抗生素在防治人類及牲畜細(xì)菌性疾病方面發(fā)揮了巨大作用�；前奉愃幬�(sulfonamides,SAs)是應(yīng)用最廣泛的抗生素之一,主要用于醫(yī)學(xué)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧業(yè)。雖然這些藥物以及代謝中間體在環(huán)境中能夠經(jīng)過(guò)吸附、生物和非生物降解得到部分去除,但這類藥物在環(huán)境中很難被完全降解,最終還是進(jìn)入環(huán)境水體,威脅水生生物甚至是人類的安全。養(yǎng)殖廢水、醫(yī)院廢水和生活污水中大部分未完全降解的SAs及其代謝物進(jìn)入污水處理廠。全球多地污水處理廠出水的SAs 檢出ng 級(jí)至μg 級(jí):如日本崎玉市2. 4 ~11 ng·L - 1,加拿大243 ~ 363 ng·L - 1;美國(guó)160 ~ 200 ng·L - 1;中國(guó)廣州市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 在水環(huán)境中最有效的降解方式之一 ,主要的光解途徑有直接光解、間接光解和自敏化光解,直接光解和自敏化光解對(duì)環(huán)境中SAs 的去除更具現(xiàn)實(shí)意義。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)SAs 光解的研究較少,PERISA 等 利用MS/ MS 和NMR 技術(shù)分析了磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑及其代謝產(chǎn)物直接光解的基本降解路徑并得到9 種光解產(chǎn)物。MOUAMFON 等利用UV/ H2 O2 工藝處理磺胺甲噁唑,證明羥基自由基是反應(yīng)過(guò)程的主要活性物質(zhì),同時(shí)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純水中的光催化降解、光催化降解的路徑及光催化產(chǎn)物的確定 ,而鮮有對(duì)SAs 的直接光解及其在污水處理廠二級(jí)出水中光解行為的報(bào)道。目前的傳統(tǒng)污水處理工藝并不能有效去除SAs ,因而污水處理廠附近受納水體抗生素檢出率較高。二級(jí)出水中成分復(fù)雜,對(duì)SAs 光解影響較大。

　　本研究選擇磺胺二甲嘧啶(SM2 )為目標(biāo)化合物,比較其在純水和污水處理廠二級(jí)出水中光解的差異,通過(guò)在純水中逐一模擬添加二級(jí)出水中主要成分來(lái)確定影響二級(jí)出水中SM2 光解的主要因素,并用猝滅實(shí)驗(yàn)確定了SM2 光解過(guò)程中的主要活性物質(zhì),研究結(jié)果對(duì)污水處理廠中SAs 的處理具有理論和實(shí)際意義。

　　1　實(shí)驗(yàn)部分

　　1. 1　實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

　　多功能光化學(xué)反應(yīng)儀(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)自制,主體部分包括反應(yīng)暗箱、多種光源裝置、控溫裝置、循環(huán)水裝置、20 孔石英試管槽和旋轉(zhuǎn)反應(yīng)裝置,結(jié)構(gòu)如圖1 所示);高效液相色譜儀(美國(guó)Waters 2695);離子色譜儀(美國(guó)Dionex ICS-1100);總有機(jī)碳分析儀(德國(guó)耶拿);光照度計(jì)(上海嘉定JD-3 型)磺胺二甲嘧啶(純度> 99% ,美國(guó)Sigma 公司);山梨酸(化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);甲醇、乙腈、異丙醇(色譜純,美國(guó)天地有限公司);疊氮化鈉、氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鈉(分析純,西隴化工股份有限公司);實(shí)驗(yàn)用水均為milliQ 超純水,污水處理廠二級(jí)出水取自安徽省某污水處理廠(未檢測(cè)出目標(biāo)抗生素,主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2);DOM(從生活污水中提取,TOC 含量為231 mg·L - 1 )

