張 冉，章耀鵬，陳 楊，沈忱思

（1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2. 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 慈溪 315302）

近年來(lái)，四環(huán)素類抗生素的使用數(shù)量在全球范圍內(nèi)廣泛增加，其中，四環(huán)素（TC）作為一種廣譜抗生素，通常直接釋放到水環(huán)境中，對(duì)人體健康和水生生態(tài)系統(tǒng)造成巨大威脅［1］。由于四環(huán)素類抗生素含有多個(gè)可離解的官能團(tuán)，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在水中極易發(fā)生異構(gòu)化，生成四環(huán)類素差向異構(gòu)體［2-5］。該類差向異構(gòu)體的半衰期相對(duì)較長(zhǎng)，細(xì)胞毒性比母體藥物大70倍，已被歐盟確定為四環(huán)素、金霉素和土霉素的殘留標(biāo)識(shí)物［6-9］。因此，在預(yù)防與消除四環(huán)素類母體污染物的同時(shí)，其異構(gòu)化產(chǎn)物急需關(guān)注。

去除水體中四環(huán)素類抗生素的方法主要有化學(xué)氧化法、電解法、光催化法、吸附法以及微生物法等［10-13］。其中，吸附法因其低成本、高效率、易操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而，目前多數(shù)研究的重點(diǎn)都集中在母體污染物的消除上，關(guān)注異構(gòu)體污染物的處理技術(shù)幾乎沒(méi)有［9，14，15］。四環(huán)類素差向異構(gòu)體在吸附行為和活性特征上表現(xiàn)出與母體藥物不同的性質(zhì)。例如，HALLING-S?RENSEN等［5］研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)類素差向異構(gòu)體在土壤表面的吸附行為較母體藥物減弱，增加了其向水體中遷移的能力，產(chǎn)生的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不可忽視。這樣的改變也極有可能影響四環(huán)素類抗生素在水處理過(guò)程中與處理材料或試劑間的相互作用，對(duì)處理效果產(chǎn)生影響。

殼聚糖作為一種具有雙螺旋結(jié)構(gòu)和氨基葡萄糖單元的天然高分子，因其優(yōu)異的吸附性能和生物降解性而廣受關(guān)注［16］。本研究以殼聚糖作為吸附劑，探究了其對(duì)TC和差向四環(huán)素（ETC）的吸附去除效果，并對(duì)吸附影響因素和吸附機(jī)理進(jìn)行了研究和分析，為有效降低四環(huán)素類抗生素異構(gòu)化帶來(lái)的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

殼聚糖、鹽酸、檸檬酸（CA）、Na2HPO4、NaOH來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。TC、ETC、乙腈來(lái)自百靈威科技有限公司，甲酸來(lái)自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司，其中TC和ETC純度為90%～98%，乙腈和甲酸為色譜純。

高效液相色譜/電噴霧電離-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Waters 3100型，上海沃特世公司），傅里葉變換紅外分光光度計(jì)（Nicolet6700型，中國(guó)賽默飛公司），X射線光電子能譜儀（ESCALAB 250XI型，中國(guó)賽默飛公司）、三維熒光光譜儀（Hitachi F-7000型，日本日立公司）。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

稱取一定量的殼聚糖加入到100 mL TC或ETC溶液中，通過(guò)改變單一因素（殼聚糖投加量、吸附pH、污染物初始質(zhì)量濃度、單一/混合溶液）條件進(jìn)行分批吸附實(shí)驗(yàn)，其中pH通過(guò)CA（0.01 mol/L）-Na2HPO4（0.02 mol/L）-NaOH（0.1 mol/L）緩沖體系調(diào)節(jié)。所有實(shí)驗(yàn)均在25 ℃攪拌條件下進(jìn)行，每隔一段時(shí)間用1 mL注射器取樣待測(cè)，每個(gè)條件下均設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。

