殼聚糖對四環(huán)素差向異構(gòu)體的吸附差異研究

張 冉，章耀鵬，陳 楊，沈忱思

（1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2. 寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 慈溪 315302）

近年來，四環(huán)素類抗生素的使用數(shù)量在全球范圍內(nèi)廣泛增加，其中，四環(huán)素（TC）作為一種廣譜抗生素，通常直接釋放到水環(huán)境中，對人體健康和水生生態(tài)系統(tǒng)造成巨大威脅［1］。由于四環(huán)素類抗生素含有多個可離解的官能團(tuán)，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在水中極易發(fā)生異構(gòu)化，生成四環(huán)類素差向異構(gòu)體［2-5］。該類差向異構(gòu)體的半衰期相對較長，細(xì)胞毒性比母體藥物大70倍，已被歐盟確定為四環(huán)素、金霉素和土霉素的殘留標(biāo)識物［6-9］。因此，在預(yù)防與消除四環(huán)素類母體污染物的同時，其異構(gòu)化產(chǎn)物急需關(guān)注。

去除水體中四環(huán)素類抗生素的方法主要有化學(xué)氧化法、電解法、光催化法、吸附法以及微生物法等［10-13］。其中，吸附法因其低成本、高效率、易操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而，目前多數(shù)研究的重點(diǎn)都集中在母體污染物的消除上，關(guān)注異構(gòu)體污染物的處理技術(shù)幾乎沒有［9，14，15］。四環(huán)類素差向異構(gòu)體在吸附行為和活性特征上表現(xiàn)出與母體藥物不同的性質(zhì)。例如，HALLING-S?RENSEN等［5］研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)類素差向異構(gòu)體在土壤表面的吸附行為較母體藥物減弱，增加了其向水體中遷移的能力，產(chǎn)生的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險不可忽視。這樣的改變也極有可能影響四環(huán)素類抗生素在水處理過程中與處理材料或試劑間的相互作用，對處理效果產(chǎn)生影響。

殼聚糖作為一種具有雙螺旋結(jié)構(gòu)和氨基葡萄糖單元的天然高分子，因其優(yōu)異的吸附性能和生物降解性而廣受關(guān)注［16］。本研究以殼聚糖作為吸附劑，探究了其對TC和差向四環(huán)素（ETC）的吸附去除效果，并對吸附影響因素和吸附機(jī)理進(jìn)行了研究和分析，為有效降低四環(huán)素類抗生素異構(gòu)化帶來的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

殼聚糖、鹽酸、檸檬酸（CA）、Na2HPO4、NaOH來自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，均為分析純。TC、ETC、乙腈來自百靈威科技有限公司，甲酸來自上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司，其中TC和ETC純度為90%～98%，乙腈和甲酸為色譜純。

高效液相色譜/電噴霧電離-質(zhì)譜聯(lián)用儀（Waters 3100型，上海沃特世公司），傅里葉變換紅外分光光度計（Nicolet6700型，中國賽默飛公司），X射線光電子能譜儀（ESCALAB 250XI型，中國賽默飛公司）、三維熒光光譜儀（Hitachi F-7000型，日本日立公司）。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

稱取一定量的殼聚糖加入到100 mL TC或ETC溶液中，通過改變單一因素（殼聚糖投加量、吸附pH、污染物初始質(zhì)量濃度、單一/混合溶液）條件進(jìn)行分批吸附實(shí)驗(yàn)，其中pH通過CA（0.01 mol/L）-Na2HPO4（0.02 mol/L）-NaOH（0.1 mol/L）緩沖體系調(diào)節(jié)。所有實(shí)驗(yàn)均在25 ℃攪拌條件下進(jìn)行，每隔一段時間用1 mL注射器取樣待測，每個條件下均設(shè)置3個平行實(shí)驗(yàn)。

1.3 分析方法

采用高效液相色譜/電噴霧電離-質(zhì)譜聯(lián)用儀測定TC/ETC的質(zhì)量濃度：色譜柱為Waters Atlantis T3型，2.1 mm×150 mm×5 μm，柱溫為30 ℃；流動相由1%（體積分?jǐn)?shù)，下同）甲酸水溶液（80%）和1%甲酸乙腈溶液（20%）組成，流量為0.2 mL/min；進(jìn)樣體積為10 μL；紫外檢測波長280 nm；毛細(xì)管電壓3.0 kV，源溫度120 ℃，去溶劑化溫度400 ℃，去溶劑化氣體流量400 L/h，倍增器電壓750 V；全掃質(zhì)荷比范圍設(shè)置為200～800。

