響應面法研究磺胺氯噠嗪在海水中的光解動力學

趙姚云川， 任鴻飛， 房 岐， 李英杰， 張彪軍， 田森林

（昆明理工大學 環境科學與工程學院，云南 昆明650500）

1 實驗背景與目的

抗生素在全球范圍內應用廣泛.中國是抗生素的生產、消費大國，2013年中國抗生素的消耗量為16.2萬噸［1］.目前我國污水處理廠的處理工藝主要針對常規污染指標，對新型環境污染物抗生素的去除效果不理想［2］，因而抗生素在污水出水口仍具有較高的濃度，有些抗生素質量濃度高達mg/L量級［3-5］.由于抗生素具有誘導細菌菌群抗藥性和產生抗性基因的特性，抗生素污染勢必對水環境造成嚴重的生態威脅［6-8］.因此研究抗生素在水環境中的轉化對于認識其生態風險、保護生物健康具有重要意義.質對抗生素光降解的影響，在實際水環境中各溶解性組分是共存的，因而亟需研究多組分因素共存條件下抗生素的光化學轉化，然而該方面的研究報道甚少.本研究以海水環境頻繁檢出的磺胺氯噠嗪為模型化合物，采用響應面法（RSM）研究了海水環境中代表性的溶解性組分（DOM、NO3-、Br-和Cl-）共存條件下對磺胺氯噠嗪的光解動力學，篩選出影響磺胺氯噠嗪光解的顯著性影響因素，并進行機理闡釋.

2 材料與方法

光降解是決定抗生素環境歸趨的重要因素，且受水環境中眾多溶解性組分的影響［9-12］.研究發現溶解性有機質（DOM）可通過光屏蔽和光誘導產生活性物種（ROS），如激發三重態DOM（3DOM*）、羥基自由基（·OH）和單重態氧（1O2），影 響 抗 生 素 的 光 降 解［13］；研 究 還 發 現NO3-、Cl-、Br-和HCO3-/CO23-等也可通過淬滅效應和產生鹵素自由基和碳酸根自由基影響抗生素的降解［14-15］.但是以上研究均考慮單一溶解性物

2.1 實驗材料 純度高于98%的磺胺氯噠嗪標準品（北京百靈威科技有限公司）、腐殖酸（HA）、乙酸銨（分析純，北京百靈威科技有限公司）；硝酸鈉、磷酸二氫鉀、磷酸氫二鈉、溴化鉀、冰乙酸、無水乙醇、鹽酸（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氫氧化鈉、氯化鈉、磷酸（分析純，天津市光復科技發展有限公司）；乙腈（色譜純，購于美國天地有限公司）；超純水（18 MΩ·cm，天津市蘭力科化學電子高科技有限公司生產的超純水器制備）

2.2 光解實驗設計 本實驗采用響應面法（RSM）［16-17］研究磺胺氯噠嗪的光解動力學.選取海水環境中有代表性的4種溶解性組分DOM（實驗中使用HA作為DOM的代替物）、NO3-、Cl-、Br-，且每種溶解性物質設置5個濃度水平進行實驗［15，18-20］（表1）.

表1 響應面設計的環境因子設置和質量濃度水平Tab.1 Factor definitions，coding levels and design points for RSM experimental design

每組實驗將一定濃度的磺胺氯噠嗪作為目標物與4種溶解性組分因子一起進行實驗，4種因子的濃度按照Design Expert 8.0.6（Stat-Ease Inc.，Minneapolis）軟件設計的響應面實驗參數進行配制（表2）.實驗結果分析采用Design Expert軟件進行處理.具體實驗設計過程如下：磺胺氯噠嗪表觀的光解速率常數k（單位：s-1）與4種目標溶解性物質的編碼因子（x1，x2，x3，x4）之間的關系可以通過一個完整的二次方程式進行擬合［21］：

其中，xi（i＝1～4）分別對應溶解性物質DOM、Br-、NO3-、Cl-的編碼因子；βx是二次方程的擬合系數，包括常數項β0、一次項系數βi（i＝1～4）、平方項系數βii（ii＝11～44）以及交叉項系數（β12，β14，β13，β23，β24）.

溶解性物質xi可由（2）式計算獲得：

其中，Xi（i＝1～4）表示DOM、Br-、NO3-、Cl-的真實濃度（每個因子編碼所對應的質量濃度）；Xi，0表示溶解性物質的中心點濃度（因子編碼0所對應的質量濃度）；ΔXi表示同一種溶解性物質的相鄰編碼因子所對應的實際質量濃度的差值.以DOM的因子編碼x1＝2為例，Xi值為10，Xi，0值為5，ΔXi＝10-7.5＝2.5，即x1＝（10-5）/（10-7.5）＝2.

2.3 光降解實驗設計光解實驗在OCRSPX32T光化學反應儀（開封市宏興科教儀器廠）中進行，光源為500 W汞燈（290 nm濾光片，λ＞290 nm）.反應溶液置于石英試管中.用磷酸鹽緩沖液配制初始濃度為20μmoL/L的磺胺氯噠嗪作為目標污染物，加入一定量實驗所需的水環境因子，用磷酸和氫氧化鈉溶液調至所需pH值（PHS-3C精密pH計，購于上海精密科學儀器有限公司），放置于反應儀中，在暗條件下15 min后，以此作為反應的起始時間取第一個點，開啟紫外燈，間隔一定時間移取1 mL反應液至棕色液相小瓶（已加入100μL異丙醇）中，每組實驗重復3次.

