一种预测土壤中多环芳烃生物有效性的方法与流程

本发明涉及一种组织工程材料类生物膜聚己内酯的制备及其应用于半透膜被动采样技术预测土壤中多环芳烃生物有效性的方法，属于环保新材料应用领域。

技术背景

土壤是人类赖以生存环境的重要组成部分，也是一种宝贵的资源，为动植物的生长生活提供了物质基础和场所。同时，土壤作为污染物在环境中重要的汇，积累了越来越多的污染物。污染物进入土壤后，会经历吸附解吸、迁移转化以及降解等一系列过程，其赋存状态也会发生相应改变，进而表现出不同的生物有效性。其中，自由溶解在土壤孔隙水中或与土壤可逆结合的污染物可以与生物发生作用，被生物吸收利用。如果忽略污染物的生物有效性，仅以土壤中污染物的总量为依据，往往会导致过高估计污染物的生态风险，造成资源浪费。因此，生物有效性的准确表征和预测是对土壤中污染物进行环境风险评价和生态修复的重要理论依据。

对生物有效性进行表征和预测的方法有很多种。其中，生物测试方法最为直接、真实，但由于操作复杂、实验周期长、成本高代价大，难以实现现场应用。于是，人们开发了物理化学方法。传统的物理化学方法如索氏提取、超声提取、加速溶剂萃取等，往往是激烈的、耗竭式的，提取了土壤中所有相态的污染物，会过高估计有机污染物的生态风险，而部分提取方法，如温和溶剂萃取、tenax提取、环糊精提取等，也存在耗时长、对高疏水性有机物预测结果不稳定等问题。为了进一步提高化学预测的准确性，人们又发展了仿生技术，由于仿生技术是模拟真实生物的行为，因此，结果更为科学合理，被动采样技术即是其中重要一种。

被动采样技术由于材料和方法的不同，也有很多种类。目前，应用最广泛的半透膜被动采样装置(semi-permeablemembranepassivedevice，spmd)是由huckins等人于1990年提出并应用于监测水中疏水性有机污染物的。其基本结构是由低密度聚乙烯(lowdensitypolyethylene，ldpe)的外膜制成的薄膜套筒，内部填充三油酸甘油酯(triolein)构成。由于非极性有机物扩散通过聚合膜过程与扩散通过生物膜的行为相似，因此，可以用其对水中的疏水性有机污染物进行时间累加性的采集和定量分析。但是，传统的半透膜被动采样装置与生物膜在结构和功能方面还存在较大差异，只有分子量较小(mw＜600)的污染物能够扩散进入，且预测周期较长。

聚己内酯(polyε-caprolactone，pcl)是一种近年来发展较快的生物可降解聚酯材料，降解周期一般为1-2年，它是由ε-己内酯(ε-caprolactone)在引发剂的作用下，开环聚合的产物。pcl成膜后具有一定韧性，生物相容性好，原料安全无毒，并且容易获得。目前，pcl广泛用作组织工程领域如血管、神经、皮肤、软骨等的支架材料。但还没有研究将其应用于被动采样技术。

技术实现要素：

本发明的目的，是从仿生技术的理念出发，将组织工程材料类生物膜聚己内酯应用于半透膜被动采样技术，发明了一种半透膜被动采样装置(pcl-spmd)，并将其应用于土壤和水中多环芳烃的富集，以模拟有机污染物通过生物膜，进入生物体内富集的过程，并与生物富集实验中蚯蚓富集的结果进行比较，以期开发出更加快速、有效地表征和预测土壤中疏水性有机污染物生物有效性的方法。

本发明制备的半透膜被动采样装置，应用于土壤中多环芳烃的生物有效性预测，具体包括以下步骤：

第一步：pcl膜的合成。合成选用高压静电纺丝法，该方法所用的聚己内酯高聚物购自天津希恩斯奥普德科技有限公司，mn～80000，纯度＞99％。称取0.6gpcl颗粒于20mlepa瓶中，加入甲醇/三氯甲烷(v∶v，1∶5)混合溶液6ml，放入磁子，恒温搅拌12h至pcl完全溶解，制成10％(m∶v)均匀透明静电纺丝溶液；用10ml塑料注射器移取一定量静电纺丝溶液，置于微量注射泵上，设定流速为2ml/h，高压直流电源电压17kv；将20cm×30cm的长方形锡箔纸覆盖在圆柱形的棒状接收器上以收集纤维，圆形接收器的转速为150r/min；纺丝2h后，取下覆有pcl膜的锡箔纸，在真空干燥箱中室温干燥3d，去除残留溶剂。

