影響水環(huán)境中磺胺類(lèi)抗生素的光降解因素

【摘要】近年來(lái)，在地下水、污水處理廠的進(jìn)出口、地表水等都檢測(cè)到磺胺類(lèi)抗生素的存在。磺胺類(lèi)抗生素在水環(huán)境中不穩(wěn)定，尤其在光照條件下，容易發(fā)生光解，pH值、水中溶解性物質(zhì)、光源和光強(qiáng)等在不同程度的對(duì)磺胺類(lèi)抗生素光降解。

【關(guān)鍵詞】磺胺類(lèi)抗生素；光解；影響因素

一、選題背景及意義

磺胺類(lèi)抗生素作為其中一種常用的抗生素，從國(guó)內(nèi)外已有不少的報(bào)道關(guān)于磺胺類(lèi)抗生素的環(huán)境行為，尤其是磺胺類(lèi)抗生素在水環(huán)境介質(zhì)中的環(huán)境光化學(xué)行為。然而，國(guó)內(nèi)關(guān)于磺胺類(lèi)抗生素在水環(huán)境介質(zhì)中的光化學(xué)行為研究進(jìn)展雖然已經(jīng)有一部分的研究，但更多的研究成果來(lái)自于國(guó)外的報(bào)道，并且目前沒(méi)有形成統(tǒng)一的理論。因此，對(duì)影響磺胺類(lèi)抗生素在水環(huán)境中的光化學(xué)行為因素進(jìn)行總結(jié)，有利于后者的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)，也有利于為消除環(huán)境污染提供科學(xué)數(shù)據(jù)，并且為其他抗生素在水體中的污染機(jī)制提供參考作用。

二、磺胺類(lèi)抗生素使用現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)生產(chǎn)磺胺類(lèi)抗生素藥物產(chǎn)量處于持續(xù)增加的狀態(tài)。有報(bào)道表明，2000年我國(guó)磺胺類(lèi)抗生素年產(chǎn)量突破了2萬(wàn)噸。目前，雖然磺胺類(lèi)抗生素在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的銷(xiāo)售不斷減少，但其出口量不斷在增加，其仍舊是我國(guó)醫(yī)藥原料藥物出口產(chǎn)品之一。但隨著磺胺類(lèi)抗生素的濫用，帶給環(huán)境的污染現(xiàn)狀不容樂(lè)觀。尤其是水環(huán)境中的污染，因?yàn)樗w是抗生素重要的歸屬場(chǎng)所。研究表明水體中磺胺類(lèi)抗生素殘留的問(wèn)題非常普遍，污水處理廠進(jìn)出水、表面水（江、河、湖、海）、地表水、飲用水、沉積物、土壤及其生物體多次檢測(cè)出不同量的藥物殘留，黃胺類(lèi)抗生素在環(huán)境中的降解速度是非常緩慢的，并且殘留時(shí)間也比較長(zhǎng)。磺胺類(lèi)抗生素在水環(huán)境中不穩(wěn)定，尤其在光照條件下，容易發(fā)生光解。光化學(xué)降解是磺胺類(lèi)抗生素消減的主要途徑。Baran等研究了表明磺胺類(lèi)抗生素的生物降解較慢，光催化降解速率相對(duì)很快，在時(shí)間為60min時(shí)降解率基本達(dá)到60%。

三、水體中磺胺類(lèi)抗生素的光化學(xué)行為

1、光降解的基本介紹

光降解主要是化合物分子吸收光能引起的各種的反應(yīng)，通常是指吸收光能導(dǎo)致有機(jī)物的分解反應(yīng)。光降解主要類(lèi)型分為間接光解、直接光解和自敏化光解。間接光解是指通過(guò)其他的化合物吸收光子引起原來(lái)不能發(fā)生光解的化合物而發(fā)生光解。直接光解是指化合物自身吸收光能后直接發(fā)生的降解反應(yīng)。

2、影響磺胺類(lèi)抗生素光降解的因素

在環(huán)境中的化合物只有部分有光吸收的并且在λ>290nm太陽(yáng)光下，才有可能發(fā)生自然環(huán)境中的直接光降解或者自敏化光解。因此分子的吸光特性都可能會(huì)對(duì)磺胺類(lèi)抗生素的光降解動(dòng)力學(xué)和光解途徑有影響。再者，環(huán)境條件主要包括是水相pH值、水中溶解性物質(zhì)、光源和光強(qiáng)等。

（1）pH值

在pH不同條件下磺胺類(lèi)抗生素解離形式不同，吸收光譜、光解量子產(chǎn)率和光解速率常數(shù)也有可能有差異。例如Boreen等研究了在不同pH值下磺胺類(lèi)抗生素的母體結(jié)構(gòu)（S）中五元、六元雜環(huán)的解離形式和對(duì)應(yīng)的光解速率常數(shù)（k）。研究發(fā)現(xiàn)，含五元、六元雜環(huán)的磺胺類(lèi)抗生素的解離形式和對(duì)應(yīng)的光解速率常數(shù)（k）具有很大的差異：其中含六元雜環(huán)具有兩種不同的解離形式（SH和S-），對(duì)應(yīng)的k值存在的顯著的不同。六元環(huán)磺胺二甲嘧啶的解離隨pH變化顯著，k值隨著pH值升高顯著降低。含五元雜環(huán)的磺胺類(lèi)抗生素具有3種不同的解離形式（SH2+、SH、S-），對(duì)應(yīng)的k值也存在差異。

