高鐵酸鹽氧化降解農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中抗生素磺胺的生態(tài)學效應

吳康 葉舟 華飛 張忠亮 姚有智

摘 要：利用高鐵酸鹽催化氧化農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中的抗生素磺胺（SA），可以達到高效降解效果;通過TOC/TOC0指標可以反映高鐵酸鹽在降解過程中的礦化效果。為了評價高鐵酸鹽的生態(tài)學效應，結果表明，在反應60min后，高鐵酸鹽對E. coli的抑制率逐漸降低。高鐵酸鹽可有效去除農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA，且降解過程中不會產(chǎn)生二次污染，或降解中間產(chǎn)物毒性低于有機污染物本身。采用LC-MS分析，磺胺的主要降解產(chǎn)物是苯磺酸和對硝基苯酚。

關鍵詞：高鐵酸鹽;抗生素磺胺;醫(yī)院廢水;生態(tài)學;降解產(chǎn)物

中圖分類號 X703.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）09-0144-04

Application and Ecological Effect of Ferrate Catalyzed Oxidation on Degradation of Antibiotic Sulfanilamide

WU Kang? ?YE Zhou? ?HUA Fei? ?ZHANG Zhongliang? ?YAO Youzhi

（School of Resources and Environment Science， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： Advanced ferrate oxidation technology can effectively degrade the antibiotic sulfanilamide （SA） in the pig industry wastewater. The TOC/TOC0 index shows that ferrate can achieve goodmineralization effect in the degradation process. Later， evaluate the ecological effect of ferrate， the result showed that the inhibition rate of ferrate on E. coli gradually decreased after 60min of reaction. Ferrate can effectively remove SA from the pig industry wastewater， and in the degradation process， there will be no secondary pollution， or the toxicity of degradation intermediates is lower than the organic pollutants themselves. Finally， the degradation products of sulfanilamide by the potassium ferrate were analyzed by LC-MS， which suggested that the degradation of sulfanilamide was mainly catalytic oxidation reaction， the degradation product was benzenesulfonic acid and p-nitrophenol.

Key words： Potassium ferrate; Antibiotic sulfanilamide; Hospital wastewater; Ecology; Degradation product

抗生素磺胺對人類疾病有著良好的治療效果，但是治療過后抗生素磺胺并不能完全被人體吸收，會隨著人體排泄物進入到環(huán)境中。隨著環(huán)境中抗生素磺胺濃度的不斷增加，必然會對一些低等生物造成危害，甚至會對人類健康造成傷害，從而對整個生態(tài)系統(tǒng)造成危害。農(nóng)村養(yǎng)豬業(yè)產(chǎn)生的廢水中含有大量的獸藥抗生素及其代謝物，使養(yǎng)豬業(yè)廢水成為抗生素污染環(huán)境的重要來源之一[1]。因此，抗生素磺胺的生態(tài)毒性及其風險評價尤為重要，是目前很多學者的研究熱點之一。高鐵酸鹽是一種新型環(huán)境友好型的材料，與傳統(tǒng)氧化劑相比，高鐵酸鹽的氧化還原電位最高[2]。

目前，國內(nèi)外對于磺胺類抗生素的水生生態(tài)毒性評價，主要以短期的急性毒性試驗方式，通過觀察生長發(fā)育，死亡等指標進行評價。Reinthaler等從污水處理廠中篩選出767株大腸桿菌，結果發(fā)現(xiàn)其中部分均具有一定的耐藥性，并且四環(huán)素的耐藥性高達57%[3]。Jiang等利用發(fā)光菌對四環(huán)素、磺胺類和喹諾酮類抗生素的毒性進行評價，結果也證明這幾種抗生素對發(fā)光菌有一定的毒性[4]。De Liguoro等以大型蚤為目標，觀察6種常見的磺胺類抗生素對它的急性毒性（48h），結果也證明磺胺類抗生素對生態(tài)系統(tǒng)中生物具有毒害作用[5]。

本研究旨探究高鐵酸鹽對農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中的SA的去除情況，探索高鐵酸鹽氧化方式對SA的礦化效果，并通過大腸桿菌的毒性實驗，評價高鐵酸鹽氧化方式的生態(tài)學效應。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑 磺胺（Sulfanilamide，SA），含量均大于98%，購自于中國上海的阿拉丁公司;試驗所需試劑：甲醇、乙酸和乙腈均為色譜純試劑，其他試劑為分析純。大腸桿菌（No.1.1564）購自于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心。LB培養(yǎng)基（g/L）：牛肉浸膏5.0，蛋白胨10.0，NaCl 5.0，pH=7.0;固體培養(yǎng)基中瓊脂粉的加入比例為1.8%，121℃高壓滅菌30min。

