氟喹諾酮類藥物氯化的選擇性氧化反應(yīng)及紫外/氯強化處理工藝

沈 蕓，趙世榮，商偉偉，錢雅潔

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

氟喹諾酮類(fluoroquinolones，F(xiàn)Qs)藥物是喹諾酮類藥物的哌嗪基衍生物，由于其廣譜性和療效好，在臨床中廣泛應(yīng)用[1]。但是FQs在人體內(nèi)無法完全代謝，在使用后進(jìn)一步排放至自然環(huán)境中，導(dǎo)致該類物質(zhì)在水環(huán)境中頻繁檢出[2]。據(jù)報道，我國七大流域中，海河、遼河和珠江的FQs檢出的質(zhì)量濃度達(dá)100 ng/L[3]；典型的半封閉內(nèi)海渤海灣，在廢水和城市污水的大量排放下，其FQs檢出的質(zhì)量濃度高達(dá)726 ng/L[4]。FQs在水環(huán)境中不斷累積，通過食物鏈富集到生物體內(nèi)，從而危害人體健康[5]。

我國現(xiàn)有污水處理工藝是基于物化預(yù)處理耦合活性污泥法的生化處理工藝，該類處理工藝對FQs等新興污染物去除效率較低[6]。氯化是城市污水和飲用水凈化過程中被普遍采用的技術(shù)，因此，研究氯化過程對掌握FQs在水環(huán)境中的歸宿至關(guān)重要[4]。幾乎所有FQs藥物都含有芳香胺的結(jié)構(gòu)，Najjar等[7]研究了左氧氟沙星(levofloxacin，LVF)的氯化行為，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)上的叔胺會最先受到氯的攻擊，在氯化過程中，藥物可能會發(fā)生氧化/取代反應(yīng)；Wang等[8]的產(chǎn)物分析結(jié)果表明，大部分產(chǎn)物中都存在完整的喹諾酮類化合物；Dodd等[9]的研究表明喹諾酮類部分對游離活性氯(FAC)不反應(yīng)。然而，F(xiàn)Qs不同哌嗪結(jié)構(gòu)與氯化反應(yīng)的活性關(guān)系鮮有研究，比較仲胺和叔胺基FQs一類的氯化行為，研究氯化對FQs藥物的選擇性反應(yīng)，對掌握氯化消毒過程中污染物的轉(zhuǎn)化具有重要意義。

本文選擇LVF、恩諾沙星(enrofloxacin，ENR)和環(huán)丙沙星(ciprofloxacin，CIP)3種典型FQs，研究其單獨氯化的降解行為，比較了不同F(xiàn)Qs氯反應(yīng)濃度的變化，并探究FQs不同結(jié)構(gòu)與氯化反應(yīng)的相關(guān)關(guān)系；同時通過紫外強化手段，研究了FAC在紫外活化作用下CIP的降解反應(yīng)過程和不同水基質(zhì)對CIP的降解影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料

LVF、ENR、CIP的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)品均購自Sigma Aldrich上海有限公司，為分析純級別，物質(zhì)結(jié)構(gòu)如表1所示。磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、L-抗壞血酸、氯化鈉、碳酸氫鈉、腐植酸、氫氧化鈉、磷酸、三乙胺均為Aladdin分析純級別。液相使用的甲醇、乙腈均為Sigma Aldrich色譜純級別。

表1 FQs不同結(jié)構(gòu)示意圖Tab.1 Schematic Diagram of Different Structures of FQs

1.1.2 試驗儀器

試驗儀器：高效液相色譜儀(Agilent 1260，美國)、Poroshell 120 EC-C18色譜柱(4.6 mm×250 mm×2.7 μm)、紫外分光光度計(UV-1600PC，上海美譜達(dá))、pH值計(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, 島津)。試驗裝置如圖1所示。

圖1 反應(yīng)裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Reaction Apparatus

