吲哚美辛微生物及自然光降解研究

張婷,吳波,孫娜,陳懷俠

(湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來,藥品和個人護理用品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs)新型微污染物對飲用水水質(zhì)的影響引起了人們高度重視.PPCPs是指用于個人健康或化妝目的,或者由養(yǎng)殖業(yè)用于增強家畜生長或健康目的的任何產(chǎn)品,包括抗生素、類固醇、消炎藥、鎮(zhèn)靜劑、抗癲癇藥、顯影劑、止痛藥、降壓藥、避孕藥、催眠藥、減肥藥、香料、化妝品、遮光劑、染發(fā)劑﹑發(fā)膠﹑香皂和洗發(fā)水[1-3]等.由于其假持久性對生態(tài)環(huán)境、動物及人體造成的影響不容忽視.

PPCPs與人類生活密切相關(guān),用于人類和畜牧業(yè)的藥品僅少部分發(fā)生代謝,大部分通過排泄進入環(huán)境,外用護理品在日常生活中通過洗發(fā)、洗臉、沐浴或游泳等途徑進入水環(huán)境中,PPCPs工業(yè)及污水處理廠不完全處理使得該污染物直接排入環(huán)境中[4-5].除抗生素和類固醇外,已有超過50種PPCPs在各環(huán)境樣品中被檢出[6].目前,對PPCPs的關(guān)注大多集中在本體上,而對其在自然環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化研究較少.

微生物及自然光降解是PPCPs在水體環(huán)境中的主要衰減方式[2,7],由于儀器檢測限等原因,目前光化學(xué)工作者對PPCPs的環(huán)境轉(zhuǎn)化研究主要集中在高濃度范圍,不符合其實際存在.本文中應(yīng)用固相萃取研究實際存在濃度下的吲哚美辛微生物及自然光降解,為吲哚美辛自然環(huán)境歸趨研究提供可靠的理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1儀器與試劑儀器:Dionex Summit P680 HPLC儀(Dionex,美國),配有手動進樣器和20.0 μL定量環(huán)柱溫箱(Nuohai技術(shù),中國)Chromeleon色譜管理軟件,Milli-Q超純水機(北京,中國),0.22 μm的過濾膜(醋酸纖維,上海興亞凈化材料廠),循環(huán)水式多用真空泵(SHZ-Ⅲ,上海雅榮生化設(shè)備儀器有限公司),C18固相萃取柱(Agela,天津),真空萃取裝置(16位防交叉污染,艾杰爾科技公司),紫外分光光度計(UV2300,上海天美公司).

試劑:吲哚美辛(Indometacin,IDM)、呋喃唑酮(Furazolidone,FZD)、萘普生(Naproxen,NPX)、(中國生物制品檢定所,含量均不少于99.5%),腐植酸(HA,上海阿拉丁公司,含量不少于99%),分析純硝酸鈉、碳酸氫鈉、疊氮化鈉、氯化鈉、硫酸鐵.色譜純甲醇、乙腈(Tedia公司,美國俄亥俄州),超純水,分析純磷酸等.

1.2固相萃取過程及條件考察C18固相萃取小柱分別用10 mL甲醇和10 mL超純水清洗、活化.將50 mL水樣以5 mL/min的上樣速度進行分離富集.以10 mL的超純水清洗小柱,真空狀態(tài)下干燥3 min,用1 mL甲醇以0.2 mL/min的流速洗脫分析物,洗脫液直接進行液相色譜法分析

根據(jù)吲哚美辛分子結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合實驗可行性、科學(xué)性及回收率的穩(wěn)定性對上樣流速、固相萃取柱、上樣體積、洗脫液、洗脫液體積優(yōu)化,最后選擇Cleanert ODS-SPE 500 mg/3 mL固相萃取柱、5 mL/min上樣流速、50 mL樣品體積、1 mL甲醇洗脫.該條件下的日內(nèi)、日間精密度分別為2.3%、2.7%.

1.3水解實驗用過膜超純水配制一定濃度的吲哚美辛儲備液,并稀釋為10 μg/L溶液,微生物降解、光降解的同時,做水解實驗,相同時間間隔取樣.固相萃取富集,洗脫液HPLC檢測,測定溶液中吲哚美辛殘留量.

1.4微生物降解環(huán)境水樣分別取長江水和東湖水,配制10 μg/L濃度水平溶液,室溫避光無氧條件下微生物降解.相同條件10 μg/L純水溶液作對照實驗,每隔一天取樣(共14 d),固相萃取富集,洗脫液上樣.相同條件下環(huán)境水樣添加5 mmol/L疊氮化鈉,作微生物降解的對照實驗.

1.5光照實驗日光光照實驗在湖北大學(xué)(114°E,31°N)化院樓頂進行,時間為2012年3-4月的晴天,時間為10:00～15:00.反應(yīng)溶液置于具塞石英試管(φ1.8 cm×22 cm)中,與水平地面成45°垂直日光照射,光照5 h,每隔1 h取樣,富集并測定殘留量.每組實驗重復(fù)3次.

同時以草酸鐵鉀為化學(xué)露光計[8],測定純水中吲哚美辛光解的平均光量子產(chǎn)率.

