電子束輻照降解水體中磺胺間甲氧嘧啶

張 洋 ,付興明 ,羅 敏 *,肖 揚 ,馬玲玲 ,徐殿斗 ,宋浩軍 ,顧建忠 ,吳明紅 ,徐 剛 ** (.上海大學環境與化學工程學院,上海 00444；.中國科學院高能物理研究所,核技術應用研究中心,北京 00049)

磺胺間甲氧嘧啶(SMM)是磺胺類藥物的一種,因抗菌效果好,被大量應用于治療和預防獸禽的疾病[1].該藥品難以被動物完全吸收,會以母體或代謝物的形式殘留于動物體內及排泄物中,最終進入土壤、水體等環境介質,并循環進入農作物,對環境和人體健康造成危險[2-3].現有研究表明磺胺類藥物在人體內蓄積到一定程度會破壞人的正常免疫機能、造血系統、腦神經系統和消化系統[4-5],且會導致微生物產生抗性基因,對生物體的生育能力和甲狀腺造成影響[6].

有研究報道 SMM 會抑制水生生物的生長[7].國內外一些河流、地下水都檢測出磺胺類藥物,濃度達到 ng/L[8-11]的級別.因此殘留 SMM 的水環境行為備受關注.目前報道的污水處理廠傳統生物工藝法對磺胺類藥物的去除率最高只有60%[12-14].其他去除水中SMM 的方法有 Fenton氧化法[15]、過硫酸鹽高級氧化法[16]、光催化[17]等.這些方法需要消耗大量的試劑,容易引起二次污染,處理的條件苛刻,且不適合處理大量廢水.因此,研發去除水體中SMM的環境友好的高效方法非常重要.

近年來,輻照法因其操作簡單、降解率高、且不引入二次污染等優點,在去除水體中難降解污染物方面受到人們的日益關注.γ射線和電子束輻照降解水體中的磺胺嘧啶、甲砜霉素、氟苯尼考、鄰苯二甲酸二甲酯、卡馬西平、雙酚A等有機污染物時,在低于 5.0kGy的劑量下,均有較好效果[18-23].電子束輻照在去除水體中有機污染物領域已展現出良好的應用潛力,但也存在一些問題.例如,在輻照過程中,有機污染物的礦化程度較低,水中溶解的有機物、懸浮的固體、無機鹽都在一定程度上抑制了降解;另外,輻照后產物的毒性需要評估.

本研究通過電子加速器輻照降解水中的 SMM,探究了去除過程中叔丁醇、碳酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉和硝酸鈉對輻照降解的影響.利用超高效液相質譜聯用檢測輻照降解產物并推測其降解途徑,并通過發光細菌(費氏弧菌)初步評估了降解中間體的毒性.

1 材料與方法

1.1 試劑

磺胺間甲氧嘧啶(99.0%)(CAS: 1220-83-3)購于國家標準物質網.叔丁醇(t-BuOH)、碳酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鈉和過氧化氫購于北京化工廠.發光細菌(費氏弧菌)購于北京濱松光子技術股份有限公司.實驗過程中使用的水均為 Milli-Q過濾所得二次水,其電阻率≥18.2M?·cm.

1.2 儀器

輻照設備采用電子加速器(BF-5型,北京師范大學),電子束能量為 3MeV.超高效液相色譜儀(UHPLC)Waters Acquity配備自動進樣裝置、紫外檢測器和二元溶劑管理器.質譜配備電噴霧電離源(ESI-MS)、Bruker Micro TOF-Q II來檢測各條件下輻照后的降解產物.離子色譜IC(Dionex ICS5000).采用Spark 10M酶標儀測試發光細菌的發光強度.電子天平(Mettler Toledo AT 201).

1.3 樣品的制備

SMM 水溶液的初始濃度均配成 10mg/L, 輻照劑量設定了0.5,1.0,2.0,3.0,5.0,7.5和10.0kGy共7個梯度,樣品均在 25℃下輻照.輻照劑量率設定為50Gy/s,通過輻照時間來控制吸收劑量,輻照劑量與輻射吸收劑量之間的權重因子取1.實驗條件設置為:(1)空氣飽和;(2)氮氣飽和;(3)空氣飽和,叔丁醇;(4)氮氣飽和,叔丁醇;(5)空氣飽和,硝酸鈉;(6)氮氣飽和,硝酸鈉;(7)空氣飽和,硫酸鈉;(8)氮氣飽和,硫酸鈉;(9)空氣飽和,碳酸鈉;(10)氮氣飽和,碳酸鈉;(11)空氣飽和,氯化鈉;所有添加劑的濃度均為5mmol/L.每個條件均設置3個平行樣品.樣品檢測前均放入冰箱中冷藏.

