天然水体中自然光与过氧化物酶协同降解消毒剂类污染物的机理研究

Peroxidase（POD) is a class of important enzymes presented in the natural water environment, which can catalyze oxidation of various kinds of organic pollutants in the presence of hydrogen peroxide(H2O2). The key factor limiting the degradation capacity of POD is the availability of H2O2 in water body. Literatures have reported that some organic matters can produce H2O2 under sunlight. It is hypothesized that the coexistence of POD and sunlight could have significant influence on the transformation and fate of organic contaminants in the natural water environment which contains various kinds of organic matters. Systematic research in this field is highly demanded. This project will focus on the degradation mechanism of organic pollutants by peroxidase in coordination with sunlight in natural water, using disinfectants frequently detected in water as target compounds. The H2O2 production potency of different natural organic matter like fulvic acid and humic acid under sunlight and the effect of sunlight on POD activity will be examined first. Then the degradation kinetics and degradation pathways of disinfectants in coexistence of POD and sunlight in natural water will be investigated. The effect of basic aquatic chemical compositions such as, transition metal ions and inorganic anions, on the degradation process will be explored. Finally, surface water samples will be taken from Yangtze river and Xuanwu lake in Nanjing to evaluate the levels of H2O2 concentration and POD activity and the degradation process of disinfectants in real water samples. The results of the research will enhance our understanding on the importance of POD catalyzed degradation of organic pollutants in natural water environment under sunlight.

过氧化物酶（POD）是天然水体中存在的一类重要降解酶，能在过氧化氢（H2O2）存在下催化氧化多种有机污染物。天然水体中影响POD催化降解作用的关键因素是H2O2的可给性。基于文献报道水中有机质的某些成分在阳光照射下能够产生H2O2，我们推测在含有各种有机质的天然水体中，自然光与POD的同时存在可能对水中有机污染物的转化和归趋产生重要影响，这方面的研究尚未引起重视。本项目以水中常见的消毒剂类污染物为研究对象，开展在自然光作用下水中POD催化去除消毒剂的机制研究。考察自然光照射下不同组分的有机质生成H2O2的机制及对POD催化活性的影响；深入研究光照和POD协同降解消毒剂的动力学和降解产物；并探寻基本水化学成分过渡金属离子和无机阴离子对此过程的影响。在此基础上，采样分析长江和玄武湖等自然水体表层水中POD和H2O2含量，比较其降解能力的差异，揭示自然光作用下POD对水体消毒剂降解和归趋的贡献。

过氧化物酶（POD）是天然水体中存在的一类重要降解酶，能在过氧化氢（H2O2）存在下催化氧化多种有机污染物。基于文献报道水中有机质的某些成分在阳光照射下能够产生H2O2，我们推测在含有各种有机质的天然水体中，自然光与POD的同时存在可能对水中有机污染物的转化和归趋产生重要影响，这方面的研究尚未引起重视。本项目以水中常见的氯代消毒剂、雌激素和心血管药物等常见污染物为研究对象，开展了在自然光作用下水中POD催化去除消毒剂的机制研究。首先研究了常见过氧化物酶辣根过氧化物酶（HRP）和大豆过氧化物酶（SBP）对典型氯代消毒剂三氯生的降解过程，比较了两种POD降解能力的差异，发现SBP具有比HRP更好的环境适应性和降解能力；氯代消毒剂苄氯酚（CP）和双氯酚（DCP）在模拟自然光照射下的光降解表明，两种消毒剂都易于光解，其光降解机制为直接光解和自敏化间接光解，水中腐殖质和Fe3+对其光解有抑制作用，其主要原因为光屏蔽效应。在建立水中腐殖质及其模型化合物光化学生成的低浓度过氧化氢准确测定方法的基础上，研究了腐殖质及其模型化合物在模拟太阳光照射下产生过氧化氢的机理，揭示了腐殖质结构和来源对其光化学生成H2O2的影响机制，发现含有二羟基苯甲酸或二羟基对苯醌结构的物质光生H2O2的能力较强，腐殖酸生成H2O2的能力略强于富里酸。有机质在模拟自然光照射下产生的H2O2对HRP降解常见雌激素17b-雌二醇（E2）和17a-乙炔基雌二醇（EE2）有显著的促进作用，光酶协同降解的贡献与直接光解和间接光解相当；从光照和腐殖质性质两个方面考察了其对酶催化降解过程的影响，发现腐殖质根据其分子量分布和组成的不同可以通过活性位点竞争和降低有机底物有效性两种方式抑制有机污染物的酶催化降解过程；天然水体中除腐殖质组分外，过渡金属离子和除硝酸根外的无机阴离子对氯代消毒剂和雌激素光降解的影响均不显著。本研究的结果为深入认识和准确评价有机污染物的环境归趋和生态风险提供了重要的科学依据。