　　1. 2　實(shí)驗(yàn)方法

　　1. 2. 1　光源和初始濃度的影響

　　光源影響實(shí)驗(yàn):將SM2 標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇配制成1. 0 g·L - 1 的儲(chǔ)備液,用超純水稀釋至1 mg·L - 1 ,取20mL 于石英試管中,將石英試管放置光化學(xué)反應(yīng)儀中進(jìn)行光解,光源分別為高壓汞燈(150 W,可見(jiàn)光)和紫外燈(10 W,254 nm 紫外光),溫度25 ℃ ,不同時(shí)間點(diǎn)取樣,過(guò)0. 22 μm 濾膜后立即用液相色譜儀檢測(cè)SM2殘余濃度。

　　初始濃度的影響實(shí)驗(yàn):將1. 0 g·L - 1 的儲(chǔ)備液用超純水稀釋為0. 5、1 和2 mg·L - 1 不同濃度的工作液,光源為波長(zhǎng)254 nm 的紫外燈,其余同光源影響實(shí)驗(yàn)。

　　每處理3 個(gè)平行,同時(shí)設(shè)置黑暗對(duì)照。

　　1. 2. 2　污水中DOM 的提取

　　將采集到的污水樣品轉(zhuǎn)移到50 mL 離心管中,超高速冷凍離心機(jī)于4 ℃ 、12 000 r·min - 1 下離心20 min,上清液立即用0. 45 μm 無(wú)菌微孔濾膜抽氣過(guò)濾。濾液即為污水DOM。由于采集到的污水所含水溶性有機(jī)物很少,為方便實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)DOM 不同濃度的需求,需對(duì)濾液進(jìn)行冷凍干燥濃縮,保存于4 ℃ 冰箱中備用。

　　稱取一定量的DOM 濃縮提取物,用超純水溶解,測(cè)得溶液中溶解性有機(jī)質(zhì)濃度為231 mg·L - 1 。實(shí)驗(yàn)中用超純水稀釋至所需濃度。

　　1. 2. 3　二級(jí)出水中SM2 的光解

　　將SM2 儲(chǔ)備液用超純水稀釋至1 mg·L - 1 ,并分別添加二級(jí)出水中相應(yīng)的Cl - 、NO3- 和SO4^2- (濃度分別為37. 8、43. 7 和34. 0 mg·L - 1 ,均為鈉鹽)和DOM(TOC 為10 mg·L - 1 ),同時(shí)用污水處理廠二級(jí)出水稀釋至1 mg·L - 1 ,在紫外燈下光解,條件同1. 2. 1。

　　1. 2. 4　自由基猝滅實(shí)驗(yàn)

　　在超純水和二級(jí)出水中分別加入1 mg· L - 1SM2 ,再分別加入6. 5 mmol·L - 1 異丙醇以猝滅羥基自由基(·OH),添加2 mg·L - 1 疊氮化鈉(NaN3 ) 以猝滅羥基自由基(·OH ) 和單線態(tài)氧(1 O2),添加2 mg·L - 1 山梨酸以猝滅激發(fā)三重態(tài)SM2 (3 SM2? )和激發(fā)三重態(tài)DOM (3 DOM? ), 在紫外燈下光解30 min。

　　1. 3　分析方法

　　SM2 采用高效液相色譜儀測(cè)定(HPLC),色譜條件:色譜柱為Zorbax ODS 柱(4. 6 mm × 250 mm,5 μm);流動(dòng)相為0. 5% 乙酸和乙腈( 體積比為60 ∶ 40);檢測(cè)器為紫外檢測(cè)器,檢測(cè)波長(zhǎng)268 nm;流速為0. 6 mL·min - 1 ;進(jìn)樣量為20 μL;柱溫30 ℃ 。

　　1. 4　光解動(dòng)力學(xué)和半衰期計(jì)算方法

　　SM2 在水體中的光解遵循準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué) ,計(jì)算公式:

　　式中:t 為時(shí)間,min;C 為t 時(shí)刻SM2 的濃度,mg·L - 1 ;C0 為SM2 初始時(shí)刻濃度,mg·L - 1 ;k 為SM2 光解速率常數(shù),min - 1 。

　　SM2 半衰期(t1 / 2 )計(jì)算公式:

