（环境科学专业论文）藻类代谢产物中典型异味物质及其变化规律研究.pdf

a b s t r a c t a tp r e s e n t ，e u t r o p h i c a t i o no fl a k e si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s b l o o m i n g a g l a e c o n s u m ed i s s o l v e do x y g e ni nw a t e r ，r e l e a s es o m em e t a b o l i t e ss m e l l i n g d i s g u s t i n g o f f - f l a v o r p r o b l e m sc a u s e db ya l g a e - p r o d u c i n go d o r o u sc o m p o u n d sh a v e b e e no f t h ef o c u s e si n 捌n l ( i n g w a t e ri n d u s t r ya n da q u a c u l t u r e t h e r e f o r e ，r e s e a r c h0 nt h er e l e v a n c e b e t 、，旧e no 停f l a v c i r p r o b l e m sa n dt h em e t a b o l i t e sf r o ma l g a eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e w a t e ra n da l g a es a m p l e sw e r ed e t e r m i n e du s i n gs o l i d p h a s em i c r o e x t r a c t i o n c o u p l e d 砌mg a sc h r o m a t o g r a p h y 。m a s ss p e c t r o m e t r yt e c h n o l o g y ( s p m e g c m s ) i nt h i s s t u d y , t h e s c r e e n e dm e t a b o l i t e sw e r e1 3 - c y c l o c i t r a l ，1 3 - i o n o n e ，i n d o l ea n dt h e s ec o m p o u n d si ns a m p l e s w e r eq u a n t i t a t i v ea n a l y s e d r e l e v a n c e sb e t w e e na l g a ea n d1 3 - c y c l o c i t r a l ，1 3 - i o n o n e ，i n d o l ew e r es t u d i e d a c c o r d i n gt o p o l d e re x p e r i m e n ta n da l g a ed e c o m p o s i t i o ne x p e r i m e n t i nt h ea l g a ed e c o m p o s i t i o ne x p e r i m e n t , t h ec o n t e n t so fl b - c y c l o c i t r a l ，1 3 - i o n o n ew e r e d e c r e a s i n gw i t ht h et i m e a tt h eh i g hc u l t u r et e m p e r a t u r e ，t h ed e c o m p o s i t i o nr a t e so f 1 3 - c y c l o c i t r a l ，i m o n o n ea r eh i g h e rt h a nt h a ta tt h el o wc u l t u r et e m p e r a t u r e ：t h ed e c o m p o s i t i o n r a t e so f1 3 - c y c l o c i t r a lw e r e9 8 6 ，9 9 9 3 ，9 9 9 6 a tt h et e m p e r a t u r eo f 15 。c ，2 5 。