β-內(nèi)酰胺類抗生素臭氧氧化機(jī)理與降解途徑

敖蒙蒙 劉利 魏健 宋永會(huì) 陳婷婷 熊兆錕 賴波 陳忠林

摘 要：為考察β-內(nèi)酰胺類抗生素在臭氧氧化過程中的降解規(guī)律與特征，采用臭氧直接氧化法處理水中4種典型β-內(nèi)酰胺類抗生素。研究不同pH值條件下臭氧氧化典型β-內(nèi)酰胺類抗生素的降解效果，利用淬滅實(shí)驗(yàn)探究降解機(jī)理，分析中間產(chǎn)物并推測(cè)降解路徑。研究結(jié)果表明：改變pH值對(duì)阿莫西林和頭孢氨芐降解效果沒有顯著影響，酸性條件對(duì)青霉素鈉降解有抑制，堿性條件對(duì)頭孢曲松鈉降解有促進(jìn)。淬滅實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：叔丁醇（TBA）對(duì)阿莫西林和頭孢氨芐的降解有一定的促進(jìn)作用，說明阿莫西林和頭孢氨芐的降解由臭氧分子直接氧化主導(dǎo);隨著TBA濃度的升高，對(duì)青霉素鈉和頭孢曲松鈉的抑制效果更加顯著，說明青霉素鈉和頭孢曲松鈉以羥基自由基（·OH）間接氧化為主導(dǎo)。阿莫西林、頭孢氨芐、青霉素鈉和頭孢曲松鈉臭氧氧化過程中分別生成了4、6、3、3種主要中間產(chǎn)物，降解途徑包括β-內(nèi)酰胺環(huán)斷裂、去甲基化、水合反應(yīng)、加成反應(yīng)等過程。

關(guān)鍵詞：β-內(nèi)酰胺類抗生素;臭氧;中間產(chǎn)物;降解途徑

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2021）06-0187-10

Abstract： In order to investigate the degradation law and characteristics of β-lactam antibiotics during ozone oxidation， four typical β-lactam antibiotics in water were treated by direct ozone oxidation. The degradation effect of ozone on typical β-lactam antibiotics under different pH values was studied. Quenching experiments were adopted to explore the degradation mechanism，analyze intermediates and speculate the degradation path. Results showed that the degradation of amoxicillin and cephalexin was not significantly affected by changing pH， penicillin sodium was inhibited in acidic condition， and ceftriaxone sodium was promoted in alkaline condition.The results of quenching experiments showed that TBA can promote the degradation of amoxicillin and cephalexin， indicating that the degradation of amoxicillin and cephalexin was dominated by direct oxidation of O3.With the increase of TBA concentration， the inhibition effect to penicillin and ceftriaxone sodium was more and more significant， which indicated that penicillin and ceftriaxone sodium were indirectly oxidized by ·OH.Amoxicillin， cephalexin， penicillin sodium and ceftriaxone sodium produced 4， 6， 3 and 3 main intermediates during ozonation， respectively. The degradation pathways were composed of β-lactam ring breaking， demethylation， hydration and addition etc.

Keywords： β-lactam antibiotics; ozone oxidation; intermediates; degradation pathway

自發(fā)現(xiàn)青霉素以來，β-內(nèi)酰胺類抗生素被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1]。由于人或動(dòng)物對(duì)抗生素消耗量大、代謝量小，大量β-內(nèi)酰胺類抗生素通過人體后直接排放到環(huán)境中[2]。德國聯(lián)邦化學(xué)品安全委員會(huì)的一項(xiàng)研究表明，在超過50%的廢水和地表水樣本中檢測(cè)出最大濃度在ng/L范圍的β-內(nèi)酰胺類抗生素[3]。盡管抗生素在環(huán)境中的殘留問題已經(jīng)被廣泛關(guān)注，但其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物（TPs）的產(chǎn)生也是一個(gè)緊迫的環(huán)境和公共衛(wèi)生問題，Gozlan等[4]在水生環(huán)境中甚至在地下水中檢測(cè)到了阿莫西林的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。