　　式中:t1 / 2 為光解半衰期,min。

　　2　結(jié)果與分析

　　2. 1　光源和初始濃度對(duì)SM2 在純水中光解速率的影響

　　黑暗對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明,在光解反應(yīng)過(guò)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計(jì)。從圖2 可以看出,兩種光源下,SM2 在純水中的光解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué),SM2 在紫外燈條件下的降解速率明顯快于高壓汞燈,半衰期分別38. 3 和100. 5 min。SM2 的紫外最大吸收波長(zhǎng)在239 nm 處,次吸收波長(zhǎng)在262 nm 處,且于最大吸收波長(zhǎng)的吸光度相近,實(shí)驗(yàn)所用紫外燈主發(fā)射波長(zhǎng)為254 nm,可以被SM2 有效吸收,高壓汞燈在200 ~ 600 nm 輻射不連續(xù)譜線,雖然光強(qiáng)比紫外燈高得多,但其發(fā)射的光譜只有部分偏紫外,因而不能有效地被SM2 吸收。綜合考慮光解效果和能耗,實(shí)際應(yīng)用中紫外燈作為光源優(yōu)于高壓汞燈。考慮到磺胺類抗生素在環(huán)境中屬于微污染,選取0. 5、1 和2 mg·L - 1 3 個(gè)較小濃度考查其一般規(guī)律。

表1　初始濃度對(duì)SM2 光解動(dòng)力學(xué)的影響

　　表1 顯示SM2 的降解速率隨其初始濃度的增大而減小,初始濃度與光解速率常數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,一些研究認(rèn)為這是由于在光解過(guò)程中,光源強(qiáng)度不變,光子量不變,隨著光解物質(zhì)初始濃度的增加,單位光解物質(zhì)分得的光子量減少,從而導(dǎo)致光解速率常數(shù)下降,除此之外,也可能是由于自敏化光解的參與導(dǎo)致。

　　2. 2　二級(jí)出水中SM2 的光解及影響因素

　　從圖3 可以看出,SM2 在二級(jí)出水中光解加快,半衰期為15. 3 min,降解速率常數(shù)k 值是純水中的2. 5 倍。二級(jí)出水中主要成分如表2 所示,純水與二級(jí)出水成分主要是氯離子、硝酸根離子、硫酸根離子和TOC 的含量的差異。在純水分別添加含二級(jí)出水中相同濃度上述成分進(jìn)行光解,結(jié)果見(jiàn)圖3。純水中SM2 的半衰期為49. 6 min, 添加Cl - 后半衰期為50. 4 min,Cl - 對(duì)SM2 的光解幾乎沒(méi)有影響; 添加NO3- 后,SM2 半衰期為42. 2 min,說(shuō)明NO3- 對(duì)SM2有一定的敏化作用,但差異不顯著。添加SO4^2- 和DOM 后,SM2 光解半衰期分別縮短為17. 8 min 和20. 2 min,可見(jiàn),SO4^2- 和DOM 顯著促進(jìn)了SM2 的光解,這可能是在二級(jí)出水中光解速率比純水中快的主要原因。

　　已有研究表明,硫酸根自由基是活化過(guò)硫酸鹽降解磺胺類藥物過(guò)程中的主要活性物質(zhì)。SO4^2- 在紫外燈照射下能夠被激發(fā)成硫酸根自由基,硫酸根自由基能夠利用其強(qiáng)氧化性?shī)Z走磺胺二甲嘧啶環(huán)上電子使結(jié)構(gòu)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移從而促進(jìn)其降解。在純水中同時(shí)添加與二級(jí)出水中相同濃度的3 種陰離子后,SM2 的光解并沒(méi)有明顯促進(jìn)作用,其光解半衰期為57. 5 min,說(shuō)明引起SM2 在二級(jí)出水中光解加快的主要因素并不是硫酸根離子,可能是溶解性有機(jī)質(zhì)。關(guān)于水中溶解性有機(jī)質(zhì)對(duì)藥物光解的影響,LI 等 認(rèn)為DOM 可以通過(guò)激發(fā)三重態(tài)來(lái)促進(jìn)磺胺嘧啶的光解,電子伴質(zhì)子轉(zhuǎn)移是主要的反應(yīng)途徑。

