高鐵酸鹽對水中H2受體拮抗劑的降解特性

方智煌，劉祥，余陽，錢雅潔，薛罡

（東華大學環境科學與工程學院，上海 201620）

在藥企、臨床和生活里被廣泛使用的H2受體拮抗類藥品（HRAs）主要包括法莫替丁（FMTD）、雷尼替丁（RNTD）、羅沙替丁（RXTD）、西咪替丁（CMTD）和尼扎替丁（NZTD），因其在人體中具有抑制胃酸和胃蛋白酶活性的作用，在醫學領域廣泛用于治療消化性潰瘍等腸胃問題[1]。然而，由于人體吸收該藥物的能力有限，大部分HRAs藥物會經過人體的排泄系統重新進入水環境中，且HRAs具有持久性、生物難降解、毒性大等特點，易對水環境造成嚴重的生態污染[2-4]。Radjenovi?等[2]在WWTPs的主要排泄物中檢測到RNTD濃度在70～540ng/L；Kolpin等[5]在地表水（SW）中檢測到CMTD濃度范圍為74～580ng/L。傳統的紫外消毒法和臭氧氧化法無法實現RNTD和NZTD兩種硝基類藥物的有效去除，還會生成毒性更強的鹵代硝基甲烷和N-亞硝基二甲胺的前體[6-7]。FMTD在制藥工業中的常規水處理過程中只是部分被降解，易對水域生態造成危害[8-9]。Hoppe等[10]發現CMTD高達60%的原始劑量可以作為母體化合物排出體外對生態環境造成污染。HRAs在水生環境中的頻繁出現表明需要更加清潔高效的水處理技術來應對HRAs對水環境造成的不良影響。

由于HRAs在水體中具有使用廣、濃度低、難降解和持久性等特點，傳統的處理工藝（混凝、過濾、吸附和消毒等）以及生物降解工藝并不能有效將其去除[2-3,7-9]。Karpińska等[9]用H2O2、UV和Fe2+聯用于最佳降解條件下降解50μmol/L FMTD，在80min的去除效果僅為80.2%；Dong等[6]用UV降解雷尼替丁（RNTD）和尼扎替丁（NZTD），容易生成強毒性鹵代硝基甲烷，且降解反應速率難以提高。K2FeO4是一種新型、綠色的環境友好材料，與傳統的氧化劑如氯系消毒劑和臭氧相比，其氧化還原電位最高[11]，在氧化降解污染物過程中集氧化、吸附、絮凝等作用為一體而在水處理領域備受關注[12]。目前，K2FeO4廣泛用于去除水中個人護理品、內分泌干擾物和醫藥品等新興微污染物以及部分難降解有機污染物。高鐵酸鹽［Fe(Ⅵ)］與含硫有機物具有較高的反應性，10mg/LK2FeO4降解含硫有機物的半衰期在ms到s的范圍內[13]；K2FeO4與β-內酰胺抗生素阿莫西林和氨芐西林以摩爾化學計量比分別為3.5和4.5反應時，可將污染物完全去除[14]。Gombos等[15]在對K2FeO4和氯的氧化降解進行試驗對比，發現K2FeO4在去除有機物及其副產物方面呈現出很大優勢，反應不會產生溴酸鹽等有害副產物。

本文考察了K2FeO4對HRAs的降解特性，通過控制K2FeO4投加量和反應pH，探究了K2FeO4氧化HRAs的降解動力學；通過控制共存離子及腐殖酸（HA），探究了不同水體基質對K2FeO4降解HRAs的影響，并在超純水、地表水、二沉池出水和醫療廢水體系中進行了驗證；通過大腸桿菌的菌落生長情況，探究了K2FeO4降解HRAs過程中目標污染物的毒性變化，研究結果可以為水體中HRAs的控制提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑：西咪替丁（Cimetidine，CMTD）、法莫替 丁 （Famotidine，FMTD）、 羅 沙 替 丁（Roxatidine，RXTD）、雷 尼 替 丁（Ranitidine，RNTD）、尼扎替丁（Nizatidine，NZTD）的標準化學品均來自Sigma Aldrich或ANPEL實驗室技術（上海）有限公司，為分析純級別，物質結構如圖1所示。磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、硫代硫酸鈉、氯化鈉、碳酸氫鈉、乙酸銨、腐殖酸、氫氧化鈉、磷酸均來自阿拉丁，為分析純級別。甲醇、乙醇、乙腈均為色譜純，來自Sigma Aldrich。試驗過程中取用的超純水來自Milli-Q超純水制備機（EMD Millipore，Billerica，MA，USA）。

