一种对吡虫啉进行生态毒性评估的方法

1.本发明涉及一种生态毒性评估方法，具体涉及一种对污水中光降解吡虫啉进行生态毒性评估的方法，属于水质评估领域。


背景技术：

2.吡虫啉是使用最广泛的杀虫剂之一，可作为神经毒素，对节肢动物和水生生物具有高生态毒性，也具有持久性。据报道，吡虫啉在土壤和水中的半衰期约为30天，如今已在世界各地的地表水和地下水中发现。为防止吡虫啉进入水体，相关人员多年来一直在研究先进的处理工艺，而处理工艺的共同特征是都会产生羟基自由基，羟基自由基可以通过紫外线照射从水中产生，即光催化降解，光催化降解被证明是从水中降解和消除人为微污染物的最有效方法之一，所以为了产生羟基自由基，会用uvc辐射或uva光和合适的光催化剂进行光催化降解，光催化剂如二氧化钛。在没有参考标准的情况下，光催化降解后转化产物的生态毒性评估仍在探索中。混合物体系产生的毒性效应是所有组分污染物拮抗、叠加、协同或抑制作用的综合结果，传统理化分析方法得出的各组分的浓度信息不能够完整反映水生生态系统混合污染的潜在影响。生物毒性的高低直接影响排放水体的水生生物生存，无法正确评估水中污染物质的生物毒性可能会导致不达标废水排入河流，进而引起生物的中毒反应，使之行为异常、生理功能紊乱、组织细胞病变甚至死亡。因此急需发展一种高效快速且信息量丰富的分析手段来评估光催化降解后转化产物的生态毒性。


技术实现要素：

3.本发明为了解决传统理化分析方法得到的污水中吡虫啉不能够完整反映污水，就无法正确评估污水中吡虫啉的生物毒性，易导致生物中毒的问题，进而提出了一种对吡虫啉进行生态毒性评估的方法。
4.本发明采取的技术方案是：
5.它包括以下步骤：
6.s1、采集定量的含有吡虫啉的污水，对所述污水进行光催化降解，得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物；
7.s2、利用反相色谱分析将光催化降解后的污水中的水和降解后的产物进行分离，得到分离后的水和降解后的产物；
8.s3、对降解后的产物进行hplc-hrms分析，得到降解后的产物包括吡虫啉经过光催化降解后产生的产物和未降解的吡虫啉，同时得到所述产物和吡虫啉的具体结构；
9.s4、根据产物和吡虫啉的具体结构利用acd/chemsketch软件得到所述产物和吡虫啉的化学结构式；
10.s5、利用定量构效关系对产物和吡虫啉的化学结构式进行分析，得到产物和吡虫啉的生态毒性排名；
11.s6、根据产物的生态毒性排名计算s1中采集的污水的生态毒性当量，完成生态毒
性评估。
12.进一步地，所述s1中采集定量的含有吡虫啉的污水，对所述污水进行光催化降解，得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物，具体过程为：
13.依次将采集的含有吡虫啉的污水和光催化剂倒入间歇式反应器内，利用温度计将间歇式反应器的反应温度固定为22
±
2℃，再用间歇式反应器内的搅拌器对污水进行搅拌，搅拌时长为二分钟，同时用间歇式反应器内的紫外灯对污水进行照射，照射时长为十分钟，在照射的前五分钟每隔三十秒从间歇式反应器中采集2ml污水，后五分钟每隔一分钟从间歇式反应器中采集2ml污水，将采集的所有污水混合后进行过滤，过滤后的污水装入棕色玻璃瓶中保存，得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物。
14.进一步地，所述光催化剂为二氧化钛，二氧化钛的浓度为100mg/l；所述搅拌器的转速为500rpm。
15.进一步地，所述紫外灯为中压汞灯或低压汞灯，紫外灯产生的紫外线包括长波紫外线和短波紫外线，中压汞灯发射长波紫外线，低压汞灯发射短波紫外线，在对污水进行照射时仅采用上述一种紫外线。
16.进一步地，长波紫外线和短波紫外线的紫外线最大强度均在波长为313、365、405、437、547、578和580nm时；长波紫外线和短波紫外线在200nm至500nm波长内的通量均用草酸铁光度计测定，长波紫外线的通量为3.50mmol min-1
l-1
，短波紫外线的通量为2.03mmol min-1
l-1
。
17.进一步地，所述s2中利用反相色谱分析将光催化降解后的污水中的水和降解后的产物进行分离，得到分离后的水和降解后的产物，具体过程为：