有很多pH對(duì)光降解速率的影響。黃麗萍等研究水中典型抗生素的光化學(xué)降解發(fā)現(xiàn)，水溶液的pH值的增大會(huì)促進(jìn)磺胺甲噁唑（SMZ）的降解。例如，當(dāng)pH值從4增大到6，SMZ在10min內(nèi)去除率從48.3%增加到66.3%。并且從SMZ（λ在240-350nm范圍內(nèi)）的紫外可見(jiàn)光譜可以看出，其吸收峰有所增強(qiáng)，SMZ去除率也增加了。

（2）Cl-

有研究表明，Cl-對(duì)抗生素的光解存在這促進(jìn)和抑制雙重作用。Ge等研究了在UV 光照條件下，Cl-會(huì)促進(jìn)甲砜霉素和氟甲砜霉素的光解，并且發(fā)現(xiàn)Cl-是促進(jìn)產(chǎn)生了1O2，從而使兩種抗生素發(fā)生了自敏化光解。但是在模擬日光照射下，盡管存在Cl-，光解沒(méi)有發(fā)生，不存在產(chǎn)生O2，這兩種抗生素沒(méi)有光吸收。對(duì)于Br-也存在著這樣的規(guī)律。平河等采用了（TiO2/EP）光催化降解水體中微污染磺胺嘧啶的研究，SDZ濃度為5mg/L，分別向體系添加0、5、10、15和20mmol/L HCO3-、SO42-、Cl-。研究表明，Cl -、SO442-濃度增加到一定的濃度會(huì)阻礙降解的發(fā)生，但其濃度增加到一定值時(shí)對(duì)降解的影響會(huì)變得比較穩(wěn)定。

（3）NO2-

在天然水體中廣泛存在著NO3- 、 NO2-，由于化學(xué)肥料的大量使用導(dǎo)致NO3- 、 NO2-在水體中逐步累積造成富營(yíng)養(yǎng)化，其濃度存在較高。NO2- 在光解過(guò)程中具有雙重作用，因?yàn)镹O2-既是.OH的來(lái)源，又是·OH的猝滅劑。在紫外吸光帶為205、360nm處與磺胺二甲基嘧啶競(jìng)爭(zhēng)吸收紫外光，導(dǎo)致產(chǎn)生光猝滅效應(yīng)，并且其對(duì)光猝滅效應(yīng)大于光敏作用。紫外燈照射下NO2-會(huì)發(fā)生以下的反應(yīng)過(guò)程：

（4）光源和光強(qiáng)的影響

太陽(yáng)光、紫外燈、高壓汞燈、氙燈、氘燈、鹵燈等可以作為光降解抗生素的光源。在4種光源（太陽(yáng)光、紫外燈、高壓汞燈、氙燈）下研究磺胺二甲基嘧啶水溶液中的光化學(xué)降解，光解速率常數(shù)在4種光源下大小依次是：紫外燈>高壓汞燈>氙燈>太陽(yáng)光。黃麗萍等在兩種不同光源（模擬太陽(yáng)光、紫外光）條件下研究水中典型抗生素的光化學(xué)降解，發(fā)現(xiàn)模擬太陽(yáng)光的降解率比紫外光差。紫外光源采用500W高壓汞燈（主波長(zhǎng)365nm），反應(yīng)中心的平均光強(qiáng)為1.07mw.cm2，SMZ水溶液在光照射60min后降解率為97.9%；模擬太陽(yáng)光采用1000氙燈（290nm），反應(yīng)中心的平均光強(qiáng)為0.85 mw.cm2，SMZ水溶液在反應(yīng)終止時(shí)降解只有36.4%。

四、研究展望

1、目前，國(guó)內(nèi)對(duì)水環(huán)境中磺胺類(lèi)抗生素的光化學(xué)行為研究主要是對(duì)磺胺二甲基嘧啶和磺胺甲噁唑比較全面，但在多種因素影響下磺胺類(lèi)抗生素光降解的量子產(chǎn)率、降解動(dòng)力學(xué)模型、降解機(jī)理等仍舊需要進(jìn)一步研究。

2、影響磺胺類(lèi)抗生素光降解的因素主要是涉及在簡(jiǎn)單體系中的研究，在環(huán)境介質(zhì)中具有復(fù)雜的體系并存在多種影響因子，可以深入研究多種因素同時(shí)存在條件下對(duì)磺胺類(lèi)抗生素光降解行為的研究。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

謝小琴（1990—），女，重慶開(kāi)縣人，單位：重慶師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，主要研究方向：學(xué)科教學(xué)（化學(xué)）。