影響水環(huán)境中磺胺類抗生素的光降解因素

【摘要】近年來，在地下水、污水處理廠的進出口、地表水等都檢測到磺胺類抗生素的存在?；前奉惪股卦谒h(huán)境中不穩(wěn)定，尤其在光照條件下，容易發(fā)生光解，pH值、水中溶解性物質(zhì)、光源和光強等在不同程度的對磺胺類抗生素光降解。

【關(guān)鍵詞】磺胺類抗生素；光解；影響因素

一、選題背景及意義

磺胺類抗生素作為其中一種常用的抗生素，從國內(nèi)外已有不少的報道關(guān)于磺胺類抗生素的環(huán)境行為，尤其是磺胺類抗生素在水環(huán)境介質(zhì)中的環(huán)境光化學(xué)行為。然而，國內(nèi)關(guān)于磺胺類抗生素在水環(huán)境介質(zhì)中的光化學(xué)行為研究進展雖然已經(jīng)有一部分的研究，但更多的研究成果來自于國外的報道，并且目前沒有形成統(tǒng)一的理論。因此，對影響磺胺類抗生素在水環(huán)境中的光化學(xué)行為因素進行總結(jié)，有利于后者的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)，也有利于為消除環(huán)境污染提供科學(xué)數(shù)據(jù)，并且為其他抗生素在水體中的污染機制提供參考作用。

二、磺胺類抗生素使用現(xiàn)狀

近年來，我國生產(chǎn)磺胺類抗生素藥物產(chǎn)量處于持續(xù)增加的狀態(tài)。有報道表明，2000年我國磺胺類抗生素年產(chǎn)量突破了2萬噸。目前，雖然磺胺類抗生素在國內(nèi)市場的銷售不斷減少，但其出口量不斷在增加，其仍舊是我國醫(yī)藥原料藥物出口產(chǎn)品之一。但隨著磺胺類抗生素的濫用，帶給環(huán)境的污染現(xiàn)狀不容樂觀。尤其是水環(huán)境中的污染，因為水體是抗生素重要的歸屬場所。研究表明水體中磺胺類抗生素殘留的問題非常普遍，污水處理廠進出水、表面水（江、河、湖、海）、地表水、飲用水、沉積物、土壤及其生物體多次檢測出不同量的藥物殘留，黃胺類抗生素在環(huán)境中的降解速度是非常緩慢的，并且殘留時間也比較長。磺胺類抗生素在水環(huán)境中不穩(wěn)定，尤其在光照條件下，容易發(fā)生光解。光化學(xué)降解是磺胺類抗生素消減的主要途徑。Baran等研究了表明磺胺類抗生素的生物降解較慢，光催化降解速率相對很快，在時間為60min時降解率基本達到60%。

三、水體中磺胺類抗生素的光化學(xué)行為

1、光降解的基本介紹

光降解主要是化合物分子吸收光能引起的各種的反應(yīng)，通常是指吸收光能導(dǎo)致有機物的分解反應(yīng)。光降解主要類型分為間接光解、直接光解和自敏化光解。間接光解是指通過其他的化合物吸收光子引起原來不能發(fā)生光解的化合物而發(fā)生光解。直接光解是指化合物自身吸收光能后直接發(fā)生的降解反應(yīng)。

2、影響磺胺類抗生素光降解的因素

在環(huán)境中的化合物只有部分有光吸收的并且在λ>290nm太陽光下，才有可能發(fā)生自然環(huán)境中的直接光降解或者自敏化光解。因此分子的吸光特性都可能會對磺胺類抗生素的光降解動力學(xué)和光解途徑有影響。再者，環(huán)境條件主要包括是水相pH值、水中溶解性物質(zhì)、光源和光強等。

（1）pH值

在pH不同條件下磺胺類抗生素解離形式不同，吸收光譜、光解量子產(chǎn)率和光解速率常數(shù)也有可能有差異。例如Boreen等研究了在不同pH值下磺胺類抗生素的母體結(jié)構(gòu)（S）中五元、六元雜環(huán)的解離形式和對應(yīng)的光解速率常數(shù)（k）。研究發(fā)現(xiàn)，含五元、六元雜環(huán)的磺胺類抗生素的解離形式和對應(yīng)的光解速率常數(shù)（k）具有很大的差異：其中含六元雜環(huán)具有兩種不同的解離形式（SH和S-），對應(yīng)的k值存在的顯著的不同。六元環(huán)磺胺二甲嘧啶的解離隨pH變化顯著，k值隨著pH值升高顯著降低。含五元雜環(huán)的磺胺類抗生素具有3種不同的解離形式（SH2+、SH、S-），對應(yīng)的k值也存在差異。