1.4 分析方法

液相色譜柱為UHPLC BEH C18 (2.1mm×50mm,1.7μm),預保護柱為 UHPLC BEH C18(2.1mm×5mm,1.7μm).UHPLC流動相是A相與B相的混合溶液,其中A相為二次水(0.5%甲酸溶液),B相為乙腈(0.5%甲酸溶液),通過梯度洗脫:0～5min, B 相從 0%增加到5%;5～10min,B相從5%增加到25%;10～14min,B相從25%增加到 40%;14～16min,B相從 40%增加到 90%;16～18min,B相從90%增加到100%;18～20min,B相維持100%不變.紫外檢測波長設定為254nm. 流速設定為300 μL/min.柱溫設定為25.℃進樣量為10μL.液質聯用UHPLC-MS流動相同上述A相與B相的混合溶液.通過梯度洗脫:0～9min,B 相從 0%增加到 5%;9～15min,B相從5%增加到25%;15～20min,B相從25%增加到 50%; 20～25min,B相從 50%增加到 75%;25～26min,B相從75%增加到90%; 26～27min, B相從90%增降低到60%; 27～28min, B相從60%增降低到20%;28～29min,B相從20%增降低到0%; 29～30min,B相維持 0%不變.流速設定為 300μL/min.柱溫設定為25.℃進樣量為10μL.輻照后物質濃度通過UHPLC測試的峰面積與標準曲線對比計算得出,進一步可獲得去除率.m/z值直接讀出.

2 結果與討論

2.1 輻照吸收劑量對SMM去除率的影響

電子束輻照是一種高級氧化-還原技術.電子束輻照水時會產生很多活性粒子,如氧化性的?OH,還原性的eaq-和?H,反應式(1)所示.這些活性粒子可與水中的有機化合物發生反應[19-25],從而破壞分子結構,形成小分子產物或者完全礦化的水和二氧化碳等.

圖1 空氣飽和時水溶液中SMM去除率與輻照劑量關系曲線Fig.1 Degradation curve of SMM in aqueous solution saturated with air

初始濃度為10mg/L,pH值為6.9的SMM水溶液經輻照后,去除率與輻照吸收劑量的曲線示于圖 1.隨著輻照劑量的增加,SMM 水溶液的濃度逐漸降低,在吸收劑量為3.0kGy,耗時1min時, SMM的去除率已達 99.5%.而 Pi等[17]通過 UV/Oxone法降解處理5mg/L的 SMM 水溶液 90min后,去除率才能達到96.8%. Yan等[16]使用 Fe3O4納米粒子催化的 S2O82-氧化法處理16.86mg/L的SMM水溶液時,最快15min降解完全.數據顯示電子束輻照是移除水體中的SMM的高效方法.

2.2 自由基清除劑對SMM去除率的影響

為了驗證各活性粒子在降解過程中的貢獻, 考察了air, N2, air/t-BuOH和N2/t-BuOH這4組條件下SMM 去除率的變化情況,所有樣品 pH值均為中性.從圖2a和表1可知,吸收劑量為0.5kGy時,水溶液在空氣和氮氣飽和的情況下,SMM 的去除率分別為38.3%和69.2%. air/t-BuOH和N2/t-BuOH體系下的去除率分別為33%和57%.氧氣主要與eaq-和?H反應生成 O2-?和 HO2?,叔丁醇與?OH 和?H 反應生成?t-BuOH[26-27].從圖2a中可以看出,氧氣存在時SMM的去除速率較慢.空氣和氮氣條件下的對比顯示了還原性eaq-和?H能有效促進SMM的去除.從air和 air/t-BuOH相比,當向空氣飽和的條件中加入 5mmol/L的叔丁醇,SMM的去除率只下降了5%,?OH在輻照降解 SMM 的過程中作用不是特別明顯.說明在輻照時,SMM 分子會與活性粒子同時發生氧化和還原反應,生成小分子等中間體,但還原反應更為重要.

圖2 不同添加劑(5mmol/L)對水溶液中SMM去除率的影響Fig.2 Effects of different additives on SMM degradation

2.3 無機鹽對SMM去除率的影響

自然水環境中,SMM與各種粒子如無機離子、溶解的有機物和懸浮的固體共存.碳酸鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉等無機鹽在污水中普遍存在.有研究指出 NO3-、SO42-、Cl-會顯著影響高級氧化法降解有機污染物的效率[28-30].本研究選用了上述4種無機鹽來探索無機陰離子的影響.