目前，針對(duì)抗生素類污染物的處理方法有很多，包括生物法、物理法和化學(xué)法[5]。生物法去除抗生素類污染物的效果不理想[6]，物理法因成本和二次污染等問題而略顯不足[7]，因此，當(dāng)前化學(xué)法中的高級(jí)氧化法（AOPs）是去除水體中抗生素類污染物的重要適用技術(shù)[8]。臭氧氧化技術(shù)是一項(xiàng)實(shí)用、高效的高級(jí)氧化技術(shù)，具有反應(yīng)迅速、氧化效果好和無需添加化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在微污染物處理方面[9-11]。臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，可選擇性攻擊廢水中不飽和有機(jī)物，在難降解廢水處理及廢水深度處理中廣泛應(yīng)用[12]。在水溶液中，臭氧的不同存在形式?jīng)Q定了臭氧氧化有機(jī)污染物具有兩種不同途徑：1）臭氧分子的直接反應(yīng)，主要是與含有不飽和鍵的分子如雙鍵、芳香環(huán)、雜環(huán)化合物等進(jìn)行反應(yīng);2）通過臭氧分解和產(chǎn)生羥基自由基（·OH）的間接氧化，溶液中的OH-誘導(dǎo)臭氧分解產(chǎn)生·OH，并引發(fā)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[13]。大量研究表明：臭氧去除水體中殘留的抗生素具有顯著效果。Dantas等[14]的實(shí)驗(yàn)表明磺胺甲惡唑可被臭氧氧化快速去除，廢水可生化性顯著提升，有效改善了廢水處理效果，但發(fā)現(xiàn)磺胺甲惡唑基本可以完全被氧化，卻不能被徹底礦化。林曉璇等[15]研究了水中酮洛芬在臭氧氧化作用下的降解機(jī)制、產(chǎn)物及毒性，結(jié)果表明，臭氧能有效降解酮洛芬且降解過程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)，降解過程中臭氧分子和羥基自由基共同作用，酮洛芬降解過程中生成了21種主要產(chǎn)物，但是發(fā)光桿菌急性毒性實(shí)驗(yàn)表明，酮洛芬降解過程中生成了較母體更高風(fēng)險(xiǎn)的中間產(chǎn)物。因此，這些非預(yù)期性污染物在臭氧氧化作用下可能會(huì)生成比母體更難去除、潛在危害更大的中間產(chǎn)物，預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)化機(jī)理及降解途徑顯得尤為重要[16-17]。

筆者分別選擇青霉素類的青霉素鈉（PG）和阿莫西林（AMX），頭孢菌素類的頭孢氨芐（CLX）和頭孢曲松鈉（CS）的β-內(nèi)酰胺類抗生素為目標(biāo)污染物，考察不同β-內(nèi)酰胺類抗生素在臭氧氧化工藝中不同pH值條件下的降解效果，分析降解機(jī)理，鑒定降解過程中的中間產(chǎn)物，推測(cè)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的路徑，為臭氧氧化技術(shù)在β-內(nèi)酰胺類抗生素制藥廢水處理方面提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

青霉素鈉（1 650 U/mg）、阿莫西林（≥98%）、頭孢氨芐（≥98%）、頭孢曲松鈉（HPLC≥98%）、乙腈（色譜級(jí)）、甲酸、H2SO4、NaOH、Na2S2O3、叔丁醇（TBA）均購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。青霉素鈉、阿莫西林、頭孢氨芐和頭孢曲松鈉的特性如表1所示。

1.2 儀器

臭氧發(fā)生器（FL-803A，深圳市飛立電器科技有限公司），高效液相色譜儀（1260型，美國 Agilent 公司），UPLC-Q-TOF-MS四級(jí)桿質(zhì)譜儀（6550 iFunnel Q-TOF，安捷倫科技有限公司），紫外分光光度計(jì)（UV2355，尤尼柯），pH計(jì)（PHS-3C，上海雷磁科學(xué)儀器有限公司），攪拌槳（RW20，EKA），純水機(jī)（UPK-I-10T，優(yōu)普超純科技有限公司），恒溫水浴器（XMTD203，江蘇科析儀器有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)污染物濃度50 mg/L、臭氧流量100 mL/min、反應(yīng)溫度25 ℃、攪拌強(qiáng)度300 r/min的條件下進(jìn)行，反應(yīng)全程在通風(fēng)櫥中完成。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中每隔一定時(shí)間取樣一次，取樣后立即加入50 μL 0.1 mol/L Na2S2O3溶液終止反應(yīng)，采用高效液相色譜儀測(cè)定AMX、CLX、PG和CS濃度。