18.使用eclipse plus c18色谱柱对光催化降解后的污水进行反相色谱分析；反相色谱分析的洗脱时长为二十分钟；洗脱的洗脱液包括超纯水和乙腈，超纯水和乙腈均用0.1％甲酸酸化，超纯水和乙腈的比例为99:1；反相液相色谱分析的进样量为5μl；反相色谱分析洗脱1分钟内超纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第10分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，洗脱11.1分钟时超纯水和乙腈的比例为1:99，洗脱第15分钟时超纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第16分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，并保持4分钟，得到分离后的水和降解后的产物。
19.进一步地，所述反相色谱分析时的柱温为40℃，流速为0.3ml/min。
20.进一步地，所述s5中利用定量构效关系对产物和吡虫啉的化学结构式进行分析，得到产物和吡虫啉的生态毒性排名，具体过程为：
21.将s4中得到的产物和吡虫啉的化学结构式同时输入定量构效关系工具箱中，输出产物和吡虫啉的生态毒性排名，定量构效关系工具箱采用生态结构-活动关系模型。
22.进一步地，所述生态结构-活动关系模型以慢性值表示慢性毒性，以半数致死浓度和半数有效浓度表示急性毒性。
23.进一步地，所述s6中根据产物的生态毒性排名计算s1中采集的污水的生态毒性当量，完成生态毒性评估，具体过程为：
24.25.其中，ete(t)表示污水的某个辐照时间的生态毒性当量；
26.t表示辐照时间；
27.n表示已识别产物的数量；
28.eq表示生态毒性排序值；
29.ete(t＝0)表示吡虫啉的定量构效关系值；
30.peakareaa表示每个产物对应的质谱峰面积。
31.有益效果：
32.本发明首先采集一定量的含有吡虫啉的污水，吡虫啉的浓度没有限定，利用间歇式反应器对采集的污水进行光催化降解，光催化降解在光照和光催化剂的存在下将污水中难降解的吡虫啉降分解为多个不同化学结构的无机物产物，得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物，污水的前处理过程简单，易于操作；利用反相色谱分析将光催化降解后的产物进行分离；对降解后的产物进行hplc-hrms分析，得到降解后的产物包括吡虫啉经过光催化降解后产生的产物和未降解的吡虫啉，同时得到所述产物和吡虫啉的具体结构，hplc-hrms为高效液相色谱与高分辨率质谱联用，hplc-hrms可确定降解后的产物具体包括哪些产物，还能够监测吡虫啉和吡虫啉经过光催化降解后产生的产物，利用高效液相色谱hplc与高分辨率质谱hrms联用作为检测器，获得更加准确的产物结构信息，并进一步用于定量构效关系的生态毒性预测，hrms也可以很容易地监测所有产物；根据降解后的产物的具体结构利用acd/chemsketch软件得到降解后的产物对应的化学结构式；利用定量构效关系对产物和吡虫啉的化学结构式进行分析，得到产物和吡虫啉的生态毒性排名；根据产物的生态毒性排名计算采集的污水的生态毒性当量，完成生态毒性评估，通过引入生态毒性当量评估不同时间下污水的生态毒性，如此依赖时间的ete可以帮助污水更好地估计并消除吡虫啉的毒性。
33.本发明将光催化降解后的污水利用反相色谱分析进行污染物(产物)的分离，针对分离得到的产物利用hplc-hrms分析准确的确定并得到污水中的产物的具体结构，得到准确的产物，利用acd/chemsketch软件将产物的具体结构转换为化学结构式，便于用定量构效关系对产物的化学结构式进行产物的生态毒性排名，得到每个产物的毒性，从而计算污水的生态毒性当量，评估污水的总体危险潜力。
附图说明
34.图1是本发明的流程图；
35.图2是光催化降解时间歇式反应器的结构图；
36.图3是实施例生态毒性的排序图；
37.图4是实施例生态毒性当量随光催化降解时间的变化图；
具体实施方式
