多環芳烴:揮發性碳氫化合物-中文百科頻道

定義

多環芳烴定義：含有一個苯環以上的芳香化合物，産生于工業生産、有機物熱解或不完全燃燒，其中有許多被證明具有緻癌毒性。

應用學科：生态學（一級學科）；污染生态學（二級學科）

同類物質

PAHs主要包括18種同類物質：

18種常見多環芳烴

⒈NAPNaphthalene萘(NAP)

2.ANYAcenaphthylene苊烯(ANY)

3.Acenaphthene苊萘嵌戊烷(ANA)

⒋FLUFluorene芴(FLU)

⒌PHEPhenanthrene菲(PHE)

⒍ANTAnthracene蒽(ANT)

⒎FLTFluoranthene熒蒽(FLT)

⒏PYRPyrene芘(PYR)

⒐BaABenzo(a)anthracene苯并（a）蒽(BaA)

⒑CHRChrysene䓛(CHR)

⒒BbFBenzo(b)fluoranthene苯并（b）熒蒽(BbF)

⒓BKFBenzo(k)fluoranthene苯并(k）熒蒽(BkF)

⒔BaPBenzo(a)pyrene苯并（a）芘(BaP)

⒕IPYIndeno（1,2,3-cd)pyrene茚苯（1,2,3-cd）芘(IPY)

⒖DBADibenzo(a,h)anthracene二苯并（a,h）蒽(DBA)

⒗BPEBenzo(g,hi)perylene苯并（ghi）北（二萘嵌苯）(BPE)

17.Benzp(e)pyrene苯并（e）芘(BeP)

18.Benzo(j)fluoranthene苯并(j)熒蒽（BjF）

物質來源

在自然界中這類化合物存在着生物降解、水解、光作用裂解等消除方式，使得環境中的PAHs含量始終有一個動态的平衡，從而保持在一個較低的濃度水平上，但是近些年來，随着人類生産活動的加劇，破壞了其在環境中的動态平衡，使環境中的PAHs大量的增加。

自然源

主要包括燃燒（森林大火和火山噴發）和生物合成（沉積物成岩過程、生物轉化過程和焦油礦坑内氣體），未開采的煤、石油中也含有大量的多環芳烴。

人為源

PAHs人為源來自于工業工藝過程、缺氧燃燒、垃圾焚燒和填埋、食品制作及直接的交通排放和同時伴随的輪胎磨損、路面磨損産生的瀝青顆粒以及道路揚塵中，其數量随着工業生産的發展大大增加，占環境中多環芳烴總量的絕大部分；溢油事件也成為PAHs人為源的一部分。因此，如何加快PAHs在環境中的消除速度，減少PAHs對環境的污染等問題，日益引起人們的注意。

物質變化

存在狀态

多環芳烴廣泛存在于人類生活的自然環境如大氣、水體、土壤、作物和食品中。截止2013年4月份己知的多環芳烴約有200多種。大氣中的PAHs以氣、固兩種形式存在，其中分子量小的2-3環PAHs主要以氣态形式存在，4環PAHs在氣态、顆粒态中的分配基本相同，5-7環的大分子量PAHs則絕大部分以顆粒态形式存在。

水體中的多環芳烴可呈三種狀态：吸附在懸浮性固體上；溶解于水；呈乳化狀态。己知的地表水中的多環芳烴有20餘種。地下水和海水中也檢測了多環芳烴。土壤中PAHs的濃度一般在10-10µg/Kg範圍内，城郊土壤中PAHs的濃度更高，達10-10µg/Kg。土壤的污染必然影響到作物的生長.蔬菜中BPa的含量以葉類蔬菜最多，根菜類和果實類蔬菜次之

遷移變化

多環芳烴在環境中大多數是以吸附态和乳化态形式存在，一旦進入環境，便受到各種自然界固有過程的影響，發生變遷。通過複雜的物理遷移、化學及生物轉化反應，在大氣、水體、土壤、生物體等系統中不斷變化，改變分布狀況。處在不同狀态、不同系統中的多環芳烴則表現出不同的變化行為。多環芳烴進入大氣後，可通過化學反應、降塵、降雨、降雪等過程進入土壤及水體中。