1.2 試驗方法

所有試驗操作均在室溫為(25±2)℃下，在裝有254 nm紫外燈管的黑箱中進(jìn)行，并于試驗前30 min打開紫外燈準(zhǔn)備。將40 μmol/L等目標(biāo)污染物溶解于石英杯中，用10 mmol/L磷酸鹽(PB)緩沖液調(diào)節(jié)反應(yīng)pH，加入相應(yīng)濃度的NaClO溶液，在恒溫磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢瑁谝欢ǖ臅r間點取樣1 mL并經(jīng)過0.45 μmol/L濾膜過濾于液相棕色進(jìn)樣瓶，并立即用0.5 mL摩爾濃度為100 mmol/L的L-抗壞血酸對余氯進(jìn)行猝滅，取樣結(jié)束后于48 h內(nèi)將樣品放于高效液相色譜(HPLC)進(jìn)行定量分析以測定FQs濃度。試驗還分別研究了NaClO投加量、pH、共存離子等對反應(yīng)降解效果的影響和降解動力學(xué)。所有的試驗重復(fù)3次。

1.3 分析方法

經(jīng)過紫外、單獨氯化和紫外/次氯酸鈉系統(tǒng)處理后的樣品溶液采用HPLC進(jìn)行檢測。檢測器為光電二極管陣列檢測器，流速為0.8 mL/min，進(jìn)樣量為20 μL，柱溫為30 ℃，流動相A相(0.3%的磷酸緩沖液，使用三乙胺調(diào)節(jié)pH值為2.4)和C相(乙腈)的比例為80∶20，樣品檢測時間為12 min。反應(yīng)過程中氯濃度的變化采用國標(biāo)法DPD分析方法進(jìn)行測定。

1.4 反應(yīng)動力學(xué)分析

FAC降解FQs的動力學(xué)方程如式(1)。

(1)

其中：kapp——二級速率常數(shù)，L/(mol·s)；

t——時間，s;

[FQs]、[FAC]——FQs、FAC的平衡摩爾濃度，μmol/L。

當(dāng)反應(yīng)體系中[FAC]∶[FQs]≥10∶1，可近似認(rèn)為式(1)中的[FAC]為常數(shù)，符合一級反應(yīng)的驗證，可簡化為式(2)。

(2)

其中：kobs——偽一級反應(yīng)速率常數(shù)，s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 單獨氯化過程氧化FQs

2.1.1 氯投加量對不同結(jié)構(gòu)FQs的降解影響

如圖2所示，LVF和ENR降解反應(yīng)呈現(xiàn)較高的一致性，即隨著氯濃度的增加，其降解率逐漸增大，而CIP降解率變化較小。結(jié)果表明，在pH值為7、氯投加量為75 μmol/L時，LVF和ENR在2 min時降解率分別為96.4%和91.5%，而CIP降解率僅為5.2%。當(dāng)氯投加量增加到400 μmol/L時，LVF和ENR在2 min內(nèi)完全降解，CIP降解率為12.4%，僅增加7.2%，由此可見，相較于LVF和ENR，CIP在單獨氯化作用下的降解效率較慢，這是FQs不同哌嗪結(jié)構(gòu)所致。

注：[FQs]=40 μmol/L，[PB]=10 mmol/L，pH值=7圖2 氯投加量對不同結(jié)構(gòu)FQs的降解影響Fig.2 Influence of Chlorine Dosage on Degradation of FQs with Different Structures

已有研究表明，F(xiàn)Qs喹諾酮類部分不易與游離氯反應(yīng)，每個哌嗪環(huán)的酸性N(4)原子(pKa=0.7)對親電因子的反應(yīng)性應(yīng)比N(1)原子小得多[9]，因此，F(xiàn)Qs主要以哌嗪結(jié)構(gòu)中的N(4)原子為反應(yīng)位點[9-10]。同時，N(4)原子反應(yīng)速率的快慢也可間接通過氯消耗速率的快慢來體現(xiàn)。當(dāng)反應(yīng)開始，體系中的氯首先會攻擊哌嗪結(jié)構(gòu)上的N(4)原子生成自由基，接著通過來自N(1)的電子供體協(xié)同裂解導(dǎo)致C-C裂解并生成亞胺中間體，隨后發(fā)生脫烷基化反應(yīng)[11]。試驗數(shù)據(jù)表明，相同條件下LVF和ENR降解效率較CIP更快，說明LVF和ENR與氯的反應(yīng)性高于CIP與氯的反應(yīng)性，即具有叔胺哌嗪結(jié)構(gòu)的FQs比仲胺哌嗪結(jié)構(gòu)的FQs和氯反應(yīng)更活潑。

