不同因子對土霉素與汞絡合反應中溶解性氣態汞的影響

余寧爾，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1. 浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農林大學 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，浙江 杭州 311300）

汞是一種危害和毒性極強的重金屬元素，自20世紀50年代日本水俁病事件以來，汞污染事件就被全球所重視。汞在自然界環境中的存在有多種形態，不同形態之間特征有較明顯的差異，且不同形態之間可以進行轉化。自然水體中把汞形態分為活性汞(RHg)、溶解性氣態汞(DGM)、甲基汞(MeHg)和二甲基汞等[1]。DGM是水體中汞的一種主要形態，雖然其毒性不是最強，但影響也不容小覷。DGM的主要存在形式是零價態汞，在水中的質量濃度一般低于0.2 ng·L?1[2]。區別于其他重金屬，汞在常溫下可以以氣態形式揮發，因此零價態汞在全球汞的循環中占有重要的作用。水體及陸地表面的零價汞可以揮發進入到大氣中，且在大氣中停留時間較長，從而進行長距離遷移，最終通過干沉降或濕沉降進入水生環境和陸地環境。在人為活動較少的南極、北極以及中國青藏高原地區，也都監測到較高濃度的汞[1]。這說明汞的污染是全球性的，而零價態汞的生成又異常重要。抗生素濫用已經成為中國環境主要問題之一。土霉素(OTC)是四環素家族的一員，也是獸醫和水產養殖中使用的廣譜抗生素之一。由于抗生素耐藥性在微生物中的傳播，引起了越來越多的關注。它被廣泛地用作養殖魚的飼料添加劑和家畜的生長刺激物質，也可用于植物細菌性疾病的預防性治療。在歐洲，超過2 500 t四環素類作為獸藥治療，其中以土霉素應用最廣泛[3]。中國在2003年時土霉素產量已經達10 000 t，占世界總產量的65%[4]。然而，它很難在動物體內被代謝，這導致土霉素會隨糞便或尿液排出體外。由于其水溶性和耐降解性，土霉素已在土壤環境、沿海環境甚至飲用水中被廣泛檢測到。在水體、底泥以及污泥硝化過程中，重金屬會和抗生素發生絡合反應，或促進或抑制抗生素的降解。同時，金屬與抗生素之間的絡合對金屬的價態也會產生一定影響。由于汞的特殊性，抗生素與汞之間的絡合反應有可能會對汞形態變化產生影響。但是，目前關于抗生素與汞的絡合反應還鮮有報道。鑒于此，本研究采用實驗室模擬水生環境，配制汞和抗生素的混合反應溶液，研究不同環境因子對抗生素與汞絡合條件下DGM產生的影響，以期為解決抗生素與汞復合污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

用氯化汞(HgCl2)粉末(250 g，貴州省銅仁化學試劑廠)配制1 μmol·L?1的HgCl2溶液，同時用四環素類抗生素中的土霉素(25 g，上海源葉生物科技有限公司)配制1 μmol·L?1的OTC溶液。

1.2 不同影響條件設置

1.2.1 pH 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，處理共分3 組，pH 分別為 3(pH 3)、7(pH 7)和 11(pH 11)。

1.2.2 光照 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，遮光條件為用錫箔紙徹底包住混合后的100 mL離心管，再將其放入箱子內進行避光；光照條件為1個5 W的LED燈持續垂直照射。同時準備1組40 mL HgCl2溶液和40 mL超純水混合的對照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的遮光條件(水-遮光)、超純水與汞溶液混合后的光照條件(水-光照)、土霉素與汞溶液混合后的遮光條件(土霉素-遮光)以及土霉素與汞溶液混合后的光照條件(土霉素-光照)。

1.2.3 鹽度 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，海水條件為稱取175 g海鹽溶解于5 000 mL超純水中制成海水，并用超純水作為淡水對照。同時準備40 mL HgCl2溶液分別與40 mL超純水和40 mL海水混合，作為淡水和海水對照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的海水條件(水-海水)、超純水與汞溶液混合后的淡水條件(水-淡水)、土霉素與汞溶液混合后的海水條件(土霉素-海水)以及土霉素與汞溶液混合后的淡水條件(土霉素-淡水)。

1.2.4 氧化還原 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，好氧條件為實驗室室內需氧條件；厭氧條件為在1個密封性好的盒子中放入樣品，放入厭氧產氣袋，用以吸收氧氣釋放二氧化碳，并放入1個厭氧指示劑，最后用保鮮膜和膠帶密封盒子，以創造1個密封的厭氧環境。同時準備1組40 mL HgCl2溶液和40 mL超純水混合的對照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的厭氧條件(水-厭氧)、超純水與汞溶液混合后的好氧條件(水-好氧)、土霉素與汞溶液混合后的厭氧條件(土霉素-厭氧)以及土霉素與汞溶液混合后的好氧條件(土霉素-好氧)。

1.3 樣品采集

溶液在不同因子影響下分別反應，經過1、4、8和16 d取樣品10 mL加入到15 mL離心管中，并加樣品體積分數0.4%的鹽酸(HCl)后放入0 ℃冰箱保存待測。