儀器：高效液相色譜儀（1260，Agilent Technology，USA）、Zorbax SB-C18色 譜 柱（4.6mm×250mm×5μm）、紫外分光光度計（UV-1600PC，Shanghai Mapada Instruments）、pH計（FE28K，Mettler Toledo）、磁力攪拌器（84-1A上海司樂儀器有限公司）、電子天平（AW120，Shimadzu）、高壓滅菌鍋（OMY SX-500，日本）、振蕩培養箱（MaxQ6000，Thermo Scientific）。

1.2 試驗過程

1.2.1 反應動力學試驗

所有試驗操作均在室溫條件下（25℃±2℃）進行，將10μmol/L HRAs等目標污染物溶解于玻璃血清瓶中，用10mmol/L磷酸鹽緩沖液（PB）調節反應pH，加入相應濃度的K2FeO4溶液，在轉速為200r/min的恒溫磁力攪拌器上充分攪拌，于一定的時間取樣1mL并經過0.45μm濾膜過濾于液相棕色進樣瓶，并立即用0.1mL濃度為300mmol/L的Na2S2O3進行猝滅，最后置于高效液相色譜儀進行定量分析測定濃度。通過控制試驗中的變量關系，分別研究K2FeO4投加量、pH、共存離子等對反應降解效果的影響和降解動力學。所有的試驗重復3次。

1.2.2 毒性評估試驗

本試驗的采抗菌性和毒性由大腸桿菌（ATCC 25922）作為參考菌株進行測試，細菌在37.5℃的肉湯培養基中培養24h，而后稀釋涂布，進而得出在最適宜梯度下的菌落數，稀釋過程中使用振蕩器振蕩3min，以保證菌液和水可以完全混合，所有試驗器材均在120℃的高壓滅菌鍋滅菌后使用。選用稀釋倍數為106和107，顯微鏡觀察大腸桿菌在K2FeO4氧化RNTD和RXTD過程中菌落的變化。

1.3 分析方法

1.3.1 K2FeO4濃度的標定

K2FeO4濃度標定用ABST分光光度法。在25mL比色管中加入體積V1為1mL的2mmol/L的[ABST]，加入5mL的ABST緩沖溶液（由0.6mol/L的乙酸和0.2mol/L的磷酸鹽制成），取體積為V2的K2FeO4于比色管中后，定容搖勻取樣后在415nm波長下測量吸光度值A1。同理，測定不含K2FeO4下的吸光度值A0，查知ABST+的摩爾吸光系數ε=3.4×104mol-1?s-1。由此，K2FeO4的濃度[K2FeO4]可由式(1)求得。

1.3.2 目標污染物的測定

FMTD、RNTD、RXTD、CMTD、NZTD的濃度采用配備紫外檢測器的高效液相色譜儀（HPLC，1260，Agilent Technology，USA）進行定量分析。使用ZORBAX SB-C18色譜柱（2.4mm×150mm×5μm）進行分離，洗脫方式為等度洗脫。FMTD、RNTD、RXTD、CMTD和NZTD的檢測波長分別設置為208nm、242nm、218nm、218nm和315nm，流動相分別為V(甲醇)/V(水)=45/55、V(乙腈)/V(乙酸銨)=15/85、V(乙腈)/V(乙酸銨)=20/80、V(甲醇)/V(水)=40/60和V(乙腈)/V(乙酸銨)=20/80。所有目標污染物的進樣量、柱溫和流速分別為15μL、35℃和1.0mL/min，流動相中乙酸銨水溶液為50mmol/L。