38.具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种对吡虫啉进行生态毒性评估的方法，它包括以下步骤：
39.s1、采集定量的含有吡虫啉的污水，对所述污水进行光催化降解，得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物，具体过程为：
40.所述定量无具体的容量限定，是由光催化降解的间歇式反应器的容积决定。污水中吡虫啉的浓度无限定，本发明采用的是吡虫啉浓度为20mg/l(78μmol/l)。
41.依次将采集的含有吡虫啉的污水和光催化剂倒入间歇式反应器内，利用温度计将间歇式反应器的反应温度从光催化降解开始至结束都固定为22
±
2℃，再用间歇式反应器内的磁力搅拌器4对污水进行搅拌，搅拌时长为二分钟，以确保采集的含有吡虫啉的污水与光催化剂在反应器中充分混合。同时用间歇式反应器内的紫外灯3对污水进行照射，照射时长为十分钟，在照射的前五分钟每隔三十秒从间歇式反应器中采集2ml污水，后五分钟每隔一分钟从间歇式反应器中采集2ml污水，将采集的所有污水混合后进行过滤，以从污水中去除光催化剂，过滤后的污水装入棕色玻璃瓶中保存，如此就不会进一步发生光反应。得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物。
42.如图2所示。所述间歇式反应器包括壳体1、冷却系统2、紫外灯3、磁力搅拌器4、底座5、支架6、石英管7、立柱8，底座5为圆形板体，立柱8固定安装在底座5的上表面的中心线一侧上，磁力搅拌器4安装在底座5的上表面上，磁力搅拌器4为圆形结构，磁力搅拌器4的轴线与底座5的轴线重合，壳体1为圆筒形壳体，壳体1的直径与磁力搅拌器4的直径相等，壳体1安装在磁力搅拌器4的上表面外缘处，壳体1的轴线与磁力搅拌器4的轴线重合，石英管7的数量为多个，多个石英管7均垂直安装在磁力搅拌器4的上表面上，冷却系统2下端垂直安装在磁力搅拌器4上表面的中心处，紫外灯3自冷却系统2下端平行安装在冷却系统2的内部，多个石英管7围绕冷却系统2分布，支架6安装在立柱8的中上部，支架6与立柱8垂直，支架6与底座5平行，冷却系统的上端垂直安装在支架6上。
43.所述光催化剂为二氧化钛，二氧化钛的浓度为100mg/l。
44.所述磁力搅拌器的转速为500rpm。
45.所述紫外灯为中压汞灯或低压汞灯，紫外灯产生的紫外线包括长波紫外线(uva)和短波紫外线(uvc)，中压汞灯发射长波紫外线(uva)，中压汞灯在间歇式反应器内使用冷却水系统运行，预热2分钟内达到工作温度，低压汞灯发射短波紫外线(uvc)，低压汞灯在间歇式反应器内不使用冷却水系统运行，低压汞灯不需要预热。在对污水进行照射时仅采用上述一种紫外线。
46.长波紫外线(uva)和短波紫外线(uvc)的紫外线最大强度均在波长为313、365、405、437、547、578和580nm时，短波紫外线(uvc)还会另外发射185nm和254nm的波长。
47.长波紫外线(uva)和短波紫外线(uvc)在200nm至500nm波长内的通量均用草酸铁光度计测定，长波紫外线(uva)的通量为3.50mmol min-1
l-1
，短波紫外线(uvc)的通量为2.03mmol min-1
l-1
。
48.光催化降解在光照和光催化剂的存在下会将难降解的吡虫啉降分解为多个不同化学结构的无机物产物。
49.s2、利用反相色谱分析将光催化降解后的污水中的水和降解后的产物进行分离，得到分离后的水和降解后的产物，具体过程为：
50.使用eclipse plus c18色谱柱对光催化降解后的污水进行反相色谱分析，反相色谱分析的洗脱时长为二十分钟；洗脱的洗脱液(流动相)包括超纯水和乙腈，超纯水和乙腈均用0.1％甲酸酸化，抑制弱酸性分析物的电离，从而获得更好的超纯水和乙腈保留。超纯水和乙腈的比例为99:1；反相液相色谱分析的进样量为5μl；反相色谱分析洗脱1分钟内超
纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第10分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，洗脱第11分钟时超纯水和乙腈的比例在0.1分钟内调整为1:99，并保持3分钟，洗脱第15分钟时超纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第16分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，并保持4分钟，得到分离后的水和降解后的产物。
