間歇超聲波強(qiáng)化ZVI/PS體系氧化降解磺胺抗生素

崔 皓， 田 禹*， 張 軍

1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150090 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090

磺胺類(lèi)抗生素(SAs)作為一類(lèi)人工合成的廣譜抑菌藥，具有合成簡(jiǎn)單、抗菌譜廣、產(chǎn)量大的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和人類(lèi)醫(yī)療領(lǐng)域[1]. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)SAs的總使用量達(dá) 7 920 t[2]. 秦延文等[3]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)每年排放進(jìn)入水環(huán)境中的抗生素超過(guò)5×104t，水環(huán)境中抗生素的殘留問(wèn)題引起廣泛關(guān)注. 長(zhǎng)期暴露在SAs環(huán)境中，動(dòng)植物體內(nèi)會(huì)對(duì)SAs產(chǎn)生抗性基因[4]，通過(guò)食物鏈傳播，最終到達(dá)人體內(nèi)，引發(fā)人類(lèi)造血系統(tǒng)紊亂[5]、降低生殖能力[6]，甚至引發(fā)致畸、致癌、致突變等病變[7]，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康. 因此，亟待開(kāi)發(fā)SAs高效去除技術(shù)，減少水環(huán)境中SAs的殘留[8-9].

利用過(guò)硫酸鹽(PS)氧化體系去除水中難降解污染物是近年來(lái)的研究熱點(diǎn). 與傳統(tǒng)的羥基自由基(·OH)相比，PS活化產(chǎn)生的硫酸根自由基(SO4·-)的氧化還原電位更高、半衰期更長(zhǎng)，而且在pH為3～11的范圍內(nèi)都有較好的降解效果[10-11]. PS的活化方式有過(guò)渡金屬活化[12-13]、堿活化[14]、電活化[15]、熱活化[16]、光活化[17]、超聲波活化[18]等，其中零價(jià)鐵(ZVI)具有價(jià)格低廉、催化效果好等優(yōu)點(diǎn)，在PS活化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[19]. 但是ZVI表面容易生成氧化膜，降低ZVI對(duì)PS的活化性能，從而影響污染物降解效率[20]. 而超聲波(US)能通過(guò)空化作用提高非均相體系的化學(xué)反應(yīng)效率，因此有學(xué)者提出將US與ZVI/PS技術(shù)聯(lián)用來(lái)處理難降解污染物. Gao等[21]構(gòu)建US-nZVI/PS體系處理普萘洛爾(PRO)，30 min內(nèi)PRO去除率達(dá)到94.2%. 有學(xué)者對(duì)US-ZVI/PS體系降解二惡烷、三氯甲烷、檸檬酸鎳、三氯酚、酸性橙染料等污染物進(jìn)行研究，證明了US-ZVI/PS體系能夠?qū)崿F(xiàn)多種有機(jī)污染物的高效降解[22-26].

綜上，US-ZVI/PS體系是一項(xiàng)具有應(yīng)用潛力的難降解污染物去除技術(shù)，但是目前利用US-ZVI/PS體系降解多種SAs的對(duì)比研究較少，SAs在該體系中的反應(yīng)路徑也不明晰. 因此，該文將利用US-ZVI/PS體系氧化降解5種典型SAs，檢測(cè)SAs降解中間產(chǎn)物，總結(jié)不同結(jié)構(gòu)SAs的反應(yīng)路徑，以期為水中SAs的高效去除提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)試劑

該研究中使用的主要試劑為ZVI、PS和5種典型SAs(見(jiàn)表1)，均購(gòu)于美國(guó)Sigma公司，純度為分析純；甲醇和甲酸為色譜純，購(gòu)于韓國(guó)SK Chemicals公司；氫氧化鈉、濃硫酸等為分析純，購(gòu)于天津致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司.

