某半合成青霉素制藥廢水的水質(zhì)指紋特性

湯久凱，吳 靜*，程 澄，李中華，趙宇菲，王士峰，王勇軍

1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100084 2. 河北華藥環(huán)境保護研究所有限公司，河北 石家莊 050015

某半合成青霉素制藥廢水的水質(zhì)指紋特性

湯久凱1，吳 靜1*，程 澄1，李中華1，趙宇菲1，王士峰1，王勇軍2

1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京 100084 2. 河北華藥環(huán)境保護研究所有限公司，河北 石家莊 050015

近年來，地表水中時有抗生素檢出，且濃度較高，因此加強抗生素廢水的監(jiān)管勢在必行。三維熒光技術(shù)快速、簡便且靈敏度高，可以反映有機物組成，其光譜被稱為水質(zhì)指紋。選取某典型半合成青霉素制藥廢水進行水質(zhì)指紋特性研究。該廢水共有4個主要水紋峰，分別位于激發(fā)波長/發(fā)射波長為360/445，255/445，275/305和230/300 nm附近。在一定濃度范圍內(nèi)，各峰強度與污染物濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。該廢水的兩個峰275/305和230/300 nm可能源于產(chǎn)品中間體左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽、產(chǎn)品阿莫西林和水解產(chǎn)物左旋對羥基苯甘氨酸等。pH對水質(zhì)指紋有明顯影響，這顯示出某些熒光污染物可能具有酸堿基團。水質(zhì)指紋能夠用于該種抗生素制藥廢水的監(jiān)測。

半合成青霉素制藥廢水；熒光；水質(zhì)指紋；pH

引 言

抗生素廢水是制藥廢水中最難降解、環(huán)境危害最大的廢水之一?？股貜U水進入環(huán)境后，會破壞原有生態(tài)平衡，威脅動物和人類健康。在我國地表水中已檢出抗生素的總體濃度水平與檢出頻率均較高，檢出種類已達68種[1]。在珠江流域，阿莫西林的濃度高達3 384 ng·L-1[2]?？股貜U水的排放具有很大的隱蔽性，偷排、超標排放、無序排放的情況時有發(fā)生，因此對抗生素廢水的有效監(jiān)管勢在必行。

三維熒光技術(shù)具有測量簡便迅速、靈敏度高、重現(xiàn)性好的特點，因此已越來越多地用在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測、生化分析、臨床醫(yī)藥和其他重要領(lǐng)域[3-4]。比之傳統(tǒng)熒光法，三維熒光光譜能較好反映研究體系的組分信息，可以完成混合體系中多組分的定量與定性分析[5]。三維熒光光譜具有與水樣一一對應(yīng)的特點，被稱為水質(zhì)指紋[6]，簡稱水紋。

半合成青霉素是抗生素家族中的重要成員，主要產(chǎn)品有阿莫西林、氨芐西林等。因其穩(wěn)定性和廣譜性好[7]，近十年來，我國半合成青霉素產(chǎn)量迅速增長，從而產(chǎn)生了大量高濃度、難降解的制藥廢水。為加強對抗生素廢水的監(jiān)管，拓展水質(zhì)指紋的應(yīng)用，本文選取某典型半合成青霉素制藥廢水進行水質(zhì)指紋特性的研究。

1 實驗部分

1.1 樣品

半合成青霉素制藥廢水樣品取自某制藥廠廢水處理中心的進水口。該企業(yè)主要生產(chǎn)阿莫西林和氨芐西林及相關(guān)衍生藥品。樣品經(jīng)過0.45 μm濾膜過濾后待測。

1.2 試劑

試驗所用的試劑如表1所示。配制溶液用水為高純水。

表1 試劑

1.3 測量方法

采用pH計(FE20型，梅特勒-托利多儀器有限公司，上海)測定水樣的pH值。采用熒光分光光度計(日立公司，F(xiàn)L7000，日本)在室溫下測量水樣的三維熒光圖譜。測量參數(shù)為光電倍增管電壓700V，掃描速度12 000 nm·min-1，最后用Origin軟件合成譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指紋特性