51.所述反相色谱分析时的柱温为40℃，流速为0.3ml/min。
52.s3、对降解后的产物进行hplc-hrms分析，得到降解后的产物包括吡虫啉经过光催化降解后产生的产物和未降解的吡虫啉，同时得到所述产物和吡虫啉的具体结构。
53.hplc-hrms为高效液相色谱与高分辨率质谱联用，hplc-hrms可确定降解后的产物具体包括哪些产物，同时能够识别和监测吡虫啉和吡虫啉经过光催化降解后产生的产物，得到吡虫啉和吡虫啉经过光催化降解后产生的产物的具体结构。
54.s4、根据产物和吡虫啉的具体结构利用acd/chemsketch软件得到所述产物和吡虫啉的化学结构式。
55.根据产物和吡虫啉的具体结构使用2016.1.1版的acd/chemsketch软件绘制得到所述产物和吡虫啉的化学结构式。
56.s5、利用定量构效关系对产物和吡虫啉的化学结构式进行分析，得到产物和吡虫啉的生态毒性排名，具体过程为：
57.将s4中得到的产物和吡虫啉的化学结构式同时输入定量构效关系(qsar)工具箱中，输出产物和吡虫啉的生态毒性排名，定量构效关系(qsar)工具箱采用生态结构-活动关系(ecosar)模型。
58.定量构效关系(qsar)分析是一种基于计算机的快速评估生态毒理的方法，定量构效关系(qsar)工具箱是一个现有的软件。本发明采用4.3.1版的定量构效关系(qsar)工具箱评估降解后的产物的生态毒性。所述定量构效关系工具箱使用ecosar模型以慢性值(chv)表示慢性毒性，以半数致死浓度(lc50)和半数有效浓度(ec50)表示急性毒性。根据定量构效关系分析得出预测的降解后的产物的生态毒性，根据生态毒性值从大到小或从小到达进行排名。
59.s6、根据产物的生态毒性排名计算s1中采集的污水的生态毒性当量，完成生态毒性评估，具体过程为：
[0060][0061]
其中，ete(t)表示污水的某个辐照时间的生态毒性当量；
[0062]
t表示辐照时间；
[0063]
n表示已识别产物的数量；
[0064]
eq表示生态毒性排序值；
[0065]
ete(t＝0)表示吡虫啉的定量构效关系值；
[0066]
peakareaa表示每个产物对应的质谱峰面积。
[0067]
本发明引入了生态毒性当量(ete)，某一产物的定量构效关系值为生态毒性排序值乘以ms峰面积(质谱图)。将某一时刻发现的所有产物的定量构效关系值加和(即质谱图中每一个小峰的面积，每一个时刻都会得到一个质谱图，质谱图不一样，所以对应的峰面积
加和就不一样)，并将加和值标准化，称为污水的生态毒性当量。允许对产物的生态毒性值进行排名，并在给定时刻评估污水的总体危险潜力ete(t)。该发明具有操作简单，灵敏度高，快速高效等优点。
[0068]
实施例
[0069]
采集定量的含有20mg/l(78μmol/l)浓度的吡虫啉的污水，对所述污水进行光催化降解，将所述污水和光催化剂倒入间歇式反应器内，所述光催化剂为浓度为100mg/l二氧化钛。利用温度计将间歇式反应器的反应温度从光催化降解开始至结束都固定为22
±
2℃，再用间歇式反应器内的磁力搅拌器4以转速为500rpm对所述污水进行二分钟的搅拌，以确保采集的含有吡虫啉的污水与光催化剂在反应器中充分混合。同时用间歇式反应器内的紫外灯3对所述污水进行照射，照射时长为十分钟，紫外灯为中压汞灯或低压汞灯，紫外灯产生的紫外线包括长波紫外线(uva)和短波紫外线(uvc)，中压汞灯发射长波紫外线(uva)，中压汞灯在间歇式反应器内使用冷却水系统运行，预热2分钟内达到工作温度，低压汞灯发射短波紫外线(uvc)，低压汞灯在间歇式反应器内不使用冷却水系统运行，低压汞灯不需要预热。在对所述污水进行照射时仅采用上述一种紫外线。在照射的前五分钟每隔三十秒从间歇式反应器中采集2ml污水，后五分钟每隔一分钟从间歇式反应器中采集2ml污水，过滤所采集的污水以从样品中去除光催化剂，并装入棕色玻璃瓶中，如此就不会进一步发生光反应。得到光催化降解后的污水，所述污水包括水和降解后的产物。