1.4 分析測(cè)試方法

樣品中AMX、CLX、PG和CS的濃度使用安捷倫1260高效液相色譜分析儀測(cè)定。檢測(cè)條件：Eclipse XDB-C18色譜柱，AMX、CLX、PG和CS流動(dòng)相為乙腈與0.1%甲酸體積比分別為10∶90、10∶90、40∶60和35∶65;進(jìn)樣量10 μL;檢測(cè)波長(zhǎng)分別為270、254、220、254 nm;流速均為1 mL/min;柱溫30 ℃。pH值采用方舟PHS-3C+型pH計(jì)測(cè)定。使用UPLC-Q-TOF-MS對(duì)PG、AMX、CLX和CS產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)與分析。采用靛藍(lán)二磺酸鈉法測(cè)水中臭氧濃度，利用紫外可見分光光度計(jì)在610 nm波長(zhǎng)處檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值對(duì)臭氧氧化AMX、CLX、PG和CS的影響

在臭氧氧化體系中，初始pH值是一個(gè)重要的參數(shù)。在水溶液中，臭氧氧化反應(yīng)主要有臭氧直接氧化和自由基間接氧化兩種途徑[13]。臭氧與水中抗生素的反應(yīng)較為復(fù)雜，通常為兩種反應(yīng)途徑共同作用。溶液的pH值對(duì)臭氧氧化反應(yīng)途徑有決定性作用，在酸性介質(zhì)中以臭氧直接氧化反應(yīng)為主，而在堿性介質(zhì)中則以自由基間接氧化反應(yīng)為主[18-19]。考察了4種目標(biāo)物在不同初始pH值下的降解效果，初始目標(biāo)物濃度為50 mg/L、臭氧產(chǎn)量為3 g/h、臭氧濃度為25 mg/L、氣體流量為100 mL/min、反應(yīng)溫度為25 ℃時(shí)，目標(biāo)物初始溶液pH值分別為3、7和9，不同pH值條件下臭氧氧化的降解情況如圖1所示。從圖1可以看出，在不同pH值條件下，阿莫西林和頭孢氨芐均有較好的降解效果，分別在4、2 min內(nèi)降解完全;青霉素鈉在酸性條件下表現(xiàn)為明顯的抑制作用，在堿性條件下稍有促進(jìn)作用，頭孢曲松鈉在堿性條件下有明顯的促進(jìn)作用。

阿莫西林在不同pH值條件下均被快速完全降解，通過擬一級(jí)反應(yīng)速率擬合，反應(yīng)過程中的降解速率（kobs）（圖2）在pH為3、7和9時(shí)分別為0.750、0.674、0.628 min-1。頭孢氨芐也表現(xiàn)出相似的結(jié)果，2 min可將其降解完全，但是根據(jù)降解過程色譜圖的變化發(fā)現(xiàn)（圖3），反應(yīng)0.5 min頭孢氨芐色譜峰消失的同時(shí)有新的色譜峰出現(xiàn)，并且新峰的峰高先升高后降低，表明新峰是臭氧氧化頭孢氨芐的中間產(chǎn)物，同時(shí)也在被氧化。然而，青霉素鈉和頭孢曲松鈉的結(jié)果與其不同。青霉素鈉在初始pH值為3時(shí)，30 min只能降解90%，同時(shí)降解速率減慢，隨著pH值的增加降解速率增加，由0.083 min-1增加至0.146、0.186 min-1。隨著臭氧氧化時(shí)間的增加，不同初始 pH值條件下，均表現(xiàn)出5 min內(nèi)去除率增加速度較快，5～30 min內(nèi)，去除率增加速度減緩的現(xiàn)象。頭孢曲松鈉表現(xiàn)出相似的結(jié)果，主要降解過程集中在反應(yīng)前10 min，10～60 min反應(yīng)較平緩。并且在pH值為3時(shí)，降解稍有抑制，pH值增加至9時(shí)，有明顯的促進(jìn)作用。降解速率由0.043 min-1增加至0.053 min-1。由上述現(xiàn)象推測(cè)，阿莫西林和頭孢氨芐臭氧氧化過程主要由臭氧分子直接氧化進(jìn)行，青霉素鈉和頭孢曲松鈉則通過臭氧分解生成·OH的間接氧化完成。

