電子束輻照降解水體中磺胺間甲氧嘧啶

張 洋 ,付興明 ,羅 敏 *,肖 揚 ,馬玲玲 ,徐殿斗 ,宋浩軍 ,顧建忠 ,吳明紅 ,徐 剛 ** (.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海 00444；.中國科學(xué)院高能物理研究所,核技術(shù)應(yīng)用研究中心,北京 00049)

磺胺間甲氧嘧啶(SMM)是磺胺類藥物的一種,因抗菌效果好,被大量應(yīng)用于治療和預(yù)防獸禽的疾病[1].該藥品難以被動物完全吸收,會以母體或代謝物的形式殘留于動物體內(nèi)及排泄物中,最終進(jìn)入土壤、水體等環(huán)境介質(zhì),并循環(huán)進(jìn)入農(nóng)作物,對環(huán)境和人體健康造成危險[2-3].現(xiàn)有研究表明磺胺類藥物在人體內(nèi)蓄積到一定程度會破壞人的正常免疫機能、造血系統(tǒng)、腦神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)[4-5],且會導(dǎo)致微生物產(chǎn)生抗性基因,對生物體的生育能力和甲狀腺造成影響[6].

有研究報道 SMM 會抑制水生生物的生長[7].國內(nèi)外一些河流、地下水都檢測出磺胺類藥物,濃度達(dá)到 ng/L[8-11]的級別.因此殘留 SMM 的水環(huán)境行為備受關(guān)注.目前報道的污水處理廠傳統(tǒng)生物工藝法對磺胺類藥物的去除率最高只有60%[12-14].其他去除水中SMM 的方法有 Fenton氧化法[15]、過硫酸鹽高級氧化法[16]、光催化[17]等.這些方法需要消耗大量的試劑,容易引起二次污染,處理的條件苛刻,且不適合處理大量廢水.因此,研發(fā)去除水體中SMM的環(huán)境友好的高效方法非常重要.

近年來,輻照法因其操作簡單、降解率高、且不引入二次污染等優(yōu)點,在去除水體中難降解污染物方面受到人們的日益關(guān)注.γ射線和電子束輻照降解水體中的磺胺嘧啶、甲砜霉素、氟苯尼考、鄰苯二甲酸二甲酯、卡馬西平、雙酚A等有機污染物時,在低于 5.0kGy的劑量下,均有較好效果[18-23].電子束輻照在去除水體中有機污染物領(lǐng)域已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力,但也存在一些問題.例如,在輻照過程中,有機污染物的礦化程度較低,水中溶解的有機物、懸浮的固體、無機鹽都在一定程度上抑制了降解;另外,輻照后產(chǎn)物的毒性需要評估.

本研究通過電子加速器輻照降解水中的 SMM,探究了去除過程中叔丁醇、碳酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉和硝酸鈉對輻照降解的影響.利用超高效液相質(zhì)譜聯(lián)用檢測輻照降解產(chǎn)物并推測其降解途徑,并通過發(fā)光細(xì)菌(費氏弧菌)初步評估了降解中間體的毒性.

1 材料與方法

1.1 試劑

磺胺間甲氧嘧啶(99.0%)(CAS: 1220-83-3)購于國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng).叔丁醇(t-BuOH)、碳酸鈉、氯化鈉、硫酸鈉、硝酸鈉和過氧化氫購于北京化工廠.發(fā)光細(xì)菌(費氏弧菌)購于北京濱松光子技術(shù)股份有限公司.實驗過程中使用的水均為 Milli-Q過濾所得二次水,其電阻率≥18.2M?·cm.

1.2 儀器

輻照設(shè)備采用電子加速器(BF-5型,北京師范大學(xué)),電子束能量為 3MeV.超高效液相色譜儀(UHPLC)Waters Acquity配備自動進(jìn)樣裝置、紫外檢測器和二元溶劑管理器.質(zhì)譜配備電噴霧電離源(ESI-MS)、Bruker Micro TOF-Q II來檢測各條件下輻照后的降解產(chǎn)物.離子色譜IC(Dionex ICS5000).采用Spark 10M酶標(biāo)儀測試發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強度.電子天平(Mettler Toledo AT 201).