采用UltiMate 3000高相液相色譜分析儀分析磺胺氯噠嗪的濃度.實驗使用ZORBAX Eclipse XDB-C18色譜柱（4.6 mm×150 mm，5μm），流動相選體積分數30%的乙腈與選體積分數70%的乙酸銨緩沖液（pH＝5），流速1.0 mL/min，進樣量20μL，二極管陣列檢測器的檢測波長為260 nm.該分析條件下，磺胺氯噠嗪的出峰時間為3.5 min.最終截取分析儀中的峰面積得到實驗數據k值.

3 結果與討論

3.1 磺胺氯噠嗪的光解動力學表2列舉了目標溶解性組分DOM、Br-、NO3-、Cl-在RSM實驗設計條件下磺胺氯噠嗪的k值.通過RSM對二次方程式（1）進行擬合，可得溶解性組分前面的系數值βx（表3）.基于對βx的值統計分析，可以評估DOM、Br-、NO3-、Cl-對磺胺氯噠嗪光降解的相對貢獻.若P＜0.05，則表示對應的βx值在95%的置信水平明顯相異于0.由表3可知，在P＜0.05的顯著水平，一次項DOM、Cl-、NO3-以及二次項DOMDOM相互作用是影響磺胺氯噠嗪光降解的顯著因素.DOM的系數為負值，表明DOM抑制磺胺氯噠嗪光解；Cl-、NO3-以及DOM-DOM相互作用各項的系數均為正值，說明上述因素對磺胺氯噠嗪的光解起到促進效用.

3.2 顯著性因素影響磺胺氯噠嗪的光解機理前人研究報道，DOM可通過多種方式影響污染的光降解［13，18，22-26］：

1）通過光屏蔽效應-競爭光吸收抑制污染物光解；

2）光致產生3DOM*、·OH、1O2等ROS促進污染物降解；

3）淬滅ROS以及反應過程中產生的活性中間體抑制污染物降解.

DOM對污染光解的影響取決于上述途徑的競爭.由表3可知，DOM抑制磺胺氯噠嗪光解，說明DOM的抑制效應對磺胺氯噠嗪起主要作用，而光致產生的ROS對其光解影響較弱.已有研究表明DOM可淬滅3DOM*與磺胺抗生素反應產生的磺胺抗生素自由基，從而表現為抑制效應［26］.由此可知，除競爭光吸收外，DOM也可淬滅3DOM*與磺胺氯噠嗪反應產生的中間體而抑制磺胺氯噠嗪光解.NO3

-是水環境中普遍存在的溶解性物質，也是水環境中·OH的主要前驅體［27］.NO3-在光照條件下可產生·OH氧化磺胺氯噠嗪，進而促進其光解；研究發現Cl-/Br-可與激發三重態有機物反應，產生鹵素自由基［15］.磺胺抗生素吸光后可通過系間竄越形成激發三重態［23-24，28-32］，因而也可與Cl-/Br-反應產生鹵素自由基與磺胺氯噠嗪反應，使得Cl-/Br-對磺胺氯噠嗪的光解表現為促進效用.由于DOM可淬滅DOM光致產生的ROS，DOM與ROS反應可導致DOM的光漂白效用，致使DOM的光屏蔽效應減弱，從而使DOM-DOM相互作用對磺胺氯噠嗪光解表現為促進效用.

表2 響應面實驗設計中磺胺氯噠嗪光解的實驗條件和動力學參數Tab.2 Experimental conditions and kinetic parameters for the photodegradation of sulfachloropyridazine under the RSM experimental design

表3 響應面實驗中磺胺氯噠嗪二次方程式系數βx評估和假設檢驗Tab.3 Parameter estimates and hypothesis tests for the coefficientsβx of the quadratic model of sulfachloropyridazine

本研究對深入認識水體中溶解性組分的復合作用對抗生素光解的影響具有積極意義，同時研究結果對于發展基于水體中溶解性組分的光降解系統去除抗生素等污染物也具有重要借鑒意義.例如，海水養殖需要投加大量的抗生素，且目前養殖海水不經處理直接排放至周邊海域，致使海水養殖區域的抗生素濃度較高；海水中的DOM含量相比于淡水中的DOM普遍偏低，而鹵素離子的含量遠高于淡水.由RSM的統計結果可知，海水中抗生素的降解速率要高于淡水中，因而發展基于海水中典型溶解性組分的光降解技術策略對于解決海水養殖區域抗生素污染具有重要意義.

本研究基于響應面法（RSM）探討了海水中典型的溶解性組分對磺胺氯噠嗪光降解的影響，發現在P＜0.05顯著水平，溶解性有機質（DOM）、NO3-、Cl-和DOM-DOM相互作用是影響磺胺氯噠嗪光降解的顯著性因素；DOM由于其競爭光吸收和淬滅活性中間體而對磺胺氯噠嗪光解表現為抑制效應；NO3-光介導產生·OH而促進磺胺氯噠嗪光解；Cl-可與激發態的磺胺氯噠嗪反應，產生鹵素自由基，進而促進磺胺氯噠嗪光解；DOM-DOM相互作用可導致DOM的光漂白效應，減弱了DOM的競爭光吸收促進磺胺氯噠嗪光解.