[0070]
长波紫外线(uva)和短波紫外线(uvc)的最大强度(最长波长)均在波长为313、365、405、437、547、578和580nm时，短波紫外线(uvc)还会发射185nm和254nm的波长。长波紫外线(uva)在200nm至500nm波长内的通量用草酸铁光度计测定，通量为3.50mmol min-1
l-1
；短波紫外线(uvc)在200nm至500nm波长内的通量用草酸铁光度计测定，通量为2.03mmol min-1
l-1
。
[0071]
使用eclipse plus c18色谱柱对光催化降解后的污水进行反相色谱分析，反相色谱分析时的柱温为40℃，流速为0.3ml/min。反相色谱分析的洗脱时长为二十分钟；洗脱的洗脱液(流动相)包括超纯水和乙腈，超纯水和乙腈均用0.1％甲酸酸化，抑制弱酸性分析物的电离，从而获得更好的超纯水和乙腈保留。超纯水和乙腈的比例为99:1；反相液相色谱分析的进样量为5μl；反相色谱分析洗脱1分钟内超纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第10分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，洗脱第11分钟时超纯水和乙腈的比例在0.1分钟内调整为1:99，并保持3分钟，洗脱第15分钟时超纯水和乙腈的比例为70:30，洗脱第16分钟时超纯水和乙腈的比例为25:75，并保持4分钟，得到分离后的水和降解后的产物。
[0072]
对降解后的产物进行hplc-hrms分析，hplc-hrms为高效液相色谱与高分辨率质谱联用，hplc-hrms可确定降解后的产物具体包括哪些产物，得到降解后的产物包括吡虫啉经过光催化降解后产生的产物和未降解的吡虫啉，同时能够识别和监测吡虫啉和吡虫啉经过光催化降解后产生的产物，同时得到所述产物和吡虫啉的具体结构。吡虫啉和降解产物的保留时间rt和观察到的高阶ms碎片如表1。
[0073]
表1：
[0074][0075][0076]
根据产物和吡虫啉的具体结构利用2016.1.1版的acd/chemsketch软件绘制得到所述产物和吡虫啉的化学结构式。
[0077]
将s4中得到的产物和吡虫啉的化学结构式同时输入4.3.1版的定量构效关系(qsar)工具箱中评估降解后的产物的生态毒性，定量构效关系(qsar)分析是一种基于计算机的快速评估生态毒理的方法，定量构效关系(qsar)工具箱是一个现有的软件。定量构效关系(qsar)工具箱输出产物和吡虫啉的生态毒性排名，定量构效关系(qsar)工具箱采用生态结构-活动关系(ecosar)模型，所述ecosar模型以慢性值(chv)表示慢性毒性，以半数致死浓度(lc50)和半数有效浓度(ec50)表示急性毒性。根据定量构效关系分析得出预测的降解后的产物的生态毒性，根据生态毒性值从大到小或从小到达进行排名。对光降解过程中确定的结构进行排序如图2所示。
[0078]
选择了水蚤、鱼和绿藻作为生物体，吡虫啉和降解产物的qsar分析如表2所示。
[0079]
表2：
[0080]
[0081][0082]
死亡率；n.p.＝没有预测
[0083]
根据产物的生态毒性排名计算采集的污水的生态毒性当量，吡虫啉的时间依赖生态毒性当量如图3所示。完成生态毒性评估，具体过程为：
[0084][0085]
其中，ete(t)表示污水的某个辐照时间的生态毒性当量；
[0086]
t表示辐照时间；
[0087]
n表示已识别产物的数量；
[0088]
eq表示生态毒性排序值；
[0089]
ete(t＝0)表示吡虫啉的定量构效关系值；
[0090]
peakareaa表示每个产物对应的质谱峰面积。
[0091]
本发明引入了生态毒性当量(ete)，某一产物的定量构效关系值为生态毒性排序值乘以ms峰面积(质谱图)。将某一时刻发现的所有产物的定量构效关系值加和(即质谱图中每一个小峰的面积，每一个时刻都会得到一个质谱图，质谱图不一样，所以对应的峰面积加和就不一样)，并将加和值标准化，称为污水的生态毒性当量。允许对产物的生态毒性值进行排名，并在给定时刻评估污水的总体危险潜力ete(t)。该发明具有操作简单，灵敏度
高，快速高效等优点。