特性

物理性質

多環芳烴大部分是無色或淡黃色的結晶，個别具深色，熔點及沸點較高，蒸氣壓很小，大多不溶于水，易溶于苯類芳香性溶劑中，微溶于其他有機溶劑中，辛醇-水分配系數比較高。多環芳烴大多具有大的共扼體系，因此其溶液具有一定熒光。一般說來，随多環芳烴分子量的增加，熔沸點升高，蒸氣壓減小。

多環芳烴的顔色、熒光性和溶解性主要與多環芳烴的共扼體系和分子苯環的排列方式有關.随p電子數的增多和p電子離域性的增強，顔色加深、熒光性增強，紫外吸收光譜中的最大吸收波長也明顯向長波方向移動；對直線狀的多環芳烴，苯環數增多，辛醇-水分配系數增加，對苯環數相同的多環芳烴，苯環結構越“團簇”辛醇-水分配系數越大。

化學性質

多環芳烴化學性質穩定.當它們發生反應時，趨向保留它們的共扼環狀系，一般多通過親電取代反應形成衍生物并代謝為最終緻癌物的活潑形式。其基本單元是苯環，但化學性質與苯并不完全相似。分為以下幾類：

⑴具有稠合多苯結構的化合物

如三亞苯、二苯并[e,i]芘、四苯并[a,c,h,j]蒽等，與苯有相似的化學穩定性，說明：電子在這些多環芳烴中的分布是和苯類似的。如圖1所示：

圖1x電子分布與苯類似的多環芳烴

⑵呈直線排列的多環芳烴

如蒽、丁省、戊省等，比苯的化學性質活潑得多。其反應活性随環的增加而變強，環數達到7個的庚省，化學性質極為活潑，幾乎無法獲得純品。這種多環芳烴進行化學反應的特點，是常在相當于蒽的中間一個苯環的相對碳位（簡稱中蒽位）上發生。如圖2所示：

⑶呈角狀排列的多環芳烴

如菲、苯并[a]慈、蔡并[2,3-a]蒽、蕙并，[2,3-a]蕙等，其化學活性一般比相應的直線排列的異構體小。在加合反應中，通常在相當于菲的中間的雙鍵部位，即菲的9，10鍵（簡稱中菲鍵）上進行。π電子在很大程度上被限定在中菲鍵上，因此中菲鍵的化學性質非常接近于烯鍵。角狀多環芳烴含有4個以上環的，除了較活潑的中菲鍵外，還常含有直線多環芳烴類似的活潑對位——中慈位，如苯并[a]蔥的8，15位。但活潑程度比相應的直線狀異構體低，基本上也是随環數的增多而增強如圖3所示：

⑷結構更複雜的稠環烴

如苯并[a]花、二苯并[a,i]芘等，具有活潑的中菲鍵，但沒有活潑的對位。這類多環芳烴中具有緻癌性的不少，如苯并[a]芘是緻癌性最強的多環芳烴。它們的結構如圖4所示：

分析方法

随着科學技術的不斷進步，多環芳烴的檢測方法也在不斷地發展變化，從開始的柱吸附色譜、紙色譜、薄層色譜（TLC）和凝膠滲透色譜（GPC）發展到如今的氣相色譜（GC）、反相高效液相色譜（RP-HPLC），還有紫外吸收光譜（UV）和發射光譜（包括熒光、磷光和低溫發光等），還有質譜分析、核磁共振和紅外光譜技術，以及各種分析方法之間的聯用技術等。較為常用的是分光光度法和反相高效液相色譜法。近幾年來多環芳烴的分析方法發展迅速，出現了如微波輔助溶劑萃取、固相微萃取、超臨界流體等多種新的分析技術。

分光光度法

分光光度法有紫外分光光度法、熒光光譜法、磷光法，低溫發光光譜法和一些新的發光分析法等等。用發光技術分析RAHs多環芳烴樣品比吸收分光光度法具有靈敏度高、專屬性強等優點。發光法的靈敏度比吸收法高10-100倍，其檢出量約在10.6一10.8g範圍。由于紫外分光光度法儀器簡單，通用性強，所以也比較常見。一般PAHs的mole吸光系數（ε）在10-10左右，檢出靈敏度約在µg數量級。下表1是部分多環芳烴的最大紫外吸收波長。

