不同因子對(duì)土霉素與汞絡(luò)合反應(yīng)中溶解性氣態(tài)汞的影響

余寧爾，吳勝春,2，梁 鵬,2

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300）

汞是一種危害和毒性極強(qiáng)的重金屬元素，自20世紀(jì)50年代日本水俁病事件以來(lái)，汞污染事件就被全球所重視。汞在自然界環(huán)境中的存在有多種形態(tài)，不同形態(tài)之間特征有較明顯的差異，且不同形態(tài)之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化。自然水體中把汞形態(tài)分為活性汞(RHg)、溶解性氣態(tài)汞(DGM)、甲基汞(MeHg)和二甲基汞等[1]。DGM是水體中汞的一種主要形態(tài)，雖然其毒性不是最強(qiáng)，但影響也不容小覷。DGM的主要存在形式是零價(jià)態(tài)汞，在水中的質(zhì)量濃度一般低于0.2 ng·L?1[2]。區(qū)別于其他重金屬，汞在常溫下可以以氣態(tài)形式揮發(fā)，因此零價(jià)態(tài)汞在全球汞的循環(huán)中占有重要的作用。水體及陸地表面的零價(jià)汞可以揮發(fā)進(jìn)入到大氣中，且在大氣中停留時(shí)間較長(zhǎng)，從而進(jìn)行長(zhǎng)距離遷移，最終通過(guò)干沉降或濕沉降進(jìn)入水生環(huán)境和陸地環(huán)境。在人為活動(dòng)較少的南極、北極以及中國(guó)青藏高原地區(qū)，也都監(jiān)測(cè)到較高濃度的汞[1]。這說(shuō)明汞的污染是全球性的，而零價(jià)態(tài)汞的生成又異常重要?？股貫E用已經(jīng)成為中國(guó)環(huán)境主要問(wèn)題之一。土霉素(OTC)是四環(huán)素家族的一員，也是獸醫(yī)和水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的廣譜抗生素之一。由于抗生素耐藥性在微生物中的傳播，引起了越來(lái)越多的關(guān)注。它被廣泛地用作養(yǎng)殖魚(yú)的飼料添加劑和家畜的生長(zhǎng)刺激物質(zhì)，也可用于植物細(xì)菌性疾病的預(yù)防性治療。在歐洲，超過(guò)2 500 t四環(huán)素類(lèi)作為獸藥治療，其中以土霉素應(yīng)用最廣泛[3]。中國(guó)在2003年時(shí)土霉素產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)10 000 t，占世界總產(chǎn)量的65%[4]。然而，它很難在動(dòng)物體內(nèi)被代謝，這導(dǎo)致土霉素會(huì)隨糞便或尿液排出體外。由于其水溶性和耐降解性，土霉素已在土壤環(huán)境、沿海環(huán)境甚至飲用水中被廣泛檢測(cè)到。在水體、底泥以及污泥硝化過(guò)程中，重金屬會(huì)和抗生素發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，或促進(jìn)或抑制抗生素的降解。同時(shí)，金屬與抗生素之間的絡(luò)合對(duì)金屬的價(jià)態(tài)也會(huì)產(chǎn)生一定影響。由于汞的特殊性，抗生素與汞之間的絡(luò)合反應(yīng)有可能會(huì)對(duì)汞形態(tài)變化產(chǎn)生影響。但是，目前關(guān)于抗生素與汞的絡(luò)合反應(yīng)還鮮有報(bào)道。鑒于此，本研究采用實(shí)驗(yàn)室模擬水生環(huán)境，配制汞和抗生素的混合反應(yīng)溶液，研究不同環(huán)境因子對(duì)抗生素與汞絡(luò)合條件下DGM產(chǎn)生的影響，以期為解決抗生素與汞復(fù)合污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

用氯化汞(HgCl2)粉末(250 g，貴州省銅仁化學(xué)試劑廠)配制1 μmol·L?1的HgCl2溶液，同時(shí)用四環(huán)素類(lèi)抗生素中的土霉素(25 g，上海源葉生物科技有限公司)配制1 μmol·L?1的OTC溶液。

1.2 不同影響條件設(shè)置

1.2.1 pH 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，處理共分3 組，pH 分別為 3(pH 3)、7(pH 7)和 11(pH 11)。

1.2.2 光照 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，遮光條件為用錫箔紙徹底包住混合后的100 mL離心管，再將其放入箱子內(nèi)進(jìn)行避光；光照條件為1個(gè)5 W的LED燈持續(xù)垂直照射。同時(shí)準(zhǔn)備1組40 mL HgCl2溶液和40 mL超純水混合的對(duì)照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的遮光條件(水-遮光)、超純水與汞溶液混合后的光照條件(水-光照)、土霉素與汞溶液混合后的遮光條件(土霉素-遮光)以及土霉素與汞溶液混合后的光照條件(土霉素-光照)。