1.4 反應動力學分析

K2FeO4降解HRAs的動力學方程如式(2)表示。

式中，kapp為表觀速率常數，mol-1?s-1；[HRAs]、[K2FeO4]分別為HRAs和K2FeO4的平衡濃度，μmol/L；n為HRAs的反應級數；m為K2FeO4的反應級數。

當反應體系中[K2FeO4]∶[HRAs]≥5∶1，可近似認為式(2)中的[K2FeO4]m為常數，則可簡化成式(3)表示。

式中，kobs為一級反應速率常數，s-1，按式(4)計算。

半衰期按式(5)計算。

2 結果與討論

2.1 K2FeO4投加量的影響

考察了不同K2FeO4投加量對HRAs降解的影響，結果如圖2所示。不同濃度的K2FeO4降解HRAs呈現較高的一致性，即HRAs的降解效率隨著K2FeO4投加量的增加而變高。特別地，在0.5mmol/L K2FeO4的投加量下，HRAs于0～90s內均迅速反應，除RXTD外，在300s時HRAs的降解率均達到98.4%，而RXTD降解率為59.4%。對所有HRAs的降解進行動力學分析，ln([HRAs]/[HRAs]0)與反應時間t的反應關系如圖2所示，在0.5mmol/L K2FeO4投加量下均呈現良好的線性關系（R2>0.91），故可推出式(3)中的n=1，即K2FeO4對HRAs的降解滿足一級反應動力學規律。再將lnkobs對ln[K2FeO4]0作圖，其結果如圖3所示，R2均大于0.96，可知兩者也呈現明顯的線性關系，故式(4)中的m=1。由此，m+n=2，表明K2FeO4與HRAs的反應符合二級動力學。

圖2 不同K2FeO4投加量下HRAs的降解動力學

圖3 不同HRAs中ln kobs與ln[K2FeO4]0的關系

與其他HRAs相比，RXTD沒有硫醚鍵結構（圖1），已有研究證實過一硫酸鹽（PMS）可以攻擊HRAs（除RXTD外）而生成亞砜產物[16]，而K2FeO4可通過氧轉移機制攻擊含硫醚鍵的污染物而生成硫酸鹽和亞砜產物[11,14,17-22]。另外，由于HRAs上芳香環中的取代基具有富電子特征且有較強的供電子作用[21,23-24]而能和K2FeO4快速反應，但RXTD含有的羧基結構為吸電子基團，會影響K2FeO4獲取電子而降低其氧化性能。已有試驗證明布洛芬、雙氯芬酸和恩諾沙星等含有羧基結構的物質，二級反應速率常數明顯低于磺胺類抗生素、環丙沙星和卡馬西平等污染物[11]。綜上，RXTD因結構中缺乏硫醚鍵，且含有吸電子基團的羧基結構，導致其降解速率遠小于其他4種HRAs。

2.2 p H的影響

探究K2FeO4在不同pH的條件下對HRAs的降解情況，試驗結果如圖4所示。5類HRAs降解反應呈現較高的一致性，在體系pH為7、8時均符合一級反應動力學特性，相關系數R2>0.90。pH對K2FeO4的降解效果影響較大，在pH=7條件下HRAs的降解反應速率最高，半衰期最短，除RXTD外，去除率達到99%。其次是pH=6，堿性條件下降解速率最差，并且隨著pH增大而減小。以FMTD為例，pH=6條件下去除率為76%，高于pH=8時64.8%和pH=9時42.2%的去除率。現有眾多的報道表明，pH對K2FeO4降解污染物會產生較大的影響[17-18,24]，反應速率通常隨著pH的增加而降低，kapp與pH的相關性可以歸因于K2FeO4和污染物形態的雙重效應[21]。