1.4 樣品測定

將樣品稀釋40倍，稱39 g超純水于50 mL離心管中，再從冰箱內取出樣品，取1 mL加入。從稀釋40倍后的溶液中取1 mL到25 mL比色管中，用超純水定容至25 mL。測總汞時加入125 μL氯化溴(BrCl)溶液，搖勻，常溫下放置24 h后待測。測DGM時無需添加其他試劑，取1 mL已定容至25 mL的溶液加入到鼓泡瓶中，用高純氮氣(N2)以350 mL·min?1鼓吹21 min富集至金砂管上，再用熱解析冷原子熒光光譜儀測定，所用儀器為Brooks Rand(美國)測汞儀。測土霉素時，取冰箱內樣品1 mL加入到2 mL進樣瓶中，加入25 μL體積分數0.1%甲酸溶液后用HPLC液相色譜儀測定，所用儀器為Thermo Fisher Scientific UltiMate 3000 HPLC液相色譜儀。取樣工具、測樣比色管和鼓泡瓶等，都按汞元素分析的質量控制要求進行清洗凈化[5]。總汞、DGM和土霉素濃度均采用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 總汞濃度變化特征

從圖1可以看出：反應初始條件溶液總汞濃度為0.5 μmol·L?1，隨著反應的進行，總汞濃度逐漸降低。在堿性條件下總汞濃度降低最為明顯，主要由于堿性條件下，生成了氫氧化汞會造成水體中總汞濃度降低。而另外3個處理的總汞濃度略微降低，主要由于常溫下，汞可以以氣態形式揮發。試驗過程中，所有反應容器均為密閉條件，但樣品采集等過程難以避免溶液暴露等，造成水體總汞濃度略微降低。

2.2 溶解性氣態汞 (DGM)變化特征

圖 1 4種不同因子影響下總汞濃度隨時間的變化趨勢Figure 1 Change trend of total mercury concentration with different time under four factors

2.2.1 pH 從圖2A可以看出：在不同的pH 條件下，DGM隨時間的增加呈先升高后降低的趨勢，酸性和中性條件下DGM濃度基本保持一致，但是堿性條件下濃度逐漸降低。第16天時，在pH為3的條件下，DGM濃度比第1天升高0.036～0.076 μmol·L?1，而pH為7和11的條件下，DGM濃度比第1天分別降低 0.004～0.024 和 0.059～0.062 μmol·L?1。

2.2.2 光照 圖2B顯示：在光照與遮光處理下，前8 d的DGM濃度變化一致，呈先上升后降低的趨勢。8 d后，遮光處理下汞和土霉素的混合溶液中DGM逐漸減少，而光照處理下DGM逐漸上升。光照處理下產生的DGM比遮光條件下的高，尤其在最后第16天時更明顯。此外，在第16天時，光照處理下，添加了土霉素處理的溶液中，DGM濃度明顯高于無土霉素組，說明添加土霉素在光照處理下有利于DGM的生成。

2.2.3 鹽度 由圖2C可知：在海水處理下，汞和土霉素的混合溶液中DGM整體呈不變趨勢，濃度很低，最高為 0.059 μmol·L?1，最低為 0.010 μmol·L?1。而在淡水處理下，汞和土霉素的混合溶液中DGM先明顯增加至最高點(0.408 μmol·L?1)，然后再逐漸減少。

2.2.4 氧化還原 圖2D顯示：在好氧條件下，汞和土霉素的混合溶液中DGM先明顯增加，然后再逐漸減少；而在厭氧條件下，汞和土霉素的混合溶液中DGM呈先上升后逐漸降低，最后再迅速上升的趨勢。好氧條件下DGM前8 d高于厭氧條件，9 d后低于厭氧條件。

圖 2 4種不同因子影響下溶解性氣態汞濃度隨時間的變化趨勢Figure 2 Change trend of dissolved gases mercury(DGM) concentration with different time under four factors

2.3 土霉素濃度變化特征

圖3顯示：不同的pH下土霉素降解速率有較明顯的差異。在酸性條件下，土霉素濃度基本保持不變，而在中性和堿性條件下，土霉素濃度逐漸降低。不同光照下土霉素濃度逐漸降低，遮光下土霉素降解更多。在不同鹽度下，海水中土霉素濃度低于淡水。同樣，好氧條件下也有利于土霉素的分解。

3 討論

3.1 不同因子下DGM濃度的差異性分析

DGM主要是由單質汞組成，它在水中形成途徑很多，有甲基化作用[6]，水中沉積物里細菌的還原作用[6?7]，水中有機物(富里酸和腐植酸等)的還原作用[8]，水體中的光致還原作用[9?14]。這些都會把水中的二價汞轉換為氣態零價汞。馮新斌等[15]研究指出：光致還原作用對水體中DGM的產生起了主導作用。

圖 3 4種不同因子影響下土霉素濃度隨時間的變化趨勢Figure 3 Change trend of oxytetracycline concentration with different time under four factors