c ，3 5 * ( 2 a n dt h ed e c o m p o s i t i o nr a t e so f1 3 - i o n o n ew e r e8 7 6 ，8 9 6 ，9 4 2 r e s p e c t i v e i v - t h e d e c o m p o s i t i o nv e l o c i t i e so ft h e s et w oc o m p o u n d si na l g a es a m p l e sw e r ef a s t e rt h a nt l l a tm m u qa n da l g a em i x e ds a m p l e s ，t h er e s i d u a lc o n t e n t sa f t e rd e c o m p o s i n gi na l g a es a m p l e sw e r e a l s ol o w e rt h a nt h a ti nm u da n d a l g a em i x e ds a m p l e sb e c a u s eo ft h er o l eo fm i c r o - o r g a m s m s mm u da n da l g a em i x e ds a m p l e s d e c o m p o s i t i o no fa l g a ep r o d u c e da l o to fi n d o l ei na l g a e s a m p l e ，t h eh i g h e rt h ec u l t u r et e m p e r a t u r e ，t h eg r e a t e rt h ec o n t e n to fi n d o l e 2 5 ca n d3 5 c w i 玳t h eb e s tc o n d i t i o n sf o rt h ed e g r a d a t i o no fl n d o l ei nm u da n d a l g a em i x e ds a m p l e s f r o mt h ep o l d e re x p e r i m e n t , t h ec o n t e n t so f1 3 - c y c l o c i t r a l ，d - i o n o n ei n w a t e rw e r e m c r e s l n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fa l g a ec o n t e n t t h ec o n t e n t so ft h et w oo d o r o u sm e t a b 0 1 i t e s w e r ed e c r e a s i n gw i t ht h eg r a d u a ld e a t ho fa l g a e t h ed e g r a d a t i o nr a t e o f3 - c y c l o c i 删i n w a t e rs a m p l e sf r o mf o u rg r o u p so f p o l d e re x p e r i m e n tc o u l dr e a c h9 9 ；t h ed e g r a d a t i o nr a t e o ff l - i o n o n ew a st h el o w e s t ：8 3 5 i nt h eg r o u pw h i c ha l g a ec o n t e n tw a st h el o 、e s t a i l d t l l e t h r e eo t h e rg r o u p sc o u l dr e a c h9 4 8 9 6 9 a n a l y s i sr e s u l t so fw a t e rs a m p l e sf r o mt a il a k ei n d i c a t e dt h a t l e c o n t e n t so f 1 3 - c y c l o c i t r a l ，i m o n o n ew e r et h el a r g e s ti na u g u s tw h e nt h ea l g a eb r e e d o nm e i l i a n gb a y a n di n t a k eo fn a n q u a nw a t e rp l a n t ，t h ec o n t e n t so f 1 3 c y c l o c i t r a lw e r e1 4 9 9 l ，4 2 “g l ，a n d d - i o n o n ec o n t e n t sw e r e0 2 4 i - t g l ，1 s g g , l t t 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 a n a l y s i sr e s u l t so fw a t e rs a m p l e sb e f o r ef i l t r a t i o na n da f t e rf i l t r a t i o nf r o mt a il a k ea n d p o l d e ri n d i c a t e dt h a t ：t h ee x i s t e n c ef o r mo f1 3 - c y c l o c i t r a la n