4種目標(biāo)物在不同初始pH值情況下反應(yīng)結(jié)束時(shí)溶液均呈酸性。初始pH值為3時(shí)，整個(gè)反應(yīng)過程pH值不變化，始終保持在3;初始pH值為7和9時(shí)，反應(yīng)溶液的pH值隨反應(yīng)時(shí)間而降低，最終pH值保持在4～5。

2.2 臭氧氧化AMX、CLX、PG和CS的降解機(jī)理

根據(jù)對(duì)4種目標(biāo)物降解機(jī)理的推測(cè)結(jié)果做進(jìn)一步淬滅探究實(shí)驗(yàn)。自由基清除劑是指能清除自由基或能阻斷自由基參與氧化反應(yīng)的物質(zhì)[20]。叔丁醇（TBA）是一種典型的·OH捕獲劑，在臭氧氧化實(shí)驗(yàn)中添加TBA可以抑制反應(yīng)過程·OH的間接反應(yīng)[21]。因此，在進(jìn)行臭氧氧化反應(yīng)前加入一定量TBA考察其對(duì)臭氧氧化降解的影響，根據(jù)降解效果討論每種目標(biāo)物在臭氧氧化過程中以何種反應(yīng)途徑作為主導(dǎo)作用。添加不同濃度TBA時(shí)，4種目標(biāo)物臭氧氧化降解曲線和kobs變化如圖4和圖5所示。

阿莫西林和頭孢氨芐在加入TBA后降解效果增強(qiáng)，降解速率增大，說明添加TBA后促進(jìn)了臭氧氧化的進(jìn)程。其主要原因?yàn)榘⒛髁趾皖^孢氨芐的氧化過程中同時(shí)存在臭氧直接氧化和自由基間接氧化兩種反應(yīng)途徑，添加TBA后自由基間接氧化反應(yīng)被終止，臭氧直接氧化反應(yīng)更突出，降解效果更加顯著。并且阿莫西林在添加TBA后降解速率從0.674 min-1顯著增加至1.596 min-1，臭氧直接氧化作用在反應(yīng)過程中占主導(dǎo)作用。在臭氧氧化頭孢氨芐過程中加入5 mmol/L TBA就可以顯著增加降解速率，kobs從1.642 min-1增加至4.446 min-1。青霉素鈉和頭孢曲松鈉在添加TBA后降解效果受到抑制，降解速率減小，說明添加TBA后抑制了臭氧氧化的進(jìn)程。主要原因?yàn)椤H被TBA捕獲導(dǎo)致自由基間接氧化反應(yīng)受到抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，青霉素鈉和頭孢曲松鈉以·OH間接氧化為主要氧化途徑。

2.3 臭氧氧化AMX、CLX、PG和CS中間產(chǎn)物與降解途徑

采用UPLC-Q-TOF-MS方法對(duì)正常條件下AMX、CLX、PG和CS臭氧氧化過程中的降解產(chǎn)物進(jìn)行探究，表2為4種目標(biāo)物臭氧氧化過程所檢測(cè)到的所有降解產(chǎn)物。AMX和CLX通過臭氧直接氧化降解，此方式具有較強(qiáng)的選擇性，一般攻擊具有雙鍵的有機(jī)物，對(duì)不飽和脂肪烴和芳香烴類化合物較有效;PG和CS通過臭氧分解產(chǎn)生·OH間接反應(yīng)降解，不具有選擇性。

如圖6所示，根據(jù)測(cè)得的降解產(chǎn)物可以推測(cè)出阿莫西林臭氧氧化的降解路徑。臭氧氧化AMX過程分為2個(gè)途徑。在途徑一中，首先C—N共價(jià)鍵斷裂的同時(shí)發(fā)生AMX加成反應(yīng)，生成C16H19N3O5S，然后C—C單鍵斷裂，變成3-（4-羥基苯基）哌嗪-2，5-二酮（C10H10N2O3），隨后經(jīng)過氧化反應(yīng)，生成苯基吡嗪二醇（C10H8N2O2）[22]。在途徑二中，AMX經(jīng)過O=C—N鍵的斷裂和水合反應(yīng)形成C16H19N3O6S，然后C16H19N3O6S脫羧變成C15H21N3O4S，最后再經(jīng)過C—N鍵的斷裂和水合反應(yīng)生成4-羥基苯甘氨酸（C8H10N2O2）[23]。