表1 5種典型SAs的性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

Cui等[27]研發(fā)了超聲波間歇作用的新模式，得到了US-ZVI/PS體系作用的最佳試驗(yàn)條件，超聲波強(qiáng)度、pH、ZVI濃度和PS濃度分別為0.25 W/cm3、6.0、0.6 mmol/L和1.4 mmol/L，實(shí)現(xiàn)了磺胺嘧啶(SDZ)的高效去除(去除率為97.4%)[27]. 因此，筆者研究沿用該試驗(yàn)條件，若無(wú)其他特殊說(shuō)明，文中所有試驗(yàn)將按照以下步驟進(jìn)行：①配制200 mg/L的SAs儲(chǔ)備液；②將 50 mL SAs儲(chǔ)備液移入500 mL容量瓶中，得到初始濃度為20 mg/L的目標(biāo)污染物溶液，移取400 mL該溶液于反應(yīng)容器(錐形瓶)中；③初始pH調(diào)節(jié)為6.0；④向溶液中投加13.41 mg ZVI和133.34 mg PS，并開(kāi)始反應(yīng)計(jì)時(shí)；⑤反應(yīng)開(kāi)始2 min后，開(kāi)啟超聲中央控制器，按照設(shè)定好的超聲操作條件運(yùn)行；⑥取樣檢測(cè).

US-ZVI/PS體系降解SAs的試驗(yàn)中所使用的超聲破碎儀(JY92-IIDN型，寧波新芝生物科技股份有限公司)由超聲探頭和中央控制器組成，反應(yīng)開(kāi)始前，將配有20 mg/L SAs的錐形瓶移入超聲反應(yīng)裝置中，將超聲探頭插入溶液中，距離液面55 mm，超聲破碎儀開(kāi)啟60 s后，關(guān)閉60 s,循環(huán)進(jìn)行. 反應(yīng)開(kāi)始2 min 后，點(diǎn)擊中央控制器的啟動(dòng)按鈕，按照設(shè)定好的程序進(jìn)行超聲破碎. 該試驗(yàn)中采用恒溫器和循環(huán)水浴，將溶液溫度控制在室溫.

1.3 分析方法

該研究中，采用高效液相色譜儀(Agilent 1100型，美國(guó)Agilent公司)檢測(cè)SAs的濃度. 按1.2節(jié)中試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，用注射器取樣后立即加入500 mmol/L的甲醇終止反應(yīng)，然后用0.22 μm聚四氟乙烯過(guò)濾膜過(guò)濾，加入到棕色液相小瓶中. 將液相小瓶放入高效液相色譜儀的進(jìn)樣室內(nèi)，自動(dòng)采樣器將樣品采集進(jìn)入C18色譜柱(420 mm×250 mm, 5 μm, 美國(guó)Agilent公司)，然后經(jīng)過(guò)流動(dòng)相的洗脫作用，最后流入PDA檢測(cè)器進(jìn)行定量分析. 該文采用的5種抗生素SMR、SMT、SMX、SIX、STZ的檢測(cè)波長(zhǎng)分別為258、266、270、275和284 nm，具體條件：進(jìn)樣體積10 μL；流動(dòng)相為乙腈和0.1%甲酸水溶液，體積比依次為15∶85、30∶70、30∶70、15∶85和20∶80，流速為0.2 mL/min；箱體內(nèi)溫度為30 ℃.

SAs降解過(guò)程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物由高效液相色譜質(zhì)譜串聯(lián)儀測(cè)定. 液相色譜柱為C18色譜柱，進(jìn)樣量為10 μL，流動(dòng)相為乙腈和0.1%的甲酸水溶液(體積比為20∶80)，流速為0.2 mL/min，質(zhì)譜檢測(cè)器的離子源為電噴霧電離源(ESI)，離子電壓為80 V，采用正、負(fù)離子模式分別進(jìn)行全掃描，質(zhì)荷比(m/z)范圍設(shè)置為50～600. 隨后用正離子模式(ESI-MS+)對(duì)中間產(chǎn)物進(jìn)行鑒定，毛細(xì)管電壓為4.0 kV，錐孔電壓為30 V，源溫度為600 ℃，脫溶劑溫度為900 ℃，碰撞電壓為2 kV.