d1 3 - i o n o n ew e r ep a r t i c u l a t ef o r m m a i n l y , t h ec o n t e n t so fp c y c l o c i t r a la n d1 3 - i o n o n ed i s s o l v e di nw a t e rw e r ee x t r e m e l yl o w k e yw o r d s ：o f f - f l a v o r ，a l g a e ，1 3 - c y c l o c i t r a l ，1 3 - i o n o n e ，i n d o l e ，p o l d e re x p e r i m e n t ， a l g a ed e c o m p o s i t i o ne x p e r i m e n t i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：一名匕 节年月哆日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 司年6 月乡a 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 1 绪论 1 1 本课题研究的背景 2 0 0 7 年5 月2 8 日，因太湖水域蓝藻暴发，导致无锡部分地区自来水水质发生变化， 居民生活用水出现异味，引发供水危机。各方监测数据显示：去年入夏以来，无锡市区 域内的太湖出现5 0 年以来最低水位，加上天气连续高温少雨，太湖水富营养化较重， 诸多因素导致蓝藻提前暴发，影响了自来水水源地水质。 近年来，随着人类生产生活污水的大量排放，水体富营养化问题目趋严重。在环境 条件适宜时，富营养化水体中的一些浮游藻类能够快速生长、繁殖，在较短时间内成为 优势种群，当达到一定细胞密度时，在水体表层大量聚集，形成肉眼可见的聚集体，即 “水华 。每年夏秋季节在一些淡水湖泊、河流和池塘中常可见到大面积的水华现象， 其中以蓝藻水华最为常见。我国的一些大型淡水湖泊都有不同程度的蓝藻水华发生。水 华的重大危害之一即水华藻类可代谢产生有害的次生代谢产物，释放到水体中，造成水 体污染，严重影响水体的正常结构与功能。 蓝藻的暴发带来了水质难闻的气味，降低了饮用水的质量，严重的情况下，甚至会 导致恶心、胸闷、腹泻等症状，所以通常会引起用户的抱怨及对水质的怀疑。 1 2 本课题研究的目的及意义 在淡水水体中，藻类代谢分解产物中对水环境影响最大的是蓝藻毒素和异味物质 【l 。3 1 ，由于蓝藻毒素对人类的健康有直接危害，针对毒素的研究工作相对较多。然而， 随着人们生活水平的不断提高，对饮用水、水产品的质量要求越来越高。水体异味，特 别是藻源异味问题已引起人们的重视卜。由藻类代谢产物引起的水体异味问题是一个 严重且普遍存在的环境问题。国外自二十世纪五十年代就开始了对水体异味的研究，至 今已成为当今世界水环境研究热点之一，而中国在这方面的研究相对较晚，相关研究工 作也较少。 近几年来，中国的一些研究单位对我国一些湖泊水体异味问题的调查研究【8 。1 l 】表明， 我国普遍存在着水体异味问题，尤其是在滇池、太湖、巢湖、东湖等富营养化湖泊中， 一些有害藻类过度繁殖，在生长过程中产生具有异味的挥发性次生代谢产物，释放到水 体中，使水质与水产品产生刺鼻难闻的气味，导致人类饮用水水质下降并对人体健康构 成威胁。随着湖泊富营养化过程的加剧，水及水产品异味问题也日益严重，因此亟待加 强对水体异味的成因和治理对策研究。 目前水体中常见的气味有下列几种：泥土味、霉味、芳香味、青草味、腐殖臭、药 l 绪论 硕士论文 品味、鱼腥臭、臭鸡蛋味、焦油臭、氯苯味等【1 2 1 。美国加州大学h ( m e l ) s u f f e t 教授对前 人的工作进行了总结与补充，绘制出气味轮图【1 3 1 ，如图1 所示： 1 3 气味来源 图l 气味轮图 水中的气味有机物形成原因多种多样，其来源主要有以下几方面【1 2 】：水源水中的天 然有机物。在供水行业常规水处理工艺下，水中有机物虽然被大量吸附除去，但一些残 留有机物具有低嗅阈值，仍能发生明显的气味；工农业废水和生活污水。工业废水中的 化学物质，如酚等不仅影响自来水厂净化效果，而且处理过程中可能又会产生新的有机 物质，产生臭味和其他刺激性气味。 微生物活动的代谢产物和消毒副产物等是水体异味的主要原因。 此外，还有些原因也可导致生活用水中气味有机物的形成，如水源体中的人工水产 养殖，能增加水体的有机物含量及有机体的腐蚀质等，使水体异味增加。 2 硕士论文 藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 微生物致味物质，包括水中微生物或藻类的新陈代谢所产生的异味物质和一些天然 有机物( 如腐殖质) 在微生物作用下的分解产物。 研究发现【1 3 j 产生异味的藻类有颗粒直链硅藻、针杆藻、舟形藻、菱形藻、栅藻、蓝 球藻、蓝纤维藻、颠藻、席藻、鱼腥藻等，其致异味质量浓度为0 0 1m g l - - 3 0m g l 。 