抗生素在防治人类及牲畜细菌性疾病方面发挥了巨大作用。磺胺类药物(sulfonamides,SAs)是应用最广泛的抗生素之一,主要用于医学、水产养殖和畜牧业。虽然这些药物以及代谢中间体在环境中能够经过吸附、生物和非生物降解得到部分去除,但这类药物在环境中很难被完全降解,最终还是进入环境水体,威胁水生生物甚至是人类的安全。养殖废水、医院废水和生活污水中大部分未完全降解的SAs及其代谢物进入污水处理厂。全球多地污水处理厂出水的SAs 检出ng 级至μg 级:如日本崎玉市2. 4 ~11 ng·L - 1,加拿大243 ~ 363 ng·L - 1;美国160 ~ 200 ng·L - 1;中国广州市14 ~ 118 ng·L - 1;香港1. 1 ~ 1 718 ng·L - 1;合肥2. 66 ~ 135. 12 ng·L - 1 等)。
光降解是SAs 在水环境中最有效的降解方式之一 ,主要的光解途径有直接光解、间接光解和自敏化光解,直接光解和自敏化光解对环境中SAs 的去除更具现实意义。目前,国内外对SAs 光解的研究较少,PERISA 等 利用MS/ MS 和NMR 技术分析了磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑及其代谢产物直接光解的基本降解路径并得到9 种光解产物。MOUAMFON 等利用UV/ H2 O2 工艺处理磺胺甲噁唑,证明羟基自由基是反应过程的主要活性物质,同时存在直接光解,VUV/ H2 O2 比UV/ H2 O2 快2. 1 倍。SAs 光解研究主要集中在纯水中的光催化降解、光催化降解的路径及光催化产物的确定 ,而鲜有对SAs 的直接光解及其在污水处理厂二级出水中光解行为的报道。目前的传统污水处理工艺并不能有效去除SAs ,因而污水处理厂附近受纳水体抗生素检出率较高。二级出水中成分复杂,对SAs 光解影响较大。
本研究选择磺胺二甲嘧啶(SM2 )为目标化合物,比较其在纯水和污水处理厂二级出水中光解的差异,通过在纯水中逐一模拟添加二级出水中主要成分来确定影响二级出水中SM2 光解的主要因素,并用猝灭实验确定了SM2 光解过程中的主要活性物质,研究结果对污水处理厂中SAs 的处理具有理论和实际意义。
1 实验部分
1. 1 实验仪器和试剂
多功能光化学反应仪(安徽农业大学自制,主体部分包括反应暗箱、多种光源装置、控温装置、循环水装置、20 孔石英试管槽和旋转反应装置,结构如图1 所示);高效液相色谱仪(美国Waters 2695);离子色谱仪(美国Dionex ICS-1100);总有机碳分析仪(德国耶拿);光照度计(上海嘉定JD-3 型)磺胺二甲嘧啶(纯度> 99% ,美国Sigma 公司);山梨酸(化学纯,国药集团化学试剂有限公司);甲醇、乙腈、异丙醇(色谱纯,美国天地有限公司);叠氮化钠、氯化钠、硫酸钠、硝酸钠(分析纯,西陇化工股份有限公司);实验用水均为milliQ 超纯水,污水处理厂二级出水取自安徽省某污水处理厂(未检测出目标抗生素,主要水质指标见表2);DOM(从生活污水中提取,TOC 含量为231 mg·L - 1 )
1. 2 实验方法
1. 2. 1 光源和初始浓度的影响
光源影响实验:将SM2 标准品用甲醇配制成1. 0 g·L - 1 的储备液,用超纯水稀释至1 mg·L - 1 ,取20mL 于石英试管中,将石英试管放置光化学反应仪中进行光解,光源分别为高压汞灯(150 W,可见光)和紫外灯(10 W,254 nm 紫外光),温度25 ℃ ,不同时间点取样,过0. 22 μm 滤膜后立即用液相色谱仪检测SM2残余浓度。
初始浓度的影响实验:将1. 0 g·L - 1 的储备液用超纯水稀释为0. 5、1 和2 mg·L - 1 不同浓度的工作液,光源为波长254 nm 的紫外灯,其余同光源影响实验。
每处理3 个平行,同时设置黑暗对照。
1. 2. 2 污水中DOM 的提取
