氧化法降解制藥廢水中殘留四環(huán)素

王麗瓊，王桂華，馬玉龍

(寧夏大學化學化工學院 能源化工國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021)

氧化法降解制藥廢水中殘留四環(huán)素

王麗瓊，王桂華，馬玉龍

(寧夏大學化學化工學院 能源化工國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021)

比較了H2O2、HClO4和NaClO等3種氧化劑對制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解效果，發(fā)現(xiàn)3種氧化劑對四環(huán)素的降解效果、降解途徑和降解產(chǎn)物是不同的：H2O2對四環(huán)素的降解率為80%，但部分四環(huán)素被轉(zhuǎn)化為差向四環(huán)素而非氧化降解；HClO4對四環(huán)素的降解率為88%，但部分四環(huán)素并非被降解而是發(fā)生了消去反應轉(zhuǎn)化為脫水四環(huán)素；NaClO對四環(huán)素的降解效果最好，降解率幾乎達到100%。進一步對NaClO降解四環(huán)素的產(chǎn)物進行紅外光譜和核磁共振波譜分析，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素經(jīng)NaClO降解后母體原有并四苯結(jié)構(gòu)并未被破壞，而是酰胺鍵發(fā)生斷裂產(chǎn)生了一種新的氧化產(chǎn)物。

四環(huán)素；H2O2；HClO4；NaClO；氧化降解

我國不僅是四環(huán)素類抗生素的原產(chǎn)大國也是其使用及出口大國。發(fā)酵法生產(chǎn)四環(huán)素排放的廢水、廢渣中往往殘留未分離完的四環(huán)素，若不進行降解處理，將會通過各種途徑進入環(huán)境，導致環(huán)境中抗生素蓄積。近年來，在河水、地表水以及地下水中都檢測到了殘留四環(huán)素類抗生素[1-2]，雖然土壤對部分抗生素有一定的自然降解能力，但局部環(huán)境抗生素的排入量超過土壤的自然降解能力時，勢必會造成環(huán)境中抗生素蓄積，耐藥菌泛濫[3]，進而影響人類健康和生態(tài)環(huán)境。因此，殘留四環(huán)素類抗生素的降解成為人們急需解決的問題。

目前，四環(huán)素的去除方法主要有物理吸附法、化學氧化法和生物法等。有研究者分別對含有四環(huán)素的雞糞、豬糞和牛糞進行堆肥處理30～45 d，四環(huán)素降解率為70%～95%[4-5]；Shi等[6]和Prado等[7]采用活性污泥法處理四環(huán)素廢水，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素的降解主要源于污泥吸附而非生物降解。由此可見，生物法降解四環(huán)素的影響因素及降解條件較復雜且四環(huán)素屬抗菌能力強的廣譜類抗生素，稍高濃度的殘留四環(huán)素會對微生物產(chǎn)生抑制和殺滅作用。所以，處理高濃度的殘留四環(huán)素，可能要選擇其它非生物的方法。如，Lv等[8]用Cu-13X分子篩吸附處理廢水中殘留四環(huán)素，每克分子篩可吸附2 400 mg四環(huán)素，但該法并未從根本上降解四環(huán)素，只是四環(huán)素的存在位點發(fā)生了改變。鑒于此，作者采用氧化法降解制藥廢水中殘留四環(huán)素，并對降解產(chǎn)物進行表征分析，擬為制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料與試劑

制藥廢水由四環(huán)素生產(chǎn)企業(yè)提供，經(jīng)高效液相色譜法檢測，廢水中四環(huán)素殘留量為235 mg·L-1。

四環(huán)素標準品(純度96.5%)，Sigma公司；甲醇、乙腈，色譜純；高氯酸(HClO4，有效氯≥10%)、次氯酸鈉(NaClO，有效氯≥10%)、雙氧水(質(zhì)量分數(shù)≥30%)、鹽酸、氫氧化鈉，分析純；草酸，優(yōu)級純；草酸溶液用超純水配制。

1.2 方法

1.2.1 制藥廢水中殘留四環(huán)素的氧化降解

在制藥廢水中分別加入一定量的H2O2、HClO4、NaClO溶液，置磁力攪拌器上攪拌，每隔一定時間取樣，用草酸終止氧化反應。然后過膜，用高效液相色譜儀(LC-20AT，日本島津)測定氧化降解前后廢水溶液中四環(huán)素的濃度。每個實驗設(shè)3個平行，按式(1)計算四環(huán)素的降解率：

X=(c0-ct)/c0×100%

(1)

式中：X為四環(huán)素的降解率；c0為氧化降解前廢水中四環(huán)素的濃度，mg·L-1；ct為降解處理t時間后廢水中四環(huán)素的濃度，mg·L-1。