如圖7所示，根據(jù)測(cè)得的降解產(chǎn)物可以推測(cè)出頭孢氨芐臭氧氧化的降解路徑。途徑一中，首先氧化CLX分子結(jié)構(gòu)中含S、N雜原子環(huán)上的C=C生成C16H19N3O7S和C15H19N3O6S，隨著降解過程的進(jìn)一步氧化，產(chǎn)物中S—N斷裂生成C13H13N3O8S和C13H15N3O9S[24]。途徑二通過直接開環(huán)和硫醚基氧化后延遲開環(huán)兩種形式打開四元β-內(nèi)酰胺環(huán)并在該位置生成羧基，兩種形式開環(huán)所形成的C16H17N3O5S分子式相同而結(jié)構(gòu)不同[25-26]，最后再通過脫羧完成進(jìn)一步礦化。

如圖8所示，根據(jù)測(cè)得的降解產(chǎn)物推測(cè)青霉素鈉可能通過兩種途徑進(jìn)行氧化。由于反應(yīng)迅速，前期中間產(chǎn)物不能全部檢測(cè)到。在途徑一中，首先噻唑烷環(huán)側(cè)鏈上—CH3基團(tuán)的碳原子被快速氧化形成—CO基團(tuán)，從而形成C16H16N2O5S[27]，隨之—CH3基團(tuán)被氧化形成二羧酸基團(tuán)，從噻唑烷環(huán)上脫落形成C14H12N2O4S，然后由于噻唑烷環(huán)的穩(wěn)定性較低故而生成C11H14N2O3，接著C11H14N2O3通過失去氨基形成了C11H13NO3[28]，C11H13NO3通過去甲基化形成C10H11NO3[29]，最后C10H11NO3通過脫羧和脫甲基形成C8H9NO[30]。在途徑二中，首先β-內(nèi)酰胺環(huán)中酮基和氨基之間的鍵快速斷裂形成C16H20N2O4S[30]，然后噻唑烷脫落便形成了C6H9NO2S[31]。最后中間產(chǎn)物通過臭氧進(jìn)一步氧化為CO2和H2O。

如圖9所示，根據(jù)測(cè)得的降解產(chǎn)物推測(cè)頭孢曲松鈉可能通過兩種途徑進(jìn)行氧化。首先失去3.5個(gè)結(jié)合水，然后通過途徑一C-8側(cè)鏈的C—N鍵斷裂生成C12H13N5Na2O5S2，隨之C—S鍵斷裂生成C4H5N3O2S，再經(jīng)過氧化反應(yīng)變成C4H5N3O2[32]，在途徑二中首先羧基丟失變成C17H18N8O5S3，再斷裂C—S鍵和鄰位重排變成C12H13N5O3S2，最后β-內(nèi)酰胺環(huán)斷裂生成C7H8N4O2S[33]。

3 結(jié)論

1）臭氧氧化技術(shù)對(duì)β-內(nèi)酰胺類抗生素表現(xiàn)出很好的降解效果，在改變?nèi)芤簆H值的條件下，AMX和CLX降解沒有顯著影響，酸性條件對(duì)降解PG有抑制，堿性條件對(duì)降解CS有促進(jìn)。

2）AMX和CLX隨著添加TBA濃度的增加降解效果增強(qiáng)，說明TBA抑制了·OH的間接氧化，臭氧分子直接氧化更加明顯，因此，AMX和CLX主要由臭氧分子直接氧化進(jìn)行降解;PG和CS隨著添加TBA濃度的增加降解效果減弱，·OH被抑制顯著影響降解效果，說明PG和CS由臭氧分子分解·OH間接氧化為主導(dǎo)。

3）利用UPLC-Q-TOF-MS測(cè)得AMX、CLX、PG和CS臭氧氧化過程中分別產(chǎn)生4、6、3和3種主要中間產(chǎn)物，通過分析推導(dǎo)出臭氧氧化4種β-內(nèi)酰胺類抗生素的降解途徑，主要包括β-內(nèi)酰胺環(huán)斷裂、去甲基化、開環(huán)加羧、水合反應(yīng)、加成反應(yīng)等。

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（編輯 黃廷）