有限公司)。BDE-209储备液:以二甲亚砜为溶剂配成浓度为1 000 mg/L的BDE-209储备液。BDE-209标准溶液:以二甲亚砜为溶剂将BDE-209储备液稀释成浓度为100 mg/L的BDE-209标准溶液。将无水硫酸钠置于马弗炉中于450 ℃下烘4 h以上,稍冷后放入干燥器中冷却,密封保存,备用。

1.1.2 培养基 ①LB液体培养基:鱼粉蛋白胨10 g、酵母粉5 g、氯化钠5 g、去离子水1 000 mL,pH 7.0。②LB固体培养基:向LB液体培养基中加入2%的琼脂即可。③无机盐培养基(MSM):KH2PO4 2.65 g、Na2HPO4 4.26 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、CaCl2·2H2O 0.02 g、FeSO4·7H2O 0.014 g、NH4Cl 0.5 g、微量元素 1 mL;去离子水1 000 mL,pH 7.0。其中微量元素溶液组成为: FeSO4·7H2O 2.1 g、 ZnCl2 0.07 g、 CuSO4·5H2O 0.03 g、 MnSO4·H2O 0.06 g、 CoCl2·6H2O 0.19 g、(NH4)6Mo7O24 ·4H2O 0.024 g、 去离子水1 000 mL。

1.1.3 菌株来源 试验中所用的长野雷夫松氏菌(Leifsonia shinshuensis,简称菌GH10)系赵晓祥课题组筛选获得的能够降解高浓度BDE-209的纯菌,其最佳生长条件为30 ℃,pH 7.0,摇床转速150 r/min。

1.1.4 加标样品 以BDE-209浓度为50 mg/L的无机盐培养基作为固相萃取的加标样品,无机盐培养基中接入8%灭活的菌GH10。

1.1.5 仪器 LC-20AT型高效液相色谱仪(日本岛津公司),配色谱柱(Inertsil ODS-3 C18,5 μm,250 mm×4.6 mm,日本岛津公司);TSBEQ-CR1012型固相萃取仪(上海Anpel科学仪器有限公司),固相萃取小柱C18柱(HC-C18,200 mg/3 mL,上海Anpel科学仪器有限公司);PYX-DHS-400-BS型隔水式电热恒温培养箱(上海博泰实验设备有限公司);SPH-2102C型立式双层摇床(上海世平仪器设备有限公司);TU-1810型紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 菌种的活化及菌悬液的制备 取1环保藏于甘油中的菌GH10并直接在LB固体培养基上划线培养3 d,然后挑取单菌落再一次划线培养3 d,一共活化2次。最后挑取单菌落于LB培养基中培养48 h,此时菌GH10处于对数期,然后取适量菌液于6 000 r/min离心6 min,收集菌体并用生理盐水洗涤菌体3次,以等体积的生理盐水重悬,即得菌悬液。

1.2.2 高效液相色谱条件优化 采用HPLC法对BDE-209(以四氢呋喃为溶剂)的检测条件进行优化,手动进样,进样量为20 μL。①检测波长的选择。通过对BDE-209进行紫外扫描,确定BDE-209的HPLC检测波长;②流动相比例及流速的选择。依次选用甲醇-去离子水、乙腈-去离子水为流动相,比较两种洗脱剂在不同配比的情况下BDE-209的色谱行为;选择好流动相后,改变流速以确定BDE-209的出峰时间。