1.3 樣品的制備

SMM 水溶液的初始濃度均配成 10mg/L, 輻照劑量設(shè)定了0.5,1.0,2.0,3.0,5.0,7.5和10.0kGy共7個梯度,樣品均在 25℃下輻照.輻照劑量率設(shè)定為50Gy/s,通過輻照時間來控制吸收劑量,輻照劑量與輻射吸收劑量之間的權(quán)重因子取1.實驗條件設(shè)置為:(1)空氣飽和;(2)氮氣飽和;(3)空氣飽和,叔丁醇;(4)氮氣飽和,叔丁醇;(5)空氣飽和,硝酸鈉;(6)氮氣飽和,硝酸鈉;(7)空氣飽和,硫酸鈉;(8)氮氣飽和,硫酸鈉;(9)空氣飽和,碳酸鈉;(10)氮氣飽和,碳酸鈉;(11)空氣飽和,氯化鈉;所有添加劑的濃度均為5mmol/L.每個條件均設(shè)置3個平行樣品.樣品檢測前均放入冰箱中冷藏.

1.4 分析方法

液相色譜柱為UHPLC BEH C18 (2.1mm×50mm,1.7μm),預(yù)保護(hù)柱為 UHPLC BEH C18(2.1mm×5mm,1.7μm).UHPLC流動相是A相與B相的混合溶液,其中A相為二次水(0.5%甲酸溶液),B相為乙腈(0.5%甲酸溶液),通過梯度洗脫:0～5min, B 相從 0%增加到5%;5～10min,B相從5%增加到25%;10～14min,B相從25%增加到 40%;14～16min,B相從 40%增加到 90%;16～18min,B相從90%增加到100%;18～20min,B相維持100%不變.紫外檢測波長設(shè)定為254nm. 流速設(shè)定為300 μL/min.柱溫設(shè)定為25.℃進(jìn)樣量為10μL.液質(zhì)聯(lián)用UHPLC-MS流動相同上述A相與B相的混合溶液.通過梯度洗脫:0～9min,B 相從 0%增加到 5%;9～15min,B相從5%增加到25%;15～20min,B相從25%增加到 50%; 20～25min,B相從 50%增加到 75%;25～26min,B相從75%增加到90%; 26～27min, B相從90%增降低到60%; 27～28min, B相從60%增降低到20%;28～29min,B相從20%增降低到0%; 29～30min,B相維持 0%不變.流速設(shè)定為 300μL/min.柱溫設(shè)定為25.℃進(jìn)樣量為10μL.輻照后物質(zhì)濃度通過UHPLC測試的峰面積與標(biāo)準(zhǔn)曲線對比計算得出,進(jìn)一步可獲得去除率.m/z值直接讀出.

2 結(jié)果與討論

2.1 輻照吸收劑量對SMM去除率的影響

電子束輻照是一種高級氧化-還原技術(shù).電子束輻照水時會產(chǎn)生很多活性粒子,如氧化性的?OH,還原性的eaq-和?H,反應(yīng)式(1)所示.這些活性粒子可與水中的有機化合物發(fā)生反應(yīng)[19-25],從而破壞分子結(jié)構(gòu),形成小分子產(chǎn)物或者完全礦化的水和二氧化碳等.

圖1 空氣飽和時水溶液中SMM去除率與輻照劑量關(guān)系曲線Fig.1 Degradation curve of SMM in aqueous solution saturated with air

初始濃度為10mg/L,pH值為6.9的SMM水溶液經(jīng)輻照后,去除率與輻照吸收劑量的曲線示于圖 1.隨著輻照劑量的增加,SMM 水溶液的濃度逐漸降低,在吸收劑量為3.0kGy,耗時1min時, SMM的去除率已達(dá) 99.5%.而 Pi等[17]通過 UV/Oxone法降解處理5mg/L的 SMM 水溶液 90min后,去除率才能達(dá)到96.8%. Yan等[16]使用 Fe3O4納米粒子催化的 S2O82-氧化法處理16.86mg/L的SMM水溶液時,最快15min降解完全.數(shù)據(jù)顯示電子束輻照是移除水體中的SMM的高效方法.