2 結(jié)果與討論

2.1 US-ZVI/PS體系降解5種特征SAs的效能

該研究選取5種特征磺胺抗生素SMR、SMT、SMX、STZ和SIX作為研究對(duì)象，探究US-ZVI/PS體系對(duì)不同SAs的處理效果，并同時(shí)以PS體系和ZVI/PS 體系作為空白組和對(duì)照組. 由圖1可見(jiàn)，在PS體系中，5種SAs的濃度均沒(méi)有發(fā)生明顯變化，反應(yīng)30 min后，5種SAs的去除率均小于5%，說(shuō)明未活化PS的氧化性能較差，對(duì)SAs幾乎沒(méi)有降解作用. ZVI/PS 體系對(duì)5種SAs均有不同程度的去除，說(shuō)明催化劑ZVI的加入能夠提高PS的氧化性能，促進(jìn)5種SAs的去除. ZVI/PS體系對(duì)SMR去除效果最好，去除率為45.5%；對(duì)STZ的去除效果最差，去除率為20.5%. ZVI/PS體系的氧化性能雖然高于PS體系，但是對(duì)SAs的去除率都小于50%，難以實(shí)現(xiàn)SAs的有效去除. 在US-ZVI/PS體系中，5種SAs均得到有效去除，最終去除率均大于95%；同時(shí)，達(dá)到95%的去除率時(shí)，SMX和SIX需要的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，猜測(cè)可能是由于五元雜環(huán)SAs的開(kāi)環(huán)需要更大的能量，因此需要的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng). 綜上，US-ZVI/PS體系能夠?qū)崿F(xiàn)5種典型SAs的高效去除，而且對(duì)不同結(jié)構(gòu)的SAs有不同的降解效果.

圖1 US-ZVI/PS、ZVI/PS和PS體系降解SMR、SMT、SMX、SIX和STZ的效能Fig.1 The degradation of SMR, SMT, SMX, SIX, and STZ by US-ZVI/PS, ZVI/PS and PS system

2.2 US-ZVI/PS體系降解5種SAs的動(dòng)力學(xué)方程

該研究對(duì)US-ZVI/PS體系降解5種SAs的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方程擬合(見(jiàn)圖2). SAs在US-ZVI/PS體系中的降解均符合擬一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)〔見(jiàn)式(1)〕，直線(xiàn)斜率為該SAs的擬一級(jí)表觀(guān)速率常數(shù)kobs(單位為min-1). 所有擬合過(guò)程R2均大于0.900，證明US-ZVI/PS 體系降解SAs的過(guò)程符合擬一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué).

圖2 US-ZVI/PS體系氧化降解5種特征 磺胺抗生素的擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)Fig.2 The pseudo-first order fitting curves of five SAs degradation by US-ZVI/PS system

ln(Ct/C0)=-kobs

(1)

式中：C0和Ct分別為反應(yīng)時(shí)間為0和t時(shí)刻污染物濃度，mg/L；kobs為擬一級(jí)反應(yīng)的表觀(guān)速率常數(shù)，min-1；t為反應(yīng)時(shí)間，min.

根據(jù)擬合曲線(xiàn)進(jìn)行計(jì)算，得出SMR、SMT、STZ、SIX和SMX 的kobs分別為0.223、0.215、0.203、0.181和0.119 min-1. 根據(jù)5種SAs的結(jié)構(gòu)，US-ZVI/PS體系對(duì)六元環(huán)SAs (SMR和SMT)的降解速率明顯大于五元環(huán)SAs (SMX、SIX和STZ). 這說(shuō)明分子結(jié)構(gòu)對(duì)于SAs在US-ZVI/PS體系中降解有重要影響. 因此，有必要檢測(cè)SAs降解過(guò)程的中間產(chǎn)物，從反應(yīng)路徑方向解析SAs結(jié)構(gòu)對(duì)于降解效能的影響.

2.3 US-ZVI/PS體系降解5種SAs中間產(chǎn)物分析

利用高效液相色譜質(zhì)譜串聯(lián)儀(UPLC-MS-MS)高效分析SAs中間產(chǎn)物有以下步驟：①在正離子模式下，對(duì)樣品進(jìn)行全掃描，從色譜圖中可知，在不同的停留時(shí)間處有不同強(qiáng)度的峰出現(xiàn)，這代表了不同的中間產(chǎn)物；②選擇質(zhì)譜圖中某一質(zhì)核比，再打質(zhì)譜，如果仍有峰形，說(shuō)明該質(zhì)核比下的中間產(chǎn)物可能存在；③對(duì)所有峰的特征質(zhì)核比進(jìn)行分析，與磺胺母體質(zhì)核比進(jìn)行比較，通過(guò)加減原子種類(lèi)和數(shù)量，推測(cè)可能的斷鍵部位和中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu). 由于篇幅所限，該節(jié)內(nèi)容不贅述中間產(chǎn)物的具體檢測(cè)和分析過(guò)程，而將中間產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)通過(guò)列表的方式給出.