吸附劑的表征：采用FTIR在波數(shù)400～4 000 cm-1范圍內(nèi)分析吸附劑的官能團(tuán)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)；通過XPS分析吸附劑表面的元素化學(xué)狀態(tài)；采用EEM在激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為300～600 nm和350～650 nm范圍內(nèi)分析吸附劑的EEM光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖對TC和ETC的吸附效果

在未調(diào)節(jié)吸附pH、污染物初始質(zhì)量濃度為1×10-6mol/L的條件下，殼聚糖投加量對TC和ETC去除率的影響如圖1所示。

圖1 殼聚糖投加量對TC和ETC去除率的影響

隨著殼聚糖的投加量從1 g/L增加到3 g/L，TC和ETC的去除率也逐漸增加。從長時間看，ETC的去除率略高于TC，3 g/L殼聚糖對TC和ETC的去除率在24 h后分別達(dá)到了69.75%和75.04%。但在短時間內(nèi)，ETC的去除率明顯高于TC，尤其是殼聚糖投加量較少時差距更為顯著，1 g/L殼聚糖對TC及ETC的去除率在6 h時分別為31.74%和46.33%。

pH是影響四環(huán)素存在形態(tài)及吸附效率的重要因素。在殼聚糖投加量為3 g/L、污染物初始質(zhì)量濃度為1×10-6mol/L的條件下，吸附pH對TC和ETC去除率的影響如圖2所示。由圖2可見：pH對TC和ETC吸附的影響趨勢基本一致，在pH=6.03時吸附效果最佳；而隨著pH的升高或降低，吸附效果均明顯下降。雖然吸附24 h后殼聚糖對TC及ETC的去除效果接近，但短時間內(nèi)，尤其是工況條件不佳時，ETC的吸附速率較快。例如：在pH=6.03時，反應(yīng)24 h后，ETC的去除率為83.15%，TC的去除率為77.26%；而在pH=4.07時，反應(yīng)4 h后，ETC的去除率為54.37%，TC的去除率僅為34.31%。

圖2 吸附pH對TC和ETC去除率的影響

TC是兩性化合物，具有可變的電離官能團(tuán)（圖3）。在酸性條件下（pH＜3.30），TC主要以陽離子形式存在；在弱酸及中性條件下（pH 3.30～7.68），TC以陰陽離子共存的方式存在；在堿性條件下（pH＞7.68），TC主要以陰離子形式存在［17］。同時，殼聚糖作為吸附劑對pH條件也非常敏感，靜電作用力被認(rèn)為是殼聚糖吸附的最主要的作用力，在酸性條件下殼聚糖表面的—NH2基團(tuán)易被質(zhì)子化，可通過靜電作用力吸附陰離子類污染物，而堿性條件下殼聚糖僅能通過氫鍵作用力及疏水作用力等相對較弱的作用力對污染物進(jìn)行吸附［18］。酸性環(huán)境及堿性環(huán)境均會對TC在殼聚糖表面的吸附產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)pH為酸性時，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2可質(zhì)子化為—NH3+，但TC同時也以部分陽離子的形式存在，吸附作用力較弱；當(dāng)pH為堿性時，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2無法質(zhì)子化，而此時TC以陰離子形式存在，也無法較好地與殼聚糖結(jié)合；當(dāng)pH處于弱酸至中性條件時，殼聚糖表面的—NH2部分質(zhì)子化形成帶正電的—NH3+，TC以陰陽離子共存的方式存在，二者可通過靜電作用相結(jié)合。因此，弱酸性條件下，殼聚糖對TC和ETC的吸附效果最佳。

圖3 TC的分子結(jié)構(gòu)

在殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03的條件下，污染物初始濃度對TC和ETC去除率的影響如圖4所示。結(jié)果表明，殼聚糖對TC和ETC的吸附去除率與其初始濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，并且在12 h后基本達(dá)到了吸附平衡。