圖2b顯示了空氣和碳酸鈉對SMM水溶液的去除影響,碳酸鈉(5mmol/L)加入后,降解效率顯著降低.吸收劑量為0.5kGy時,N2/Na2CO3和air/Na2CO3兩種體系下的去除率分別為 34%和 24%;1.0kGy時,去除率分別為 56%和 42%.CO32-存在時,會與?OH 和 eaq-反應,在air/Na2CO3體系中,O2會與eaq-和?H反應生成O2?-和HO2?從而使3種自由基粒子的濃度均降低[27].結合這些數據仍可以分析出,電子束輻照降解 SMM的過程中,還原過程占主導作用.

本實驗中,氯化鈉對輻照降解 SMM 水溶液影響甚微,主要是因為 Cl-與?OH 反應的過程是一個可逆的過程,而 eaq-和?H 不能直接與 Cl-反應,故氯化鈉的影響較小.而 NO3-和 SO42-影響顯著.圖 2c、2d分別顯示的是硝酸鈉、硫酸鈉對電子束輻照降解SMM的影響.吸收劑量為 0.5kGy時,N2/NaNO3和 air/NaNO3兩種體系下的去除率分別為44%和12%.NaNO3存在時降解速率下降.在 air/NaNO3的體系下,輻照劑量在10.0kGy才能降解完全. NO3-離子主要與還原型e-aq快速反應(k= 9.7×109L/(mol?s)),與?H 也反應[31],表 1 中的反應速率常數數據也說明了 NO3-離子的阻礙作用.eaq-在該體系輻照過程中作用顯著.

表1 不同條件下電子束輻照降解SMM水溶液的動力學數值、主要活性粒子和0.5kGy下的去除率Table 1 Kinetic values, main radicals and removal rates at 0.5kGy of EBI induced SMM degradation under different conditions

從圖 2d中可以看出,硫酸鈉(5mmol/L)也抑制降解過程,吸收劑量為 0.5kGy時,N2/Na2SO4和air/Na2SO4兩種體系下的去除率分別為 43%和 22%.在 1.0kGy,分別為 88%和 50%.在 3.0kGy,兩種體系下,SMM 基本完全降解.SO42-是還原性自由基 eaq-的清除劑[27](k=1.0×106L/(mol?s)). SO42-與 eaq-反應生成SO43-,從而使還原性自由基濃度降低從而影響輻照降解.

所有去除率曲線中每個樣品設置了3平行樣,數據誤差均低于0.03,故圖中未給出誤差線.

2.4 動力學數據分析

電子束輻照降解 SMM 水溶液在本研究的各個條件下都遵循一級反應動力學(R2＞0.90),如式(2)所示.

式中:C0代表SMM的初始濃度;C代表處理后剩余濃度;D代表吸收劑量kGy;κ代表降解速率kGy-1;b代表反應常數.

從表 1可以看出,在空氣、氮氣飽和的情況下,SMM的降解速率κ分別為1.71和1.88.說明還原性自由基對降解SMM起到一定的作用.當向氮氣飽和體系中加入5mMt-BuOH,降解速率κ下降到1.69.說明?OH在降解過程中也起到關鍵性作用.從κ大小可以看出,CO32-,NO3-離子對SMM水溶液的輻照降解影響較大.air/Na2CO3和 air/NaNO3體系中,多種活性粒子被消耗,所以降解速率常數 κ僅為 0.44,0.45.結合表1和各條件下去除率曲線,可以得出在輻照降解SMM水溶液的過程中,?OH、eaq-、?H能參與到破壞分子結構,生成小分子中間體的反應過程.這一結果與前面的結論一致.在不同條件下的降解過程遵循一定規律,有利于優化輻照工藝和大規模污水處理的應用.

2.5 降解產物檢測和分析

有機分子的降解反應與分子結構的穩定性密切相關,理論與實驗相結合有助于獲得可靠的降解途徑.本研究中根據高斯03軟件在B3LYP/6-31G (d)下對SMM 的結構進行優化處理,計算出各個原子的電負性強度和各原子間的鍵長.通過電負性的強弱和鍵長的大小來推斷可能發生斷鍵的位置.

圖3 SMM的分子結構及模擬的電荷分布Fig.3 Molecule structure and theoretical charge distribution of SMM

結合 UHPLC-MS檢測得到質荷比,以及不同實驗條件和去除率下產物的類型,推測可能的中間產物和相應的降解途徑.通過對分子式的計算和裂片峰的分析,提出了9個主要降解產物的分子式.對應的質荷比和分子式示于表2.

圖3顯示的是計算所得的自然狀態下SMM分子內各原子電荷分布及原子間鍵長.從中可以看出N[8](-0.790795),N[11](-0.772721)有著第一強和第二強的電負性,且 N[11]―S[7]的鍵長最長,故電子束輻照降解SMM時, N[11]―S[7]最容易被?OH攻擊而斷裂,N[8]也容易被氧化.

