本發(fā)明涉及一種組織工程材料類生物膜聚己內(nèi)酯的制備及其應(yīng)用于半透膜被動(dòng)采樣技術(shù)預(yù)測(cè)土壤中多環(huán)芳烴生物有效性的方法，屬于環(huán)保新材料應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)背景

土壤是人類賴以生存環(huán)境的重要組成部分，也是一種寶貴的資源，為動(dòng)植物的生長(zhǎng)生活提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和場(chǎng)所。同時(shí)，土壤作為污染物在環(huán)境中重要的匯，積累了越來(lái)越多的污染物。污染物進(jìn)入土壤后，會(huì)經(jīng)歷吸附解吸、遷移轉(zhuǎn)化以及降解等一系列過(guò)程，其賦存狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的生物有效性。其中，自由溶解在土壤孔隙水中或與土壤可逆結(jié)合的污染物可以與生物發(fā)生作用，被生物吸收利用。如果忽略污染物的生物有效性，僅以土壤中污染物的總量為依據(jù)，往往會(huì)導(dǎo)致過(guò)高估計(jì)污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，造成資源浪費(fèi)。因此，生物有效性的準(zhǔn)確表征和預(yù)測(cè)是對(duì)土壤中污染物進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和生態(tài)修復(fù)的重要理論依據(jù)。

對(duì)生物有效性進(jìn)行表征和預(yù)測(cè)的方法有很多種。其中，生物測(cè)試方法最為直接、真實(shí)，但由于操作復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高代價(jià)大，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。于是，人們開(kāi)發(fā)了物理化學(xué)方法。傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法如索氏提取、超聲提取、加速溶劑萃取等，往往是激烈的、耗竭式的，提取了土壤中所有相態(tài)的污染物，會(huì)過(guò)高估計(jì)有機(jī)污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而部分提取方法，如溫和溶劑萃取、tenax提取、環(huán)糊精提取等，也存在耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)高疏水性有機(jī)物預(yù)測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高化學(xué)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，人們又發(fā)展了仿生技術(shù)，由于仿生技術(shù)是模擬真實(shí)生物的行為，因此，結(jié)果更為科學(xué)合理，被動(dòng)采樣技術(shù)即是其中重要一種。

被動(dòng)采樣技術(shù)由于材料和方法的不同，也有很多種類。目前，應(yīng)用最廣泛的半透膜被動(dòng)采樣裝置(semi-permeablemembranepassivedevice，spmd)是由huckins等人于1990年提出并應(yīng)用于監(jiān)測(cè)水中疏水性有機(jī)污染物的。其基本結(jié)構(gòu)是由低密度聚乙烯(lowdensitypolyethylene，ldpe)的外膜制成的薄膜套筒，內(nèi)部填充三油酸甘油酯(triolein)構(gòu)成。由于非極性有機(jī)物擴(kuò)散通過(guò)聚合膜過(guò)程與擴(kuò)散通過(guò)生物膜的行為相似，因此，可以用其對(duì)水中的疏水性有機(jī)污染物進(jìn)行時(shí)間累加性的采集和定量分析。但是，傳統(tǒng)的半透膜被動(dòng)采樣裝置與生物膜在結(jié)構(gòu)和功能方面還存在較大差異，只有分子量較小(mw＜600)的污染物能夠擴(kuò)散進(jìn)入，且預(yù)測(cè)周期較長(zhǎng)。

聚己內(nèi)酯(polyε-caprolactone，pcl)是一種近年來(lái)發(fā)展較快的生物可降解聚酯材料，降解周期一般為1-2年，它是由ε-己內(nèi)酯(ε-caprolactone)在引發(fā)劑的作用下，開(kāi)環(huán)聚合的產(chǎn)物。pcl成膜后具有一定韌性，生物相容性好，原料安全無(wú)毒，并且容易獲得。目前，pcl廣泛用作組織工程領(lǐng)域如血管、神經(jīng)、皮膚、軟骨等的支架材料。但還沒(méi)有研究將其應(yīng)用于被動(dòng)采樣技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，是從仿生技術(shù)的理念出發(fā)，將組織工程材料類生物膜聚己內(nèi)酯應(yīng)用于半透膜被動(dòng)采樣技術(shù)，發(fā)明了一種半透膜被動(dòng)采樣裝置(pcl-spmd)，并將其應(yīng)用于土壤和水中多環(huán)芳烴的富集，以模擬有機(jī)污染物通過(guò)生物膜，進(jìn)入生物體內(nèi)富集的過(guò)程，并與生物富集實(shí)驗(yàn)中蚯蚓富集的結(jié)果進(jìn)行比較，以期開(kāi)發(fā)出更加快速、有效地表征和預(yù)測(cè)土壤中疏水性有機(jī)污染物生物有效性的方法。