2.2 吸附動力學(xué)及等溫吸附模型

為了進(jìn)一步考察殼聚糖的吸附機(jī)制，分別利用準(zhǔn)一級動力學(xué)和準(zhǔn)二級動力學(xué)方程（式（1）和式（2））對圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。準(zhǔn)一級動力學(xué)方程的R2整體上高于準(zhǔn)二級動力學(xué)，表明殼聚糖對TC和ETC的吸附更符合準(zhǔn)一級動力學(xué)方程。

表1 殼聚糖對TC和ETC吸附的動力學(xué)擬合參數(shù)

圖4 污染物初始濃度對TC和ETC去除率的影響

式中：qe為平衡吸附量，mg/g；t為吸附時間，h；qt為t時刻的吸附量，mg/g；k1為準(zhǔn)一級吸附速率常數(shù)，h-1；k2為準(zhǔn)二級吸附速率常數(shù)，g/（mg·h）。

此外，本研究通過Langmuir和Freundlich等溫吸附模型（式（3）和式（4））對吸附等溫線實(shí)驗(yàn)（污染物初始濃度為0～5×10-4mol/L、殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03）數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表2所示。從等溫吸附模型的R2可以看出，Langmuir模型的R2更高，說明該吸附過程更符合Langmuir模型，更接近于單分子層吸附。

表2 等溫吸附模型的擬合參數(shù)

式中：ρe為吸附平衡時的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；qe為平衡吸附量，mg/g；qsat為飽和吸附量，mg/g；b為Langmuir吸附平衡常數(shù)，L/mg；1/n為異質(zhì)因子，與吸附效率相關(guān)；KF為Freundlich吸附平衡常數(shù)，mg/g。

2.3 機(jī)理分析

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，在TC、ETC單獨(dú)存在的體系中，不同吸附條件下殼聚糖對ETC的吸附去除效果均優(yōu)于TC，尤其在高濃度、短時間的情況下，ETC的去除優(yōu)勢更為明顯。在此基礎(chǔ)上，本研究測試了TC和ETC共存條件下殼聚糖對TC及ETC的去除效果，結(jié)果如圖5（TC和ETC初始濃度均為1×10-6mol/L、殼聚糖投加量為3 g/L、吸附pH為6.03）所示。相比污染物單獨(dú)存在體系，共存體系中殼聚糖對TC及ETC的去除率有所下降，但ETC的去除效果依然顯著優(yōu)于TC，說明殼聚糖對TC和ETC的吸附性能具有一定的差異性。

圖5 殼聚糖對混合溶液中TC和ETC的吸附效果

圖6為殼聚糖及其吸附TC（CS-TC）和ETC（CS-ETC）后的FTIR譜圖。殼聚糖在3 430 cm-1處的吸收帶是形成氫鍵締合的—OH伸縮振動吸收峰與—NH的伸縮振動吸收峰重疊而增寬的多重吸收峰［19］。殼聚糖分子中存在著大量的分子內(nèi)與分子間氫鍵，因峰較寬，殼聚糖吸附TC或ETC前后無明顯差異。1 633 cm-1處的譜帶可能是殼聚糖中C=O與O—H的氫鍵造成的，在吸附TC或ETC前后也未發(fā)生明顯變化。1 420 cm-1和1 378 cm-1處的吸收峰分別對應(yīng)—CH2的彎曲振動及—CH3的對稱變形振動，殼聚糖吸附TC和ETC后代表—CH3對稱變形振動的峰明顯增強(qiáng)，且吸附ETC后的峰強(qiáng)度顯著大于吸附TC后的，這可能歸因于TC和ETC結(jié)構(gòu)中的—CH3基團(tuán)，且峰強(qiáng)與其吸附量變化一致。位于1 080 cm-1處的特征吸收峰為C3—OH（二級羥基）的特征峰，位于1 030 cm-1處的特征峰為C6—OH（一級羥基）的特征峰［20-23］。吸附TC或ETC后，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的C6—OH特征峰顯著減弱，這說明殼聚糖對TC或ETC的吸附可能通過氫鍵作用發(fā)生在C6—OH的一級羥基上。