表1部分多環芳烴的最大紫外吸收波

物質最大吸收波長（nm)

──────────────────────────────────

萘275

蒽370

丁省460

戊省580

低溫熒光分析法是近幾年出現的一種新的多環芳烴分析方法。于立軍等利用光纖傳導低溫裝置和熒光分光光度計偶聯，對多環芳烴進行低溫激發、發射光譜掃描，獲得了多環芳烴的Shpolskii低溫熒光光譜，呈現出很明顯的精細結構，對多環芳烴有很好的鑒别能力。

物理方法

⑴加熱法

水中的苯并[a]芘可通過加熱煮沸使其濃度降低，當加熱至沸時，其含量可減少37%-57%，如再繼續加熱，則其含量不再減少，且發現部分苯并[a]芘已轉入到加熱煮沸形成的沉垢中去。其他多環芳烴也可在加熱煮沸過程中部分地被除去。

⑵混凝沉澱法

利用此法及氯化可除去15%一85%的苯并[a]芘，如果再用合成絮凝劑及通過活性炭過濾，所得到的處理水，其多環芳烴的含量可達到食用水的标準。

⑶吸附法

石化廠排出的廢水中的熒蒽、苯并[al芘、茚并芘、3，4-苯并熒蒽、11，12-苯并熒蒽、苝及苝等，可以用活性炭吸附去除。使用粉狀活性炭，雖然可以降低其臭味，但是要達到飲用水的标準，即0.2µg/L是相當困難的。活性炭對分子量大的多環芳烴吸附效果較差，采用大孔樹脂吸附效果較好。總的來說，僅用物理方法處理多環芳烴是困難的，應當結合生化處理方法和化學處理方法一起使用。

化學方法

化學法處理多環芳烴主要有光氧化及化學藥劑氧化兩大類。

在光氧化過程中，水中的多環芳烴是在光誘發所産生的單線态氧、臭氧或輕基遊離基的作用下發生氧化降解的。苯并[a]芘可因光氧化而去除56%，并形成苯并[a]芘-3,6-二酮或其他二酮類化合物，以及一些未知的化合物。

在化學氧化中，主要是臭氧氧化和氯氧化兩種。臭氧去除多環芳烴的效果比其它氧化法為好。水溶液中的4µg/L的苯并[a]芘用2.5µg/L臭氧處理3分鐘，則其殘餘量為0.06µg/L；用0.45mg/L的臭氧處理5分鐘，則殘餘量為0.04µg/L。增加臭氧濃度，延長作用時間，可以提高去除率，但殘餘量總不會低于0.02µg/L烏錫康。

薄層色譜

薄層色譜法又稱薄層層析法，包括吸附薄層和分配薄層。其優點是展開時間短、可使用腐蝕性顯色劑、斑點密度很大而易于檢測、展開後斑點中的樣品可被提取以便采用分光光度法來測定、可作為制備色譜的預實驗方法等。

⑴吸附薄層

各種吸附劑的表面都存在着吸附活性，對有機化合物表現出程度不同的吸附能力，正是利用混合物中不同組分的分子、溶劑分子與吸附劑表面分子間的相互作用不同，用一定的溶劑系統（流動相）展開，由于溶劑與混合物裡的各組分争奪吸附劑活性表面，發生了吸附與解吸附的可逆過程，随着流動相的移動，這一過程不斷進行，使得各組分在兩相間的遷移速度不同而移動不同的距離，從而達到分離的目的。

不同的化合物由于結構性質上的差異，展開劑對它們的洗脫能力和在吸附劑上的吸附、解吸附性能也是不同的。因而在吸附劑上移動的距離也就不會相同，形成各種組分彼此程度不同地分離，性質差異愈大，分離效果愈好。

⑵分配薄層

分配薄層是利用物質在互不相溶的兩相溶劑中分配系數不同而達到分離的一種方法。它的基本原理來自兩相逆流萃取，是以一種多孔物質作為支持劑（這一點不同于吸附薄層的吸附劑），将極性溶劑在層析過程中始終固定在支持劑上，稱為固定相，另用一與固定相不相混溶的溶劑洗脫，稱為移動相。被分離的物質在固定相和移動相之間不斷地作連續的動态的分配，利用不同成分在兩相間分配系數不同而達到分離的目的。