1.2.3 固相萃取条件优化 ①洗脱剂种类的选择。BDE-209介于非极性和极性之间,根据相似相溶原理,选择从非极性到极性5 种不同的洗脱剂,即正己烷、正己烷/二氯甲烷(8∶2,V/V)、正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)、正己烷/二氯甲烷(2∶8,V/V)、二氯甲烷。BDE-209的固相萃取过程为:先用2 mL二氯甲烷预洗C18固相萃取小柱,于负压下抽干溶剂,再依次用3 mL甲醇和3 mL去离子水活化,活化过程要保持小柱床体材料湿润;然后将2 mL加标样品进行上样,之后用3 mL去离子水淋洗以去除吸附在床体的杂质,并于负压下抽真空,直至C18小柱床体材料完全干燥;最后采用2、2、1 mL (共5 mL)不同极性的洗脱剂依次对目标化合物BDE-209进行洗脱,收集洗脱液。最终洗脱液过无水硫酸钠去除水,经0.22 μm有机滤膜过滤后进样检测。每种洗脱剂进行3次平行试验,重复2次。②洗脱剂体积的选择。分别用2、2、1 mL正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)对BDE-209进行3次洗脱,并分别收集洗脱液,依次编号,分别计算各洗脱液的绝对回收率及洗脱率。进行3次平行试验。

1.2.4 菌GH10对BDE-209的降解 于250 mL锥形瓶中加入5 mL BDE-209标准储备液,使得体系中BDE-209的浓度为50 mg/L。待二甲亚砜挥发后,加入无机盐培养基92 mL,121 ℃下高压灭菌25 min。待培养基冷却到室温,接入GH10菌悬液,接种量为8%。30℃、150 r/min摇床避光降解培养5 d,每天各取样1次,每次取样2 mL,用2×2 mL二氯甲烷/正己烷(1∶1,V/V)对培养基中残余的BDE-209进行洗脱,合并洗脱液后立即进行HPLC检测。以接入灭活的菌悬液的无机盐培养基为空白对照,每一处理设3个平行,重复2次。

2 结果与分析

2.1 高效液相色谱条件优化

2.1.1 检测波长的选择 BDE-209的紫外扫描光谱曲线如图1所示。从图1中可以看出,在260 ~ 280 nm内,BDE-209对紫外光都有较好的吸收。据研究,BDE-209的HPLC的检测波长多选择226 nm和260 nm[19],本研究最终确定其检测波长为260 nm。

2.1.2 柱温的选择 色谱柱的温度直接影响样品的分离效果,由于BDE-209的紫外吸收较强,且较易洗脱,所以对温度的要求不太苛刻,因此本研究控制色谱柱的温度为30 ℃。

2.1.3 流动相的选择 当采用以乙腈/水(95∶10,V/V)为流动相,流速为1.0 mL/min时,在56.25 min出现明显的BDE-209色谱峰,但保留时间较长。增加有机相比例,即乙腈/水(95∶5,V/V),流速为1.0 mL/min时,BDE-209的出峰时间提前到31.360 min。在相同流速下,流动相改为甲醇/水(V/V)时,BDE-209出峰时间延迟到44.86 min。继续增加有机相比例,即乙腈∶水(97∶3,V/V)为 ,流速保持为1.0 mL/min时,BDE-209的出峰时间提前到23.300 min,但是峰的前段发生倾斜,且整个峰型不对称。当有机相比例保持在乙腈:水(95∶5,V/V) 流速提高到1.2 mL/min时,BDE-209的出峰时间提前到24.705 min,而且峰型没有发生变化。试验结果表明,与甲醇/水体系相比,采用乙腈/水体系作为流动相,可以缩短BDE-209的出峰时间;流速从1.0 mL/min升高到1.2 mL/min,不仅可以缩短出峰时间,而且还可以保证色谱峰的峰型。本研究最终选择乙腈/水( 95∶5,V/V)体系作为流动相,且乙腈/水流速为1.2 mL/min,可以保证样品中的各成分有效分离,且色谱峰的峰型也较好,BDE-209的保留时间为24.705 min,BDE-209的HPLC色谱图如图2所示。

2.2 BDE-209标准曲线

采用外标法定量。准确量取一定量的BDE-209标准溶液,用二甲基亚砜配制成浓度为5、10、15、20、30、40、50、60 mg/L的BDE-209溶液。采用HPLC法分别测定各个浓度的BDE-209溶液,将测得的各浓度溶液相对应的峰面积(y)随BDE-209浓度(x)作图,建立BDE-209校准曲线,如图3所示。从图3中可以看出,BDE-209在0~60 mg/L内线性关系良好,R2为0.999 7。标准曲线方程为y=15.662x-1.954 2。