2.2 自由基清除劑對SMM去除率的影響

為了驗證各活性粒子在降解過程中的貢獻(xiàn), 考察了air, N2, air/t-BuOH和N2/t-BuOH這4組條件下SMM 去除率的變化情況,所有樣品 pH值均為中性.從圖2a和表1可知,吸收劑量為0.5kGy時,水溶液在空氣和氮氣飽和的情況下,SMM 的去除率分別為38.3%和69.2%. air/t-BuOH和N2/t-BuOH體系下的去除率分別為33%和57%.氧氣主要與eaq-和?H反應(yīng)生成 O2-?和 HO2?,叔丁醇與?OH 和?H 反應(yīng)生成?t-BuOH[26-27].從圖2a中可以看出,氧氣存在時SMM的去除速率較慢.空氣和氮氣條件下的對比顯示了還原性eaq-和?H能有效促進(jìn)SMM的去除.從air和 air/t-BuOH相比,當(dāng)向空氣飽和的條件中加入 5mmol/L的叔丁醇,SMM的去除率只下降了5%,?OH在輻照降解 SMM 的過程中作用不是特別明顯.說明在輻照時,SMM 分子會與活性粒子同時發(fā)生氧化和還原反應(yīng),生成小分子等中間體,但還原反應(yīng)更為重要.

圖2 不同添加劑(5mmol/L)對水溶液中SMM去除率的影響Fig.2 Effects of different additives on SMM degradation

2.3 無機鹽對SMM去除率的影響

自然水環(huán)境中,SMM與各種粒子如無機離子、溶解的有機物和懸浮的固體共存.碳酸鈉、硝酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉等無機鹽在污水中普遍存在.有研究指出 NO3-、SO42-、Cl-會顯著影響高級氧化法降解有機污染物的效率[28-30].本研究選用了上述4種無機鹽來探索無機陰離子的影響.

圖2b顯示了空氣和碳酸鈉對SMM水溶液的去除影響,碳酸鈉(5mmol/L)加入后,降解效率顯著降低.吸收劑量為0.5kGy時,N2/Na2CO3和air/Na2CO3兩種體系下的去除率分別為 34%和 24%;1.0kGy時,去除率分別為 56%和 42%.CO32-存在時,會與?OH 和 eaq-反應(yīng),在air/Na2CO3體系中,O2會與eaq-和?H反應(yīng)生成O2?-和HO2?從而使3種自由基粒子的濃度均降低[27].結(jié)合這些數(shù)據(jù)仍可以分析出,電子束輻照降解 SMM的過程中,還原過程占主導(dǎo)作用.

本實驗中,氯化鈉對輻照降解 SMM 水溶液影響甚微,主要是因為 Cl-與?OH 反應(yīng)的過程是一個可逆的過程,而 eaq-和?H 不能直接與 Cl-反應(yīng),故氯化鈉的影響較小.而 NO3-和 SO42-影響顯著.圖 2c、2d分別顯示的是硝酸鈉、硫酸鈉對電子束輻照降解SMM的影響.吸收劑量為 0.5kGy時,N2/NaNO3和 air/NaNO3兩種體系下的去除率分別為44%和12%.NaNO3存在時降解速率下降.在 air/NaNO3的體系下,輻照劑量在10.0kGy才能降解完全. NO3-離子主要與還原型e-aq快速反應(yīng)(k= 9.7×109L/(mol?s)),與?H 也反應(yīng)[31],表 1 中的反應(yīng)速率常數(shù)數(shù)據(jù)也說明了 NO3-離子的阻礙作用.eaq-在該體系輻照過程中作用顯著.

表1 不同條件下電子束輻照降解SMM水溶液的動力學(xué)數(shù)值、主要活性粒子和0.5kGy下的去除率Table 1 Kinetic values, main radicals and removal rates at 0.5kGy of EBI induced SMM degradation under different conditions

從圖 2d中可以看出,硫酸鈉(5mmol/L)也抑制降解過程,吸收劑量為 0.5kGy時,N2/Na2SO4和air/Na2SO4兩種體系下的去除率分別為 43%和 22%.在 1.0kGy,分別為 88%和 50%.在 3.0kGy,兩種體系下,SMM 基本完全降解.SO42-是還原性自由基 eaq-的清除劑[27](k=1.0×106L/(mol?s)). SO42-與 eaq-反應(yīng)生成SO43-,從而使還原性自由基濃度降低從而影響輻照降解.