3.1.1 pH 對于同一種土霉素和汞混合溶液，DGM濃度隨pH的增加而減少，而在堿性較強時，DGM濃度很低。AHN等[16]發現：pH越低，DGM的濃度越高。這主要是因為所有的二價汞離子與有機配體或無機配體結合，在低pH條件下，水體中帶負電荷的配體較少，與二價汞離子的絡合性較差，使其更容易通過非生物或生物過程而被光還原成零價態汞，DGM的濃度也就隨之增大[17?18]。而在堿性條件下，二價汞離子容易與氫氧根離子反應生成氫氧化汞，導致溶液中的二價汞離子無法被還原成零價態汞，故而DGM的濃度很低。

3.1.2 光照 光致還原是DGM產生的一個重要過程。張金香[19]發現相同條件下，光誘導產生的DGM是黑暗條件的2.4～9.0倍。何天容等[20]研究季節變化對于紅楓湖的DGM影響時，也表明光對于零價汞的形成起了至關重要的作用，強光有利于零價汞的形成。光照能使水體中的二價汞離子被還原成零價汞，促進了DGM的形成和釋放。光照還原反應是一個持續的長久反應，以至于從第1天到第16天，DGM濃度總體處于上升趨勢，且總體都比黑暗條件下高。

3.1.3 鹽度 鹽度也會影響汞在海水中的絡合作用。海水中由于富含氯離子，而二價汞離子又容易與氯離子反應生成較穩定的氯化汞，導致能被還原成零價汞的二價汞離子顯著減少，所以DGM的產生量也是顯著降低。同時，在海水中汞還可能以三氯化汞和四氯化汞的形式存在。MARUMOTO等[21]研究也表明：沿海地區總汞濃度與鹽度呈顯著負相關。

3.1.4 氧化還原 在有氧氣存在的情況下，溶液中光還原反應和光氧化反應都會發生。由于光致還原作用是主反應，所以反應一開始溶液中二價汞離子都被迅速還原成零價汞離子，因此氣態汞先顯著升高，之后由于氧氣的存在，被逐漸氧化，導致氣態汞降低。而在厭氧條件下，隨著厭氧細菌的活性逐漸增強使氣態汞逐漸上升。有研究表明：光還原和光氧化過程之間的平衡已被確定為DGM濃度的重要決定因素[12]。厭氧條件可能是DGM產生的一個重要因素。POULAIN等[22]研究所示：DGM濃度與沉積物-水的氧氣水平呈負相關。

3.2 土霉素添加對DGM濃度的影響分析

土霉素屬于有機物質的一種，在水中能和汞形成有機絡合態汞，為汞的光還原反應提供基質。一方面它釋放出的二價態汞離子能成為光還原反應的反應物，使其轉變為零價態汞，同時，有機物和汞的絡合物釋放的有機分子也能為光致還原反應提供所需的電子使其促進DGM的產生[23]。LIANG等[24]在探究抗生素對海洋沉積物中汞甲基化中的作用時發現，將土霉素加入到海洋沉積物中，一段時間后沉積物中甲基汞的濃度會有所增加。

土霉素與汞發生絡合的條件主要有2個：一個是抗生素的官能團，另一個則是汞的金屬特性。研究表明：官能團與金屬離子易發生反應形成復合污染[25]。從官能團來講，抗生素分子的官能團中有大量的羧基、羥基、氨基等基團和電子供體，都可以和金屬發生絡合反應，為反應提供電子[26]。同時，抗生素分子中含氮、氧等富電子基團種類和數量越多，與金屬離子的絡合能力越強[27]，而土霉素分子中含有很多羥基、羰基和氨基，因此容易與汞發生絡合。從金屬特性來講，汞的電負性很強，為2.0，電負性越強則金屬離子吸引電子的能力也越強，也就越容易絡合。土霉素含有豐富的電子，汞有很強的吸電子能力，因此它們之間極易發生絡合。LIANG等[24]認為土霉素在和二價汞離子(Hg2+)反應后形成OTCHg2+有機絡合化合物，由于二價汞離子的高電負性，產生了電子的遷移，土霉素與汞的絡合導致電子從土霉素向汞離子轉移，汞離子得電子后變為零價汞，因此氣態汞的濃度會增大。所以從圖2B和圖2D可以看出：在光照和厭氧條件下，添加土霉素溶液中的DGM濃度顯著高于沒有添加土霉素溶液中的DGM。

4 結論

對于土霉素和汞溶液混合體，DGM濃度隨pH的增加而減少，在堿性較強時，DGM濃度很低，其原因可能是二價汞離子在堿性條件下容易與氫氧根離子反應生成氫氧化汞，導致溶液中的二價汞離子無法被還原成零價汞。光照還原反應是一個持續的長久反應，從第1天到第16天，DGM的濃度總體處于上升趨勢，且總體濃度都比黑暗條件高。與淡水中的DGM相比，海水中的DGM濃度很低，可能是由于大量氯離子存在的影響。在實驗開始時，DGM濃度在厭氧條件下比好氧條件下低，在第10天之后大于好氧條件。土霉素的添加促進了DGM的生成。