氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解動力學研究

景連東，王 媛，馬 崢，冶海雄

(西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院，四川 成都 610041)

氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解動力學研究

景連東，王 媛，馬 崢，冶海雄

(西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院，四川 成都 610041)

氧氟沙星大量進入水環(huán)境，具有較高的生態(tài)風險.探明氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解規(guī)律有助于對其水環(huán)境污染進行控制.本研究探索了從沉積物中提取和測定氧氟沙星的方法，研究了其在沉積物-水界面上的降解動力學過程以及微生物對該過程的影響.研究結(jié)果表明利用1：1的乙腈和Mcllvina緩沖溶液(pH＝10)可以從沉積物中有效提取氧氟沙星，提取回收率大于90%.降解動力學結(jié)果顯示：在微生物抑制條件下，氧氟沙星降解微弱；在微生物未抑制條件下氧氟沙星的降解基本符合一級動力學和二級動力學過程，半衰期分別為10.1天和7.2天.研究暗示可以通過工程措施增強水環(huán)境中微生物的群落多樣性和活性，達到促進水體中氧氟沙星的降解、降低環(huán)境風險的目的.

氧氟沙星；沉積物-水界面；微生物

抗生素具有廣泛的殺菌能力，被廣泛的應用于治療人類疾病.在集約化養(yǎng)殖中，抗生素也被大量應用，以預防動物疾病和促進動物生長[1].在許多國家，尤其是在中國，抗生素濫用非常嚴重.通過生產(chǎn)廢水、人和動物排泄物等途徑，抗生素會大量進入到環(huán)境中.環(huán)境中長期殘留抗生素可能導致病菌耐藥性增強，甚至產(chǎn)生超級細菌.抗生素也可能通過飲用水、食物等途徑被人體攝入，并損害人體健康[2].據(jù)新聞報道，2014年在居民飲用水中檢測出抗生素.復旦大學研究表明，兒童時期暴露于多種抗生素，可能是兒童肥胖的因素之一[3].

氧氟沙星(OFLX)為第三代人獸共用的喹諾酮類抗菌藥，被廣泛使用.據(jù)統(tǒng)計，氧氟沙星的產(chǎn)量和使用量呈逐年上升趨勢，而且與其他抗生素一樣存在嚴重的濫用現(xiàn)象.在土壤、水體、沉積物、動植物體內(nèi)均檢測到氧氟沙星大量的殘留[4-6].由于氧氟沙星不易被水解，在水環(huán)境中多有檢出，具有較高的生態(tài)風險[7].研究氧氟沙星在水環(huán)境中的環(huán)境行為，將有助于找到合適的途徑增強其降解，降低其生態(tài)風險.

沉積物-水界面是上覆水和沉積物之間物質(zhì)和能量交換的重要界面[8].眾多沉積物-水界面過程都發(fā)生在相對缺氧，有機質(zhì)豐富、微生物直接或間接參與的情況下.沉積物是水體中各類污染物的源和匯.氧氟沙星進入水環(huán)境后，可能進入沉積物并降解，也可能再次釋放重新回到上覆水中.因此，研究氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解行為，對于水環(huán)境中氧氟沙星的污染防治具有重要意義.

本研究基于分子熒光光度法，優(yōu)化了沉積物中氧氟沙星的提取和測定條件，通過沉積物-水界面氧氟沙星降解模擬實驗，研究了氧氟沙星在富營養(yǎng)化水體沉積物-水界面上的降解動力學.研究結(jié)果可為富營養(yǎng)化水體中氧氟沙星環(huán)境行為研究及其防治提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 沉積物

實驗所用的沉積物于2015年12月采自成都市雙流棠湖.使用彼得森采泥器采集表層沉積物，攪勻，密封保存，備用.所采集沉積物的氧化還原電位89mV，pH為7.79，含水率74.43%.棠湖是典型的富營養(yǎng)化水體，其水環(huán)境狀況見表1.

表1 棠湖水環(huán)境特征Table 1 The waterenvironmental characteristics in Tanghu lake

1.2 氧氟沙星從沉積物中的提取方法建立

取新鮮沉積物，加入標準氧氟沙星，使其含量為10mg/kg，加入疊氮化鈉20g/kg，攪拌均勻，放置于4℃的冰箱中.24h后取出，風干、研磨、過100目篩備用.

取2g上述過篩沉積物于玻璃離心管中，加入15mL提取液，渦旋1min，振蕩30min，超聲15min，在3800r/min下離心8min，重復上述操作三次，將所有上清液混合，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40℃下旋蒸10min，剩余旋蒸液用過濾器過濾至澄清后用醋酸-醋酸鈉緩沖溶液(pH＝4)[9]稀釋至0.5μg/L-16μg/L.用分子熒光光度計(970CRT)測定氧氟沙星的含量，測定條件為:入射狹縫為 10nm，出射狹縫為10nm，Ex＝298nm，Em＝493nm，靈敏度為5.