所有去除率曲線中每個樣品設(shè)置了3平行樣,數(shù)據(jù)誤差均低于0.03,故圖中未給出誤差線.

2.4 動力學(xué)數(shù)據(jù)分析

電子束輻照降解 SMM 水溶液在本研究的各個條件下都遵循一級反應(yīng)動力學(xué)(R2＞0.90),如式(2)所示.

式中:C0代表SMM的初始濃度;C代表處理后剩余濃度;D代表吸收劑量kGy;κ代表降解速率kGy-1;b代表反應(yīng)常數(shù).

從表 1可以看出,在空氣、氮氣飽和的情況下,SMM的降解速率κ分別為1.71和1.88.說明還原性自由基對降解SMM起到一定的作用.當(dāng)向氮氣飽和體系中加入5mMt-BuOH,降解速率κ下降到1.69.說明?OH在降解過程中也起到關(guān)鍵性作用.從κ大小可以看出,CO32-,NO3-離子對SMM水溶液的輻照降解影響較大.air/Na2CO3和 air/NaNO3體系中,多種活性粒子被消耗,所以降解速率常數(shù) κ僅為 0.44,0.45.結(jié)合表1和各條件下去除率曲線,可以得出在輻照降解SMM水溶液的過程中,?OH、eaq-、?H能參與到破壞分子結(jié)構(gòu),生成小分子中間體的反應(yīng)過程.這一結(jié)果與前面的結(jié)論一致.在不同條件下的降解過程遵循一定規(guī)律,有利于優(yōu)化輻照工藝和大規(guī)模污水處理的應(yīng)用.

2.5 降解產(chǎn)物檢測和分析

有機分子的降解反應(yīng)與分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān),理論與實驗相結(jié)合有助于獲得可靠的降解途徑.本研究中根據(jù)高斯03軟件在B3LYP/6-31G (d)下對SMM 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理,計算出各個原子的電負(fù)性強度和各原子間的鍵長.通過電負(fù)性的強弱和鍵長的大小來推斷可能發(fā)生斷鍵的位置.

圖3 SMM的分子結(jié)構(gòu)及模擬的電荷分布Fig.3 Molecule structure and theoretical charge distribution of SMM

結(jié)合 UHPLC-MS檢測得到質(zhì)荷比,以及不同實驗條件和去除率下產(chǎn)物的類型,推測可能的中間產(chǎn)物和相應(yīng)的降解途徑.通過對分子式的計算和裂片峰的分析,提出了9個主要降解產(chǎn)物的分子式.對應(yīng)的質(zhì)荷比和分子式示于表2.

圖3顯示的是計算所得的自然狀態(tài)下SMM分子內(nèi)各原子電荷分布及原子間鍵長.從中可以看出N[8](-0.790795),N[11](-0.772721)有著第一強和第二強的電負(fù)性,且 N[11]―S[7]的鍵長最長,故電子束輻照降解SMM時, N[11]―S[7]最容易被?OH攻擊而斷裂,N[8]也容易被氧化.

推測出電子束輻照 SMM 水溶液的降解路徑如圖 4所示.9種中間產(chǎn)物中,TP126,TP127,TP217和TP297在前人研究磺胺-4-甲氧嘧啶的高級氧化過程中也被證實[16-17],另5種首次被檢測出來.電子束輻照降解過程中, SMM在低的吸收劑量時,首先在?OH的氧化下,生成了中間體TP297和TP327,高劑量下消失.在eaq-和?H還原作用下形成中間產(chǎn)物TP283和TP285.另一方面由于 N[11]-S[7]極度的不穩(wěn)定,被?OH 攻擊進(jìn)而生成TP174和TP126.TP174的-NH2脫除后生成TP158,TP126被?OH 氧化生成 TP127,小分子進(jìn)一步開環(huán)后可被完全礦化.含有磺?；南盗谢衔镌诮到膺^程中,磺?；?SO2能被移除[32-34].該體系中,SMM被?OH氧化后也獲得了產(chǎn)物TP217.