1.3 分析方法

采用高效液相色譜/電噴霧電離-質(zhì)譜聯(lián)用儀測(cè)定TC/ETC的質(zhì)量濃度：色譜柱為Waters Atlantis T3型，2.1 mm×150 mm×5 μm，柱溫為30 ℃；流動(dòng)相由1%（體積分?jǐn)?shù)，下同）甲酸水溶液（80%）和1%甲酸乙腈溶液（20%）組成，流量為0.2 mL/min；進(jìn)樣體積為10 μL；紫外檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm；毛細(xì)管電壓3.0 kV，源溫度120 ℃，去溶劑化溫度400 ℃，去溶劑化氣體流量400 L/h，倍增器電壓750 V；全掃質(zhì)荷比范圍設(shè)置為200～800。

吸附劑的表征：采用FTIR在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍內(nèi)分析吸附劑的官能團(tuán)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)；通過(guò)XPS分析吸附劑表面的元素化學(xué)狀態(tài)；采用EEM在激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為300～600 nm和350～650 nm范圍內(nèi)分析吸附劑的EEM光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附效果

在未調(diào)節(jié)吸附pH、污染物初始質(zhì)量濃度為1×10-6mol/L的條件下，殼聚糖投加量對(duì)TC和ETC去除率的影響如圖1所示。

圖1 殼聚糖投加量對(duì)TC和ETC去除率的影響

隨著殼聚糖的投加量從1 g/L增加到3 g/L，TC和ETC的去除率也逐漸增加。從長(zhǎng)時(shí)間看，ETC的去除率略高于TC，3 g/L殼聚糖對(duì)TC和ETC的去除率在24 h后分別達(dá)到了69.75%和75.04%。但在短時(shí)間內(nèi)，ETC的去除率明顯高于TC，尤其是殼聚糖投加量較少時(shí)差距更為顯著，1 g/L殼聚糖對(duì)TC及ETC的去除率在6 h時(shí)分別為31.74%和46.33%。

pH是影響四環(huán)素存在形態(tài)及吸附效率的重要因素。在殼聚糖投加量為3 g/L、污染物初始質(zhì)量濃度為1×10-6mol/L的條件下，吸附pH對(duì)TC和ETC去除率的影響如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：pH對(duì)TC和ETC吸附的影響趨勢(shì)基本一致，在pH=6.03時(shí)吸附效果最佳；而隨著pH的升高或降低，吸附效果均明顯下降。雖然吸附24 h后殼聚糖對(duì)TC及ETC的去除效果接近，但短時(shí)間內(nèi)，尤其是工況條件不佳時(shí)，ETC的吸附速率較快。例如：在pH=6.03時(shí)，反應(yīng)24 h后，ETC的去除率為83.15%，TC的去除率為77.26%；而在pH=4.07時(shí)，反應(yīng)4 h后，ETC的去除率為54.37%，TC的去除率僅為34.31%。

圖2 吸附pH對(duì)TC和ETC去除率的影響

TC是兩性化合物，具有可變的電離官能團(tuán)（圖3）。在酸性條件下（pH＜3.30），TC主要以陽(yáng)離子形式存在；在弱酸及中性條件下（pH 3.30～7.68），TC以陰陽(yáng)離子共存的方式存在；在堿性條件下（pH＞7.68），TC主要以陰離子形式存在［17］。同時(shí)，殼聚糖作為吸附劑對(duì)pH條件也非常敏感，靜電作用力被認(rèn)為是殼聚糖吸附的最主要的作用力，在酸性條件下殼聚糖表面的—NH2基團(tuán)易被質(zhì)子化，可通過(guò)靜電作用力吸附陰離子類污染物，而堿性條件下殼聚糖僅能通過(guò)氫鍵作用力及疏水作用力等相對(duì)較弱的作用力對(duì)污染物進(jìn)行吸附［18］。酸性環(huán)境及堿性環(huán)境均會(huì)對(duì)TC在殼聚糖表面的吸附產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)pH為酸性時(shí)，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2可質(zhì)子化為—NH3+，但TC同時(shí)也以部分陽(yáng)離子的形式存在，吸附作用力較弱；當(dāng)pH為堿性時(shí)，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2無(wú)法質(zhì)子化，而此時(shí)TC以陰離子形式存在，也無(wú)法較好地與殼聚糖結(jié)合；當(dāng)pH處于弱酸至中性條件時(shí)，殼聚糖表面的—NH2部分質(zhì)子化形成帶正電的—NH3+，TC以陰陽(yáng)離子共存的方式存在，二者可通過(guò)靜電作用相結(jié)合。因此，弱酸性條件下，殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附效果最佳。