2.1.2 不同F(xiàn)Qs結(jié)構(gòu)下對應(yīng)氯濃度的消耗

為進(jìn)一步研究FQs結(jié)構(gòu)對氯反應(yīng)的相關(guān)性，試驗做了不同F(xiàn)Qs結(jié)構(gòu)下對應(yīng)氯濃度的消耗曲線圖。由圖3可知，不同F(xiàn)Qs對應(yīng)氯的消耗呈現(xiàn)顯著差異性。在相同氯量條件下，F(xiàn)Qs對應(yīng)氯的消耗結(jié)果為：LVF>ENR>CIP。比較明顯地，當(dāng)氯摩爾濃度為75 μmol/L時，LVF氯的消耗率為87.07%，ENR為58.57%，而CIP僅為23.33%。試驗數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，含有叔胺甲基哌嗪的LVF反應(yīng)所消耗氯的量最多，含有叔胺乙基哌嗪的ENR反應(yīng)所消耗的氯量次之，含有仲胺哌嗪結(jié)構(gòu)的CIP反應(yīng)所消耗的氯量最少。

圖3 不同F(xiàn)Qs結(jié)構(gòu)下對應(yīng)氯濃度的消耗Fig.3 Consumption of Relevant Chlorine Concentration under Different FQs Structures

已有研究比較了FQ陰離子的速率常數(shù)(FQs陽離子對整體的降解貢獻(xiàn)不顯著[10])，發(fā)現(xiàn)在其哌嗪部分含有叔N(4)胺的氧氟沙星(OFL)和ENR與ClO2的反應(yīng)速率快于含有仲N(4)胺的CIP、諾氟沙星(NOR)、洛美沙星(LOM)和哌啶酸(PIP)，其動力學(xué)模擬結(jié)果為OLF>ENR>CIP～LOM～NOR>>PIP[11]。本試驗數(shù)據(jù)表明，CIP降解所消耗的氯量最少。從結(jié)構(gòu)上來看，LVF和ENR分別為含有叔胺甲基哌嗪和叔胺乙基哌嗪的FQs，而哌嗪結(jié)構(gòu)上甲基的氧化態(tài)高于乙基，從而導(dǎo)致LVF消耗更多的氯量。因此，3種不同F(xiàn)Qs與氯反應(yīng)的活潑性為LVF>ENR>CIP，即叔胺甲基哌嗪結(jié)構(gòu)>叔胺乙基哌嗪結(jié)構(gòu)>仲胺哌嗪結(jié)構(gòu)。

2.1.3 pH對不同F(xiàn)Qs結(jié)構(gòu)的降解影響

pH是FQs氯化過程中重要的影響因素[12]。如圖4所示，LVF、ENR和CIP在不同pH下呈現(xiàn)相同的降解規(guī)律，pH值從3～7和7～9降解率分別呈先增加后減少的趨勢，即在堿性條件下(pH值=9)，F(xiàn)Qs的降解率最低，在中性條件下(pH值=7)，F(xiàn)Qs的降解率最高。查閱文獻(xiàn)，抗生素的降解歸因于FAC形態(tài)(HOCl和OCl-)和抗生素解離狀態(tài)的綜合效應(yīng)[13]。

圖4 pH值對不同F(xiàn)Qs結(jié)構(gòu)的降解影響Fig.4 Influence of pH Value on Degradation of FQs with Different Structures

已知HOCl是一種不穩(wěn)定弱酸，在水中會發(fā)生電離反應(yīng)[10]，如式(3)。

(3)

