趙姚云川， 任鴻飛， 房 岐， 李英杰， 張彪軍， 田森林

（昆明理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650500）

1 實(shí)驗(yàn)背景與目的

抗生素在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛.中國(guó)是抗生素的生產(chǎn)、消費(fèi)大國(guó)，2013年中國(guó)抗生素的消耗量為16.2萬(wàn)噸［1］.目前我國(guó)污水處理廠的處理工藝主要針對(duì)常規(guī)污染指標(biāo)，對(duì)新型環(huán)境污染物抗生素的去除效果不理想［2］，因而抗生素在污水出水口仍具有較高的濃度，有些抗生素質(zhì)量濃度高達(dá)mg/L量級(jí)［3-5］.由于抗生素具有誘導(dǎo)細(xì)菌菌群抗藥性和產(chǎn)生抗性基因的特性，抗生素污染勢(shì)必對(duì)水環(huán)境造成嚴(yán)重的生態(tài)威脅［6-8］.因此研究抗生素在水環(huán)境中的轉(zhuǎn)化對(duì)于認(rèn)識(shí)其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)生物健康具有重要意義.質(zhì)對(duì)抗生素光降解的影響，在實(shí)際水環(huán)境中各溶解性組分是共存的，因而亟需研究多組分因素共存條件下抗生素的光化學(xué)轉(zhuǎn)化，然而該方面的研究報(bào)道甚少.本研究以海水環(huán)境頻繁檢出的磺胺氯噠嗪為模型化合物，采用響應(yīng)面法（RSM）研究了海水環(huán)境中代表性的溶解性組分（DOM、NO3-、Br-和Cl-）共存條件下對(duì)磺胺氯噠嗪的光解動(dòng)力學(xué)，篩選出影響磺胺氯噠嗪光解的顯著性影響因素，并進(jìn)行機(jī)理闡釋.

2 材料與方法

光降解是決定抗生素環(huán)境歸趨的重要因素，且受水環(huán)境中眾多溶解性組分的影響［9-12］.研究發(fā)現(xiàn)溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）可通過(guò)光屏蔽和光誘導(dǎo)產(chǎn)生活性物種（ROS），如激發(fā)三重態(tài)DOM（3DOM*）、羥基自由基（·OH）和單重態(tài)氧（1O2），影 響 抗 生 素 的 光 降 解［13］；研 究 還 發(fā) 現(xiàn)NO3-、Cl-、Br-和HCO3-/CO23-等也可通過(guò)淬滅效應(yīng)和產(chǎn)生鹵素自由基和碳酸根自由基影響抗生素的降解［14-15］.但是以上研究均考慮單一溶解性物

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 純度高于98%的磺胺氯噠嗪標(biāo)準(zhǔn)品（北京百靈威科技有限公司）、腐殖酸（HA）、乙酸銨（分析純，北京百靈威科技有限公司）；硝酸鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、溴化鉀、冰乙酸、無(wú)水乙醇、鹽酸（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氫氧化鈉、氯化鈉、磷酸（分析純，天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司）；乙腈（色譜純，購(gòu)于美國(guó)天地有限公司）；超純水（18 MΩ·cm，天津市蘭力科化學(xué)電子高科技有限公司生產(chǎn)的超純水器制備）

2.2 光解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)采用響應(yīng)面法（RSM）［16-17］研究磺胺氯噠嗪的光解動(dòng)力學(xué).選取海水環(huán)境中有代表性的4種溶解性組分DOM（實(shí)驗(yàn)中使用HA作為DOM的代替物）、NO3-、Cl-、Br-，且每種溶解性物質(zhì)設(shè)置5個(gè)濃度水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)［15，18-20］（表1）.

表1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)的環(huán)境因子設(shè)置和質(zhì)量濃度水平Tab.1 Factor definitions，coding levels and design points for RSM experimental design

每組實(shí)驗(yàn)將一定濃度的磺胺氯噠嗪作為目標(biāo)物與4種溶解性組分因子一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，4種因子的濃度按照Design Expert 8.0.6（Stat-Ease Inc.，Minneapolis）軟件設(shè)計(jì)的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行配制（表2）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析采用Design Expert軟件進(jìn)行處理.具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：磺胺氯噠嗪表觀的光解速率常數(shù)k（單位：s-1）與4種目標(biāo)溶解性物質(zhì)的編碼因子（x1，x2，x3，x4）之間的關(guān)系可以通過(guò)一個(gè)完整的二次方程式進(jìn)行擬合［21］：

其中，xi（i＝1～4）分別對(duì)應(yīng)溶解性物質(zhì)DOM、Br-、NO3-、Cl-的編碼因子；βx是二次方程的擬合系數(shù)，包括常數(shù)項(xiàng)β0、一次項(xiàng)系數(shù)βi（i＝1～4）、平方項(xiàng)系數(shù)βii（ii＝11～44）以及交叉項(xiàng)系數(shù)（β12，β14，β13，β23，β24）.