1.2.3 鹽度 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，海水條件為稱(chēng)取175 g海鹽溶解于5 000 mL超純水中制成海水，并用超純水作為淡水對(duì)照。同時(shí)準(zhǔn)備40 mL HgCl2溶液分別與40 mL超純水和40 mL海水混合，作為淡水和海水對(duì)照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的海水條件(水-海水)、超純水與汞溶液混合后的淡水條件(水-淡水)、土霉素與汞溶液混合后的海水條件(土霉素-海水)以及土霉素與汞溶液混合后的淡水條件(土霉素-淡水)。

1.2.4 氧化還原 取 40 mL HgCl2溶液和 40 mL OTC 溶液，等體積混合加入到 100 mL 離心管中，好氧條件為實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)需氧條件；厭氧條件為在1個(gè)密封性好的盒子中放入樣品，放入?yún)捬醍a(chǎn)氣袋，用以吸收氧氣釋放二氧化碳，并放入1個(gè)厭氧指示劑，最后用保鮮膜和膠帶密封盒子，以創(chuàng)造1個(gè)密封的厭氧環(huán)境。同時(shí)準(zhǔn)備1組40 mL HgCl2溶液和40 mL超純水混合的對(duì)照組。處理共分4組，分別為超純水與汞溶液混合后的厭氧條件(水-厭氧)、超純水與汞溶液混合后的好氧條件(水-好氧)、土霉素與汞溶液混合后的厭氧條件(土霉素-厭氧)以及土霉素與汞溶液混合后的好氧條件(土霉素-好氧)。

1.3 樣品采集

溶液在不同因子影響下分別反應(yīng)，經(jīng)過(guò)1、4、8和16 d取樣品10 mL加入到15 mL離心管中，并加樣品體積分?jǐn)?shù)0.4%的鹽酸(HCl)后放入0 ℃冰箱保存待測(cè)。

1.4 樣品測(cè)定

將樣品稀釋40倍，稱(chēng)39 g超純水于50 mL離心管中，再?gòu)谋鋬?nèi)取出樣品，取1 mL加入。從稀釋40倍后的溶液中取1 mL到25 mL比色管中，用超純水定容至25 mL。測(cè)總汞時(shí)加入125 μL氯化溴(BrCl)溶液，搖勻，常溫下放置24 h后待測(cè)。測(cè)DGM時(shí)無(wú)需添加其他試劑，取1 mL已定容至25 mL的溶液加入到鼓泡瓶中，用高純氮?dú)?N2)以350 mL·min?1鼓吹21 min富集至金砂管上，再用熱解析冷原子熒光光譜儀測(cè)定，所用儀器為Brooks Rand(美國(guó))測(cè)汞儀。測(cè)土霉素時(shí)，取冰箱內(nèi)樣品1 mL加入到2 mL進(jìn)樣瓶中，加入25 μL體積分?jǐn)?shù)0.1%甲酸溶液后用HPLC液相色譜儀測(cè)定，所用儀器為T(mén)hermo Fisher Scientific UltiMate 3000 HPLC液相色譜儀。取樣工具、測(cè)樣比色管和鼓泡瓶等，都按汞元素分析的質(zhì)量控制要求進(jìn)行清洗凈化[5]?？偣GM和土霉素濃度均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 總汞濃度變化特征

從圖1可以看出：反應(yīng)初始條件溶液總汞濃度為0.5 μmol·L?1，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，總汞濃度逐漸降低。在堿性條件下總汞濃度降低最為明顯，主要由于堿性條件下，生成了氫氧化汞會(huì)造成水體中總汞濃度降低。而另外3個(gè)處理的總汞濃度略微降低，主要由于常溫下，汞可以以氣態(tài)形式揮發(fā)。試驗(yàn)過(guò)程中，所有反應(yīng)容器均為密閉條件，但樣品采集等過(guò)程難以避免溶液暴露等，造成水體總汞濃度略微降低。

2.2 溶解性氣態(tài)汞 (DGM)變化特征

圖 1 4種不同因子影響下總汞濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Figure 1 Change trend of total mercury concentration with different time under four factors

2.2.1 pH 從圖2A可以看出：在不同的pH 條件下，DGM隨時(shí)間的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，酸性和中性條件下DGM濃度基本保持一致，但是堿性條件下濃度逐漸降低。第16天時(shí)，在pH為3的條件下，DGM濃度比第1天升高0.036～0.076 μmol·L?1，而pH為7和11的條件下，DGM濃度比第1天分別降低 0.004～0.024 和 0.059～0.062 μmol·L?1。