2.3 固相萃取条件优化

2.3.1 洗脱剂种类的选择 经过正己烷、正己烷/二氯甲烷(8∶2,V/V)、正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)、正己烷/二氯甲烷(2∶8,V/V)、二氯甲烷这5种不同极性的洗脱剂对BDE-209进行洗脱,其洗脱效果见表1,从表1中可看出,正己烷对BDE-209的洗脱效果最差,而其余4种洗脱剂均能较好地洗脱BDE-209,其中正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)对BDE-209的洗脱其回收率为99.61%,基本能够完全洗脱BDE-209,选择正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)作为BDE-209的洗脱剂。

2.3.2 洗脱剂体积的选择 依次用2、2、1 mL正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V)对吸附在固相萃取柱中的BDE-209进行洗脱,其洗脱效果见图4。由图4可见,目标化合物BDE-209主要随第一个2 mL洗脱液a流出,95.42%的BDE-209被洗脱掉,而洗脱液b中仅含有微量的BDE-209,洗脱液c中已无目标化合物BDE-209的流出。因此体积为2 mL×2的洗脱液已能将BDE-209全部洗脱。

2.4 菌GH10对BDE-209的降解

经过5 d的降解,在上述优化后的HPLC条件和固相萃取条件下,对微生物体系中的BDE-209残留量进行测定,结果见图5。从图5中可看出试验的前3 d培养液中的BDE-209被菌GH10快速降解消耗;第1天培养液中BDE-209的浓度为40.93 mg/L,降解率比较低,这主要是因为第1天微生物处在一个适应环境的状态;第2天和第3天培养液中BDE-209的浓度迅速降低,并且在第3天时培养液中BDE-209的浓度最低,为20.38 mg/L,此时BDE-209的降解率达到最高,为59.24%;第4 天和第5天,培养液中的BDE-209的浓度略微有些升高,可能是部分菌GH10死亡使得体内未被分解的BDE-209释放到培养液中导致的。因此,采用HPLC法和固相萃取法,能够高效检测微生物体系中BDE-209的含量,同时可知菌GH10在3 d内能够快速降解BDE-209。

3 小结与讨论

3.1 高效液相色谱条件优化结果

BDE-209的高效液相色谱检测条件为:①根据BDE-209的紫外扫描光谱曲线,确定BDE-209的检测波长为260 nm;②BDE-209的紫外吸收较强,并且比较容易从色谱柱上洗脱下来,因此温度对BDE-209 的检测影响不大,选择30 ℃作为BDE-209的检测温度;③流动相种类、比例和流速均能影响BDE-209的出峰时间和峰形,当流动相为乙腈/水(95∶5,V/V=)以及流速为1.2 mL/min时, BDE-209不仅能够提前出峰,而且峰形也比较好,其出峰时间为24.705 min。

3.2 固相萃取条件优化结果

BDE-209是一种介于中等极性的有机物,因此与BDE-209极性相似的洗脱剂能够完全将其从固相萃取柱中洗脱出来,BDE-209的最佳洗脱剂为正己烷/二氯甲烷(1∶1,V/V),最佳洗脱体积为4 mL(2 mL×2),洗脱回收率为99.61%,RSD为2.84%。

3.3 菌GH10对BDE-209的降解效果

菌GH10是一种能够有效降解高浓度BDE-209的微生物,经过5 d的培养, BDE-209被菌GH10降解。采用固相萃取和高效液相色谱法对该降解体系中的BDE-209进行提取和检测,第3天降解体系中BDE-209的残留浓度最低,降解率为59.24%;第4天和第5天菌GH10部分死亡使得菌体内未被分解的BDE-209释放到培养液中,导致体系中BDE-209的浓度略有上升。通过固相萃取和高效液相色谱法能够快速提取和检测微生物降解体系中BDE-209的含量,对水相中BDE-209的检测提供一些实践基础和理论意义。

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(责任编辑 胡西洲)