圖4 不同pH下HRAs的降解動力學

2.3 Cl-、HCO3-和HA的影響

圖5 不同pH下高鐵酸鹽的形態分布

圖6 Cl-、HCO3-和HA影響下NZTD和RXTD的降解動力學

2.4 實際水體中HRAs的降解

實際水樣復雜的背景基質在不同程度上會影響氧化劑的氧化效果，本文選擇實際二沉池出水、地表水以及模擬醫院廢水為背景水樣，其水質組分分別見表1和表2。為考察K2FeO4在實際水體中對HRAs的去除效果，選用RNTD和RXTD作為目標污染物，研究其在不同水樣中的降解效果，結果如圖7所示。兩者的降解均呈現出超純水>地表水>二沉池出水>醫療廢水。RNTD和RXTD在超純水中的去除率分別為99%和46%，而在醫療廢水中RNTD和RXTD的去除率分別為65%和20%。另外，相比于地表水，二沉池出水（RNTD和RXTD的降解率分別為85%和34%）對兩個污染物的抑制降解效果更為明顯，而地表水下的降解效果略差于超純水。

圖7 RNTD和RXTD在不同實際水樣中的降解

表1 實際水樣的性質

表2 醫院廢水組分

試驗結果表明，K2FeO4在實際水體中能夠對RNTD起到良好的去除作用，而RXTD因其本身不具有硫醚鍵和羧基結構，其降解效果較低。由于二沉池出水中含有的Cl-和溶解性有機質（DOC）濃度較高，因此抑制了HRAs的降解，相對地表水來說RNTD和RXTD的去除率均有所下降。醫院廢水中成分復雜，含鹽量較高，因此在醫院廢水中RNTD和RXTD的降解受到的抑制率更高。實際水體中不同的水質成分對K2FeO4氧化降解污染物均會有一定的影響，因此K2FeO4作用的發揮仍需通過不同的控制條件優化來進一步提高效率。

2.5 HRAs降解過程中的毒性評估

為了進一步研究K2FeO4氧化HRAs及其產物的毒性變化，選用大腸桿菌的生長狀況作為判斷毒性的依據，結果如圖8所示。在單獨RNTD、RXTD樣品中大腸桿菌的生長受到明顯抑制，而當RNTD、RXTD被K2FeO4降解后，體系中大腸桿菌的生長得到極大促進。以稀釋106倍下的RNTD組為例，在0～120s內，RNTD和K2FeO4/RNTD=50/1組的菌落數在70～90區間起伏，在120s時兩者的菌落個數分別為75和76，數值相差不大。而單獨RNTD組的細菌數量在150s后緩慢升高，這可能是體系中的K2FeO4被消耗完，在300s菌落個數僅為82。K2FeO4/RNTD=50/1的細菌在120s后生長快速，到300s菌落個數達到105。

圖8 RNTD和RXTD氧化后對大腸桿菌毒性的變化

大腸桿菌的生長曲線進一步證實了RNTD、RXTD具有抗菌能力，且對體系中的微生物具有毒害作用，這對污水的生化處理也提出了挑戰。K2FeO4具有強氧化性，在處理RNTD和RXTD等HRAs后反應體系抗菌活性顯著降低，因此高鐵酸鹽作為綠色的水處理劑，能夠廣泛應用于污廢水處理和飲用水安全保障。

3 結論

（1）HRAs的降解速率隨著K2FeO4投加量的增大而加快，0～90s內符合二級反應動力學規律。在0.5mmol/L的K2FeO4投加量、pH=7條件下，0.01mmol/L的CMTD、RNTD、FMTD、NZTD能與K2FeO4充分反應，300s內降解率能達到99%。而RXTD由于不具有特殊的硫醚鍵以及羧基結構，降解率為59%。

（2）pH可以通過改變K2FeO4和HRAs的形態而影響HRAs的降解效果，降解反應速率為pH 7>pH 6>pH 8>pH 9。高濃度的HCO3-和HA對NZTD和RXTD的氧化降解具有抑制作用，低劑量Cl-對NZTD的降解具有輕微的促進作用。

（3）在不同實際水質中，RXTD和RNTD的降解受到不同程度的抑制，具體的降解效果呈現超純水>地表水>二沉池出水>醫療廢水。單獨RNTD和RXTD對體系中的污染物具有毒害作用，經K2FeO4降解后體系毒性顯著降低。