当浮游藻类总生物量质量浓度达到1 2 7m g l 一1 8 1 m g l 时，水体产生轻微异味；当浮 游藻类总生物量质量浓度达到4 2 9m g l - - 9 4 8 m g l 时，水体异味严型1 4 】。 这些致味物质在水中的气味如表1 1 所示。 表1 1 水中的致昧物质【1 5 】 t a b l e1 1o d o rc o m p o u n d si nw a t e r 1 绪论硕士论文 1 4 气味类型 1 4 1 鱼腥味 在某些地区，冬季时原水中以鱼腥味为主要的异味，f p a 强度可高达1 2 【1 6 】。而产 生鱼腥味的主要原因是矽藻繁殖所造成的，水中常见的矽藻s y n e d r a 和m e l o s i r a 均会造 成鱼腥味【1 7 1 。在各种臭味物质中，可能会造成鱼腥味的物质多是一些醛类及胺类，如 n - x e n x a n a l 、n h e p t a n a l 、d e c a d i e n a l 、h e p t a a n d d e c a d i e n a l s 。蓝绿细菌门中的微囊藻也 会产生二甲基硫，具有鱼腥味的物质1 引。 1 4 2 土霉味 4 硕士论文 藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 常见的土霉味物质包括o e o s m i n 、2 - m i b 、i p m p 、i b m p 和t c a 1 9 之1 1 。已知蓝绿细 菌门中的颤藻属、伊沙束丝藻属及鱼腥藻等都被发现能产生g e o s m i n 。2 - m i b 能从放线 菌的培养基中分离得到。另外三种土霉味物质，i p m p 可从青椒中分离，i b m p 为土壤中 微生物所产生，t c a 则为水厂加氯程序所产生【2 2 2 3 1 。 1 4 3 氯味 氯味主要来自于净水消毒程序，主要形式为自由有效氯及氯胺【2 4 1 。当某地供水系统 中含氯量较低，则这个地区群众对氯的味道较为敏感，因此对于氯味之臭味阈值较低2 5 1 。 由于二氯胺的臭味阈值较一氯胺低很多，二氯胺的浓度到达0 5 m g l 以上时，大部分人 就会感受到不愉快的氯味【2 6 1 。氯味对于臭味物质有遮蔽的效应，能够使其他的味道不易 察觉【2 7 1 。 1 5 异味化合物的分析方法 水体异味的分析方法是水体异味研究的重要内容之一，许多早期文献所讨论的异味 来源问题以及异味防治技术都因缺乏一种可靠的分析方法而受到限制。因此，发展灵敏 可靠的异味物质的分析技术对进一步深入开展异味研究工作至关重要。目前，国内外对 水体异味的监测方法可归纳为两种，即感官分析方法和仪器分析方法。对异味的强度、 嫌恶性、公害原因等可以用感官分析方法加以鉴定和评价，但若分析异味的成分、浓度 及结构、探索异味物质的控制对策、以及进行异味污染状况的调查，就需要用仪器分析 方法，所以目前这两种方法都在使用，互为补充。 1 5 1 感观分析方法 气味的感官分析是指通过人的嗅觉来判断气味的类别和强度。它的主要原理是嗅味 物质通过各种途径进入鼻腔，从而刺激神经系统，使其产生信号，并将信号传送到大脑。 某种异嗅能够被感觉，首先该物质的浓度必须高于嗅阈值，即人类的鼻子刚能感觉到的 浓度。在早期，感官分析法比仪器法要灵敏，通常是p p m 级( 甚至p p b 级) 的异味就可以 被人感知，而且检测时间短，操作容易，所以当时在各国采用较为普遍。 1 5 1 1 嗅阈检测法 嗅阈检测法( t h r e s h o l do d o rn u m b e r ，t o n ) 就是通过把水样用无嗅水稀释到恰好可 检测出嗅味，以确定产生嗅味的该物质的嗅阈的评定方法。使用嗅阈检测法首先需要一 定数量的检测评定人员，人员的数目根据检测的目的、经济条件及可利用的检测评定人 员数而定。嗅阈值的计算为公式1 1 所示： t o n = ( a + b ) b ( 1 1 ) 式中t ( ) n - 一嗅阈值； a 水样体积( i n l ) ； s l 绪论 硕士论文 b 一用于稀释的无嗅水体积( m l ) 。 该方法适用于检测从几乎无异嗅的天然水到嗅阈值上千的工业废水。 t o n 法缺陷在于，水样在反复稀释的过程中易使挥发的组分损失，使数据不可靠， 缺乏重现性，而且没有描述样品气味的具体特征，可能会失去一些有用的信息。 1 5 1 2 气味层次法 由于早期的t o n 法存在难以准确划分异味的类型及无法测定低于t o n 值的异味化 合物等缺点，加上异味多是呈复合异味形式，因此，国外一直在对异味的嗅觉分析进行 深入的探讨和研究。经过多年的发展，已摸索出一些更好的异味分类分析方法，如气味 层次法( f l a v o rp r o f i l ea n a l y s i s ，f p a ) 。 f p a 是通过建立一个气味分析小组，针对饮用水中的异味物质对小组成员进行培 训，挑选出嗅觉比较灵敏的组员来进行水中异味物质的浓度分析【2 8 ，2 9 1 。这种方法可对嗅 味的种类及强度进行较精确的描述，且具有一定的定性和定量分析能力。该方法最初应 用在食品工业，1 9 8 1 年在美国水行业开始采用【3 0 】，并且结合水行业的特点，逐渐加以 改进，美国水和废水标准检验法第1 7 版已将f p a 作为标准方法【3 1 1 。 