溶解性物質(zhì)xi可由（2）式計(jì)算獲得：

其中，Xi（i＝1～4）表示DOM、Br-、NO3-、Cl-的真實(shí)濃度（每個(gè)因子編碼所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度）；Xi，0表示溶解性物質(zhì)的中心點(diǎn)濃度（因子編碼0所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度）；ΔXi表示同一種溶解性物質(zhì)的相鄰編碼因子所對(duì)應(yīng)的實(shí)際質(zhì)量濃度的差值.以DOM的因子編碼x1＝2為例，Xi值為10，Xi，0值為5，ΔXi＝10-7.5＝2.5，即x1＝（10-5）/（10-7.5）＝2.

2.3 光降解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)光解實(shí)驗(yàn)在OCRSPX32T光化學(xué)反應(yīng)儀（開(kāi)封市宏興科教儀器廠）中進(jìn)行，光源為500 W汞燈（290 nm濾光片，λ＞290 nm）.反應(yīng)溶液置于石英試管中.用磷酸鹽緩沖液配制初始濃度為20μmoL/L的磺胺氯噠嗪作為目標(biāo)污染物，加入一定量實(shí)驗(yàn)所需的水環(huán)境因子，用磷酸和氫氧化鈉溶液調(diào)至所需pH值（PHS-3C精密pH計(jì)，購(gòu)于上海精密科學(xué)儀器有限公司），放置于反應(yīng)儀中，在暗條件下15 min后，以此作為反應(yīng)的起始時(shí)間取第一個(gè)點(diǎn)，開(kāi)啟紫外燈，間隔一定時(shí)間移取1 mL反應(yīng)液至棕色液相小瓶（已加入100μL異丙醇）中，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

采用UltiMate 3000高相液相色譜分析儀分析磺胺氯噠嗪的濃度.實(shí)驗(yàn)使用ZORBAX Eclipse XDB-C18色譜柱（4.6 mm×150 mm，5μm），流動(dòng)相選體積分?jǐn)?shù)30%的乙腈與選體積分?jǐn)?shù)70%的乙酸銨緩沖液（pH＝5），流速1.0 mL/min，進(jìn)樣量20μL，二極管陣列檢測(cè)器的檢測(cè)波長(zhǎng)為260 nm.該分析條件下，磺胺氯噠嗪的出峰時(shí)間為3.5 min.最終截取分析儀中的峰面積得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)k值.

3 結(jié)果與討論

3.1 磺胺氯噠嗪的光解動(dòng)力學(xué)表2列舉了目標(biāo)溶解性組分DOM、Br-、NO3-、Cl-在RSM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下磺胺氯噠嗪的k值.通過(guò)RSM對(duì)二次方程式（1）進(jìn)行擬合，可得溶解性組分前面的系數(shù)值βx（表3）.基于對(duì)βx的值統(tǒng)計(jì)分析，可以評(píng)估DOM、Br-、NO3-、Cl-對(duì)磺胺氯噠嗪光降解的相對(duì)貢獻(xiàn).若P＜0.05，則表示對(duì)應(yīng)的βx值在95%的置信水平明顯相異于0.由表3可知，在P＜0.05的顯著水平，一次項(xiàng)DOM、Cl-、NO3-以及二次項(xiàng)DOMDOM相互作用是影響磺胺氯噠嗪光降解的顯著因素.DOM的系數(shù)為負(fù)值，表明DOM抑制磺胺氯噠嗪光解；Cl-、NO3-以及DOM-DOM相互作用各項(xiàng)的系數(shù)均為正值，說(shuō)明上述因素對(duì)磺胺氯噠嗪的光解起到促進(jìn)效用.

3.2 顯著性因素影響磺胺氯噠嗪的光解機(jī)理前人研究報(bào)道，DOM可通過(guò)多種方式影響污染的光降解［13，18，22-26］：

1）通過(guò)光屏蔽效應(yīng)-競(jìng)爭(zhēng)光吸收抑制污染物光解；

2）光致產(chǎn)生3DOM*、·OH、1O2等ROS促進(jìn)污染物降解；

3）淬滅ROS以及反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的活性中間體抑制污染物降解.