色譜條件：色譜柱InertSustain HC-C18(4.6 mm×150 mm，5 μm)，檢測波長355 nm；柱溫35 ℃；進樣量20 μL；流動相為有機相(乙腈∶甲醇=2∶1)-水相(0.01 mol·L-1草酸)=35∶65(體積比)；流速0.8 mL·min-1。

1.2.2 降解產(chǎn)物分析

由于制藥廢水中其它殘留物會干擾和影響降解產(chǎn)物的分析，因此，本實驗以純四環(huán)素作為實驗對象進行降解產(chǎn)物分析。

準確配制一定濃度的四環(huán)素標準品，然后分別加入H2O2、HClO4、NaClO溶液按1.2.1進行氧化降解。用雙光束紫外可見光譜儀(UV-9000，上海)測定四環(huán)素溶液降解前后的紫外光譜。將待測樣品完全晾干，采用溴化鉀壓片法，用傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR-8400S，日本島津)測定四環(huán)素溶液降解前后的紅外光譜，波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為50，分辨率為4 cm-1。將待測樣品經(jīng)柱層析分離，用核磁共振儀(PZH841-400MHZ-70F，Bruker)表征降解產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種氧化劑對制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解效果

在相同條件下比較H2O2、HClO4和NaClO等3種氧化劑對制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解效果，其降解前后的HPLC圖譜如圖1所示，降解率如圖2所示。

a.四環(huán)素+H2O2 b.四環(huán)素+HClO4 c.四環(huán)素+NaClO d.四環(huán)素

由圖1、2可以看出，四環(huán)素經(jīng)H2O2、HClO4和NaClO氧化后均可發(fā)生降解或消去反應，但3種氧化劑對殘留四環(huán)素的降解效果、降解途徑和降解產(chǎn)物是不同的。H2O2對四環(huán)素的降解率達到80%，但降解產(chǎn)物在2.97 min有吸收峰，說明部分四環(huán)素被轉(zhuǎn)化為差向四環(huán)素而非氧化降解；HClO4對四環(huán)素的降解率為88%，但部分四環(huán)素并非被降解而是發(fā)生了消去反應轉(zhuǎn)化為脫水四環(huán)素；NaClO對四環(huán)素的降解率幾乎達到100%，同時四環(huán)素并未轉(zhuǎn)化為差向四環(huán)素或脫水四環(huán)素，而是氧化成一種新的產(chǎn)物。

圖2 3種氧化劑對制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解率

2.2 3種氧化劑降解四環(huán)素的紫外可見光譜分析(圖3)

圖3 3種氧化劑降解四環(huán)素的紫外可見光譜

由圖3可以看出：(1)經(jīng)H2O2降解后的四環(huán)素在280～400 nm處的紫外吸光度明顯低于未降解四環(huán)素，但是400 nm以后其紫外吸光度又高于未降解四環(huán)素。據(jù)報道，脫水四環(huán)素、差向四環(huán)素在400 nm以后的紫外吸收強于四環(huán)素，因此可以推測H2O2降解四環(huán)素可能會有差向四環(huán)素或脫水四環(huán)素生成。(2)經(jīng)HClO4降解后的四環(huán)素在280～400 nm處紫外吸光度與未降解四環(huán)素相比沒有明顯變化，說明四環(huán)素母體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。可見四環(huán)素經(jīng)HClO4降解后有可能轉(zhuǎn)化成脫水四環(huán)素。(3)經(jīng)NaClO降解后的四環(huán)素在280～400 nm處有最大吸收波長，四環(huán)素在此范圍內(nèi)也有最大吸收波長，說明均有大的共軛體系存在，但是兩者的最大吸收波長不同，表明四環(huán)素經(jīng)NaClO降解后分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的變化，但分子中的共軛體系并未被破壞。

由于NaClO降解四環(huán)素的效果較好，后續(xù)實驗均以NaClO為氧化劑進行研究。

2.3 NaClO降解四環(huán)素的紅外光譜分析(圖4)

圖4 NaClO降解四環(huán)素的紅外光譜

已知四環(huán)素分子中含有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，帶有酚羥基、羰基和酰胺基等官能團。由圖4可以看出，四環(huán)素在1 620～1 450 cm-1處有苯環(huán)骨架C=C的振動吸收峰，經(jīng)NaClO降解后此處的吸收峰基本不變，由此推斷降解產(chǎn)物的環(huán)并未打開；四環(huán)素分子中含有的羰基伸縮振動酰胺的譜帶，由于氮原子上未共用電子對與羰基產(chǎn)生p-π共軛，使得羰基的伸縮振動向低波數(shù)位移；伯酰胺羰基為1 690～1 650 cm-1，四環(huán)素經(jīng)NaClO降解后，此振動吸收峰基本消失，由此推斷經(jīng)NaClO降解后四環(huán)素分子里的酰胺鍵發(fā)生了斷裂。