推測出電子束輻照 SMM 水溶液的降解路徑如圖 4所示.9種中間產物中,TP126,TP127,TP217和TP297在前人研究磺胺-4-甲氧嘧啶的高級氧化過程中也被證實[16-17],另5種首次被檢測出來.電子束輻照降解過程中, SMM在低的吸收劑量時,首先在?OH的氧化下,生成了中間體TP297和TP327,高劑量下消失.在eaq-和?H還原作用下形成中間產物TP283和TP285.另一方面由于 N[11]-S[7]極度的不穩定,被?OH 攻擊進而生成TP174和TP126.TP174的-NH2脫除后生成TP158,TP126被?OH 氧化生成 TP127,小分子進一步開環后可被完全礦化.含有磺酰基的系列化合物在降解過程中,磺酰基中 SO2能被移除[32-34].該體系中,SMM被?OH氧化后也獲得了產物TP217.

表2 SMM水溶液降解過程中主要的中間產物Table 2 Transformation products of SMM solution after EBI degradation

圖4 推測的SMM降解途徑Fig.4 The probable degradation pathway of SMM

為了驗證分子脫硫脫氮情況,用離子色譜檢測了降解過程中生成的無機離子.SO42-,SO32-,NO3-,NO2-等被檢出.其中 SO32-,NO3-,NO2-非常微量,SO42-濃度具有一定規律,如表3所示.根據SO42-的濃度和SMM總含硫量計算出脫硫率.前面數據說明 3.0kGy時,SMM已經降解完全,磺酰基都被破壞.從表中可以看出, 吸收劑量小于 3.0kGy時,SO42-的濃度隨著劑量增加,在 3.0～5.0kGy間,變化很小.離子色譜檢測數據與去除率相吻合.

表3 SMM水溶液輻照降解后SO42-濃度Table 3 The concentration of SO42- in SMM solution after EBI degradation

2.6 毒性評估

本實驗通過費氏弧菌的化學發光抑制率來評估SMM降解產物的毒性. 選取空氣飽和下輻照降解溶液組進行毒性評估.由于初始濃度為10mg/L SMM水溶液對費氏弧菌沒有顯著的毒性, 所以我們未計算EC50,改用反應式(3)計算了經過輻照樣品處理15min后,發光細菌的抑制率[35].

圖5 SMM發光抑制率Fig.5 The bioluminescence inhibition rates of SMM solutions during EBI

為獲得準確的降解產物的毒性數據,本實驗根據前人的實驗方法[35-36],通過過氧化氫酶來除掉干擾物H2O2.經驗證過氧化氫酶對費氏弧菌沒有生物毒性.從圖 5中可以發現費氏弧菌的發光抑制率隨著輻照劑量的增加先增加然后在2kGy后下降.在0.5kGy的輻照劑量下,費氏弧菌的發光抑制率達到了60%左右,在2kGy達到了最大值74%,然后當劑量增加到5kGy時,抑制率下降到 8%.結合去除率和降解途徑,費氏弧菌的發光抑制率增強可能跟中間產物的濃度和結構有關.一些中間產物例如TP158、TP127、TP174可能有較高的毒性.當輻照劑量達到2.0kGy時,SMM的去除率剛剛達到 92%,還未降解完全,基本上都降解為小分子物質,此時輻照處理后的樣品毒性最強.然而當輻照劑量增加到 3.0kGy時,SMM 的去除率已達99.5%,小分子物質得到進一步降解或開環,有機物礦化程度提高,樣品毒性明顯降低.輻照 5.0kGy后,輻照處理后的水溶液已經小于 SMM 未降解前的毒性,說明電子束輻照在不引入二次污染物的情況下,能有效降解水體中的SMM.

3 結論

3.1 電子束輻照法是降解水體中 SMM (10mg/L)的高效清潔方法,在吸收劑量 3.0kGy,耗時 1min時, 去除率高于99%,基本完全降解.

3.2 多組實驗條件的結果表明,氧化反應和還原反應對 SMM 的降解都起到了一定的促進作用,而還原反應在反應過程中起到主導作用.輻照降解過程符合一級反應動力學.碳酸根、硝酸根、硫酸根陰離子在一定程度上都會抑制SMM的降解.

3.3 根據降解中間體的質譜檢測結果,離子色譜的數據,結合高斯03的理論計算,推測出了 9種可能的降解產物及相應的降解途徑.

3.4 用費氏弧菌評估降解過程中的產物毒性,數據顯示生成了毒性較大的中間產物.當吸收劑量增加到5.0kGy時,毒性低于原始溶液.