2.3.1六元環(huán)磺胺抗生素(SMR和SMT)降解的中間產(chǎn)物

2.3.1.1SMR降解的中間產(chǎn)物

利用UPLC-MS-MS對(duì)US-ZVI/PS體系降解SMR產(chǎn)生的中間產(chǎn)物進(jìn)行了鑒定. 首先對(duì)樣品進(jìn)行正離子模式下的全掃描，檢測(cè)到了7種主要中間產(chǎn)物的峰，選擇其中一個(gè)峰進(jìn)行質(zhì)譜分析，在一級(jí)質(zhì)譜圖上得到該產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的質(zhì)子化離子(用[M+H]+表征)，由此可以推斷出該產(chǎn)物的分子量；在二級(jí)質(zhì)譜上得到碎片離子(用m/z表征)，由此可以推斷出該產(chǎn)物的斷鍵部位和分子結(jié)構(gòu). 該研究中所有SAs產(chǎn)物均采用上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析. 在SMR降解樣品的色譜圖中，檢測(cè)到了7種主要中間產(chǎn)物. 在一級(jí)質(zhì)譜圖中得到這7種產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的質(zhì)子化離子分別為[M+H]+295、[M+H]+281、[M+H]+201、[M+H]+174、[M+H]+151、[M+H]+139和[M+H]+124(見(jiàn)表2). [M+H]+295對(duì)應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z197和m/z123，推測(cè)其為嘧啶環(huán)上甲基的氧化作用，記為產(chǎn)物SMR 294. [M+H]+281對(duì)應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z254和m/z236，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)為7號(hào)N原子受到攻擊生成的產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SMR 280，與Deng等[28]研究結(jié)果相同. 根據(jù)二級(jí)質(zhì)譜信息，推測(cè)[M+H]+140為嘧啶環(huán)的開(kāi)環(huán)產(chǎn)物. [M+H]+201和母體質(zhì)核比相差64，推測(cè)為結(jié)構(gòu)上缺失了1個(gè)SO2基團(tuán)，將此產(chǎn)物記為SMR 200，推測(cè)其為“SO2提取”的產(chǎn)物. 根據(jù)二級(jí)質(zhì)譜碎片離子m/z110和m/z92，推測(cè)[M+H]+174是S—N鍵斷鍵的產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SMR 173，另外一個(gè)S—N鍵斷鍵產(chǎn)物為SMR 150. [M+H]+124的碎片離子為m/z78，為硝基苯，記為產(chǎn)物SMR 123.

表2 SMR降解的中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜碎片離子分布

2.3.1.2SMT降解的中間產(chǎn)物

表3 SMT降解中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜碎片離子分布

2.3.2五元環(huán)磺胺抗生素(SMX、SIX和STZ)降解的中間產(chǎn)物

2.3.2.1SMX降解的中間產(chǎn)物

表4 SMX降解中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜碎片離子分布

2.3.2.2SIX降解的中間產(chǎn)物

在SIX降解過(guò)程中，檢測(cè)到了7種主要中間產(chǎn)物，在一級(jí)質(zhì)譜圖中得到這7種中間產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的質(zhì)子化離子分別為[M+H]+298、[M+H]+228、[M+H]+201、[M+H]+174、[M+H]+113、[M+H]+98和[M+H]+94(見(jiàn)表5). [M+H]+298對(duì)應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z252、m/z116和m/z96，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)為7號(hào)N原子受到攻擊生成的產(chǎn)物，記作產(chǎn)物SIX 297. [M+H]+213的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z116和m/z92，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)其為異惡唑五元環(huán)的開(kāi)環(huán)產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SIX 227，其攻擊位點(diǎn)為13號(hào)碳原子. SO4·-能使五元雜環(huán)直接被打開(kāi)，形成產(chǎn)物SIX 200. [M+H]+174為S—N鍵斷裂的產(chǎn)物，是SAs降解過(guò)程中的常見(jiàn)產(chǎn)物——對(duì)氨基苯磺酸，記為產(chǎn)物SIX 173. 根據(jù)二級(jí)質(zhì)譜碎片離子m/z93、m/z80和m/z65，推測(cè)[M+H]+113是S—N斷鍵的另一個(gè)產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SIX 112，在Liu等[31]研究中也有檢出. 而[M+H]+98與[M+H]+113相差15，說(shuō)明二者分子結(jié)構(gòu)相差1個(gè) —NH2基團(tuán)，推測(cè)[M+H]+98為產(chǎn)物SIX 112的去氨基化產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SIX 97. [M+H]+94的碎片離子為m/z77，為產(chǎn)物SIX 173的進(jìn)一步降解產(chǎn)物，記為產(chǎn)物SIX 93.