圖3 TC的分子結(jié)構(gòu)

在殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03的條件下，污染物初始濃度對(duì)TC和ETC去除率的影響如圖4所示。結(jié)果表明，殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附去除率與其初始濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，并且在12 h后基本達(dá)到了吸附平衡。

2.2 吸附動(dòng)力學(xué)及等溫吸附模型

為了進(jìn)一步考察殼聚糖的吸附機(jī)制，分別利用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程（式（1）和式（2））對(duì)圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的R2整體上高于準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)，表明殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附更符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

表1 殼聚糖對(duì)TC和ETC吸附的動(dòng)力學(xué)擬合參數(shù)

圖4 污染物初始濃度對(duì)TC和ETC去除率的影響

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；t為吸附時(shí)間，h；qt為t時(shí)刻的吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，h-1；k2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)，g/（mg·h）。

此外，本研究通過(guò)Langmuir和Freundlich等溫吸附模型（式（3）和式（4））對(duì)吸附等溫線實(shí)驗(yàn)（污染物初始濃度為0～5×10-4mol/L、殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03）數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。從等溫吸附模型的R2可以看出，Langmuir模型的R2更高，說(shuō)明該吸附過(guò)程更符合Langmuir模型，更接近于單分子層吸附。

表2 等溫吸附模型的擬合參數(shù)

式中：ρe為吸附平衡時(shí)的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；qsat為飽和吸附量，mg/g；b為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù)，L/mg；1/n為異質(zhì)因子，與吸附效率相關(guān)；KF為Freundlich吸附平衡常數(shù)，mg/g。

2.3 機(jī)理分析

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，在TC、ETC單獨(dú)存在的體系中，不同吸附條件下殼聚糖對(duì)ETC的吸附去除效果均優(yōu)于TC，尤其在高濃度、短時(shí)間的情況下，ETC的去除優(yōu)勢(shì)更為明顯。在此基礎(chǔ)上，本研究測(cè)試了TC和ETC共存條件下殼聚糖對(duì)TC及ETC的去除效果，結(jié)果如圖5（TC和ETC初始濃度均為1×10-6mol/L、殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03）所示。相比污染物單獨(dú)存在體系，共存體系中殼聚糖對(duì)TC及ETC的去除率有所下降，但ETC的去除效果依然顯著優(yōu)于TC，說(shuō)明殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附性能具有一定的差異性。

圖5 殼聚糖對(duì)混合溶液中TC和ETC的吸附效果

圖6為殼聚糖及其吸附TC（CS-TC）和ETC（CS-ETC）后的FTIR譜圖。殼聚糖在3 430 cm-1處的吸收帶是形成氫鍵締合的—OH伸縮振動(dòng)吸收峰與—NH的伸縮振動(dòng)吸收峰重疊而增寬的多重吸收峰［19］。殼聚糖分子中存在著大量的分子內(nèi)與分子間氫鍵，因峰較寬，殼聚糖吸附TC或ETC前后無(wú)明顯差異。1 633 cm-1處的譜帶可能是殼聚糖中C=O與O—H的氫鍵造成的，在吸附TC或ETC前后也未發(fā)生明顯變化。1 420 cm-1和1 378 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)—CH2的彎曲振動(dòng)及—CH3的對(duì)稱變形振動(dòng)，殼聚糖吸附TC和ETC后代表—CH3對(duì)稱變形振動(dòng)的峰明顯增強(qiáng)，且吸附ETC后的峰強(qiáng)度顯著大于吸附TC后的，這可能歸因于TC和ETC結(jié)構(gòu)中的—CH3基團(tuán)，且峰強(qiáng)與其吸附量變化一致。位于1 080 cm-1處的特征吸收峰為C3—OH（二級(jí)羥基）的特征峰，位于1 030 cm-1處的特征峰為C6—OH（一級(jí)羥基）的特征峰［20-23］。吸附TC或ETC后，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的C6—OH特征峰顯著減弱，這說(shuō)明殼聚糖對(duì)TC或ETC的吸附可能通過(guò)氫鍵作用發(fā)生在C6—OH的一級(jí)羥基上。