2.2.2 光照 圖2B顯示：在光照與遮光處理下，前8 d的DGM濃度變化一致，呈先上升后降低的趨勢(shì)。8 d后，遮光處理下汞和土霉素的混合溶液中DGM逐漸減少，而光照處理下DGM逐漸上升。光照處理下產(chǎn)生的DGM比遮光條件下的高，尤其在最后第16天時(shí)更明顯。此外，在第16天時(shí)，光照處理下，添加了土霉素處理的溶液中，DGM濃度明顯高于無(wú)土霉素組，說(shuō)明添加土霉素在光照處理下有利于DGM的生成。

2.2.3 鹽度 由圖2C可知：在海水處理下，汞和土霉素的混合溶液中DGM整體呈不變趨勢(shì)，濃度很低，最高為 0.059 μmol·L?1，最低為 0.010 μmol·L?1。而在淡水處理下，汞和土霉素的混合溶液中DGM先明顯增加至最高點(diǎn)(0.408 μmol·L?1)，然后再逐漸減少。

2.2.4 氧化還原 圖2D顯示：在好氧條件下，汞和土霉素的混合溶液中DGM先明顯增加，然后再逐漸減少；而在厭氧條件下，汞和土霉素的混合溶液中DGM呈先上升后逐漸降低，最后再迅速上升的趨勢(shì)。好氧條件下DGM前8 d高于厭氧條件，9 d后低于厭氧條件。

圖 2 4種不同因子影響下溶解性氣態(tài)汞濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Figure 2 Change trend of dissolved gases mercury(DGM) concentration with different time under four factors

2.3 土霉素濃度變化特征

圖3顯示：不同的pH下土霉素降解速率有較明顯的差異。在酸性條件下，土霉素濃度基本保持不變，而在中性和堿性條件下，土霉素濃度逐漸降低。不同光照下土霉素濃度逐漸降低，遮光下土霉素降解更多。在不同鹽度下，海水中土霉素濃度低于淡水。同樣，好氧條件下也有利于土霉素的分解。

3 討論

3.1 不同因子下DGM濃度的差異性分析

DGM主要是由單質(zhì)汞組成，它在水中形成途徑很多，有甲基化作用[6]，水中沉積物里細(xì)菌的還原作用[6?7]，水中有機(jī)物(富里酸和腐植酸等)的還原作用[8]，水體中的光致還原作用[9?14]。這些都會(huì)把水中的二價(jià)汞轉(zhuǎn)換為氣態(tài)零價(jià)汞。馮新斌等[15]研究指出：光致還原作用對(duì)水體中DGM的產(chǎn)生起了主導(dǎo)作用。

圖 3 4種不同因子影響下土霉素濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Figure 3 Change trend of oxytetracycline concentration with different time under four factors

3.1.1 pH 對(duì)于同一種土霉素和汞混合溶液，DGM濃度隨pH的增加而減少，而在堿性較強(qiáng)時(shí)，DGM濃度很低。AHN等[16]發(fā)現(xiàn)：pH越低，DGM的濃度越高。這主要是因?yàn)樗械亩r(jià)汞離子與有機(jī)配體或無(wú)機(jī)配體結(jié)合，在低pH條件下，水體中帶負(fù)電荷的配體較少，與二價(jià)汞離子的絡(luò)合性較差，使其更容易通過(guò)非生物或生物過(guò)程而被光還原成零價(jià)態(tài)汞，DGM的濃度也就隨之增大[17?18]。而在堿性條件下，二價(jià)汞離子容易與氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化汞，導(dǎo)致溶液中的二價(jià)汞離子無(wú)法被還原成零價(jià)態(tài)汞，故而DGM的濃度很低。

3.1.2 光照 光致還原是DGM產(chǎn)生的一個(gè)重要過(guò)程。張金香[19]發(fā)現(xiàn)相同條件下，光誘導(dǎo)產(chǎn)生的DGM是黑暗條件的2.4～9.0倍。何天容等[20]研究季節(jié)變化對(duì)于紅楓湖的DGM影響時(shí)，也表明光對(duì)于零價(jià)汞的形成起了至關(guān)重要的作用，強(qiáng)光有利于零價(jià)汞的形成。光照能使水體中的二價(jià)汞離子被還原成零價(jià)汞，促進(jìn)了DGM的形成和釋放。光照還原反應(yīng)是一個(gè)持續(xù)的長(zhǎng)久反應(yīng)，以至于從第1天到第16天，DGM濃度總體處于上升趨勢(shì)，且總體都比黑暗條件下高。

3.1.3 鹽度 鹽度也會(huì)影響汞在海水中的絡(luò)合作用。海水中由于富含氯離子，而二價(jià)汞離子又容易與氯離子反應(yīng)生成較穩(wěn)定的氯化汞，導(dǎo)致能被還原成零價(jià)汞的二價(jià)汞離子顯著減少，所以DGM的產(chǎn)生量也是顯著降低。同時(shí)，在海水中汞還可能以三氯化汞和四氯化汞的形式存在。MARUMOTO等[21]研究也表明：沿海地區(qū)總汞濃度與鹽度呈顯著負(fù)相關(guān)。