第二步：pcl-spmd装置的制备。将静电纺丝制得的覆在锡箔纸上的pcl膜置于托盘中，倒入无水乙醇完全浸没后，pcl膜与锡箔纸分离，取出pcl膜，放入通风橱，挥发去除乙醇。将pcl膜裁剪成1cm×1.5cm规格，用热封仪封口，制成pcl-spmd，备用。

第三步：pcl-spmd应用于水和土壤中多环芳烃的富集。取1个pcl-spmd，一定体积的背景溶液、菲储备液于60mlepa样品瓶中，菲的浓度为0.1～1mg/l，进行水中多环芳烃的富集动力学和等温线实验；取3个pcl-spmd置于含有100g染毒土壤的烧杯中(固水比5∶2)，菲的浓度为50mg/kg，进行土壤中多环芳烃的富集动力学实验，并考察类型土壤、初始浓度对pcl-spmd富集多环芳烃的影响。

第四步：pcl-spmd对土壤中多环芳烃生物有效性的表征和预测。将pcl-spmd对土壤中多环芳烃的富集结果与生物富集实验中蚯蚓实际富集结果进行相关性分析，得到pcl-spmd中多环芳烃浓度与蚯蚓体内多环芳烃浓度的相关关系，以评价pcl-spmd对土壤中多环芳烃生物有效性进行表征和预测的效果。

本发明选取组织工程材料类生物膜聚己内酯作为半透膜被动采样装置的材料制备pcl-spmd，分别应用于水和土壤中多环芳烃的富集，并与生物富集实验中蚯蚓实际富集结果进行相关关系分析，取得了良好的结果。对水中多环芳烃的富集，pcl-spmd在6h即可达到富集平衡，具有快速富集的特点；对土壤中多环芳烃的富集，pcl-spmd在7d达到富集平衡态，相比于传统的商品化的spmd(低密度聚乙烯填充三油酸甘油酯，富集周期一般为10-14d))，缩短了富集周期，提高了预测效率；同时，pcl-spmd富集的浓度与蚯蚓体内富集的浓度具有明显的相关关系，未来可以应用pcl-spmd内富集的浓度估算实际蚯蚓内体富集的浓度，有效预测土壤中多环芳烃的生物有效性。

附图说明

图1静电纺丝合成的pcl膜；

图2pcl膜的sem图；

图3pcl-spmd装置图；

图4pcl-spmd富集水中菲的动力学；

图5pcl-spmd富集水中菲的等温线；

图6pcl-spmd富集土壤中菲的动力学；

图7土壤中pcl-spmd富集菲的浓度与蚯蚓体内浓度的相关关系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。

实施例：半透膜被动采样技术对土壤中菲的生物有效性预测研究

选取pcl-spmd作为生物有效性预测工具，分别在水和土壤中进行相关实验研究。

水中菲的初始浓度为1mg/l，动力学实验在60mlepa瓶中进行，分别于1、2、4、6、8、12、24h，取出1个pcl-spmd，测定pcl-spmd中菲的浓度，得到pcl-spmd富集水中菲的动力学；在水中初始浓度分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mg/l时，放入1个pcl-spmd，富集12h，得到富集等温线。由图4和图5可以得到，pcl-spmd富集水中的菲，在6h即可达到富集平衡状态，这与文献中传统商品化的spmd富集速度相当，说明pcl-spmd可以应用于富集水中的菲，并且富集速率很快，富集容量较大。

土壤中菲的初始染毒浓度为50mg/kg。动力学实验在2l烧杯中进行，烧杯加入1kg染毒土壤，放入15个pcl-spmd装置，用玻璃棒将pcl-spmd均匀分布到土壤体系中，锡箔纸和保鲜膜封口，避光置于暗处，分别于第1、7、14、21、28d从中取出3个pcl-spmd装置，用湿滤纸擦净表面，而后测定装置中菲的浓度，得到pcl-spmd富集土壤中菲的动力学。同时在黑土、潮土、水稻土、红土四种不同类型土壤中，10、50、100mg/kg初始染毒浓度条件下，放入3个pcl-spmd，分别富集14d，得到富集结果，并与相同条件下蚯蚓富集结果进行分析比较。由图6可以得到，pcl-spmd富集土壤中菲，在7d达到富集平衡，相比于传统的商品化的spmd(一般约为15d)，缩短了富集周期，提高了预测效率。

进一步将不同类型土壤、不同初始染毒浓度土壤中pcl-spmd的富集结果与实际土壤中蚯蚓的富集结果进行相关性分析，由图7可得，pcl-spmd中富集的浓度与蚯蚓体内浓度呈线性相关，其关系可以用cpcl-spmd＝1.36×cearthworm-0.65进行表示，且拟合效果较好(r²＝0.77，n＝8)，因此，可以通过pcl-spmd中富集菲的浓度估算蚯蚓体内浓度，从而对土壤中菲的生物有效性进行较好的预测。