不同pH下HOCl和OCl-的形態(tài)分布如圖5所示，pH升高，促使反應(yīng)正向進(jìn)行，而后者的氧化能力明顯弱于前者，導(dǎo)致pH增大而降解速率降低，即FQs的降解率在堿性條件下低于中性和酸性條件。然而在中性和酸性條件下，F(xiàn)Qs的降解率并不總是隨著pH的降低而增加。這是因為去質(zhì)子化的FQs與FAC反應(yīng)時比質(zhì)子化的FQs更具活性[14](FQs的pKa如表1所示)，同時，HOCl的氧化能力比OCl-更強，因此，當(dāng)pH值為7時，F(xiàn)Qs的降解率最大。

圖5 不同pH值下HOCl的形態(tài)分布Fig.5 Form Distribution of HOCl under Different pH Values

2.2 紫外活化氯化降解CIP

2.2.1 CIP降解動力學(xué)

由于CIP在單獨氯化的作用下降解速率慢，因此，本試驗通過耦合紫外的方式對其進(jìn)行強化處理。如圖6所示，即隨著氯投加量的增加，CIP的降解效率隨之變高。在2 min內(nèi)，紫外/氯作用下的CIP降解率均超過80%，當(dāng)氯摩爾濃度為400 μmol/L，其降解率高達(dá)96.29%，而相同條件下，單獨氯作用對CIP的降解效果僅為12.4%，從試驗數(shù)值上看，紫外/氯條件明顯優(yōu)于單獨氯條件對CIP的降解效果。

對CIP在紫外/氯條件下的降解進(jìn)行動力學(xué)分析，ln([CIP]/[CIP]0)與反應(yīng)時間的反應(yīng)關(guān)系如圖6所示，在不同氯投加量下均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R2>0.91)，故可推出：紫外/氯條件對CIP的降解滿足準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。當(dāng)氧化劑濃度為0時，由于缺乏足夠的活性自由基，CIP降解受到抑制，而隨著氯投加量的不斷增加，體系中HOCl和OCl-通過UV光解產(chǎn)生HO·和Cl·，促進(jìn)了CIP的分解[15]。

圖6 紫外/氯工藝下氯投加量對CIP的降解影響Fig.6 Influence of Chlorine Dosage on Degradation of CIP in UV/Chlorine Process

2.2.2 pH對CIP降解的影響

如圖7所示，紫外/氯工藝在不同pH條件下對CIP的降解均符合準(zhǔn)一級反應(yīng)動力學(xué)特性，其相關(guān)系數(shù)R2>0.93。pH在紫外條件下對CIP的降解效果影響較大，其降解率隨著pH的增加而增加，在pH值為9時，CIP的降解率最高，達(dá)96.61%；pH值為3時降解率最低，僅為76.74%。與單獨氯對CIP的降解結(jié)果不同，紫外/氯對CIP的降解結(jié)果在中性和堿性條件下優(yōu)于酸性條件。這可能是不同pH條件下活性物質(zhì)的相對貢獻(xiàn)所致[16]，這一結(jié)果和Deng等[17]報道一致。

圖7 紫外/氯工藝下pH值對CIP的降解影響Fig.7 Influence of pH Value on Degradation of CIP in UV/Chlorine Process

2.2.3 水基質(zhì)對CIP降解的影響

圖8 紫外/氯工藝下不同水基質(zhì)對CIP的降解影響Fig.8 Influence of Water Matrix on Degradation of CIP in UV/Chlorine Process

3 結(jié)論

(1)根據(jù)3種不同F(xiàn)Qs在氯化過程的降解情況及氯投加量的消耗情況，3種不同F(xiàn)Qs與氯反應(yīng)的活潑性：LVF>ENR>CIP，即叔胺甲基哌嗪結(jié)構(gòu)>叔胺乙基哌嗪結(jié)構(gòu)>仲胺哌嗪結(jié)構(gòu)。

(2)pH可以通過改變物質(zhì)形態(tài)(HOCl、OCl-和FQs離子形態(tài))、自由基的產(chǎn)生來影響FQs的降解情況，在單獨氯化條件下，對FQs降解影響為pH值為7>pH值為5>pH值為3>pH值為9；而在紫外/氯工藝下對仲胺哌嗪FQs降解影響為在堿性條件下，即pH值為9降解效果最好。