典型手性多氯联苯（PCBs）分析方法及其在环境介质中的分布和对映体特征

发布时间：2020-08-08 04:45

【摘要】：持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)因其具有持久性、生物富集性、半挥发性和高毒性,已成为当今国内外研究的热点。随着手性环境化学的发展,学者们逐渐认识到POPs中有相当一部分化合物具有手性结构。手性对映体在生物活性、代谢及毒理学特性等方面的差异,造成了其在环境和生物体中的非外消旋残留及产生不同的生态环境危害。然而目前,关于各环境介质和生物体内POPs环境行为的研究多集中在同系物水平,对POPs手性特性及其差异性的研究相对匮乏,从手性对映体水平研究POPs在环境中的对映体选择性分布和累积特征,能够更全面、更科学、更准确地评价其生态环境影响和风险。本文在广泛查阅国内外文献、重点评述手性POPs分析方法和环境行为研究现状的基础上,以多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls, PCBs)为POPs的典型代表、以PCB95、132、149和174为典型手性成分的目标化合物,在优化建立各复杂环境介质中对映体的定性定量分析方法基础上,通过对土壤、典型农作物(玉米和小麦)和哺乳动物(羊)中目标手性POBs对映体浓度和组成分数(EFs)的测定,从同系物水平揭示其在土壤和生物介质中的污染水平和分布规律；通过对影响PCBs生物转化作用对映体选择性的主要因素的研究,从对映体水平揭示其对映体选择性分布和累积特征；通过对生物与主要环境介质(大气、水、土壤)构成食物链中目标PCBs浓度和EFs的分析,探讨了动物体内手性PCBs的主要来源以及手性PCBs在食物链中的对映体选择性迁移和富集规律。主要研究成果如下：(1)复杂环境介质中典型手性PCBs分析方法的研究与建立针对环境样品基质复杂、目标PCBs含量低、基体干扰重等问题,通过对多种净化手段的研究与优化,建立了以索氏提取+浓硫酸酸洗+硝酸银复合硅胶柱净化为基础,并针对植物和动物样品的特殊基质成分,分别在提取后增加GPC净化、皂化+GPC净化的样品前处理方法,在保证目标分析物网收率前提下,基本消除了干扰目标化合物色谱分析的杂质组分。通过对色谱柱型选择、升温速率和柱流速等色谱条件的优化,有效解决了手性分析色谱峰响应及分离度低等问题,实现了在升温速率0.5℃/min、柱流速1.0 mL/min的条件下,PCB95、132和149的完全基线分离和PCB174的近似基线分离。利用GC-ECD/MS和Chirasil-Dex环糊精毛细管手性色谱柱,建立了大气、水、士壤、植物和动物等多种复杂环境介质中痕量、超痕量手性PCBs对映体的定性定量分析方法体系,大气、水、土壤、植物和动物中目标PCBs的方法检测限分别为0.48～0.87pg/m3,0.35～0.65ng/L,5.33～8.70ng/kg,6.99～9.29ng/kg和27.1～36.7ng/kg。基质加标回收率均在70.9%～90.0%间,样品平行测定相对标准偏差(RSD)为4.37%～17.8%,结果符合US EPA标准中回收率(40%～130%)及环境样品RSD(20%)的要求。 (2)济南市土壤中典型手性PCBs的分布及对映体特征本研究通过对济南市23个采样点土样中手性PCBs浓度和对映体分数(EFs)的测定,在同系物和对映体水平揭示了典型手性PCBs在土壤环境中的分布和对映体特征。同系物水平研究结果表明：济南市土壤环境中目标手性PCBs,总浓度为22.0～695 ng/kg干重,平均为163 ng/kg干重,处中低污染水平。PCBs,总量最高点出现在曾使用PCBs作为绝缘油且分布有较多废旧家电拆解企业的区域；工业区土壤中PCBs的残留水平明显高于文教区、风景区和农田；PCBs总量和典型成分与土壤有机质含量呈极显著正相关(p0.01)。对映体水平研究结果表明：济南市土壤中PCB95、132和149的EFs均值分别为0.473±0.025,0.355±0.146和0.527±0.167,其中39%的PCB95、58%的PCB132和80%的PCB149具有非外消旋特征,表明手性PCBs(?)