一般情况下f p a 将检测水样的嗅味分为7 个等级，如表l 所示： 表1 2f p a 法检测样品等级标准 t a ble1 2t h eg r a d i n gs t a n d a r do ff p a 气味强度等级( o i )感觉强度 o 2 4 6 8 1 0 1 2 不易察觉 非常微弱 微弱 中等偏弱 中等 中等偏高 强烈 强度单位的符号通常采用数字表示，即：0 表示阈值以下，2 、4 表示微弱强度，6 、 8 表示中等强度，1 0 、1 2 表示高强度。一般而言，f p a 嗅味强度结果与嗅味物质浓度 符合w e b e r - f e c h n e rl a w 关系式，即： o i = a l n c + b ( 1 2 ) 式中o i 气味强度 c _ 气味物质浓度 a 、卜斜率及截距 f p a 培训过程共包含6 项内容，具体分述如下【3 2 。5 】：嗅觉辨识测试、不同水样辨认、 标准溶液练习、嗅味阈值测试、嗅味强度训练、嗅味强度进阶训练。 6 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 根据饮用水异味轮状图的异味类型和对应的异味物质，据水样的异味类型，f p a 法 还可粗略推测水中可能存在的异味化合物，从而为水体异味原因调查提供更多的信息。 1 5 2 仪器分析法 仪器分析法是依据异味物质的反应生成物颜色、发光和离子化原理，用气相色谱法、 气质联用法、比色法、化学发光法等方法进行分析。其中，气相色谱法最为常用，多采 用火焰离子化检测器和质谱检测器。十几年前，人类的鼻子曾经是最灵敏的仪器，胜过 g c 分析。然而随着分析技术的发展，特别是使用了一些新的前处理方法后，如蒸汽蒸 馏萃取法( s d e ) 、液一液萃取法( l l e ) 、吹扫捕集法( p t ) 、闭环捕集法( c l s a ) 、开环捕集 法( o l s a ) 、固相微萃取法( s p m e ) 等，有关水体异味的研究才取得了一定突破。由于异 味物质的仪器分析法一般都是先对异味物质采用不同的前处理方法富集，再和g c f i d 或g c m s 组合来分析，分析方法的灵敏度主要取决于前处理方法对异味物质的富集效 率。 1 5 2 1 封闭循环吹脱法 封闭循环式吹脱法是嗅味分析技术应用最为成功的样品前处理方法，为美国e p a 挥发性物质标准分析方法。首先用循环气流把中等分子量的挥发性有机物从水中吹脱出 来，然后用活性炭使其从气体中吸附去除，采用二硫化碳将有机物从活性炭中洗脱，并 注入g c m s 的毛细管柱中进行定性、定量分析。 虽然用c l s a g c m s 分析法可检测质量浓度低达n g l 的微量物质，但实际可检测 最低浓度取决于目标检测物的吹脱效果以及g c m s 的工作状况。提高吹脱温度和使用 脱盐技术可提高吹脱效果。h a s s e t t 等1 3 6 j 尝试用硅胶代替炭滤层检测饮用水中嗅味物质， 由于目标待测物被萃取后，热解吸进入g c m s 进行分析，不同于使用炭吸附质，需要 溶剂进行洗脱，因此环路可以重复使用。a m y 等【3 7 】报道了利用中空纤维捕集法( h f s a ) 测定水中挥发性和低挥发性有机物的实验。h f s a 是c l s a 的改进方法，在密闭的双向 循环系统中，使用微孔中空无水纤维膜做为气水接触室。实验发现，h f s a 在低挥发 性物质的检测方面，比c l s a 具有优势，重现性好，并且可以避免c l s a 法中易发生的 泡沫现象。 1 5 2 2 吹扫捕集法 吹扫捕集法一直受到环境科学与分析化学界的重视，并被列为美国e p a 标准分析 方法，常与g c 联用测定水和废水中痕量挥发性有机物分析方法【3 引。它可用于各种样品 中多种有机物的分析测定，是高灵敏度的分析方法之一，其原理是使吹洗气体连续通过 样品，将其中的挥发组分吹脱后，使其在吸附剂或冷阱中被捕集，再进行分析测定，因 而是一种非平衡态连续萃取。这种方法几乎能全部定量地将被测物萃取出来，不但萃取 效率高，而且可以浓缩被测物，使灵敏度提高。 7 l 绪论 硕士论文 以上两种前处理方法均基于吹扫捕集原理，它们适用于水样中大多数挥发性异味化 合物的富集。但它们共有的局限性在于对低挥发性、强极性或易溶于水的有机物提取效 率不高，对这类异味化合物就需要采用下面提到的前处理方法。 1 5 2 3 液液萃取法 液液萃取( l l e ) 可萃取水中多种不同极性、挥发性和溶解性的有机物，是一种常用 的水样预处理方法。采用与水互不相溶的有机溶剂将目标待测物从水样中萃取出来，然 后直接对有机相进行g c 进样分析，测定其中目标待测物的含量【3 9 】。b r o w n l e e 等【4 0 】采用 正己烷对水样进行萃取，并利用气相色谱( 火焰离子检测器) 进行分析，结果发现该法对 于弱极性的甲基萘的回收率较高，而对于溶解性较强的气味化合物，如m i b 和g e o s m i n 的回收率较低，低于6 0 ，检测限大约为2 0 n g l 。