2.1.1 水質(zhì)指紋圖

該半合成青霉素制藥廢水系列樣品的水質(zhì)指紋中，指紋峰相同，位置基本一致，而各水紋峰強度存在差異，其典型水紋如圖1所示。由圖1可知，該水紋共有4個典型水紋峰，峰A位于EX/EM(激發(fā)波長/發(fā)射波長，下同)=360/445 nm，峰B位于EX/EM=255/445 nm，峰C位于EX/EM=275/305 nm，峰D位于EX/EM=230/300 nm。峰強度順序為峰D>峰A>峰C>峰B。峰A和峰B處的發(fā)射波長一致，峰C和峰D處的發(fā)射波長基本一致，顯示熒光峰A、B和熒光峰C和D可能分別源于同一種或同一類物質(zhì)。

圖1 某半合成青霉素制藥廢水的典型水質(zhì)指紋圖

2.1.2 峰強度與樣品濃度的關(guān)系

廢水的水紋峰強度與濃度的關(guān)系如圖2所示。相對濃度是指按式(1)以原水樣的濃度為基準進行歸一化后的無量綱濃度。圖2表明，在試驗條件下，水紋峰強度4 000以內(nèi)，水紋峰A，B，C的強度與水樣濃度線性關(guān)系顯著，而峰D的強度在不同范圍內(nèi)也分別與濃度線性相關(guān)。曲線A，B，C，D分別是水紋峰A，B，C，D強度與相對濃度的關(guān)系曲線。曲線A的R2為0.995 7，曲線B的R2為0.994 1，曲線C的R2為0.998 6。曲線D分兩段進行擬合，D1段(強度2 500～4 000)的R2為0.999 1，D2段(強度900～2 500)的R2為0.998 6。

圖2 水紋峰強度與相對濃度關(guān)系

圖3 不同pH條件下的水紋圖

相對濃度=1/稀釋倍數(shù)

(1)

2.2 pH對水質(zhì)指紋特性的影響

影響水質(zhì)指紋的因素通常有pH、金屬離子和溫度等。圖3列出了不同pH條件下半合成青霉素制藥廢水的水質(zhì)指紋。該圖顯示，該半合成青霉素廢水的水質(zhì)指紋在不同pH值下，發(fā)生了明顯變化： 在酸性范圍，各峰隨pH的減小而減弱，而在堿性范圍隨著pH的增大而減弱。

除了強度變化，峰位置也在改變。由表2可知，當pH在0.69～6.46時，峰A和峰B紅移較為明顯，當pH>6.46后，峰A出現(xiàn)藍移，峰B在pH 10.19時出現(xiàn)藍移；峰C和峰D隨著pH增加僅有小幅紅移。pH變化引發(fā)水紋峰紅移或藍移的現(xiàn)象已有報道。徐慧敏等研究城市污水發(fā)現(xiàn)類蛋白水紋峰隨pH增大發(fā)生紅移，pH>7后水紋峰位置發(fā)生藍移[8]。峰位置的紅移或者藍移現(xiàn)象反映了熒光有機物的分子構(gòu)型隨pH發(fā)生變化[9]。

表2 該半合成制藥廢水在不同pH條件下的熒光峰位置

Table 2 Fluorescence peaks’ location of the semi synthetic penicillin wastewater at different pH

pH峰位置(EX/EM)(nm)ABCD0.69350/395225/400270/300225/3000.95350/395225/400270/300225/3001.34350/400225/405270/300225/3001.69350/400225/405270/300225/3002.01350/400225/400270/300225/3002.57350/400225/395275/305225/3003.21350/395250/410275/305225/3004.20355/430250/435275/305225/3005.36365/445255/445275/305225/3056.46360/445255/445275/305230/3007.36360/445260/445275/305225/3058.36355/440260/435275/305225/3059.05350/435260/435275/305225/3059.67350/430260/430275/305225/30510.19350/425255/425275/305225/305

圖4顯示了水紋峰強度隨pH的變化。pH在3.21～7.36時，峰C和峰D的強度變化不顯著，pH>7.36或pH<3.21后，峰C和峰D的強度迅速下降；pH 7.36時，峰A和峰B的強度均達到最大值；pH<4.20后，峰A和峰B的強度穩(wěn)定在較小值，pH>4.20后，峰A和峰B的強度迅速上升，至pH 7.36時達到最大值，pH>7.36后，強度均開始下降。從曲線形狀來看，峰A和B的曲線呈倒V形，峰C和D的曲線呈倒U形。從強度隨pH的變化看，廢水中峰A，B和峰C，D對應(yīng)的熒光有機物很可能同時具有酸性和堿性基團，但峰C和D對應(yīng)的有機物上的堿性基團的堿性可能要強于峰A和B對應(yīng)有機物的堿性基團的堿性。

