UV/PMS/H2O2體系對他汀類藥物的去除作用及機制研究*

趙孟雷，袁守軍

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類的壽命得到了延長，但同樣，高齡人口的患病率也隨之上升。據(jù)統(tǒng)計，2019年全球有5.23億人口患有心血管疾病[1]，各類治療心腦血管疾病藥物的使用量逐年增加，其中，他汀類藥物因在調(diào)血脂、降膽固醇等方面作用顯著而被廣泛應用，在2017～2019年，瑞舒伐他汀的銷售額位居全球第43位，而阿托伐他汀的銷售額則位于全球第68位。這些藥物被服用后大部分被排出，再經(jīng)由市政管網(wǎng)進入污水廠，但現(xiàn)有污水處理工藝對大部分藥物的去除效果不佳，每年有大量殘留藥物隨著污水廠尾水進入環(huán)境水體，從而對水生生物及生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅[3]。

紫外線(UV)消毒因具有殺菌效果優(yōu)良、不產(chǎn)生新的消毒副產(chǎn)物等特點而被用作污水廠尾水的消毒工藝，以此為基礎(chǔ)的UV光催化的研究也一直受到人們的關(guān)注[4]。過硫酸氫鉀(PMS)和過氧化氫(H2O2)常作為氧化劑被用于有機物的降解。本研究構(gòu)建了UV/PMS/H2O2體系，開展了典型他汀類藥物的降解實驗，研究不同實驗條件對于他汀類藥物去除的影響作用，探討其降解機理，從而為該類藥物的進一步去除提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試劑和設(shè)備

瑞舒伐他汀鈣(ROSC，99%)和阿托伐他汀(ATV，99%)，Aladdin公司，甲醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有機溶劑，均為HPLC級，上海安譜實驗科技股份有限公司；其他藥物均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

GC-MS(Clarus 680+Clarus SQ 8 T)，美國PerkinElmer；高效液相色譜(1260 Infinity)，美國Agilent;TOC分析儀(UltiMate)，美國DIONEX。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設(shè)計

降解產(chǎn)物分析實驗。分別取10 mg/L的ATV和ROSC各 200 mL置于恒溫水浴中，加入適量PMS(1 g/L)和H2O2(1 g/L)儲備液配成10 mg/L的氧化劑(PMS: H2O2=1:1)濃度，立刻打開UV燈進行氧化，反應分別進行120 min(ATV)、10 min(ROSC)后取反應液10 mL于20 mL棕色瓶當中，過0.22 μm濾膜。用GC-MS分析其降解產(chǎn)物；用TOC分析儀分析其礦化效果。

1.3 樣品預處理及分析方法

1.3.1 HPLC方法

水樣中的ROSC和ATV濃度由HPLC進行檢測，色譜柱型號為Wonda Cract Ods-2，柱溫30 ℃，進樣量20 μL。ROSC的液相條件：流動相0.1%三氟乙酸:水:乙腈(V:V:V)=1:49:50，流速0.9 mL/min，檢測波長245 nm；ATV液相條件：流動相：1%甲酸:乙腈(V:V)=25:75，流速0.9 mL/min，檢測波長：242 nm。

1.3.2 水樣預處理和降解產(chǎn)物分析方法

樣品預處理。取出1 mL樣品，經(jīng)冷凍干燥后加入2 mL甲醇溶解，然后經(jīng)輕柔氮氣吹干，用600 μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)重新溶解，然后通過0.45 μm混合纖維素酯膜過濾。加入體積為100 μL的衍生試劑BSTFA，用非極性三甲基甲硅烷基取代酸性氫；最后，在70 ℃下衍生化1 h后，使用GC-MS分析衍生化的樣品。

GC-MS條件：色譜柱：HP-5MS毛細管柱(Agilent，30.0 m×320 μm×0.25 μm)；升溫程序：50 ℃保持5 min，然后以 5 ℃/min升高至200 ℃并保持2 min，再以20 ℃/min升高至300 ℃并保持1 min；進樣器溫度250 ℃；進樣量1.0 μL；離子源溫度250 ℃；傳輸線溫度250 ℃；載氣為高純He，氣體流量1.0 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同氧化體系對他汀類藥物的降解作用

