UV/PMS/H2O2體系對他汀類藥物的去除作用及機制研究*

趙孟雷，袁守軍

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著社會經濟的發展，人類的壽命得到了延長，但同樣，高齡人口的患病率也隨之上升。據統計，2019年全球有5.23億人口患有心血管疾病[1]，各類治療心腦血管疾病藥物的使用量逐年增加，其中，他汀類藥物因在調血脂、降膽固醇等方面作用顯著而被廣泛應用，在2017～2019年，瑞舒伐他汀的銷售額位居全球第43位，而阿托伐他汀的銷售額則位于全球第68位。這些藥物被服用后大部分被排出，再經由市政管網進入污水廠，但現有污水處理工藝對大部分藥物的去除效果不佳，每年有大量殘留藥物隨著污水廠尾水進入環境水體，從而對水生生物及生態環境造成潛在威脅[3]。

紫外線(UV)消毒因具有殺菌效果優良、不產生新的消毒副產物等特點而被用作污水廠尾水的消毒工藝，以此為基礎的UV光催化的研究也一直受到人們的關注[4]。過硫酸氫鉀(PMS)和過氧化氫(H2O2)常作為氧化劑被用于有機物的降解。本研究構建了UV/PMS/H2O2體系，開展了典型他汀類藥物的降解實驗，研究不同實驗條件對于他汀類藥物去除的影響作用，探討其降解機理，從而為該類藥物的進一步去除提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試劑和設備

瑞舒伐他汀鈣(ROSC，99%)和阿托伐他汀(ATV，99%)，Aladdin公司，甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有機溶劑，均為HPLC級，上海安譜實驗科技股份有限公司；其他藥物均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

GC-MS(Clarus 680+Clarus SQ 8 T)，美國PerkinElmer；高效液相色譜(1260 Infinity)，美國Agilent;TOC分析儀(UltiMate)，美國DIONEX。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計

降解產物分析實驗。分別取10 mg/L的ATV和ROSC各 200 mL置于恒溫水浴中，加入適量PMS(1 g/L)和H2O2(1 g/L)儲備液配成10 mg/L的氧化劑(PMS: H2O2=1:1)濃度，立刻打開UV燈進行氧化，反應分別進行120 min(ATV)、10 min(ROSC)后取反應液10 mL于20 mL棕色瓶當中，過0.22 μm濾膜。用GC-MS分析其降解產物；用TOC分析儀分析其礦化效果。

1.3 樣品預處理及分析方法

1.3.1 HPLC方法

水樣中的ROSC和ATV濃度由HPLC進行檢測，色譜柱型號為Wonda Cract Ods-2，柱溫30 ℃，進樣量20 μL。ROSC的液相條件：流動相0.1%三氟乙酸:水:乙腈(V:V:V)=1:49:50，流速0.9 mL/min，檢測波長245 nm；ATV液相條件：流動相：1%甲酸:乙腈(V:V)=25:75，流速0.9 mL/min，檢測波長：242 nm。

1.3.2 水樣預處理和降解產物分析方法

樣品預處理。取出1 mL樣品，經冷凍干燥后加入2 mL甲醇溶解，然后經輕柔氮氣吹干，用600 μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)重新溶解，然后通過0.45 μm混合纖維素酯膜過濾。加入體積為100 μL的衍生試劑BSTFA，用非極性三甲基甲硅烷基取代酸性氫；最后，在70 ℃下衍生化1 h后，使用GC-MS分析衍生化的樣品。

GC-MS條件：色譜柱：HP-5MS毛細管柱(Agilent，30.0 m×320 μm×0.25 μm)；升溫程序：50 ℃保持5 min，然后以 5 ℃/min升高至200 ℃并保持2 min，再以20 ℃/min升高至300 ℃并保持1 min；進樣器溫度250 ℃；進樣量1.0 μL；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度250 ℃；載氣為高純He，氣體流量1.0 mL/min。

2 結果與討論

2.1 不同氧化體系對他汀類藥物的降解作用

Litvic等發現瑞舒伐他汀是一種光敏性有機化合物在可見光條件下就可以產生兩種光產物。William在研究中發現，紫外催化鎂鈦基催化劑對于ATV最大去除率不超過20%。為了進一步探究不同氧化體系對他汀類藥物的降解效果，實驗中分別研究了PMS、H2O2、PMS/H2O2、UV、UV/PMS、UV/H2O2和UV/PMS/H2O2七種氧化體系對ATV和ROSC的降解作用。ATV和ROSC在各體系中的降解效果如圖1所示。在H2O2體系中，ROSC的去除率最僅為10.13%(180 min)；在PMS體系中，ATV的最高降解率為20.45%。而在UV催化條件下，ATV和ROSC降解速率明顯提升，這是由于紫外線激發PMS及H2O2產生活性自由基，系統氧化性能增強。

圖1 不同氧化體系下他汀類藥物的降解情況

臨床痊愈：中醫臨床癥狀、體征消失或基本消失，證候積分減少≥90%；顯效：中醫臨床癥狀、體征明顯改善，證候積分減少≥70%；有效：中醫臨床癥狀、體征有所改善，證候積分減少≥30%；無效：中醫臨床癥狀、體征無明顯改善，證候積分減少＜30%。

2.2 淬滅劑實驗

圖2 不同淬滅劑條件他汀類藥物的降解實驗

2.3 實驗條件及環境因素影響

2.3.1 pH影響

圖3 不同pH條件降解效果

(1)

(2)

在酸性條件下，羥基自由基受到氫離子消耗，同時過硫酸氫鉀在酸性條件下活化受到抑制，氧化基團減少導致了兩種他汀類藥物的降解速率大幅度下降，ROSC的動力學常數kpH=4(0.0268 min-1)

2.3.2 碳酸氫根影響

圖4 碳酸氫根離子對他汀類藥物降解的影響

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3.2 氯離子影響

當氯進入體系時，發生如式(8)～式(11)的反應[11]；在諸多反應的綜合作用下，隨著氯離子濃度的增加，他汀類藥物的降解過出現抑制和促進交替呈現的規律(圖5)。

圖5 氯離子對于他汀類藥物降解的影響

(8)

(9)

(10)

(11)

2.3.2 腐殖酸影響

圖6 腐殖酸對于他汀類藥物降解的影響

2.4 礦化率及降解產物分析

在UV/PMS/H2O2體系各反應條件下，ATV的去除率在48.7%～63.7%之間，礦化率在1.66%～6.82%之間；ROSC的去除率在89.7%～95.0%之間，礦化率在1.49%～6.21%之間(圖7)。這表明他汀類藥物雖然有較好的去處效果，但系統中仍殘留較多有機物。結合GC-MS的分析結果可知(表1)，系統中仍存在大量小分子有機物，如含羧基、酰胺基團的化合物。這些小分子有機物的環境效應進一步關注。

圖7 不同體系對他汀類藥物去除效果和礦化效果

表1 ATV降解產物分析

3 結 論

本文主要對兩種他汀類藥物的高級氧化降解進行進行了研究。結論如下：

(1)相對單獨的UV/PMS和UV/H2O2體系，UV/PMS/H2O2體系對他汀類藥物表現出更好的去除效果，但系統中仍存在大量含有羧基、羰基和酰胺基團的小分子有機物。兩種他汀類藥物的降解過程均符合偽一級動力學。