s h i n 等采用液液萃取对水样进行 前处理，正戊烷作为萃取剂，将水样富集2 0 0 倍；然后取有机相进行g c m s 分析，质 谱离子源采用电子轰击e i ，选择离子检测模式( s i m ) ，内标物为氟苯。该方法可检测水 中多种异嗅物质，而且能达到较低的检测限。 1 5 2 4 蒸汽蒸馏萃取法 蒸汽蒸馏萃取法是用溶剂蒸汽来萃取水样中的有机物，与液液萃取法原理相同。经 典方法是将3l 水用5 0 “二氯甲烷蒸馏萃取3 - - 4 小时后，用k d 浓缩器浓缩至数百 微升进样分析 4 2 1 。由于s d e 费时费力，且要耗费大量溶剂，故很少用于水中痕量挥发 性有机异昧物质的分析。 1 5 2 5 固相萃取法 利用固体吸附剂将水样中的目标待测物气味化合物吸附，使其与样品基体和干 扰化合物分离，然后再用洗脱液洗脱或者热解吸，达到分离和富集化合物的目的。 p a l m e n t i e r 掣4 3 j 采用a m e b e rs o r b5 7 2 为吸附剂，二氯甲烷为洗脱剂，萃取水中痕量有机 物，并采用气相色谱和高效质谱( g c h r m s ) 联用分析萃取液，质谱离子源采用电子轰击 e l ，s i m 选择离子检测模式进行检测。 固相萃取不需要大量的互不相溶的溶剂，处理过程中不会出现乳化现象，简化了处 理过程，但是固相萃取的回收率和精确度要低于液液萃取法。 1 5 2 6 固相微萃取法 2 0 世纪9 0 年代，在固相萃取( s p e ) 的基础上开发了固相微萃取( s p m e ) 技术，利用 均匀涂覆在石英纤维上的吸附剂涂层进行萃取，此法继承了固相萃取的优点，克服了其 缺点。目前，在饮用水嗅味物质检测中应用最广泛。r e b e c c a 掣删将固相微萃取分析气 味化合物的各种实验条件进行了对比，如萃取方式( 直接萃取与顶空萃取) ，加盐浓度， 水样体积，纤维涂层种类，萃取时间和萃取温度，对上述每个参数进行了系统研究，确 定了最佳萃取条件。s u s a n 等【4 5 】对顶空固相微萃取定量分析水中痕量土霉味进行了研究， 证明顶空固相微萃取具有很好的重现性，比较了多个萃取条件：纤维涂层、温度、n a c i 8 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 的有无和萃取时间以及基质影响。并对实际水样进行了测定，发现此法水样中分析待测 物质量浓度在大于l n g l 小于8 0 0 n g l 的范围内具有较好的灵敏度。 1 5 3 感官与仪器结合分析法 主要利用感观气相色谱法( s e n s o r yg a sc h r o m a t o g r a p h y ) ，感官气相色谱法以气相色谱 法为基础与f p a 法相结合。这种方法6 0 年代就应用于香料与食品工业。最近又被引用 到水的气味检测中。样品预处理后经色谱柱分离，柱出口同时连接f i d ( 或其他检测器) 和气味鉴定出口装置，同时分别获得色谱峰和感知气味。混合气味随着混合物在色谱柱 中分离而分离，于是有机物质的气味和色谱峰之间便有一种对应关系。通过这种对应关 系，可找到气味的化合物来源，同时可进行定量分析【4 6 ，4 7 1 。 通过将气味强度与相应有机物的浓度对应起来，可建立定量的关系，由气味强度来 求得有机物的含量，这种量的对应关系依赖于气味强度与有机物浓度的相关性，因为气 味强度的精确性受许多因素的制约，因此由气味强度来求得相应化合物浓度的方法还不 很成功。同时某些物质从色谱柱出来后的气味与其纯物质的气味特性有差别，这是浓度 差别造成还是色谱柱中物质的影响需进一步研究。 另一个客观困难是气味感知员在感知气味的过程中可能会出现疲劳现象，对于保留 时间很接近的物质，要分辨它们存在着客观的困难。 尽管感官气相色谱法对水样的检测不十分成熟，它仍然是检测水中单个有机化合物 气味的高灵敏和精确的方法，并可由气味得知产臭化合物，再有目的地作色谱定量检测。 值得特别指出的是，对于某些用通常的色谱检测器不能获得信号的极低浓度有机物，气 味感知员却可感觉出来，甚至还有较强的信号。因此对于那些在色谱检测器上不十分灵 敏但气味强烈的有机物质，找到了一条有效的分析途径。 1 6 藻类与气味化合物 研究表明1 4 引，太湖夏季的藻类主要由6 大门类组成，分别为蓝藻、绿藻、硅藻、甲 藻、裸藻和隐藻。蓝藻、绿藻和硅藻占浮游藻类个体总量的9 9 以上，其中尤以蓝藻占 绝对优势。由湖岸湖湾一湖心，蓝藻逐渐减少，绿藻、硅藻等其它藻类逐渐增多，并 且藻类种属也在逐渐增加。 蓝藻以微囊藻属的水华微囊藻m f l o s a q u a e 等为优势种，占蓝藻个体总量的9 0 以上。绿藻以单角盘星藻p s i m p l e x 等为主，硅藻以变异直链藻m v a r i a n s 等为主。 甲藻、裸藻和隐藻等适宜在营养盐质量浓度较高的水体生长，虽然数量不多，但是却反 映出太湖严峻的富营养化形势。微囊藻在生长过程中，可以向环境中释放大量的有毒肽 类物质，严重影响水质，对水中生物的生长繁殖以及周边人类的生存健康带来严重危害 4 9 1 。藻类水华，尤其是微囊藻水华应该引起人们足够的重视。