2.4 NaClO降解四環(huán)素的核磁共振波譜分析(表1)

由表1可知，在降解產(chǎn)物中，酰胺基的羰基吸收峰δ172.12消失，由此推斷酰胺鍵可能斷裂；C3的信號為δ95.52，較正常的不飽和C位于較高場，主要由于C4的羰基與酰胺基對C3有較強的屏蔽作用，四環(huán)素經(jīng)NaClO降解后產(chǎn)物中C3的化學位移向低場位移至δ106.36。

2.5 NaClO降解四環(huán)素的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式

四環(huán)素母體含并四苯基結(jié)構(gòu)。Mboula等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在四環(huán)素的氧化降解過程中，其四環(huán)結(jié)構(gòu)并未被破壞，中間產(chǎn)物類似于四環(huán)素的母體結(jié)構(gòu)。通過以上的表征分析，佐證了四環(huán)素的降解產(chǎn)物可能是酰胺鍵發(fā)生了斷裂，生成了一種新的氧化降解產(chǎn)物(圖5)，但本研究并未檢測到氯化物或氯代產(chǎn)物的存在，這與Zhou等[10]研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)素經(jīng)氯或氯胺氧化后的產(chǎn)物中檢測到氯仿和四氯化碳不同，其機理尚不清楚。

表1 NaClO降解四環(huán)素前后的核磁共振波譜數(shù)據(jù)

Tab.1 Date of NMR spectra for tetracycline before and after degradation by NaClO

C降解前1HNMR13CNMR降解后1HNMR13CNMR12.9668.19/68.072/193.07/192.753/95.52/106.364/187.19/192.145/175.15/176.546/187.19//7/161.46/161.4386.93(1H,dd,J=8Hz、3.2Hz)114.506.91(1H,dd,J=8Hz、2Hz)114.5097.55(1H,dd,J=8Hz、8Hz)136.637.54(1H,dd,J=8Hz、8Hz)136.44107.12(1H,dd,J=4Hz、8Hz)115.277.11(1H,d,J=7.8Hz)115.3211/67.95/66.99121.82,1.5722.58/19.724a/73.25/74.505a/106.93/106.556a/117.09/116.9610a/148.02/148.1511a2.9338.722.8341.3212a2.2334.612.2534.03-CH31.72(s,3H)27.081.73(s,3H)22.83-CONH2/172.12//-N(CH3)22.86(s,6H)41.662.83(s,6H)41.49

圖5 NaClO降解四環(huán)素的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式

3 結(jié)論

比較了H2O2、HClO4和NaClO等3種氧化劑對制藥廢水中殘留四環(huán)素的降解效果，發(fā)現(xiàn)H2O2、HClO4和NaClO對制藥廢水中殘留四環(huán)素均有一定的降解效果，其中NaClO的降解效果最明顯；經(jīng)H2O2及HClO4降解后，四環(huán)素有可能轉(zhuǎn)化為差向四環(huán)素或脫水四環(huán)素，而經(jīng)NaClO降解后，四環(huán)素生成了新的物質(zhì)；采用紫外光譜、紅外光譜和核磁共振波譜對NaClO降解四環(huán)素的產(chǎn)物進行表征分析，得到了最終的降解產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式。

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Oxidation Degradation of Tetracycline Residues in Pharmaceutical Wastewater

WANG Li-qiong,WANG Gui-hua,MA Yu-long

(StateKeyLaboratoryCultivationBaseofEnergySourcesandChemicalEngineering,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

The oxidation degradation effects of tetracycline residues in pharmaceutical wastewater with H2O2,HClO4,and NaClO were compared.The results showed that the effect,pathway,and products of tetracycline degraded by three kinds of oxidants were different.The degradation rate of tetracycline by H2O2was 80%,but some of tetracycline was transformed into epitetracycline rather than oxidation degradation.Also,about 88% of tetracycline was degraded by HClO4,but elimination reaction and conversion into anhydrotetracycline was one of the pathways of tetracycline removal.NaClO exhibited the best degradation effect for tetracycline,and almost 100% of the tested tetracycline was degraded.So the structure of degradation product by NaClO was characterized by FTIR and NMR analysis.The results indicated that the naphthacene structure of tetracycline was not damaged in the process of degradation.However,the amide bond of tetracycline was damaged and formed a new compound.

tetracycline;H2O2;HClO4;NaClO;oxidation degradation

寧夏自然科學基金資助項目(NZ14024)，寧夏科技支撐計劃項目，國家自然科學基金資助項目(21467023)

2016-08-19

王麗瓊(1978-)，女，寧夏石嘴山人，副教授，研究方向：生物化工，E-mail:yangyang@nxu.edu.cn；通訊作者：馬玉龍，博士，教授，E-mail：nxylma@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.12.012

王麗瓊，王桂華，馬玉龍.氧化法降解制藥廢水中殘留四環(huán)素[J].化學與生物工程，2016，33(12)：55-58,70.

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A

1672-5425(2016)12-0055-04