将采集到的污水样品转移到50 mL 离心管中,超高速冷冻离心机于4 ℃ 、12 000 r·min - 1 下离心20 min,上清液立即用0. 45 μm 无菌微孔滤膜抽气过滤。滤液即为污水DOM。由于采集到的污水所含水溶性有机物很少,为方便实验过程中对DOM 不同浓度的需求,需对滤液进行冷冻干燥浓缩,保存于4 ℃ 冰箱中备用。
称取一定量的DOM 浓缩提取物,用超纯水溶解,测得溶液中溶解性有机质浓度为231 mg·L - 1 。实验中用超纯水稀释至所需浓度。
1. 2. 3 二级出水中SM2 的光解
将SM2 储备液用超纯水稀释至1 mg·L - 1 ,并分别添加二级出水中相应的Cl - 、NO3- 和SO4^2- (浓度分别为37. 8、43. 7 和34. 0 mg·L - 1 ,均为钠盐)和DOM(TOC 为10 mg·L - 1 ),同时用污水处理厂二级出水稀释至1 mg·L - 1 ,在紫外灯下光解,条件同1. 2. 1。
1. 2. 4 自由基猝灭实验
在超纯水和二级出水中分别加入1 mg· L - 1SM2 ,再分别加入6. 5 mmol·L - 1 异丙醇以猝灭羟基自由基(·OH),添加2 mg·L - 1 叠氮化钠(NaN3 ) 以猝灭羟基自由基(·OH ) 和单线态氧(1 O2),添加2 mg·L - 1 山梨酸以猝灭激发三重态SM2 (3 SM2? )和激发三重态DOM (3 DOM? ), 在紫外灯下光解30 min。
1. 3 分析方法
SM2 采用高效液相色谱仪测定(HPLC),色谱条件:色谱柱为Zorbax ODS 柱(4. 6 mm × 250 mm,5 μm);流动相为0. 5% 乙酸和乙腈( 体积比为60 ∶ 40);检测器为紫外检测器,检测波长268 nm;流速为0. 6 mL·min - 1 ;进样量为20 μL;柱温30 ℃ 。
1. 4 光解动力学和半衰期计算方法
SM2 在水体中的光解遵循准一级动力学 ,计算公式:
式中:t 为时间,min;C 为t 时刻SM2 的浓度,mg·L - 1 ;C0 为SM2 初始时刻浓度,mg·L - 1 ;k 为SM2 光解速率常数,min - 1 。
SM2 半衰期(t1 / 2 )计算公式:
式中:t1 / 2 为光解半衰期,min。
2 结果与分析
2. 1 光源和初始浓度对SM2 在纯水中光解速率的影响
黑暗对照实验表明,在光解反应过程中SM2 的水解作用、生物降解等光解以外的降解可以忽略不计。从图2 可以看出,两种光源下,SM2 在纯水中的光解反应符合一级动力学,SM2 在紫外灯条件下的降解速率明显快于高压汞灯,半衰期分别38. 3 和100. 5 min。SM2 的紫外最大吸收波长在239 nm 处,次吸收波长在262 nm 处,且于最大吸收波长的吸光度相近,实验所用紫外灯主发射波长为254 nm,可以被SM2 有效吸收,高压汞灯在200 ~ 600 nm 辐射不连续谱线,虽然光强比紫外灯高得多,但其发射的光谱只有部分偏紫外,因而不能有效地被SM2 吸收。综合考虑光解效果和能耗,实际应用中紫外灯作为光源优于高压汞灯。考虑到磺胺类抗生素在环境中属于微污染,选取0. 5、1 和2 mg·L - 1 3 个较小浓度考查其一般规律。
表1 初始浓度对SM2 光解动力学的影响
表1 显示SM2 的降解速率随其初始浓度的增大而减小,初始浓度与光解速率常数呈现负相关关系,一些研究认为这是由于在光解过程中,光源强度不变,光子量不变,随着光解物质初始浓度的增加,单位光解物质分得的光子量减少,从而导致光解速率常数下降,除此之外,也可能是由于自敏化光解的参与导致。
2. 2 二级出水中SM2 的光解及影响因素
从图3 可以看出,SM2 在二级出水中光解加快,半衰期为15. 3 min,降解速率常数k 值是纯水中的2. 5 倍。二级出水中主要成分如表2 所示,纯水与二级出水成分主要是氯离子、硝酸根离子、硫酸根离子和TOC 的含量的差异。在纯水分别添加含二级出水中相同浓度上述成分进行光解,结果见图3。纯水中SM2 的半衰期为49. 6 min, 添加Cl - 后半衰期为50. 4 min,Cl - 对SM2 的光解几乎没有影响; 添加NO3- 后,SM2 半衰期为42. 2 min,说明NO3- 对SM2有一定的敏化作用,但差异不显著。添加SO4^2- 和DOM 后,SM2 光解半衰期分别缩短为17. 8 min 和20. 2 min,可见,SO4^2- 和DOM 显著促进了SM2 的光解,这可能是在二级出水中光解速率比纯水中快的主要原因。