反相高效液相色譜法（RP.HPPLC）

高效液相色譜法（HPLC）可在常溫下工作、對PAHs分辨率和靈敏度高、柱後餾分便于收集、适合熒光檢測器分析等優點，已廣泛應用于PAHs的分離和定量中，特别對多環、高相對分子質量的PAHs具有優勢。

美國EPA推薦使用乙腈和水作為HPLC的流動相，但乙腈價格較貴，且有毒性，賈瑞寶采用甲醇和水作為流動相進行梯度淋洗，16種PAHs的加标回收率為79%-104%，相對标準偏差5.2%-19.5%，适于PAHs的檢測。林琳等采用微波提取高效液相色譜法測定土壤中的多環芳烴，檢出限為0.10-0.80µg/kg，相對标準偏差為0.60%-4.60%，回收率為58.1%-97.8%。陶敬奇等采用固相微萃取高效液相色譜聯用測定水樣中8種多環芳烴，通過對萃取和解吸條件的優化，方法的檢出限為0.002-0.180µg/L，相對标準偏差為4.4%-2.2%，回收率為91.1%-115.8%，是一種快速分析環境水樣中痕量多環芳烴的方法。

其他研究

研究方向

環境中難降解有機物的生物去除，特别是多環芳烴的生物降解是環境科學家們共同關心的問題。盡管微生物修複是清除多環芳烴污染的最有效的手段，但是該技術要成功應用于實際，還是受到多種因素的限制。多環芳烴結構的特殊性及其低水溶性限制了它們被土著微生物的降解。以下幾個方面是值得深入研究的方向：

⑴分離能以四環以上高分子量多環芳烴作為唯一碳源的高效降解菌株，研究生物降解的影響因素，提高現有菌種的生物降解能力。

⑵多環芳烴的微生物降解途徑和機理與降解過程中的共代謝機理研究，降解過程的中間步驟和降解過程中積累的中間産物的結構性質，深入研究某些降解産物的毒性。

⑶通過遺傳工程技術，把編碼降解污染物酶的質粒或是基因，整合到能在污染環境生長存活的土著微生物的DNA中，使其獲得較強的污染物降解能力，充分發揮生物修複的作用。

⑷微生物與植物聯合修複的根際機理研究，多環芳烴污染土壤的植物修複正處于起步階段，而微生物與植物聯合修複将是一種很有發展前途的新型修複技術。

⑸深入研究生物表面活性劑産生的機理及其在實際處理中的應用，環境因子對多環芳烴生物降解的影響等一系列與實際污染土壤和地下水生物修複工程相關的問題。

緻癌毒性

多環芳烴英文簡稱PAHs，是強緻癌物質，可通過接觸導緻人體緻癌。在已知的500多種緻癌物中，有200多種和多環芳烴有關，已成為癌症的代名詞。

多環芳烴(PAHs)是指具有兩個或兩個以上苯環的一類有機化合物。多環芳烴是分子中含有兩個以上苯環的碳氫化合物，包括萘、蒽、菲、芘等150餘種化合物。英文全稱為polycyclicaromatichydrocarbon，簡稱PAHs。國際癌研究中心（IARC）（1976年）列出的94種對實驗動物緻癌的化合物。其中15種屬于多環芳烴，由于苯并a芘是第一個被發現的環境化學緻癌物，而且緻癌性很強，故常以苯并(a)芘作為多環芳的代表，它占全部緻癌性多環芳烴1%-20%。

索氏提取

通過對大氣顆粒物中多環芳烴的索氏提取過程中的不同階段的提取液中多環芳烴的分析,繪制了索氏提取曲線,發現提取效率主要取決于提取循環次數,而與提取浸泡時間關系不大。通過比較11種提取液對加标參考物和實驗參考物的索氏提取效率,發現常用的環己烷、苯等提取液提取效率很低。提取能力的序列為喹啉乙醇吡啶乙醇丙酮乙醇二氯甲烷苯環己烷石油醚丙酮乙醇環己烷氯仿四氫呋喃。