圖6 殼聚糖吸附TC和ETC前后的FTIR譜圖

圖7為殼聚糖吸附TC和ETC前后N 1s的XPS譜圖。位于結(jié)合能398.7 eV處的峰為—NH2的特征峰，399.5 eV處的為未脫乙酰化的乙酰氨基（—NHCO）特征峰，401.1 eV處的則歸屬于質(zhì)子化的氨基（—NH3+）［24］。吸附TC或ETC后，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2及—NHCO的峰位均未發(fā)生明顯變化，而—NH3+的特征峰明顯向高結(jié)合能處位移，且峰面積變小，其占比從4.02%（殼聚糖）分別降至2.14%（CS-TC）和1.22%（CS-ETC），這說明殼聚糖的—NH3+在吸附TC和ETC的過程中發(fā)生了變化［25］，可能通過靜電作用力與TC和ETC結(jié)構(gòu)中帶負(fù)電的基團(tuán)結(jié)合。相較之下，殼聚糖吸附ETC后的—NH3+峰面積變得更小，且結(jié)合能發(fā)生了更大的位移（401.4 eV）。這說明殼聚糖結(jié)構(gòu)中的—NH2質(zhì)子化后更易與ETC結(jié)合，使得殼聚糖對ETC具有更好的吸附能力。

圖7 殼聚糖吸附TC和ETC前后N 1s的XPS譜圖

四環(huán)素類差向異構(gòu)體與母體藥物的差異源于C4位上的碳手性中心，差向異構(gòu)化后C4-二甲氨基形成的空間位阻發(fā)生改變，使得異構(gòu)化產(chǎn)物在吸附行為和活性特征上表現(xiàn)出與母體藥物不同的性質(zhì)［5，26］。殼聚糖對ETC的選擇性吸附作用可能源于殼聚糖大分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)及氨基葡萄糖單元，其螺旋溝槽能與有機(jī)小分子特異性絡(luò)合，氨基葡萄糖單元又具有多手性中心，使得殼聚糖具有優(yōu)異的立體選擇性［20-23］。圖8為污染物和吸附劑的EEM譜圖。TC和ETC在激發(fā)波長（λex）/發(fā)射波長（λem）為（425～450）nm/（525～575）nm處出現(xiàn)一個主峰，且TC較ETC的熒光強(qiáng)度更大，說明TC在結(jié)構(gòu)上剛性更強(qiáng)。殼聚糖在（329～348）nm/（379～418）處（A峰）和（369～378）nm/（423～453）處（B峰）含有兩個自發(fā)熒光特征峰；當(dāng)吸附TC和ETC后，特征峰的位置未發(fā)生明顯位移，但熒光強(qiáng)度明顯降低，說明TC和ETC的吸附改變了殼聚糖的立體結(jié)構(gòu)從而對其自發(fā)熒光具有一定的猝滅作用。此外，殼聚糖與ETC結(jié)合后（CS-ETC）熒光的淬滅效應(yīng)明顯較低，兩個特征峰均清晰可見，表明殼聚糖螺旋溝槽能與ETC較好地結(jié)合，其立體結(jié)構(gòu)改變較少，這可能是殼聚糖對ETC具有更好吸附性能的主要原因。

圖8 污染物和吸附劑的EEM譜圖

3 結(jié)論

a）不同吸附條件下，殼聚糖對ETC的吸附去除率均優(yōu)于TC，尤其在短時間內(nèi)，ETC的去除優(yōu)勢更為明顯。吸附pH為6.03時，殼聚糖對TC和ETC的吸附去除效果最佳。殼聚糖對TC和ETC的吸附去除率與污染物初始濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨殼聚糖投加量的增大而增加。

b）吸附動力學(xué)擬合結(jié)果表明，準(zhǔn)二級動力學(xué)方程更適用于殼聚糖對TC和ETC的吸附過程。等溫吸附模型擬合結(jié)果顯示，殼聚糖對TC和ETC的吸附更符合Langmuir模型。

c）FTIR、XPS和EEM表征結(jié)果表明，殼聚糖結(jié)構(gòu)中的C6—OH和—NH3+可能通過氫鍵或靜電作用力與TC和ETC結(jié)合，且殼聚糖的螺旋溝槽與ETC具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，可能是殼聚糖對ETC具有更好吸附性能的主要原因。