已有研究表明,硫酸根自由基是活化过硫酸盐降解磺胺类药物过程中的主要活性物质。SO4^2- 在紫外灯照射下能够被激发成硫酸根自由基,硫酸根自由基能够利用其强氧化性夺走磺胺二甲嘧啶环上电子使结构发生电子转移从而促进其降解。在纯水中同时添加与二级出水中相同浓度的3 种阴离子后,SM2 的光解并没有明显促进作用,其光解半衰期为57. 5 min,说明引起SM2 在二级出水中光解加快的主要因素并不是硫酸根离子,可能是溶解性有机质。关于水中溶解性有机质对药物光解的影响,LI 等 认为DOM 可以通过激发三重态来促进磺胺嘧啶的光解,电子伴质子转移是主要的反应途径。
2. 3 SM2 的光解机制
为了探讨SM2 在纯水中直接光解与二级出水中光解的主要活性物质,通过自由基猝灭实验研究了SM2 的光解机制。反应条件为,光源为紫外灯,光照时间30 min,DOM 浓度为10 mg·L - 1 TOC,山梨酸、叠氮化钠浓度为2 mg·L - 1 ,异丙醇浓度为6. 5 mmol·L - 1 。从图4 可以看出,在紫外灯下光解30 min,SM2在纯水中的光解率为32. 07% ,而加入山梨酸猝灭了3 SM.2 后,SM2 的光解率降低了50. 42% ,说明SM2 在纯水中的光解过程主要是在紫外光照射下发生电子转移产生激发三重态SM2 (3 SM.2 )最终生成SM2 产物的直接光解(式(3)中的反应①)。而加入异丙醇猝灭·OH 和加入叠氮化钠猝灭·OH 和1 O2 后SM2 的光解率有所提高,说明反应中同时存在自敏化光解过程,SM2 系间窜跃成3 SM?2 后又将能量传递给基态3 O2 或H2 O 产生活性氧物种( ROS)1 O2 和· OH(式(3)中反应②③),进而继续氧化SM2 生成光解产物,但其自敏化光解的产生不利于SM2 的光解,这与GE 等 得出的自敏化过程降低了光解反应速率的实验结论一致。
在纯水中加入二级出水中相同浓度TOC 的DOM 后,SM2 的光解率由纯水中的32. 07% 提高到76. 8% ,说明溶解性有机质是SM2 在二级出水中光解速率加快的主要原因之一。在含DOM 的溶液中加入相同浓度的山梨酸猝灭3 SM?2 和3 DOM? 后,SM2 的光解率降低了29. 00% ,降低程度显著低于在纯水中的50. 42% ,说明在DOM 存在下,SM2 除了直接光解和自敏化光解外,还存在间接光解作用,溶液中的DOM 吸收光子跃迁至3 DOM? ,再将激发能量传递给SM2 进而进行光化学转化为产物,SM2 在二级出水中光解变快正是由于3 DOM? 参与的光敏化降解过程促进了SM2 的降解(式(4))。添加叠氮化钠后SM2 的光解率变化较小,而添加异丙醇后SM2 的光解速率稍有变慢,说明ROS 的存在,除了对SM2 直接降解的抑制作用外,还有可能对SM2 光敏化过程产生一定的促进作用,这一过程较为复杂,还需进一步验证。具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
1)两种光源下,SM2 在纯水中的光解反应符合一级动力学,SM2 在紫外灯和高压汞灯下的半衰期分别为38. 3 和100. 5 min。SM2 在紫外灯照射下的光解速率是高压汞灯的2. 6 倍;SM2 光解速率随其初始浓度的增大而减慢。
2)SM2 在污水处理厂二级出水中的光解速率是超纯水中的2. 5 倍,溶解性有机质能显著促进SM2 的光解。
3)自由基猝灭实验表明,SM2 纯水中光解的主要途径为电子转移产生激发三重态SM2 的直接光解,其自敏化光解过程可能不利于SM2 的光解;含有DOM 的溶液中,SM2 除了自身的直接光解过程外,还产生了促进SM2 光解的激发三重态DOM,发生了敏化光解过程,激发三重态DOM 是促进二级出水中SM2光解的主要活性物质。