表5 SIX降解中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜碎片離子分布

2.3.2.3STZ降解的中間產(chǎn)物

在STZ降解過(guò)程中，檢測(cè)到了7種主要的中間產(chǎn)物，在一級(jí)質(zhì)譜圖中得到這7種中間產(chǎn)物對(duì)應(yīng)的質(zhì)子化離子分別為[M+H]+290、[M+H]+286、[M+H]+219、[M+H]+174、[M+H]+140、[M+H]+135和[M+H]+101(見(jiàn)表6). [M+H]+290對(duì)應(yīng)的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z156、m/z108和m/z92，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)其為羥基加成的產(chǎn)物，記為產(chǎn)物STZ 289. [M+H]+286的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z241、m/z162和m/z92，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)其為7號(hào)N原子的氧化產(chǎn)物，記為產(chǎn)物STZ 285. [M+H]+174為S—N鍵斷裂的產(chǎn)物，是SAs降解過(guò)程中的常見(jiàn)產(chǎn)物——對(duì)氨基苯磺酸，記為產(chǎn)物STZ 173. [M+H]+140的二級(jí)質(zhì)譜碎片離子為m/z110、m/z81和m/z54，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)其為S—N鍵斷裂的產(chǎn)物，記為產(chǎn)物STZ 139. 根據(jù)二級(jí)質(zhì)譜離子m/z74和m/z59，推測(cè)[M+H]+101為S—N斷鍵的另一個(gè)產(chǎn)物，記為產(chǎn)物STZ 100. 而[M+H]+135與[M+H]+101相差34，分子結(jié)構(gòu)相差2個(gè)—OH基團(tuán)，推測(cè)[M+H]+135為產(chǎn)物STZ 100的氧化產(chǎn)物，記為產(chǎn)物STZ 134.

表6 STZ降解中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)式和質(zhì)譜碎片離子分布

2.4 US-ZVI/PS體系降解5種SAs的反應(yīng)路徑

圖3 US-ZVI/PS體系降解5種SAs的反應(yīng)路徑Fig.3 The degradation pathways of SAs by US-ZVI/PS system

3 結(jié)論

a) PS體系對(duì)5種SAs幾乎沒(méi)有降解作用，雖然ZVI/PS體系的氧化性能高于PS體系，但是對(duì)5種SAs的去除率也均小于50%，難以實(shí)現(xiàn)SAs的有效去除. 而在US-ZVI/PS體系下，5種SAs得到有效去除，最終去除率均大于95%；同時(shí)，5種SAs去除率達(dá)95%時(shí)，SMX和SIX需要的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng).

b) US-ZVI/PS體系降解SMR、SMT、SMX、SIX和STZ過(guò)程均符合擬一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，其表觀(guān)速率常數(shù)(kobs)大小依次為SMR(0.223)>SMT(0.215)>STZ(0.203)>SIX(0.181)>SMX(0.119)，六元環(huán)SAs的反應(yīng)速率明顯高于五元環(huán)SAs.

c) 5種SAs共同的反應(yīng)路徑包括S—N鍵斷裂、C—N鍵斷裂、苯環(huán)羥基化、苯胺氧化和R取代基氧化過(guò)程，而六元環(huán)SAs反應(yīng)路徑多一個(gè)N—N重排過(guò)程. 2種六元環(huán)SAs分子結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于R取代環(huán)上的甲基取代基的數(shù)量和位置不同，由此影響到R取代環(huán)的整體電子云密度分布，從而導(dǎo)致不同的初級(jí)氧化產(chǎn)物的生成，對(duì)后續(xù)降解過(guò)程產(chǎn)生影響.