DOM對(duì)污染光解的影響取決于上述途徑的競(jìng)爭(zhēng).由表3可知，DOM抑制磺胺氯噠嗪光解，說(shuō)明DOM的抑制效應(yīng)對(duì)磺胺氯噠嗪起主要作用，而光致產(chǎn)生的ROS對(duì)其光解影響較弱.已有研究表明DOM可淬滅3DOM*與磺胺抗生素反應(yīng)產(chǎn)生的磺胺抗生素自由基，從而表現(xiàn)為抑制效應(yīng)［26］.由此可知，除競(jìng)爭(zhēng)光吸收外，DOM也可淬滅3DOM*與磺胺氯噠嗪反應(yīng)產(chǎn)生的中間體而抑制磺胺氯噠嗪光解.NO3

-是水環(huán)境中普遍存在的溶解性物質(zhì)，也是水環(huán)境中·OH的主要前驅(qū)體［27］.NO3-在光照條件下可產(chǎn)生·OH氧化磺胺氯噠嗪，進(jìn)而促進(jìn)其光解；研究發(fā)現(xiàn)Cl-/Br-可與激發(fā)三重態(tài)有機(jī)物反應(yīng)，產(chǎn)生鹵素自由基［15］.磺胺抗生素吸光后可通過(guò)系間竄越形成激發(fā)三重態(tài)［23-24，28-32］，因而也可與Cl-/Br-反應(yīng)產(chǎn)生鹵素自由基與磺胺氯噠嗪反應(yīng)，使得Cl-/Br-對(duì)磺胺氯噠嗪的光解表現(xiàn)為促進(jìn)效用.由于DOM可淬滅DOM光致產(chǎn)生的ROS，DOM與ROS反應(yīng)可導(dǎo)致DOM的光漂白效用，致使DOM的光屏蔽效應(yīng)減弱，從而使DOM-DOM相互作用對(duì)磺胺氯噠嗪光解表現(xiàn)為促進(jìn)效用.

表2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中磺胺氯噠嗪光解的實(shí)驗(yàn)條件和動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.2 Experimental conditions and kinetic parameters for the photodegradation of sulfachloropyridazine under the RSM experimental design

表3 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)中磺胺氯噠嗪二次方程式系數(shù)βx評(píng)估和假設(shè)檢驗(yàn)Tab.3 Parameter estimates and hypothesis tests for the coefficientsβx of the quadratic model of sulfachloropyridazine

本研究對(duì)深入認(rèn)識(shí)水體中溶解性組分的復(fù)合作用對(duì)抗生素光解的影響具有積極意義，同時(shí)研究結(jié)果對(duì)于發(fā)展基于水體中溶解性組分的光降解系統(tǒng)去除抗生素等污染物也具有重要借鑒意義.例如，海水養(yǎng)殖需要投加大量的抗生素，且目前養(yǎng)殖海水不經(jīng)處理直接排放至周邊海域，致使海水養(yǎng)殖區(qū)域的抗生素濃度較高；海水中的DOM含量相比于淡水中的DOM普遍偏低，而鹵素離子的含量遠(yuǎn)高于淡水.由RSM的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，海水中抗生素的降解速率要高于淡水中，因而發(fā)展基于海水中典型溶解性組分的光降解技術(shù)策略對(duì)于解決海水養(yǎng)殖區(qū)域抗生素污染具有重要意義.

本研究基于響應(yīng)面法（RSM）探討了海水中典型的溶解性組分對(duì)磺胺氯噠嗪光降解的影響，發(fā)現(xiàn)在P＜0.05顯著水平，溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）、NO3-、Cl-和DOM-DOM相互作用是影響磺胺氯噠嗪光降解的顯著性因素；DOM由于其競(jìng)爭(zhēng)光吸收和淬滅活性中間體而對(duì)磺胺氯噠嗪光解表現(xiàn)為抑制效應(yīng)；NO3-光介導(dǎo)產(chǎn)生·OH而促進(jìn)磺胺氯噠嗪光解；Cl-可與激發(fā)態(tài)的磺胺氯噠嗪反應(yīng)，產(chǎn)生鹵素自由基，進(jìn)而促進(jìn)磺胺氯噠嗪光解；DOM-DOM相互作用可導(dǎo)致DOM的光漂白效應(yīng)，減弱了DOM的競(jìng)爭(zhēng)光吸收促進(jìn)磺胺氯噠嗪光解.