表2 SMM水溶液降解過程中主要的中間產(chǎn)物Table 2 Transformation products of SMM solution after EBI degradation

圖4 推測的SMM降解途徑Fig.4 The probable degradation pathway of SMM

為了驗證分子脫硫脫氮情況,用離子色譜檢測了降解過程中生成的無機離子.SO42-,SO32-,NO3-,NO2-等被檢出.其中 SO32-,NO3-,NO2-非常微量,SO42-濃度具有一定規(guī)律,如表3所示.根據(jù)SO42-的濃度和SMM總含硫量計算出脫硫率.前面數(shù)據(jù)說明 3.0kGy時,SMM已經(jīng)降解完全,磺酰基都被破壞.從表中可以看出, 吸收劑量小于 3.0kGy時,SO42-的濃度隨著劑量增加,在 3.0～5.0kGy間,變化很小.離子色譜檢測數(shù)據(jù)與去除率相吻合.

表3 SMM水溶液輻照降解后SO42-濃度Table 3 The concentration of SO42- in SMM solution after EBI degradation

2.6 毒性評估

本實驗通過費氏弧菌的化學(xué)發(fā)光抑制率來評估SMM降解產(chǎn)物的毒性. 選取空氣飽和下輻照降解溶液組進(jìn)行毒性評估.由于初始濃度為10mg/L SMM水溶液對費氏弧菌沒有顯著的毒性, 所以我們未計算EC50,改用反應(yīng)式(3)計算了經(jīng)過輻照樣品處理15min后,發(fā)光細(xì)菌的抑制率[35].

圖5 SMM發(fā)光抑制率Fig.5 The bioluminescence inhibition rates of SMM solutions during EBI

為獲得準(zhǔn)確的降解產(chǎn)物的毒性數(shù)據(jù),本實驗根據(jù)前人的實驗方法[35-36],通過過氧化氫酶來除掉干擾物H2O2.經(jīng)驗證過氧化氫酶對費氏弧菌沒有生物毒性.從圖 5中可以發(fā)現(xiàn)費氏弧菌的發(fā)光抑制率隨著輻照劑量的增加先增加然后在2kGy后下降.在0.5kGy的輻照劑量下,費氏弧菌的發(fā)光抑制率達(dá)到了60%左右,在2kGy達(dá)到了最大值74%,然后當(dāng)劑量增加到5kGy時,抑制率下降到 8%.結(jié)合去除率和降解途徑,費氏弧菌的發(fā)光抑制率增強可能跟中間產(chǎn)物的濃度和結(jié)構(gòu)有關(guān).一些中間產(chǎn)物例如TP158、TP127、TP174可能有較高的毒性.當(dāng)輻照劑量達(dá)到2.0kGy時,SMM的去除率剛剛達(dá)到 92%,還未降解完全,基本上都降解為小分子物質(zhì),此時輻照處理后的樣品毒性最強.然而當(dāng)輻照劑量增加到 3.0kGy時,SMM 的去除率已達(dá)99.5%,小分子物質(zhì)得到進(jìn)一步降解或開環(huán),有機物礦化程度提高,樣品毒性明顯降低.輻照 5.0kGy后,輻照處理后的水溶液已經(jīng)小于 SMM 未降解前的毒性,說明電子束輻照在不引入二次污染物的情況下,能有效降解水體中的SMM.

3 結(jié)論

3.1 電子束輻照法是降解水體中 SMM (10mg/L)的高效清潔方法,在吸收劑量 3.0kGy,耗時 1min時, 去除率高于99%,基本完全降解.

3.2 多組實驗條件的結(jié)果表明,氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)對 SMM 的降解都起到了一定的促進(jìn)作用,而還原反應(yīng)在反應(yīng)過程中起到主導(dǎo)作用.輻照降解過程符合一級反應(yīng)動力學(xué).碳酸根、硝酸根、硫酸根陰離子在一定程度上都會抑制SMM的降解.

3.3 根據(jù)降解中間體的質(zhì)譜檢測結(jié)果,離子色譜的數(shù)據(jù),結(jié)合高斯03的理論計算,推測出了 9種可能的降解產(chǎn)物及相應(yīng)的降解途徑.

3.4 用費氏弧菌評估降解過程中的產(chǎn)物毒性,數(shù)據(jù)顯示生成了毒性較大的中間產(chǎn)物.當(dāng)吸收劑量增加到5.0kGy時,毒性低于原始溶液.