本發(fā)明制備的半透膜被動(dòng)采樣裝置，應(yīng)用于土壤中多環(huán)芳烴的生物有效性預(yù)測(cè)，具體包括以下步驟：

第一步：pcl膜的合成。合成選用高壓靜電紡絲法，該方法所用的聚己內(nèi)酯高聚物購(gòu)自天津希恩斯奧普德科技有限公司，mn～80000，純度＞99％。稱取0.6gpcl顆粒于20mlepa瓶中，加入甲醇/三氯甲烷(v∶v，1∶5)混合溶液6ml，放入磁子，恒溫?cái)嚢?2h至pcl完全溶解，制成10％(m∶v)均勻透明靜電紡絲溶液；用10ml塑料注射器移取一定量靜電紡絲溶液，置于微量注射泵上，設(shè)定流速為2ml/h，高壓直流電源電壓17kv；將20cm×30cm的長(zhǎng)方形錫箔紙覆蓋在圓柱形的棒狀接收器上以收集纖維，圓形接收器的轉(zhuǎn)速為150r/min；紡絲2h后，取下覆有pcl膜的錫箔紙，在真空干燥箱中室溫干燥3d，去除殘留溶劑。

第二步：pcl-spmd裝置的制備。將靜電紡絲制得的覆在錫箔紙上的pcl膜置于托盤(pán)中，倒入無(wú)水乙醇完全浸沒(méi)后，pcl膜與錫箔紙分離，取出pcl膜，放入通風(fēng)櫥，揮發(fā)去除乙醇。將pcl膜裁剪成1cm×1.5cm規(guī)格，用熱封儀封口，制成pcl-spmd，備用。

第三步：pcl-spmd應(yīng)用于水和土壤中多環(huán)芳烴的富集。取1個(gè)pcl-spmd，一定體積的背景溶液、菲儲(chǔ)備液于60mlepa樣品瓶中，菲的濃度為0.1～1mg/l，進(jìn)行水中多環(huán)芳烴的富集動(dòng)力學(xué)和等溫線實(shí)驗(yàn)；取3個(gè)pcl-spmd置于含有100g染毒土壤的燒杯中(固水比5∶2)，菲的濃度為50mg/kg，進(jìn)行土壤中多環(huán)芳烴的富集動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并考察類型土壤、初始濃度對(duì)pcl-spmd富集多環(huán)芳烴的影響。

第四步：pcl-spmd對(duì)土壤中多環(huán)芳烴生物有效性的表征和預(yù)測(cè)。將pcl-spmd對(duì)土壤中多環(huán)芳烴的富集結(jié)果與生物富集實(shí)驗(yàn)中蚯蚓實(shí)際富集結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，得到pcl-spmd中多環(huán)芳烴濃度與蚯蚓體內(nèi)多環(huán)芳烴濃度的相關(guān)關(guān)系，以評(píng)價(jià)pcl-spmd對(duì)土壤中多環(huán)芳烴生物有效性進(jìn)行表征和預(yù)測(cè)的效果。