圖4 廢水的水紋峰強度與pH的關(guān)系

2.3 可能的熒光污染物

2.3.1 水質(zhì)指紋

半合成青霉素是在中間體6-氨基青霉烷酸(簡稱6-APA)基礎(chǔ)上進行化學(xué)合成的產(chǎn)品。半合成青霉素制藥廢水主要來自生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢母液、廢濾液和設(shè)備的沖洗廢水以及少量生活污水[10]。因此，該制藥廢水可能包含半合成青霉素生產(chǎn)的殘留中間體、殘留產(chǎn)品以及這些殘留物的水解產(chǎn)物。根據(jù)半合成青霉素制藥主流工藝以及該制藥企業(yè)生產(chǎn)特點，選取中間體6-氨基青霉烷酸、左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽和左旋苯甘氨酸乙基鄧鉀鹽，產(chǎn)品阿莫西林三水合物和氨芐西林三水合物，以及殘留水解產(chǎn)物左旋對羥基苯甘氨酸研究其水質(zhì)指紋。

結(jié)果表明，左旋苯甘氨酸乙基鄧鉀鹽、氨芐西林三水合物和6-氨基青霉烷酸均無明顯熒光信號；左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽水溶液和阿莫西林三水合物水溶液的水紋峰均位于EX/EM=270/300 nm和EX/EM=230/300 nm處(表3)，左旋對羥基苯甘氨酸水紋峰位于EX/EM=270/300 nm和EX/EM=225/300 nm處(表3)。上述三物質(zhì)的水紋峰位置基本都與廢水的峰C、峰D一致。

2.3.2 pH對有機物水紋峰強度的影響

pH對上述物質(zhì)水紋峰強度的影響如圖5所示。左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽水溶液pH在1.93～7.55時，峰強度保持穩(wěn)定；阿莫西林三水合物水溶液pH在4.16～6.54時，峰強度保持穩(wěn)定；左旋對羥基苯甘氨酸水溶液pH在2.22～7.25時，峰強度保持穩(wěn)定。

左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽、阿莫西林三水合物和左旋對羥基苯甘氨酸的水溶液水紋峰位置與廢水中的峰C和峰D基本一致，且pH對兩水紋峰強度和位置的變化也與pH對原廢水峰C和峰D相似。比較圖4和圖5，廢水的水紋峰強度的變化規(guī)律可能為圖5中各物質(zhì)的變化規(guī)律的疊加，顯示出該廢水中峰C和峰D對應(yīng)的有機物可能含有左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽、阿莫西林和左旋對羥基苯甘氨酸。

2.4 pH的影響機理

熒光化合物大多為芳香族化合物?？股刂扑帍U水pH變化幅度較大[11]，且pH對廢水水紋影響也顯著，主要是因為這類廢水含有酸性或堿性基團的芳香族化合物，這些化合物在不同pH下發(fā)生了變化[12-13]。具有酸性基團或堿性基團的芳香族化合物，其酸性基團的離解作用或堿性基團的質(zhì)子化作用，可能改變與發(fā)光過程相競爭的非輻射躍遷過程的性質(zhì)和速率，從而影響到化合物的熒光峰位置和強度[14]。有研究認為在pH 0.2～2.0區(qū)間內(nèi)，鹽酸丙環(huán)沙星(CIP)結(jié)合的質(zhì)子可能是在1位氮上，因為這種結(jié)合會破壞1位氮孤對電子參與共軛大π鍵的形成，從而明顯影響CIP的熒光性質(zhì)。堿性條件下CIP雙極離子HL逐漸失去質(zhì)子，轉(zhuǎn)化為無熒光的負離子L-。王歡博等研究了pH對苯酚的三維熒光特性的影響，在pH值為1左右時，熒光強度有變小的趨勢，其原因可能是此時H+濃度較大，苯酚的羥基吸附使之變?yōu)檎x子吸電子基團，減小了苯環(huán)上共扼π電子密度，從而使熒光峰強度減弱；堿性條件下失去質(zhì)子的苯酚不再有激發(fā)能力，因此熒光較弱[15]。這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果相一致。