根據(jù)文獻報道，環(huán)境中的抗生素通常可以被有機試劑與緩沖溶液的混合物提取[10].本研究在文獻調(diào)研和多次預實驗的基礎上篩選了4種提取液(有機試劑與緩沖溶液組合)對沉積物中的氧氟沙星進行提取.四種提取液分別為:乙腈和Mcllvaine緩沖液(pH ＝4，1:1)、乙腈和檸檬酸緩沖液(pH＝4，1:1)、醋酸和甲醇(1:1)、甲醇和檸檬酸緩沖液及EDTA(pH＝4，2:1:0.1g/25mL).

研究表明，乙腈和Mcllvaine緩沖液(1:1)對沉積物中氧氟沙星的提取回收率較高，故進一步優(yōu)化乙腈和Mcllvaine緩沖溶液的混合比例(1:9、2:8、3:7、4: 6、5:5)，結(jié)果顯示在混合比例在1:1時提取效果最好，再對Mcllvaine緩沖溶液pH值(pH＝4，pH＝6，pH＝8，pH＝10)進一步優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，當pH＝10的時候，其提取效果最好.綜合以上因素，最終確立最優(yōu)提取液為:乙腈和Mcllvaine緩沖液(pH＝10，1:1).

1.3 微宇宙實驗

取新鮮沉積物，分裝于30個100mL燒杯中，每個燒杯50g.取其中10個燒杯，為空白對照組；再取另外10個燒杯，使氧氟沙星含量為50mg/kg，為微生物未抑制實驗組；取最后10個燒杯，使氧氟沙星含量為50mg/kg，加入疊氮化鈉(20g/kg)，為微生物抑制實驗組.向各燒杯緩慢加入蒸餾水25mL，構(gòu)成沉積物-水界面微宇宙系統(tǒng).各燒杯頂部用透氣膜封口，置于25℃恒溫避光環(huán)境中保存.

分別在培養(yǎng)的第1、4、7、12、19天取各組沉積物-水系統(tǒng)兩份，風干樣品，利用已建立的方法測定氧氟沙星殘留量.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

以氧氟沙星從沉積物中的回收率為依據(jù)確立最優(yōu)提取液.回收率計算公式如下.

式中，Cx——加標樣品中測出的氧氟沙星含量，單位mg/kg.

C0——未加標樣品中測出的氧氟沙星含量，單位mg/kg.

C——加入氧氟沙星的理論值，單位mg/ kg.

采用OriginPro 8.0軟件進行數(shù)據(jù)分析和作圖.分別用一級動力學方程(2)和二級動力學方程(3)對沉積物-水界面微宇宙中氧氟沙星的降解進行擬合.

式中:Ct——第t天時沉積物中的氧氟沙星濃度，單位mg/kg.

C0——第0天時沉積物中的氧氟沙星濃度，單位mg/kg.

t——降解天數(shù)，單位d.

k1、k2—分別為一級、二級比例系數(shù).

通過動力學參數(shù)求得氧氟沙星在沉積物-水界面(4-5)上的降解半衰期

2 結(jié)果與討論

2.1 氧氟沙星提取方法建立

氧氟沙星的提取多用乙腈、醋酸、甲醇等有機溶劑與檸檬酸緩沖溶液、Mcllvina緩沖溶液等混合提取[11-12].4種提取液組合的提取結(jié)果如圖1.a所示.乙腈和Mcllvina對氧氟沙星的回收率明顯優(yōu)于其他提取劑組合，回收率超出其他提取液兩倍以上.進一步的配比實驗顯示(圖1.b)乙腈與Mcllvina比例為1:1時提取效果最佳，但回收率偏低.對提取液的pH值進一步優(yōu)化(圖1.c)顯示隨pH值的增大，氧氟沙星的回收率隨之增大，pH為10時提取效果最好，回收率可達90%以上.宋君[4]對海洋沉積物中氧氟沙星的吸附行為的研究結(jié)果與本研究類似.pH為10時氧氟沙星主要以陰離子形式存在，此時沉積物表面也帶有負電荷，導致氧氟沙星難以被沉積物吸附[13].綜合考慮提取液后期需要用醋酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)分析，且回收率已經(jīng)大于90%，因此不再研究更高pH對氧氟沙星提取回收率的影響.本研究最終選用1:1的乙腈和Mcllvina緩沖溶液(pH＝10)作為沉積物中氧氟沙星的提取液.

圖1 氧氟沙星提取方法優(yōu)化a不同提取劑優(yōu)化；b不同配比優(yōu)化；c不同pH優(yōu)化Fig.1 Method optimization for Ofloxacin extractiona Different extraction agent，b Different agent ratio，c Different pH

2.2 氧氟沙星在沉積物水界面上的降解動力學

本研究考察了在避光，25℃，氧氟沙星初始濃度為10mg/kg時，氧氟沙星在沉積物-水界面上降解以及微生物對降解的影響.有研究顯示氧氟沙星的降解符合一級動力學過程或者二級動力學過程[14-17].本研究結(jié)果如圖2所示，氧氟沙星的降解在微生物未抑制的情況下符合一級動力學和二級動力學過程.相關(guān)系數(shù)分別達到0.9155和0.9261，二級動力學曲線的擬合度較優(yōu).半衰期分別為10.1 d，7.2 d.在微生物被抑制的情況下，氧氟沙星的含量無明顯的降解規(guī)律，呈現(xiàn)無規(guī)則波動狀態(tài)，整體上氧氟沙星的降解微弱.