本發(fā)明選取組織工程材料類生物膜聚己內(nèi)酯作為半透膜被動(dòng)采樣裝置的材料制備pcl-spmd，分別應(yīng)用于水和土壤中多環(huán)芳烴的富集，并與生物富集實(shí)驗(yàn)中蚯蚓實(shí)際富集結(jié)果進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，取得了良好的結(jié)果。對(duì)水中多環(huán)芳烴的富集，pcl-spmd在6h即可達(dá)到富集平衡，具有快速富集的特點(diǎn)；對(duì)土壤中多環(huán)芳烴的富集，pcl-spmd在7d達(dá)到富集平衡態(tài)，相比于傳統(tǒng)的商品化的spmd(低密度聚乙烯填充三油酸甘油酯，富集周期一般為10-14d))，縮短了富集周期，提高了預(yù)測(cè)效率；同時(shí)，pcl-spmd富集的濃度與蚯蚓體內(nèi)富集的濃度具有明顯的相關(guān)關(guān)系，未來(lái)可以應(yīng)用pcl-spmd內(nèi)富集的濃度估算實(shí)際蚯蚓內(nèi)體富集的濃度，有效預(yù)測(cè)土壤中多環(huán)芳烴的生物有效性。

附圖說(shuō)明

圖1靜電紡絲合成的pcl膜；

圖2pcl膜的sem圖；

圖3pcl-spmd裝置圖；

圖4pcl-spmd富集水中菲的動(dòng)力學(xué)；

圖5pcl-spmd富集水中菲的等溫線；

圖6pcl-spmd富集土壤中菲的動(dòng)力學(xué)；

圖7土壤中pcl-spmd富集菲的濃度與蚯蚓體內(nèi)濃度的相關(guān)關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例：半透膜被動(dòng)采樣技術(shù)對(duì)土壤中菲的生物有效性預(yù)測(cè)研究

選取pcl-spmd作為生物有效性預(yù)測(cè)工具，分別在水和土壤中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

水中菲的初始濃度為1mg/l，動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在60mlepa瓶中進(jìn)行，分別于1、2、4、6、8、12、24h，取出1個(gè)pcl-spmd，測(cè)定pcl-spmd中菲的濃度，得到pcl-spmd富集水中菲的動(dòng)力學(xué)；在水中初始濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8mg/l時(shí)，放入1個(gè)pcl-spmd，富集12h，得到富集等溫線。由圖4和圖5可以得到，pcl-spmd富集水中的菲，在6h即可達(dá)到富集平衡狀態(tài)，這與文獻(xiàn)中傳統(tǒng)商品化的spmd富集速度相當(dāng)，說(shuō)明pcl-spmd可以應(yīng)用于富集水中的菲，并且富集速率很快，富集容量較大。

土壤中菲的初始染毒濃度為50mg/kg。動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)在2l燒杯中進(jìn)行，燒杯加入1kg染毒土壤，放入15個(gè)pcl-spmd裝置，用玻璃棒將pcl-spmd均勻分布到土壤體系中，錫箔紙和保鮮膜封口，避光置于暗處，分別于第1、7、14、21、28d從中取出3個(gè)pcl-spmd裝置，用濕濾紙擦凈表面，而后測(cè)定裝置中菲的濃度，得到pcl-spmd富集土壤中菲的動(dòng)力學(xué)。同時(shí)在黑土、潮土、水稻土、紅土四種不同類型土壤中，10、50、100mg/kg初始染毒濃度條件下，放入3個(gè)pcl-spmd，分別富集14d，得到富集結(jié)果，并與相同條件下蚯蚓富集結(jié)果進(jìn)行分析比較。由圖6可以得到，pcl-spmd富集土壤中菲，在7d達(dá)到富集平衡，相比于傳統(tǒng)的商品化的spmd(一般約為15d)，縮短了富集周期，提高了預(yù)測(cè)效率。

進(jìn)一步將不同類型土壤、不同初始染毒濃度土壤中pcl-spmd的富集結(jié)果與實(shí)際土壤中蚯蚓的富集結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，由圖7可得，pcl-spmd中富集的濃度與蚯蚓體內(nèi)濃度呈線性相關(guān)，其關(guān)系可以用cpcl-spmd＝1.36×cearthworm-0.65進(jìn)行表示，且擬合效果較好(r²＝0.77，n＝8)，因此，可以通過(guò)pcl-spmd中富集菲的濃度估算蚯蚓體內(nèi)濃度，從而對(duì)土壤中菲的生物有效性進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。