1.2 主要儀器設備 高效液相色譜儀：Agilent 1220美國安捷倫;超聲波清洗機：SB25-12DTN寧波新芝生物科技股份有限公司;pH計：雷磁PHS-3C上海儀電科學儀器股份有限公司;超凈工作臺：SW-CJ-FI，上海華光儀器儀表廠;電熱恒溫培養(yǎng)箱：DNP-9028AE，上海三發(fā)科學儀器有限公司;全自動菌落計數(shù)器：30D，杭州通信科技有限公司;TOC/TN分析儀：3100，德國耶拿。

1.3 環(huán)境廢水的收集 本試驗所采用的農(nóng)村養(yǎng)豬廢水，收集于位于安徽省農(nóng)村某一大型養(yǎng)豬場，該養(yǎng)豬場平時養(yǎng)豬量大，用藥量大。降解前后實際廢水中的質量參數(shù)如表1所示。

1.4 試驗方法 K2FeO4與農(nóng)村養(yǎng)豬廢水的反應在500mL錐形瓶中進行，試驗采用恒溫平衡振蕩法（25±2℃，180r/min），100mL的醫(yī)院廢水首先加入錐形瓶，之后添加100mLK2FeO4溶液，在不同反應時間點進行取樣，為終止反應會加入1mL水楊酸，過0.45μm濾膜，利用高效液相色譜儀進行測樣。反應液的pH使用磷酸鹽緩沖液進行調節(jié)。

TOC/TN試驗：試驗收集25mL反應60min后的樣品，使用TOC/TN分析儀，對其礦化效果進行檢測。

大腸桿菌（E.coli）試驗：E.coli利用LB培養(yǎng)基進行培養(yǎng)，37℃振蕩培養(yǎng)至對數(shù)生長期備用。將部分細菌接種到一定體積、含有不同濃度的氧化劑的新鮮培養(yǎng)基中，在電熱恒溫培養(yǎng)箱中37℃進行培養(yǎng)，測定大腸桿菌的菌落數(shù)。

1.5 分析方法 磺胺抗生素采用Agilent 1220高效液相色譜儀（紫外檢測器）測定，色譜柱為Agilent HC-C18色譜柱（4.6mm×250mm，5μm）。流動相采用乙腈和0.4%乙酸溶液，兩者體積比為70∶30;流動相流速：1mL/min;柱溫：40℃;檢測波長：270nm;進樣量：20μL。

利用液相色譜三重四級桿串聯(lián)質譜儀（Agilent 1290+G6460）對磺胺抗生素降解產(chǎn)物進行分析。采用C18柱（2.1×100mm，1.7μm），流動相（乙腈和0.4%乙酸，30：70）流速0.2mL/min，電噴霧電離正離子模式，毛細管電壓4.0kV，噴霧器壓力45psi，氣體流量6.0L/min，氣體溫度325℃。

利用TOC/TN分析儀對高鐵酸鹽降解SA后的礦化效果進行測定。TOC/TN分析儀中豎爐溫度：800°C;樣品進樣量：500μL;潤洗量：1000μL;最大積分時間：180s，重復檢測3次。

1.6 數(shù)據(jù)分析 大腸桿菌（E. coli）抑制率用下列公式進行計算：

Y（%）=[（Ymax?Yt）/Ymax]×100

式中，Yt為不同F(xiàn)e（VI）投加量時E.coli的菌落數(shù)，Ymax為空白實驗中E. coli的最大菌落數(shù)[6]。

2 結果與分析

2.1 高鐵酸鹽對醫(yī)院廢水中抗生素磺胺的降解動力學 通過前期研究可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e（VI）可以作為化學氧化劑催化降解SA，因此本研究考察了Fe（VI）在農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中對SA的降解效率。檢測到農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA的濃度為12ng/L，由于濃度過低，本研究向農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中添加SA溶液，濃度分別為0.1、0.2、0.4、0.8和1.6mg/L。如圖1所示，降解10min后，初始濃度為0.1mg/L的廢水，溶液中的SA的降解率為95.9%;當初始濃度升高到1.6mg/L時，SA的去除率下降至92.0%?？梢?，F(xiàn)e（VI）可作為去除農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA污染的有效氧化劑。

2.2 高鐵酸鹽對廢水中抗生素磺胺的機理

2.2.1 礦化效果 通過對TOC/TOC0和E. coli抑制率的測定，考察了高鐵酸鹽催化氧化降解磺胺類抗生素的應用和生態(tài)學效應。Fe（VI）可以作為化學氧化劑去除SA，因此，F(xiàn)e（VI）也可被用來降解農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA。Yang等報道稱，自然水體中有一個初始TOC值，因此懸浮于自然水體中的顆粒會降低對污染物的去除效率[7-9]。本研究采用TOC相對濃度（TOC/TOC0）指標，考察Fe（VI）對環(huán)境廢水中SA的去除效果。反應60min后，環(huán)境廢水中TOC相對濃度（TOC/TOC0）如圖2所示。由圖2可知，隨著Fe（VI）濃度的增加，TOC/TOC0逐漸降低。當Fe（VI）濃度為2.50mmol/L時，TOC/TOC0為0.2019，證明Fe（VI）可以將SA完全氧化，并且礦化效果明顯。這一現(xiàn)象可能與Fe（VI）較強的氧化能力有關，使SA更容易被氧化降解。之前報道指出，F(xiàn)e（VI）能夠將印刷廢水中的污染物完全礦化，因其具有很強的氧化能力[10]，與試驗結果一致。因此，通過對TOC相對濃度（TOC/TOC0）指標的考察，證明Fe（VI）可以有效地去除環(huán)境廢水中的SA。