另外，蓝藻中的水华鱼腥 9 l 绪论 硕士论文 藻a f l o s a q u a e 、螺旋鱼腥藻a s p i r o i d e s 、铜绿微囊藻m a e r u g i n o s a ，绿藻中的斜生 栅藻s o b l i q u u s 、四尾栅藻s q u a d r i c a u d a ，硅藻中的普通等片藻d v u l g a r e 等指示严 重污染环境的藻类种属在各点也广为分布5 0 1 。 藻类与水体的气味存在着一定的联系。 1 6 1 活藻 活藻可产生许多挥发性的和非挥发性的有机物质。这些有机物或者是简单的光合作 用的产物，或者是由较简单的化合物合成为较复杂的化合物，变成异养有机体( 如细菌 和真菌) 的食物。 给水系统中，这种细胞外的产物会引起异嗅和异味。而且藻的细胞外物质分解是另 外一个潜在的引起嗅味的源泉。大部分产生嗅味的有机化合物是活藻释放的，包括小分 子量和大分子量物质【5 。 1 6 2 死藻 死藻可以通过两个途径引起异嗅和异味。其一，死亡藻类( 特别是无纤维素细胞壁 藻类) 细胞的解体，使得细胞内物质进人水中，释放出嗅味化合物；其二，死藻可作为 放线菌等细菌的食物，放线菌可产生嗅味化合物。腐烂的蓝绿藻可以产生各种各样的嗅 味硫化物，包括甲烷硫醇、异丁硫醇、n 丁基硫醇、二甲基硫醚、三硫酸二甲酯【5 。 活藻会释放代谢物。当藻腐烂时，藻的代谢产物就会释放出来。许多产物会引起嗅 昧，特别是蓝绿藻产生的酚类化合物。但不是所有的产物都会引起嗅味，蓝绿藻产生挥 发性化合物，其中许多会引起嗅味。 1 6 3 藻类的界限浓度与嗅味产生 只有当藻类达到特定浓度时，其代谢产物才会发出不良气味。表1 3 列出了一些产 生嗅味代谢物的藻类的界限浓度。 表1 3 产生嗅味代谢物的藻类的界限浓度川 t a b l e l 3c r i t i c a lc o n c e n t r a t i o no f a l g a ew h e ni tp r o d u c e so d o rm e t a b o l i t e s 1 0 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 1 7 本课题研究内容 本课题中所使用的水源水、藻类均采自太湖。 本课题采用固相微萃取技术对原水进行预处理，利用气质联用技术对水样进行检 测，确定出水源水中典型的异味化合物。 根据水样过滤前后的分析，分析异昧化合物的存在形式。 根据确定的典型异味化合物，分析其与藻类的相关性。包括： 异味化合物浓度随时间的变化趋势； 异味化合物浓度与藻类浓度的相关性； 异味化合物浓度与藻类培养温度的关系； 当存在其它微生物条件，异味化合物的变化趋势。 2 理论部分 m 论女 2 理论部分 2 1 周相微萃取的原理 周相微萃取( s o l i d - p h a s em i c r o c x t r a e t i o n ，s p m e ) 技术是2 0 世纪9 0 年代兴起的一项 新颖的样品前处理与富集技术，它最先由加拿大w a t e r l o o 大学的p a w l i s z y n 教授的研究 小组于1 9 8 9 年首次进行开发研究，属于非溶剂型选择性萃取法。并且由美国的s u p e l c o 公司在1 9 9 3 年实现商品化。 萃取过程：将纤维头浸入样品溶液中或顶空气体中一段时间，同时搅拌溶液以加速 两相间达到平衡的速度，待平衡后将纤维头取出插入气相色谱汽化室，热解析涂层上吸 附的物质。被萃取物在汽化室内解吸后，靠流动相将其导入色谱柱，完成提取、分离、 浓缩的全过程。 固相微萃取装置主要由两部分组成：一是涂在l c m 长的熔融石英细丝表面的聚合物 构成萃取头( f i b e r ) ，固定在不锈钢的活塞上：另一部分是手柄( h o l d e r ) ，不锈钢的活塞就 安装在手柄里，可以推动萃取头进山手柄，整个装置形如一微量进样器，立图2l 所示。 图2l困相微萃取装置1 萃取头2 坊融石英纤维 f i g u r e 2is p m ed e v i c e 1 一f i b e ra s s e m b l i e s2 - f u s e ds i l i c a f i b e r 平时萃取头就收缩在手柄里，当萃取样品时露出萃取头浸渍在样品中，或置r 样 品上空进行顶空萃取，有机物就吸附在革取头上，经过2 m i n 3 0 m i n 后吸附达到平衡， 萃取头收缩于鞘内，把同相微萃取装置撤离样品，完成样品萃取过程。将萃墩装置直接 凰斟蘑r一 “肖hhu卜，稚 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 引入气相色谱仪的进样口，推出萃取头，吸附在萃取头上的有机物就在进样口进行热解 析，而后被载气送入毛细管柱进行分析测定。 为了进一步提高萃取的效果，可以采取以下几种方法： 1 ) 搅拌。搅拌可以促进样品均一化和加快物质的扩散速度，有利于萃取平衡的建 立。 2 ) 加温。尤其在顶空固相微萃取的时候，适当加温可以提高液面上气体的浓度， 一般加温5 0 - - 9 0 。 3 ) 加无机盐。在水溶液中加入硫酸铵、氯化钠等无机盐至饱和，可以降低有机化 合物的溶解度，使分配系数提高。 