圖2 氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解動力學曲線a一級動力學曲線；b二級動力學曲線Fig.2 Degradation kinetics of Ofloxacin at the sediment-water interfacea the first-order kinetics，b the second-order kinetics

近20年來，由于氧氟沙星的廣泛使用并進入到環(huán)境中，研究人員不斷探索加快氧氟沙星降解的方法[14-15，18-20].魏紅[14]發(fā)現(xiàn)超聲/H2O2高級氧化技術(shù)可加快溶液中氧氟沙星的降解.郭宏生[15]研究了在TiO2誘導下氧氟沙星的可見光降解及其機制.但是現(xiàn)有研究對天然富營養(yǎng)化水體中氧氟沙星的降解關(guān)注較少.

沉積物-水界面是水生態(tài)系統(tǒng)的重要界面，它是污染物的源和匯，也是各種微生物聚集的重要場所，許多污染物的遷移轉(zhuǎn)化均和該界面密切相關(guān).天然水體中沉積物是氧氟沙星的歸屬，水中的氧氟沙星可以迅速吸附到水體中表層沉積物中，并通過剪切力作用被吸附到次表層沉積物中[21-22]，沉積物中的氧氟沙星環(huán)境含量可高達mg·kg-1數(shù)量級[23]，故沉積物-水界面是氧氟沙星遷移轉(zhuǎn)化的重要界面.本研究的結(jié)果表明在沉積物-水界面上，微生物是降解氧氟沙星的重要驅(qū)動力(圖2).因此增強沉積物以及水體中微生物的群落多樣性和活性，就有可能促進水體中氧氟沙星的降解.

沉水植被的重建是富營養(yǎng)化湖泊修復的重要措施和目標.沉水植物根系可在沉積物中創(chuàng)造多元化的微環(huán)境[24-25]，改善底泥中生源要素的循環(huán)，使底泥微生物活性及多樣性顯著提高[26-27].另外，沉水植物的葉面也可以為著生生物提供良好的環(huán)境[28].人工水草表面上可附著較多的細菌、藻類等微生物，可以為微生物的生長提供一個固定的基質(zhì)，有利于提高生物多樣性[29].杜姍[30]、童敏[31]等人的研究表明隨人工水草植入的時間變化，微生物活性明顯增強，微生物數(shù)量也隨之增長且在之后趨于穩(wěn)定，使系統(tǒng)克服了單種微生物的缺陷.因此，沉水植物可能為微生物降解氧氟沙星提供更多樣化的微環(huán)境.在不適合沉水植物恢復的區(qū)域構(gòu)建人工水草也可能促進氧氟沙星的降解.

3 結(jié)論

本研究表明利用1:1的乙腈和Mcllvina緩沖溶液(pH＝10)可以從沉積物中有效提取氧氟沙星.微生物可促進氧氟沙星在沉積物-水界面上的降解.因此，在今后水污染治理中，可以通過恢復沉水植物或者鋪設人工水草的措施增強水環(huán)境中微生物的群落多樣性和活性，達到促進水體中氧氟沙星的降解、降低環(huán)境風險的目的.

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(責任編輯：李建忠，付強，張陽，羅敏；英文編輯：周序林，鄭玉才)

Study on degradation kinetics of Ofloxacin at sediment-water interface

JING Lian-dong，WANG Yuan，MA Zhen，YE Hai-xiong

(School of Chemistry and Environmental Protection Engineering，Southwest University for Nationalities，Chengdu 610041，P.R.C.)

Ofloxacin entering into water environment in large amount causes high ecological risk.Understanding the degradation patterns of this drug is beneficial to control its pollution.This studydevelopeda method of extracting and detecting Ofloxacin from sediment.The degradation kinetics of Ofloxacin at sediment-water interfaces was also studied.The results showed that Ofloxacin can be effectively extracted with acetonitrile-Mcllvina buffer(pH＝10，1:1).The recovery rate is more than 90%.The study also showed that when the microorganisms were inhibited，the degradation of Ofloxacin was weak，while the microorganisms were not inhibited，the degradation of Ofloxacin was in accord with the first-order kinetics as well as the second-order kinetics equation.The half life is 10.1 and 7.2 days for the two equations，respectively.The studysuggests that engineering measures which can enhance the diversity and activity of microorganisms in water environment would promote the degradation of Ofloxacin in water environment and reduce its ecological risks.

Ofloxacin；sediment-water interface；microorganism

X1；X5

A

2095-4271(2016)04-0409-05

10.11920/xnmdzk.2016.04.007

2016-04-25

景連東(1986-)，男，羌族，四川綿陽人，講師，博士，研究方向:水體生態(tài)工程修復方向.E-mail:schjld＠gmail.com；schjld ＠swun.cn

西南民族大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項項目(2016NZYQN17)；四川省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(S2015106560852)