有很多pH對光降解速率的影響。黃麗萍等研究水中典型抗生素的光化學(xué)降解發(fā)現(xiàn)，水溶液的pH值的增大會促進磺胺甲噁唑（SMZ）的降解。例如，當(dāng)pH值從4增大到6，SMZ在10min內(nèi)去除率從48.3%增加到66.3%。并且從SMZ（λ在240-350nm范圍內(nèi)）的紫外可見光譜可以看出，其吸收峰有所增強，SMZ去除率也增加了。

（2）Cl-

有研究表明，Cl-對抗生素的光解存在這促進和抑制雙重作用。Ge等研究了在UV 光照條件下，Cl-會促進甲砜霉素和氟甲砜霉素的光解，并且發(fā)現(xiàn)Cl-是促進產(chǎn)生了1O2，從而使兩種抗生素發(fā)生了自敏化光解。但是在模擬日光照射下，盡管存在Cl-，光解沒有發(fā)生，不存在產(chǎn)生O2，這兩種抗生素沒有光吸收。對于Br-也存在著這樣的規(guī)律。平河等采用了（TiO2/EP）光催化降解水體中微污染磺胺嘧啶的研究，SDZ濃度為5mg/L，分別向體系添加0、5、10、15和20mmol/L HCO3-、SO42-、Cl-。研究表明，Cl -、SO442-濃度增加到一定的濃度會阻礙降解的發(fā)生，但其濃度增加到一定值時對降解的影響會變得比較穩(wěn)定。

（3）NO2-

在天然水體中廣泛存在著NO3- 、 NO2-，由于化學(xué)肥料的大量使用導(dǎo)致NO3- 、 NO2-在水體中逐步累積造成富營養(yǎng)化，其濃度存在較高。NO2- 在光解過程中具有雙重作用，因為NO2-既是.OH的來源，又是·OH的猝滅劑。在紫外吸光帶為205、360nm處與磺胺二甲基嘧啶競爭吸收紫外光，導(dǎo)致產(chǎn)生光猝滅效應(yīng)，并且其對光猝滅效應(yīng)大于光敏作用。紫外燈照射下NO2-會發(fā)生以下的反應(yīng)過程：

（4）光源和光強的影響

太陽光、紫外燈、高壓汞燈、氙燈、氘燈、鹵燈等可以作為光降解抗生素的光源。在4種光源（太陽光、紫外燈、高壓汞燈、氙燈）下研究磺胺二甲基嘧啶水溶液中的光化學(xué)降解，光解速率常數(shù)在4種光源下大小依次是：紫外燈>高壓汞燈>氙燈>太陽光。黃麗萍等在兩種不同光源（模擬太陽光、紫外光）條件下研究水中典型抗生素的光化學(xué)降解，發(fā)現(xiàn)模擬太陽光的降解率比紫外光差。紫外光源采用500W高壓汞燈（主波長365nm），反應(yīng)中心的平均光強為1.07mw.cm2，SMZ水溶液在光照射60min后降解率為97.9%；模擬太陽光采用1000氙燈（290nm），反應(yīng)中心的平均光強為0.85 mw.cm2，SMZ水溶液在反應(yīng)終止時降解只有36.4%。

四、研究展望

1、目前，國內(nèi)對水環(huán)境中磺胺類抗生素的光化學(xué)行為研究主要是對磺胺二甲基嘧啶和磺胺甲噁唑比較全面，但在多種因素影響下磺胺類抗生素光降解的量子產(chǎn)率、降解動力學(xué)模型、降解機理等仍舊需要進一步研究。

2、影響磺胺類抗生素光降解的因素主要是涉及在簡單體系中的研究，在環(huán)境介質(zhì)中具有復(fù)雜的體系并存在多種影響因子，可以深入研究多種因素同時存在條件下對磺胺類抗生素光降解行為的研究。

【參考文獻】

[1] 黃麗萍. 水中典型抗生素的光降解研究[D]. 東北大學(xué)， 2011.

[2] Ge Linke， Effects of aqueous dissolved matter on photodegradation of phenicol and fluoroquinolone antibiotics [D]. Dalian： Dalian University of Technology， 2009.

[3] 孫興霞. 水中磺胺類抗生素的光降解及富里酸對其光降解的影響[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2013，43（8）： 0253-2778.

【作者簡介】

謝小琴（1990—），女，重慶開縣人，單位：重慶師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，主要研究方向：學(xué)科教學(xué)（化學(xué)）。