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题名: 二苯甲酮类紫外防晒剂光-氯联合处理 急性毒性评价及转化特征研究
作者: 于奇
学位类别: 硕士
答辩日期: 2016-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 魏东斌
关键词: 二苯甲酮,光-氯联合处理,急性毒性,转化特征 ; benzophenones, photo-chlorination combined treatment, acute toxicity, transformation characteristics
其他题名: The acute toxicity evaluation and transformation characteristics of BPs UV-filters in photo induction-chlorination disinfection process
学位专业: 分析化学
中文摘要:      二苯甲酮类紫外防晒剂价格低廉,吸收紫外线效果好,应用广泛。该类化合物可通过游泳、洗涤、生活污水和工业废水排放等多种途径进入环境,在水体、动植物体及人体代谢物中频繁检出。研究表明,二苯甲酮类紫外防晒剂具有多种生物毒性,如内分泌干扰性、遗传毒性等。氯消毒是水处理工艺的必要环节,此过程中消毒剂氯可能与水体中残存的污染物发生反应生成有毒有害副产物,危害生态环境安全和人体健康。为减少消毒副产物的生成,光-氯联合处理工艺成为必然选择。环境中二苯甲酮类紫外防晒剂可能进入水处理系统,其在光-氯联合处理工艺中的转化行为值得关注。本文选取  11种典型的二苯甲酮类紫外防晒剂,以发光菌急性毒性测试方法评价光-氯联合处理前后毒性变化,揭示分子结构、反应条件与毒性变化的相关性。在此基础上,选取 2,3,4-三羟基二苯甲酮(B9)为研究对象,进一步研究其在光-氯联合处理过程中的转化机制和毒性变化,借助  UPLC-MS方法检测产物,利用发光菌急性毒性实验测定毒性变化。并与 B9氯化、光化学转化特征进行比对,揭示光、氯对  B9转化的影响。具体研究内容及结果如下:
     1、选择 11种二苯甲酮类化合物为对象,运用发光菌急性毒性实验评价其在光-氯联合处理前后急性毒性变化,揭示了分子结构(羟基数量、位置和种类)和反应条件(pH值和氯剂量)对毒性变化的影响。研究发现:苯环上羟基数量少的化合物经光-氯联合处理后毒性容易升高;苯环上羟基数相同的化合物,羟基在苯环 3或4位的比在2位的经处理后毒性容易升高;羟基分布在两个苯环上的化合物比在一个苯环上的经处理后毒性更容易升高;含有甲氧基和磺酸基等其他取代基的化合物处理后毒性容易升高。此外,pH条件和氯投加剂量对光-氯联合处理后的毒性变化也存在影响,酸性体系中毒性最容易升高、其次为碱性体系,中性体系中毒性最不容易升高。随着投加氯剂量的升高,毒性升高程度先增大后减小。在毒性研究的基础上,采用定量 -结构活性相关模型(QSAR)进一步验证分子结构与毒性变化之间的相关性,计算所得结果与发光菌急性毒性实验结果相一致。
     2、选择 2,3,4-三羟基二苯甲酮(B9)为研究对象,比较了其在光-氯联合处理过程、氯化过程及光化学过程中的转化特征及毒性变化,讨论了不同氯剂量(0.4倍氯、1倍氯和3倍氯)、不同光源(紫外光、可见光和太阳光)及不同光照强度(45 mW/cm2、135 mW/cm2、250 mW/cm2和350 mW/cm2)对其转化特征的影响。同时以二级处理出水为基质,研究了B9在太阳光照下的转化特征及毒性变化,提示了  B9在自然环境中的归趋与风险。研究结果显示,高强度的紫外光照能够促进B9的光解;在光-氯联合处理过程中氯是促进   B9降解的主要因素,而光主要促进氯化产物的降解。UPLC-MS检测结果显示,B9在光-氯联合处理过程及单独氯化处理中检出 4种主要产物,在紫外光照处理中检出 2种主要产物,在二级处理出水基质中添加B9经太阳光照后检出3种主要产物。毒性测试结果显示,以上处理后毒性均有显著升高的现象。本文研究发现,多种二苯甲酮类紫外防晒剂经过光  -氯联合处理后毒性升高;B9在光-氯联合、单独氯化及单独光照处理过程中均有毒性显著升高现象。特别是二级处理出水基质中的  B9在太阳光下会发生降解,毒性显著升高,表明  B9进入实际水体后存在较高环境风险。因此,在实际生产生活中应减少该类物质的使用,或者在水处理环节中优化处理工艺将其去除,以降低其对生态环境安全的危害。
英文摘要:     Benzophenones  (BPs),  as low  cost  and  efficient  UV-filters, are  widely  used nowadays.  They can  enter  the  environment  via swimming,  domestic  sewage  and industrial wastewater discharges. Many studies demonstrated that  BPs exert multiple biological toxicity, such as endocrine disrupting effect and genotoxicity. Chlorination
disinfection is  one of  necessary  units in  water treatment  process, and  highly toxic disinfection by-products would be  generated in the process. To reduce  the formation of    toxic   disinfection    by-products,   photo-chlorination    combined    disinfection treatment  has  been   explored.  Widely  used  BPs  UV-filters   can  access  to  water treatment   process,   their    transformation   characteristics   in   photo    induction   -
chlorination combined  water treatment  process should  be payed  more attention.  In this paper, 11 typical BPs UV-filters were selected, the photobacterium acute toxicity assay was  used  to screen  the toxicity  variation  before and  after photo  induction  -chlorination  treatment. The  relationship  between  molecular structures,  operational conditions   and   toxicity  variation   was   revealed.   Furthermore,   2,3,4-trihydroxy benzophenone (B9)  was selected  as target  compound. The  UPLC-MS method  was used to  identify the transformation  products and  photobacterium assay was  used to screen  the  acute  toxicity   variation.  The  transformation  mechanism  and   toxicity variation of B9 in photo-chlorination combined process was further investigated, and the  transformation characteristics  in  chlorination and  photochemical  process  were compared. The main results are shown as following:
    1. 11  BPs were selected  as target compounds  to evaluate the  toxicity variation of  BPs  before   and  after  photo   induction-chlorination  disinfection  process.  The effects  of  molecular  structures  (number  and  position   of  hydroxyl  groups,  other groups)  and  operational conditions  (pH  values  and  chlorine  dosages) on  toxicity variation  were  revealed.  The  results  were  as  following:  BPs  with  less hydroxyl groups  easily  increased in  toxicity  after  treatment.  For  those BPs  containing  the same  hydroxyl  group  numbers,  the  one with  hydroxyl  groups  locating  at  3-,  or 4-position  easier increased  in toxicity  after  treatment than  those at  2-position;  the one  with  hydroxyl  groups  distributing  on two  benzene  rings  easier  increased  in toxicity.  BPs  with  methoxyl  group   and  sulfonic  acid  group  easily  increased  in toxicity after treatment. The toxicity variation was pH-dependent, the toxicity easiest increased at  acid condition,  and hardest  at neutral condition.  The toxicity  variation Benzophenones  (BPs),  as low  cost  and  efficient  UV-filters, are  widely  used nowadays.  They can  enter  the  environment  via swimming,  domestic  sewage  and industrial wastewater discharges. Many studies demonstrated that  BPs exert multiple biological toxicity, such as endocrine disrupting effect and genotoxicity. Chlorination disinfection is  one of  necessary  units in  water treatment  process, and  highly toxic disinfection by-products would be  generated in the process. To reduce  the formation of    toxic   disinfection    by-products,   photo-chlorination    combined    disinfection treatment  has  been   explored.  Widely  used  BPs  UV-filters   can  access  to  water treatment   process,   their    transformation   characteristics   in   photo    induction   -chlorination combined  water treatment  process should  be payed  more attention.  In this paper, 11 typical BPs UV-filters were selected, the photobacterium acute toxicity
assay was  used  to screen  the toxicity  variation  was also  chlorine dose-dependent, as  the chlorine dosages  increased, the increasing toxicity  degree  increased   and  then  decreased.  To   further  verify  the  correlation between molecular structures and toxicity variation,the Quantitative Structure-Activity Relationship  (QSAR)  was   used.  The  computation result was in accordance with the toxicity test result.
    2. 2,3,4-Trihydroxy  benzophenone (B9)  was selected  as target  compound, the transformation    characteristics    and    toxicity    variation    in    photo-chlorination, chlorination, photochemical process were compared.  The effects of chlorine dosages (0.4-equiv, 1-equiv and 3-equiv), photo sources (ultraviolet, visible and sunlight) and irridation intensity (45 mW/cm2, 135  mW/cm2, 250 mW/cm2,and 350 mW/cm2 a) on transformation  characteristics  were  discussed   respectively.  Additionally,  B9  was spiked into a  secondary treatment effluent  under sunlight, during  which process the transformation  characteristic   and  toxicity  variation   were  also  investigated.   The results    indicated    that:    during    photo-chlorination   process,    chlorine    played predominate role in  B9 degradation; in photochemical  process, ultraviolet with high intensity easily promoted the photolysis of B9. The results of UPLC-MS showed that:4 products  were detected  in  photo-chlorination /chlorination  system, 2  products in ultraviolet photochemical  process and  3  in sunlight  treatment system  in secondary treatment   effluent.   The   toxicity   test   results   showed   that   the   acute   toxicity significantly increased during the above processes. The  paper  showed  that  many  benzophenones  exhibited  toxicity  increase  in photo-chlorination  process;  B9  exhibited  toxicity   increase  in  photo-chlorination, chlorination  and photochemical  process.  Specifically, during  sunlight  treatment in secondary treatment effluent, B9 underwent photo-degradation and exhibited toxicity increase significantly.  The results implied  that B9  has potential environmental  risk.To  minimize the  harm  to  the environment,  the  production  and  application of  B9 should be restricted, and the water treatment process should be optimized.
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/37040
Appears in Collections:环境化学与生态毒理学国家重点实验室_学位论文

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于奇--二苯甲酮类紫外防晒剂光-氯联合处理急性毒性评价及转化特征研究.pdf(2607KB)学位论文--限制开放 联系获取全文

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于奇. 二苯甲酮类紫外防晒剂光-氯联合处理 急性毒性评价及转化特征研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016.
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