圖6 殼聚糖吸附TC和ETC前后的FTIR譜圖

圖7為殼聚糖吸附TC和ETC前后N 1s的XPS譜圖。位于結(jié)合能398.7 eV處的峰為—NH2的特征峰，399.5 eV處的為未脫乙酰化的乙酰氨基（—NHCO）特征峰，401.1 eV處的則歸屬于質(zhì)子化的氨基（—NH3+）［24］。吸附TC或ETC后，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2及—NHCO的峰位均未發(fā)生明顯變化，而—NH3+的特征峰明顯向高結(jié)合能處位移，且峰面積變小，其占比從4.02%（殼聚糖）分別降至2.14%（CS-TC）和1.22%（CS-ETC），這說(shuō)明殼聚糖的—NH3+在吸附TC和ETC的過(guò)程中發(fā)生了變化［25］，可能通過(guò)靜電作用力與TC和ETC結(jié)構(gòu)中帶負(fù)電的基團(tuán)結(jié)合。相較之下，殼聚糖吸附ETC后的—NH3+峰面積變得更小，且結(jié)合能發(fā)生了更大的位移（401.4 eV）。這說(shuō)明殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2質(zhì)子化后更易與ETC結(jié)合，使得殼聚糖對(duì)ETC具有更好的吸附能力。

圖7 殼聚糖吸附TC和ETC前后N 1s的XPS譜圖

四環(huán)素類差向異構(gòu)體與母體藥物的差異源于C4位上的碳手性中心，差向異構(gòu)化后C4-二甲氨基形成的空間位阻發(fā)生改變，使得異構(gòu)化產(chǎn)物在吸附行為和活性特征上表現(xiàn)出與母體藥物不同的性質(zhì)［5，26］。殼聚糖對(duì)ETC的選擇性吸附作用可能源于殼聚糖大分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)及氨基葡萄糖單元，其螺旋溝槽能與有機(jī)小分子特異性絡(luò)合，氨基葡萄糖單元又具有多手性中心，使得殼聚糖具有優(yōu)異的立體選擇性［20-23］。圖8為污染物和吸附劑的EEM譜圖。TC和ETC在激發(fā)波長(zhǎng)（λex）/發(fā)射波長(zhǎng)（λem）為（425～450）nm/（525～575）nm處出現(xiàn)一個(gè)主峰，且TC較ETC的熒光強(qiáng)度更大，說(shuō)明TC在結(jié)構(gòu)上剛性更強(qiáng)。殼聚糖在（329～348）nm/（379～418）處（A峰）和（369～378）nm/（423～453）處（B峰）含有兩個(gè)自發(fā)熒光特征峰；當(dāng)吸附TC和ETC后，特征峰的位置未發(fā)生明顯位移，但熒光強(qiáng)度明顯降低，說(shuō)明TC和ETC的吸附改變了殼聚糖的立體結(jié)構(gòu)從而對(duì)其自發(fā)熒光具有一定的猝滅作用。此外，殼聚糖與ETC結(jié)合后（CS-ETC）熒光的淬滅效應(yīng)明顯較低，兩個(gè)特征峰均清晰可見(jiàn)，表明殼聚糖螺旋溝槽能與ETC較好地結(jié)合，其立體結(jié)構(gòu)改變較少，這可能是殼聚糖對(duì)ETC具有更好吸附性能的主要原因。

圖8 污染物和吸附劑的EEM譜圖

3 結(jié)論

a）不同吸附條件下，殼聚糖對(duì)ETC的吸附去除率均優(yōu)于TC，尤其在短時(shí)間內(nèi)，ETC的去除優(yōu)勢(shì)更為明顯。吸附pH為6.03時(shí)，殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附去除效果最佳。殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附去除率與污染物初始濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨殼聚糖投加量的增大而增加。

b）吸附動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程更適用于殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附過(guò)程。等溫吸附模型擬合結(jié)果顯示，殼聚糖對(duì)TC和ETC的吸附更符合Langmuir模型。

c）FTIR、XPS和EEM表征結(jié)果表明，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的C6—OH和—NH3+可能通過(guò)氫鍵或靜電作用力與TC和ETC結(jié)合，且殼聚糖的螺旋溝槽與ETC具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，可能是殼聚糖對(duì)ETC具有更好吸附性能的主要原因。