4 ) 调节p h 值。萃取酸性或碱性化合物时，通过调节样品的p h 值，可改善组分的 亲脂性，从而可大大提高萃取效率。 2 2 气相色谱质谱联用技术原理 气相色谱质谱联用( g c m s ) 技术被广泛应用于复杂组分的分离与鉴定，其具有g c 的高分辨率和质谱的高灵敏度。首先利用气相色谱对物质进行分离，然后利用质谱仪检 测。 质谱仪扫描方式采用全扫描和选择离子储存。 全扫描是对指定质量范围内的离子全部扫描并记录，得到的是正常的质谱图，这种 质谱图可以提供未知物的分子量和结构信息，可以进行谱库检索。 选择离子储存( s e l e c t e di o ns t o r a g e ，s i s ) 是对选定的一个或多个离子、一定质量段 的离子或多段质量段的离子进行跳跃式扫描，只记录特征的、感兴趣的离子，不相关的、 干扰离子统统被排除。 2 3 定量方法 由于异味物质的含量在自然水体中未知，因此需要测定高浓度和低浓度下两条标准 曲线。同时测定标准曲线利用外标法。 用待测组分的纯品作对照物质，以对照物质和样品中待测组分的响应信号相比较进 行定量的方法称为外标法。此法可分为工作曲线法及外标一点法等。工作曲线法是用对 照物质配制一系列浓度的对照品溶液确定工作曲线，求出斜率、截距。在完全相同的条 件下，准确进样与对照品溶液相同体积的样品溶液，根据待测组分的信号，从标准曲线 上查出其浓度，或用回归方程计算，工作曲线法也可以用外标二点法代替。通常截距应 为零，若不等于零说明存在系统误差。 3 实验部分 硕士论文 3 实验部分 3 1 实验试剂与仪器设备 3 1 1 实验试剂 本实验所使用的主要试剂与材料如表3 1 所示。 表3 1 主要试剂与材料 t a b l e3 1m a i nr e a g e n t sa n dm a t e r i a l s 1 ) 使用前需重新蒸馏；2 ) 使用前在1 0 0 。c 烘1 2 h 。 3 1 2 仪器设备 本实验所使用的主要仪器设备如表3 2 所示。 1 4 表3 2 主要仪器设备 t a b l e3 2m a i ni n s t r u m e n t sa n de q u i p m e n t s 硕士论文藻类代谢产物中异味物质及其变化规律研究 3 1 3 围格实验平台 在无锡统一嘉园边上的太湖水域中打入4 根钢管作为桩，利用钢管在上面建立一个 约2 5m 1m 的矩形实验区，用绳将蛇皮袋系在钢管上，蛇皮袋内附一层塑料薄膜。共 1 2 个蛇皮袋，分为四组，每组3 个平行样，编号为a 、b 、c 、d 。 固固固固固固 固固固镯 _ ， ， 、 图3 1 围格实验平台俯视图和剖面图 f i g u r e 3 1v e r t i c a lv i e wa n dc u t a w a yv i e wo f p o l d e re x p e r i m e n tp l a t f o r m 3 2 实验方法 3 2 1 典型异味化合物的确定 选取太湖中最普遍的六种藻类：栅藻、铜绿微囊藻、华美微囊藻、蛋白核小球藻、 惠氏微囊藻、梅尼小环藻，进行单独的培养，在其大量繁殖期利用固相微萃取预处理， 气相色谱和质谱联用技术进行检测，确定这六种纯藻的代谢产物中典型的异味化合物。 同时对不同时间，不同采样点采集的太湖水样进行大量的实验，分析实验结果，得 到实际水样中的典型异味化合物。 结合上述两部分的分析结果，确定本次课题中所要研究的异味化合物。 3 2 2 标准储备液的制备 确定好典型异昧物质，取p c y c l o c i t r a l 和p i o n o n e 标准样品各5 3 9 l ，用甲醇定容至 1 5 3 实验部分 硕士论文 5 0 m l ，配成浓度为1 0 0 0 m g l 的混合储备液，置于冰箱中4 保存备用。 称取装有吲哚( i n d o l e ) 的瓶子总重量为1 1 9 1 7 8 9 ，使用甲醇将瓶中的吲哚溶解，在润 洗多次，定容至5 0 m l ，将原来的瓶子烘干，称取多次，直至衡重为1 1 9 0 0 2 9 。最终配成 3 5 2 m g l l 拘n i 哚标准储备液。 3 2 3 混合标准系列溶液的制备 用二次蒸馏水将混合标准储备液稀释成不同浓度的混合标准溶液系列，其中 1 3 - c y c l o c i t r a l 和p i o n o n e 的质量浓度分别为0 n g l 、l o o n g l 、2 5 0 n g l 、5 0 0 n g l 和1 0 0 0 n g l 的低浓度标准系列；f l - c y c l o c i t r a l 和p - i o n o n e 的质量浓度分别为0 r t g l 、l i - t g l 、5 r t g l 、 1 0 嵋l 、2 0 肛g l 和5 0 昭几的高浓度标准系列；i n d o l e 的质量浓度为0 肛g l 、1 7 6 r t e c t , 、 3 5 2 鹏几、7 0 4 肛g l 、1 7 6 9 9 l 和3 5 2 9 9 l 的标准系列，放置于冰箱q b 4 * c 保存备用。标准 溶液系列一个月必须更换。 经过s p m e 预处理进入g c m s 进