土壤中的降解具有对映体选择性和/或该地区缺少新近污染的排放。EFs偏离外消旋特征表明了PCB95和132在土壤中的降解存在单向对映体选择性(只有左旋或右旋对映体被降解),而PCB149具有双向对映体选择性。相关性分析结果表明土壤有机质含量和PCBs残留水平在一定程度上可影响手性PCBs对映体组成,有机质含量和PCBs浓度越高,对映体选择性降解愈显著。 (3)典型手性PCBs在植物中分布及富集本研究以当地人喜食的两种粮食作物——小麦和玉米为研究对象,通过对其不同生长期及不同组织器官司中目标手性PCBs浓度和EFs值的测定,从同系物和对映体水平揭示了手性PCBs在植物体内的分布和富集规律。同系物水平研究结果表明：目标手性PCBs在小麦和玉米中的总量分别为179和168 ng/kg植物干重。从生长变化上看,由于生长稀释作用,PCBs含量随生长时间的延长和生物量的增加而降低；从组织器官的空间分布上看,根和叶中具有较高的累积水平,小麦抽穗期和玉米穗期PCBs在果实中的累积达到极值并超过根与叶中的单位质量累积量,后随生长稀释作用不断下降。对映体水平研究结果表明：小麦中PCB95、132和149的EFs均值分别为0.392±0.070、0.494±0.036和0.397±0.029,93%的PCB95、20%的PCB132和100%的PCB149具有非外消旋特征；玉米中PCB95、132和149的EFs均值分别为0.417±0.033、0.452±0.015和0.367±0.050,100%的PCB95、PCB149和88%的PCB132具有非外消旋特征。手性PCBs的对映体组成在土壤和植物中的显著性差异,表明植物生物转化作用对PCBs具有对映体选择性。生物富集因子研究结果揭示了小麦和玉米对PCB95第2流出对映体和(+)-PCB149具有选择性富集。手性PCBs在植物中的对映体特征亦表现出一定的时间和空间变化规律：从生长变化上看,对映体选择性累积作用随作物的生长而不断增强；从组织器官的空间分布上看,成熟期前目标PCBs的外消旋偏离度为茎叶根,成熟期为叶茎。相关性分析结果表明,手性PCBs在各组织器官中的EFs值与粗脂肪含量无显著相关性,与PCBs残留浓度显著正相关(p0.05)。 (4)典型手性PCBs在动物不同组织器官中的分布及累积通过对30月龄母羊的心脏、肺、肝脏、肾脏、脂肪等不同组织器官以及其生存主要环境介质(大气、土壤、水)和主要食物(草)中目标手性PCBs对映体浓度和EFs值的测定,从同系物和对映体水平揭示了手性PCBs在羊体内的分布和累积规律,并对其来源及在食物链中的富集作用进行了初探。同系物水平研究结果表明：羊体内目标(?)PCBs总浓度为0.20～7.85ng/g干重,处中低污染水平。其在羊体不同组织器官中的分布及累积水平差异性显著且与粗脂肪含量显著正相关,其中脂肪组织和脑中含量最高,分别为7.35±0.68和6.17±0.45 ng/g干重,其次分别为肺、肝脏、心脏、肾脏、肌肉及羊奶,血液中的含量较低,仅为0.30±0.13ng/g干重。对映体水平研究结果表明：羊体各组织器官司中PCB95、132和149的EFs均值分别为0.547±0.060、0.564±0.070和0.386±0.081,其中48%的PCB95、56%的PCB132和81%的PCB149具有非外消旋特征,表明羊对手性PCBs的生物转化作用具有对映体选择性,肝脏、肾脏、脑以及羊血中手性PCBs(?)非外消旋特征较为显著,肺中则表现出显著的外消旋组成,且PCB149比PCB95和132生物转化的对映体选择性更加明显。食物链水平研究结果表明：羊体内手性PCBs的含量与饮水和草中的浓度显著正相关(p0.05),与大气不相关。对食物链中手性PCBs对映体生物富集因子的研究表明,草和羊均对PCBs具有生物富集作用,且表现出显著的对映体选择性；草-羊食物链中目标手性PCBs总量的富集因子为3.83。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X830.2
【图文】：