以上光解實驗和量子產(chǎn)率測定過程中,同時設(shè)置暗對照.暗對照中,除反應(yīng)試管用鋁箔包裹外,其他條件均與光照實驗相同.文中所列降解數(shù)據(jù)均為扣除暗對照后的數(shù)據(jù).

1.6分析檢測鼎泰公司C18反相色譜柱(5 μm,4.6 mm×250 mm),配有相同填料的預(yù)柱(5 μm,2.1 mm×12.5 mm,Agilent公司,美國),流動相:甲醇-0.2%磷酸(78∶22,V/V),流速:1.0 mL·min-1,柱溫:30 ℃,進樣量:20 μL,檢測波長:268 nm.吲哚美辛、奈普生和呋喃唑酮的紫外吸收光譜通過紫外-可見分光光度計測得.

1.7數(shù)據(jù)處理結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和文獻[9,10],本文中選取一級反應(yīng)動力學(xué)模型處理光降解數(shù)據(jù),得到光解速率常數(shù)(線性相關(guān)系數(shù)r2>0.90)和光解半減期t1/2:

C=C0e-kt

(1)

(2)

其中:C0:初始濃度;C:t時的濃度;t:時間;k:反應(yīng)速率常數(shù).

2 結(jié)果討論

2.1水解實驗及光量子產(chǎn)率的測定室溫下放置14 d后,吲哚美辛在純水、東湖水和長江水中的殘留量較初始濃度減少量均小于5.0%,因此可以認為自然光降解和微生物降解時,水解可以忽略不計.

以草酸鐵鉀為化學(xué)露光計[8],測定了純水中吲哚美辛自然光(250～350 nm)下光解的平均光量子產(chǎn)率為0.006 8±0.001.

2.2微生物降解在不同的環(huán)境水樣,微生物對吲哚美辛降解能力不盡相同,見圖1.本文中所取水樣為水體流通較好的長江水及流通性較差的東湖水,由圖可知,吲哚美辛在長江水基本沒有微生物降解,而東湖水微生物降解較為顯著,48 h之內(nèi)降解了約50%.加入5 mmol/L疊氮化鈉之后,48 h之內(nèi)幾乎沒有微生物降解,13 d之后可以抑制微生物降解.這可能是由于環(huán)境水樣有一定的差異,如水體中的細胞個數(shù)、微生物的種類、水質(zhì)本身如溶氧量、含氮量、含碳量及粒子含量不同而對其產(chǎn)生的影響較大.東湖水中可能含有可以降解吲哚美辛的微生物.Hiroshi[11]等人在研究環(huán)境水樣中微生物降解也得出類似的結(jié)論.

2.3初始濃度對光降解速率的影響以吲哚美辛1～500 μg/L的濃度梯度,太陽光照下考察初始濃度對化合物的影響,由表1可知,在一定的范圍內(nèi),不同初始濃度的吲哚美辛具有不同的光反應(yīng)速率,濃度越大降解速率越慢,當濃度超過某一個濃度值時,光降解速率幾乎相同.吲哚美辛的光降解速率常數(shù)(k)與濃度(C)成指數(shù)函數(shù)(圖2).也有文獻報道,化合物濃度增大光降解速率減慢的現(xiàn)象,Cogan[12]等比較了不同濃度藥物的光子通量,發(fā)現(xiàn)不同濃度的藥物光解時,光子所經(jīng)歷的路徑長短不同;同時在一定濃度范圍內(nèi),濃度也會對藥物的光解產(chǎn)生屏蔽效應(yīng),從而對光降解產(chǎn)生較大的影響.更大濃度時,濃度增加,降解速率變化不大,可能是由于濃度超過一定范圍后,屏蔽作用較微弱,溶液中較恒定一部分藥物分子接受光子,其光降解速率變化不大,此結(jié)論少見文獻報道.

圖1 實際水體中微生物降解趨勢圖

圖2 濃度與光降解速率指數(shù)擬合

C/(μg/L)110100300500k/(h-1)0.174 50.167 90.118 60.116 90.115 2t1/23.974.135.845.936.02R20.954 70.946 30.991 50.965 70.900 5

圖3 不同水體中10.0 μg/L吲哚美辛光降解速率

圖4 共存物對光降解的影響

吲哚美辛純水溶液中加入5 mg/L Fe3+,光照30 min,目標物降解了91.2%.

2.5共存物對光降解的影響由于環(huán)境水樣成分較復(fù)雜,因此環(huán)境水樣中往往含有不止一種或一類藥物.本文中研究了結(jié)構(gòu)及波長類似物萘普生、非類似物呋喃唑酮存在下吲哚美辛光降解.由圖4可知,同濃度的萘普生抑制光降解,而呋喃唑酮促進光降解.這可能是由于萘普生和吲哚美辛具有重疊的紫外吸收,競爭光子[15],抑制光降解.呋喃唑酮光照之后產(chǎn)生的一系列光活性物質(zhì)或光降解產(chǎn)物促進吲哚美辛光降解.

表2 加入基質(zhì)后吲哚美辛光降解動力學(xué)參數(shù)(C0=10 μg/L)

3 結(jié)論

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