3.1.4 氧化還原 在有氧氣存在的情況下，溶液中光還原反應(yīng)和光氧化反應(yīng)都會(huì)發(fā)生。由于光致還原作用是主反應(yīng)，所以反應(yīng)一開(kāi)始溶液中二價(jià)汞離子都被迅速還原成零價(jià)汞離子，因此氣態(tài)汞先顯著升高，之后由于氧氣的存在，被逐漸氧化，導(dǎo)致氣態(tài)汞降低。而在厭氧條件下，隨著厭氧細(xì)菌的活性逐漸增強(qiáng)使氣態(tài)汞逐漸上升。有研究表明：光還原和光氧化過(guò)程之間的平衡已被確定為DGM濃度的重要決定因素[12]。厭氧條件可能是DGM產(chǎn)生的一個(gè)重要因素。POULAIN等[22]研究所示：DGM濃度與沉積物-水的氧氣水平呈負(fù)相關(guān)。

3.2 土霉素添加對(duì)DGM濃度的影響分析

土霉素屬于有機(jī)物質(zhì)的一種，在水中能和汞形成有機(jī)絡(luò)合態(tài)汞，為汞的光還原反應(yīng)提供基質(zhì)。一方面它釋放出的二價(jià)態(tài)汞離子能成為光還原反應(yīng)的反應(yīng)物，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱銉r(jià)態(tài)汞，同時(shí)，有機(jī)物和汞的絡(luò)合物釋放的有機(jī)分子也能為光致還原反應(yīng)提供所需的電子使其促進(jìn)DGM的產(chǎn)生[23]。LIANG等[24]在探究抗生素對(duì)海洋沉積物中汞甲基化中的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，將土霉素加入到海洋沉積物中，一段時(shí)間后沉積物中甲基汞的濃度會(huì)有所增加。

土霉素與汞發(fā)生絡(luò)合的條件主要有2個(gè)：一個(gè)是抗生素的官能團(tuán)，另一個(gè)則是汞的金屬特性。研究表明：官能團(tuán)與金屬離子易發(fā)生反應(yīng)形成復(fù)合污染[25]。從官能團(tuán)來(lái)講，抗生素分子的官能團(tuán)中有大量的羧基、羥基、氨基等基團(tuán)和電子供體，都可以和金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，為反應(yīng)提供電子[26]。同時(shí)，抗生素分子中含氮、氧等富電子基團(tuán)種類(lèi)和數(shù)量越多，與金屬離子的絡(luò)合能力越強(qiáng)[27]，而土霉素分子中含有很多羥基、羰基和氨基，因此容易與汞發(fā)生絡(luò)合。從金屬特性來(lái)講，汞的電負(fù)性很強(qiáng)，為2.0，電負(fù)性越強(qiáng)則金屬離子吸引電子的能力也越強(qiáng)，也就越容易絡(luò)合。土霉素含有豐富的電子，汞有很強(qiáng)的吸電子能力，因此它們之間極易發(fā)生絡(luò)合。LIANG等[24]認(rèn)為土霉素在和二價(jià)汞離子(Hg2+)反應(yīng)后形成OTCHg2+有機(jī)絡(luò)合化合物，由于二價(jià)汞離子的高電負(fù)性，產(chǎn)生了電子的遷移，土霉素與汞的絡(luò)合導(dǎo)致電子從土霉素向汞離子轉(zhuǎn)移，汞離子得電子后變?yōu)榱銉r(jià)汞，因此氣態(tài)汞的濃度會(huì)增大。所以從圖2B和圖2D可以看出：在光照和厭氧條件下，添加土霉素溶液中的DGM濃度顯著高于沒(méi)有添加土霉素溶液中的DGM。

4 結(jié)論

對(duì)于土霉素和汞溶液混合體，DGM濃度隨pH的增加而減少，在堿性較強(qiáng)時(shí)，DGM濃度很低，其原因可能是二價(jià)汞離子在堿性條件下容易與氫氧根離子反應(yīng)生成氫氧化汞，導(dǎo)致溶液中的二價(jià)汞離子無(wú)法被還原成零價(jià)汞。光照還原反應(yīng)是一個(gè)持續(xù)的長(zhǎng)久反應(yīng)，從第1天到第16天，DGM的濃度總體處于上升趨勢(shì)，且總體濃度都比黑暗條件高。與淡水中的DGM相比，海水中的DGM濃度很低，可能是由于大量氯離子存在的影響。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，DGM濃度在厭氧條件下比好氧條件下低，在第10天之后大于好氧條件。土霉素的添加促進(jìn)了DGM的生成。