2.2.2 降解機理 Fe（Ⅵ）通過還原途徑容易轉化為Fe（Ⅲ），并且可以產(chǎn)生[·OH]，之后[·OH]進攻磺胺類抗生素上的不同位點，從而降解磺胺類抗生素（1～4）[11];大部分的[·OH]重新聚合形成H2O2，F(xiàn)e（Ⅲ）可以進行芬頓反應，進而產(chǎn)生更多的[·OH]，促進磺胺類抗生素的降解（5～6）[12]：

[2FeO2-4+3H2O2Fe（OH）3+5[O]] （1）

[[O]+H2O2·OH] （2）

[2·OHH2O2] （3）

[2H2O22H2O+O2 ] （4）

[Fe3++H2O2Fe2++HO2·+H+] （5）

[HO2·+H2O2O2+H2O+·OH] （6）

2.3 高鐵酸鹽對廢水中抗生素磺胺的生態(tài)學效應 采用E.coli抑制率指標來考察Fe（VI）對農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA降解實驗的毒性效應。反應60min后，隨著Fe（VI）濃度的增加，對E. coli抑制率如圖3所示。如圖3所示，隨著Fe（VI）濃度的增加，對E. coli的抑制率逐漸降低。Fe（VI）濃度為0mmol/L時，SAs對E. coli的抑制率為96.27%。隨著Fe（VI）濃度增加到2.50mmol/L時，E. coli的抑制率逐漸降低至10.28%，相對應的TOC/TOC0降低至0.2019，說明Fe（VI）對環(huán)境廢水中SA的氧化過程，導致SA抗菌性能消失[13-14]。這一結果的出現(xiàn)，可以歸因于農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中SA的濃度較低，或任何氧化產(chǎn)物的抗菌性能仍可能低于最低的抑菌濃度。

2.4 降解途徑及產(chǎn)物 利用LC-MC對高鐵酸鹽氧化磺胺的產(chǎn)物進行分析，并分析與推測磺胺氧化反應途徑。從圖4可以看出，高鐵酸鹽氧化磺胺的主要產(chǎn)物為核質比（m/z）140和159的物質;圖5為推測的高鐵酸鹽降解磺胺反應途徑。Sesegma和Dong等提出Fe（Ⅵ）催化產(chǎn)生的·OH可以攻擊磺胺上的多個位點，促使C-N鍵斷裂，也可進攻磺胺分子上的對位氨基（-NH2）[15-16]。本實驗中，·OH首先進攻磺?；系陌被?，使其被氧化成硝基，由于高鐵酸鹽氧化能力很強，產(chǎn)生的·OH會繼續(xù)將硝基氧化成羥基，并進攻對位上的氨基，使C-N鍵斷裂，形成核質比為159的苯磺酸;同時，產(chǎn)生的·OH會進攻苯環(huán)使C-S鍵斷裂，并將對位上的氨基氧化成硝基，從而形成核質比為140的對硝基苯酚。

通過TOC檢測結果發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鹽氧化技術對磺胺的降解不徹底，無法將磺胺的苯環(huán)打開，礦化程度低。但高鐵酸鹽催化氧化產(chǎn)生的·OH可以進攻磺胺上的多個位點，主要是由于高鐵酸鹽酸性條件下氧化還原電位可達到+2.20V，高于其他所有應用于水處理工藝的氧化劑。

3 結論

（1）高鐵酸鹽對抗生素磺胺的降解是一個非生物作用的化學降解，降解10min后，初始濃度為0.1mg/L的廢水，農(nóng)村養(yǎng)豬廢水中的SA的降解率可達到95.9%。因此，F(xiàn)e（VI）可作為去除實際廢水中SA污染的有效氧化劑。

（2）生態(tài)系統(tǒng)中，磺胺抗生素對大腸桿菌有一定的抑制作用，利用大腸桿菌毒性實驗，證明高鐵酸鹽可以降解抗生素磺胺。

（3）采用LC-MS對磺胺的降解產(chǎn)物進行分析，結果表明，利用高鐵酸鹽降解磺胺的主要降解產(chǎn)物是苯磺酸和對硝基苯酚。

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（責編：張宏民）