示意图,手性,对映异构体,镜像

Figurel一 1.Sehematiediagramofehirality“手性”(ehirality)一词源自希腊语“。人esr”，意即“手”。物体与其镜像不能叠合的现象叫做手性(如图1一1所示)，像手一样与其镜像不能叠合的分子叫做手性分子 (chiralmolecule)。手性分一r存在着一对互为镜像关系而又不能重合的对映体，称之为对映异构体或对映体(enantiomer)。“enantiomer”来源自希腊文“。nantio”，意为“相反”12’]。 1548年，Pasteur[22])月机械方法分离酒石酸钠按品体的两种对映异构体，指出“分子不对称是旋光的本质”，首次提出分子手性的概念，为现代有机立体化学奠定了基础。1904年，Kelvin[231首次将手性定义为“任何一个不能与其镜像完全重叠的集合构型或点群”。一对对映异构体具有相同的熔点、沸点、偶极矩、折光率、溶解度和光谱性质等物理性质

示意图,葡萄糖单元,手性中心,化学惰性

p，丫一环糊精结构示意图147]Figurel一3.StrUctUrechartsofa，p，Y一CD可见，CD分子呈笼装结构，向内的a一1，4一糖昔键使得腔内的电子云密度较高，腔内具有疏水性，而腔外则具有亲水性，可包结大小合适的有机分子。每个葡萄糖单元具有5个手性中心，由6，7，8个葡萄糖单元组成的a，p，y一CD分别具有30，35，40个手性中心，为手性分离提供了良好的、不可多得的不对称环境。另外，CD分子上2，3，6位的轻基由于具有不同的反应活性，可以进行选择性修饰，制备成不同性质的手性选择剂应用于手性物质的分离。前文所提及，a一HCH的对映体分离在温度190℃，使用未稀释的八联(3一0-丁酞基一2，6一二一0一n一戊基升Y一cD固定相实现，然而其分离效果相对较差。未稀释改性cD的主要局限性在于低的热稳定性和较差的化学惰性[60]，而强极性的特点则需花费更长的色谱分析时间。为了降低全烷基环糊精的极性以缩短分析时间，sehurig和Nowotny[6’]提出将上述eo溶解(或键合)于中极性聚硅氧烷，如

分布图,水蛇,河流,冰间湖

图1一4不同生物体中手性PcBs的EFs分布图【’“5}Figurel一4.BoxPlotsofEFsofsomeehiralPCBsinbiota注:A，沉积物(比冰间湖);B，浮游植物(S叩erior湖);C，浮游动物(自令一楚科奇-波弗特海);n，贝类(美I习宁「.工流);E，糠虾(superio:湖);F，龙虾(Hartwell湖);G，鱼，}【有t(美IJ刁河流):H，主I父了(t(美I不l李可流);I，I‘I、I卜口了rL(美国河流);J，水蛇(Hartwell湖);K，蓝鳃太阳了‘、(Hartwe一湖);L，妒鱼(Hartwell湖);M，fo)]乡1一点鲜(Superior湖);N，加拿人白鲜(Superior湖);O，l咬鳌:，月瓜了‘、(Superior湖);p，)}‘脚类动物(Superior湖);Q，一}七极少‘，I’了{〔(一比冰户‘Ji胡);R，{与，嘴海)“马(比冰l、了Ji胡);S，象牙鸥(北冰l司湖);丁，}匕极露脊鲸脂(自令一楚科奇一波弗特海):0，环斑海豹(1匕冰问湖);v，雌鼠肝脏;w，人奶。PCBs在鳄肝油、蛀鱼组织及鲸脂等标准基质中的EFS值。Herzke等l’0“勺干究了lral7、一CHL在食肉一鸟类蛋中的立体选择性降解，在游华和灰背华两种鸟蛋中左旋的t。。一CHL远高J几丫。旋体，ER<l。在金雕、苍鹰、雀鹰蛋中，ER值为0.1一0.22，表明卜)一tr“n:一cHL对映体被选择性富集。许多研究者也对无脊椎动物、

【参考文献】