　　2. 3　SM2 的光解機(jī)制

　　為了探討SM2 在純水中直接光解與二級(jí)出水中光解的主要活性物質(zhì),通過(guò)自由基猝滅實(shí)驗(yàn)研究了SM2 的光解機(jī)制。反應(yīng)條件為,光源為紫外燈,光照時(shí)間30 min,DOM 濃度為10 mg·L - 1 TOC,山梨酸、疊氮化鈉濃度為2 mg·L - 1 ,異丙醇濃度為6. 5 mmol·L - 1 。從圖4 可以看出,在紫外燈下光解30 min,SM2在純水中的光解率為32. 07% ,而加入山梨酸猝滅了3 SM.2 后,SM2 的光解率降低了50. 42% ,說(shuō)明SM2 在純水中的光解過(guò)程主要是在紫外光照射下發(fā)生電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生激發(fā)三重態(tài)SM2 (3 SM.2 )最終生成SM2 產(chǎn)物的直接光解(式(3)中的反應(yīng)①)。而加入異丙醇猝滅·OH 和加入疊氮化鈉猝滅·OH 和1 O2 后SM2 的光解率有所提高,說(shuō)明反應(yīng)中同時(shí)存在自敏化光解過(guò)程,SM2 系間竄躍成3 SM?2 后又將能量傳遞給基態(tài)3 O2 或H2 O 產(chǎn)生活性氧物種( ROS)1 O2 和· OH(式(3)中反應(yīng)②③),進(jìn)而繼續(xù)氧化SM2 生成光解產(chǎn)物,但其自敏化光解的產(chǎn)生不利于SM2 的光解,這與GE 等 得出的自敏化過(guò)程降低了光解反應(yīng)速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。

　　在純水中加入二級(jí)出水中相同濃度TOC 的DOM 后,SM2 的光解率由純水中的32. 07% 提高到76. 8% ,說(shuō)明溶解性有機(jī)質(zhì)是SM2 在二級(jí)出水中光解速率加快的主要原因之一。在含DOM 的溶液中加入相同濃度的山梨酸猝滅3 SM?2 和3 DOM? 后,SM2 的光解率降低了29. 00% ,降低程度顯著低于在純水中的50. 42% ,說(shuō)明在DOM 存在下,SM2 除了直接光解和自敏化光解外,還存在間接光解作用,溶液中的DOM 吸收光子躍遷至3 DOM? ,再將激發(fā)能量傳遞給SM2 進(jìn)而進(jìn)行光化學(xué)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物,SM2 在二級(jí)出水中光解變快正是由于3 DOM? 參與的光敏化降解過(guò)程促進(jìn)了SM2 的降解(式(4))。添加疊氮化鈉后SM2 的光解率變化較小,而添加異丙醇后SM2 的光解速率稍有變慢,說(shuō)明ROS 的存在,除了對(duì)SM2 直接降解的抑制作用外,還有可能對(duì)SM2 光敏化過(guò)程產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用,這一過(guò)程較為復(fù)雜,還需進(jìn)一步驗(yàn)證。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3　結(jié)論

　　1)兩種光源下,SM2 在純水中的光解反應(yīng)符合一級(jí)動(dòng)力學(xué),SM2 在紫外燈和高壓汞燈下的半衰期分別為38. 3 和100. 5 min。SM2 在紫外燈照射下的光解速率是高壓汞燈的2. 6 倍;SM2 光解速率隨其初始濃度的增大而減慢。

　　2)SM2 在污水處理廠二級(jí)出水中的光解速率是超純水中的2. 5 倍,溶解性有機(jī)質(zhì)能顯著促進(jìn)SM2 的光解。

　　3)自由基猝滅實(shí)驗(yàn)表明,SM2 純水中光解的主要途徑為電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生激發(fā)三重態(tài)SM2 的直接光解,其自敏化光解過(guò)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過(guò)程外,還產(chǎn)生了促進(jìn)SM2 光解的激發(fā)三重態(tài)DOM,發(fā)生了敏化光解過(guò)程,激發(fā)三重態(tài)DOM 是促進(jìn)二級(jí)出水中SM2光解的主要活性物質(zhì)。