Litvic等發(fā)現(xiàn)瑞舒伐他汀是一種光敏性有機化合物在可見光條件下就可以產(chǎn)生兩種光產(chǎn)物。William在研究中發(fā)現(xiàn)，紫外催化鎂鈦基催化劑對于ATV最大去除率不超過20%。為了進一步探究不同氧化體系對他汀類藥物的降解效果，實驗中分別研究了PMS、H2O2、PMS/H2O2、UV、UV/PMS、UV/H2O2和UV/PMS/H2O2七種氧化體系對ATV和ROSC的降解作用。ATV和ROSC在各體系中的降解效果如圖1所示。在H2O2體系中，ROSC的去除率最僅為10.13%(180 min)；在PMS體系中，ATV的最高降解率為20.45%。而在UV催化條件下，ATV和ROSC降解速率明顯提升，這是由于紫外線激發(fā)PMS及H2O2產(chǎn)生活性自由基，系統(tǒng)氧化性能增強。

圖1 不同氧化體系下他汀類藥物的降解情況

臨床痊愈：中醫(yī)臨床癥狀、體征消失或基本消失，證候積分減少≥90%；顯效：中醫(yī)臨床癥狀、體征明顯改善，證候積分減少≥70%；有效：中醫(yī)臨床癥狀、體征有所改善，證候積分減少≥30%；無效：中醫(yī)臨床癥狀、體征無明顯改善，證候積分減少＜30%。

2.2 淬滅劑實驗

圖2 不同淬滅劑條件他汀類藥物的降解實驗

2.3 實驗條件及環(huán)境因素影響

2.3.1 pH影響

圖3 不同pH條件降解效果

(1)

(2)

在酸性條件下，羥基自由基受到氫離子消耗，同時過硫酸氫鉀在酸性條件下活化受到抑制，氧化基團減少導致了兩種他汀類藥物的降解速率大幅度下降，ROSC的動力學常數(shù)kpH=4(0.0268 min-1)

2.3.2 碳酸氫根影響

圖4 碳酸氫根離子對他汀類藥物降解的影響

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3.2 氯離子影響

當氯進入體系時，發(fā)生如式(8)～式(11)的反應[11]；在諸多反應的綜合作用下，隨著氯離子濃度的增加，他汀類藥物的降解過出現(xiàn)抑制和促進交替呈現(xiàn)的規(guī)律(圖5)。

圖5 氯離子對于他汀類藥物降解的影響

(8)

(9)

(10)

(11)

2.3.2 腐殖酸影響

圖6 腐殖酸對于他汀類藥物降解的影響

2.4 礦化率及降解產(chǎn)物分析

在UV/PMS/H2O2體系各反應條件下，ATV的去除率在48.7%～63.7%之間，礦化率在1.66%～6.82%之間；ROSC的去除率在89.7%～95.0%之間，礦化率在1.49%～6.21%之間(圖7)。這表明他汀類藥物雖然有較好的去處效果，但系統(tǒng)中仍殘留較多有機物。結(jié)合GC-MS的分析結(jié)果可知(表1)，系統(tǒng)中仍存在大量小分子有機物，如含羧基、酰胺基團的化合物。這些小分子有機物的環(huán)境效應進一步關(guān)注。

圖7 不同體系對他汀類藥物去除效果和礦化效果

表1 ATV降解產(chǎn)物分析

3 結(jié) 論

本文主要對兩種他汀類藥物的高級氧化降解進行進行了研究。結(jié)論如下：

(1)相對單獨的UV/PMS和UV/H2O2體系，UV/PMS/H2O2體系對他汀類藥物表現(xiàn)出更好的去除效果，但系統(tǒng)中仍存在大量含有羧基、羰基和酰胺基團的小分子有機物。兩種他汀類藥物的降解過程均符合偽一級動力學。