表3 可能的污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其水紋圖

圖5 可能污染物的熒光峰強度與pH的關(guān)系

實驗中所取水樣中的主要熒光污染物可能含有左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽、阿莫西林和左旋對羥基苯甘氨酸，pH降低后峰C和D的強度減弱的原因可能是各自結(jié)構(gòu)中的羥基結(jié)合質(zhì)子后減小了苯環(huán)上共扼π電子密度；pH在3.21～7.36時，峰C和峰D的強度變化不顯著的現(xiàn)象可能與結(jié)構(gòu)中的氨基有關(guān)，呈堿性的氨基結(jié)構(gòu)可能影響羥基結(jié)合質(zhì)子的速率從而影響苯環(huán)上共軛π電子密度的減小；堿性條件下強度減弱的可能是羥基失去質(zhì)子導(dǎo)致激發(fā)禁阻所致。

3 結(jié) 論

研究了某半合成青霉素廢水的水質(zhì)指紋特性，探討了pH的影響，并對該廢水中可能存在的熒光污染物進行了討論。初步得出的結(jié)論如下。

(1)該半合成青霉素廢水主要有4個典型水紋峰，分別位于EX/EM為360/445，255/445，275/305和230/300 nm。在一定范圍內(nèi)，各峰強度與樣品濃度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性。

(2)pH對該廢水的水質(zhì)指紋影響明顯，峰位置和強度都因pH改變而發(fā)生明顯變化，這可能與廢水中熒光污染物所含的酸、堿基團有關(guān)。

(3)通過與生產(chǎn)原料、中間品和最終產(chǎn)品的水質(zhì)指紋比對，該廢水的峰C和峰D可能與中間體左旋對羥基苯甘氨酸鄧鉀鹽殘留、阿莫西林產(chǎn)品殘留和水解產(chǎn)物左旋對羥基苯甘氨酸有關(guān)。

隨著對熒光水質(zhì)指紋數(shù)據(jù)的深入挖掘和處理，水質(zhì)指紋將更好地反映污染物濃度和組分信息，這與僅能反映污染物總量濃度信息的傳統(tǒng)綜合性水質(zhì)指標，如化學(xué)需氧量(COD)和總有機碳(TOC)等相比，具有明顯優(yōu)勢。今后在環(huán)境分析和監(jiān)測領(lǐng)域，熒光水質(zhì)指紋的應(yīng)用將日益廣泛。

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(Received Aug. 5, 2015; accepted Feb. 3, 2016)

*Corresponding author

Fingerprint Properties of Semi Synthetic Penicillin Pharmaceutical Wastewater

TANG Jiu-kai1, WU Jing1*, CHENG Cheng1, LI Zhong-hua1, ZHAO Yu-fei1, WANG Shi-feng1, WANG Yong-jun2

1. State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2. Environmental Protection Research Institute Co. Ltd., North China Pharmaceutical Group, Hebei Province, Shijiazhuang 050015, China

High-concentration antibiotics are detected in surface water from time to time. There has been an increasing demand for strengthening the supervision of the antibiotic pharmaceutical wastewater. Three-dimensional fluorescence technique is known as a rapid, simple and high-sensitivity method. The three-dimensional fluorescence spectrum can display organic components and it was named as aqueous fingerprint. In this paper, three-dimensional fluorescence characteristics of a typical semi synthetic penicillin pharmaceutical wastewater were studied. There were totally four fluorescence peaks in the aqueous fingerprint of this wastewater, locating in excitation wavelength/emission wavelength of 360/445, 255/445, 275/305 and 230/300 nm respectively. Fluorescence peak’s intensity within certain range related linearly to the relative concentration. The possible fluorescent pollutants related to Peak C and Peak D might be the mixture of D-(-)-A-4-Hydroxyphenylglycine Dane Salt Methyl Potassium (pharmaceutical intermediates), Amoxicillin (pharmaceutical product) and D(-)-4-Hydroxyphenylglycine (pharmaceutical hydrolysate). PH played an important role in the fluorescence characteristics of this wastewater. This indicated that the fluorescent organic pollutants in this wastewater might contain acid or base groups. The aqueous fingerprint technique could be used to monitor the discharge of semi synthetic penicillin pharmaceutical wastewater as a novel tool.

Semi synthetic penicillin pharmaceutical wastewater; Fluorescence; Aqueous fingerprint; pH

2015-08-05，

2016-02-03

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2014ZX07305001), (863)主題項目(2011AA060901)和清華大學(xué)自主科研項目(20131089252)資助

湯久凱，1992年生，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生 e-mail: jiukaitang@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: wu_jing@mail.tsinghua.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3602-06