幾種典型抗生素藥物在水體及土壤中的環(huán)境行為及呼吸抑制的研究.pdf

1、自1928年青霉素的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在短短的幾十年內(nèi)，抗生素藥物的生產(chǎn)和使用量在全球范圍內(nèi)一直維持在持續(xù)增長(zhǎng)的勢(shì)頭中?？股卦诮o人類和牲畜疾病的治療帶來積極作用的同時(shí)，也引發(fā)了不可忽視的負(fù)面效應(yīng)?；前芳讗哼?SMX)、磺胺吡啶(SPY)是人類和牲畜常用的一類磺胺類抗生素藥物，甲氧芐氨嘧啶(TRM)作為磺胺類藥物增效劑通常被與磺胺類藥物結(jié)合使用，特別是與SMX常以1:5的質(zhì)量比聯(lián)合使用。同其他抗生素藥物一樣，這些藥物殘留通過各種途徑排放進(jìn)入到水體

2、環(huán)境及土壤環(huán)境中，給環(huán)境安全造成威脅。當(dāng)SMX、SPY及TRM排放進(jìn)入水體后，光降解和水解是其在水體中的重要環(huán)境行為。當(dāng)前對(duì)于這三種藥物在水體環(huán)境中的光降解報(bào)道還較少，更缺乏在不同光源條件下的相關(guān)行為比較，因此全面比較這三種藥物在不同環(huán)境水體條件下的光降解行為十分有必要。另一方面土壤也是這些藥物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化的重要承載體，而目前對(duì)于這些藥物在土壤中的累積及降解動(dòng)力學(xué)報(bào)道仍然較少，其原因一方面可能是由于無標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的檢測(cè)方法，另一方面是

3、對(duì)這些藥物引起污染的重視程度不夠。因此當(dāng)前建立起有效靈敏的在土壤等復(fù)雜基質(zhì)中的檢測(cè)方法，進(jìn)一步了解其在土壤中發(fā)生的微生物降解行為，探究其是否對(duì)土壤微生物造成毒性的研究近在眉睫。
　　 論文研究中，首先確定了三種藥物在水體及土壤環(huán)境中的檢測(cè)方法。在水相中使用Agilent1100 HPLC進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合前人文獻(xiàn)報(bào)道及預(yù)試驗(yàn)，選用了乙腈(A)和含有0.3％的乙酸水溶液(B)做為流動(dòng)相，采用梯度洗脫。通過對(duì)梯度洗脫條件的反復(fù)比較，確定

4、了試驗(yàn)中所采用的洗脫條件，該梯度能很好地實(shí)現(xiàn)三種藥物的分離，且峰形尖銳、對(duì)稱。HPLC具體測(cè)定的色譜條件為：紫外檢測(cè)器下的檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm，C18柱(4.6 mm×250 mm，5μm，10 mm，Alltech)。柱幾種典型抗生素藥物在水體和土壤中的環(huán)境行為及呼吸抑制的研究溫為28℃，流動(dòng)相起始比例為A：B=20:80，總的運(yùn)行時(shí)間為19分鐘，流速1 mL min-1，注射體積20μL。在土壤復(fù)雜基質(zhì)中的檢測(cè)，由于SPE-HPLC

5、無法較好地去除基質(zhì)干擾，檢測(cè)靈敏度不高，因而在土壤降解實(shí)驗(yàn)中采用了SPE-LC-ESI-MS/MS檢測(cè)方法。土壤降解樣品加入10 ml的混合溶劑(methanol/EDTA-Mcllvaine1:1，pH=4)。通過超聲，離心，洗脫等一系列步驟后進(jìn)樣檢測(cè)。HPLC色譜分離使用Thermo Scientific Surveyor分析儀器。色譜分離柱選用Hypersil ODS-2μm，150×2.6 mm(Thermo Scientifi

6、c)。流動(dòng)相A為乙腈，流動(dòng)相B為0.1%甲酸溶于10 mM的乙酸銨溶液(1 L)。采用的梯度為，A起始于20%，持續(xù)3分鐘，然后在2分鐘后增加到50%，再在0.1分鐘內(nèi)增加到90%，持續(xù)2.9分鐘，然后在0.1分鐘內(nèi)降低到20%，接著3.9分鐘用來平衡。整個(gè)流動(dòng)速率為0.2 ml min-1。土壤中回收率檢測(cè)作三次平行，在三種實(shí)驗(yàn)所用的單一土壤(5 g)和添加牛糞的土壤中(5g+0.2 g)注入1 mg kg-1或200μg kg-1的

7、SMX、TRM，回收率分別為71±5%～80±8%(SMX，干重)，60±9%～72±7%(TRM，干重)?？傊?，QA/QC驗(yàn)證結(jié)果表明了上述在水相及土壤中的檢測(cè)方法靈敏度較高，檢測(cè)方法準(zhǔn)確可行。
　　 在確定了實(shí)驗(yàn)中所用的檢測(cè)方法后，接著展開研究了三種藥物SMX，SPY及TRM在不同水體環(huán)境介質(zhì)中及土壤中的環(huán)境行為。在光降解實(shí)驗(yàn)中，考察了SMX，SPY及TRM在不同水體條件下的光降解行為，比較了三種藥物在高壓汞燈、自然光及紫外

8、燈下的降解差異。研究結(jié)果表明：光源、水體pH值、溫度、光照時(shí)間及各種不同的水體介質(zhì)都會(huì)影響藥物的光降解效率。SMX和SPY比較容易發(fā)生光降解，但在某些水體條件下降解率較高，而在有些條件下則降解率相對(duì)較低，這與藥物在不同pH條件下的離子形態(tài)影響到對(duì)光源波長(zhǎng)的吸收可能有一定關(guān)系。在降解過程中二者均出現(xiàn)了明顯的降解產(chǎn)物，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)控制樣品的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)SMX和SPY一般情況下不容易發(fā)生水解。對(duì)于TRM，其在各種不同光降解條件下表現(xiàn)十分穩(wěn)定，

9、甚至在類Fenton反應(yīng)這類高級(jí)氧化過程中(如UV+Fe2+，UV+Fe3+)也基本未發(fā)生降解，在8小時(shí)內(nèi)的降解率低于2%，呈現(xiàn)出持久穩(wěn)定狀態(tài)。然而在自然光照下，對(duì)包裹的試驗(yàn)控制樣品中的濃度及對(duì)應(yīng)溫度、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在pH=4和pH=7的TRM溶液在白天吸收熱量，夜間放熱的過程中促進(jìn)了其發(fā)生熱水解的能力，并出現(xiàn)了明顯的水解產(chǎn)物，水解發(fā)生率大于10%。藥物在土壤中的吸附解吸行為也是重要的環(huán)境行為之一。為考察這些藥物在各種不同性質(zhì)土壤中

10、的流動(dòng)性和累積性，參照OECD指導(dǎo)方針選擇了5種具有不同理化性質(zhì)的土壤進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時(shí)考察了土壤溶液pH值的變化對(duì)吸附造成的影響進(jìn)行了選擇性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SMX和SPY在吸附過程中受土壤有機(jī)碳含量影響較大，通常含量越高的土壤，吸附能力隨之提高，這和前人對(duì)其他磺胺類藥物吸附實(shí)驗(yàn)的報(bào)道相一致。總體來說，SMX和SPY在土壤中的吸附系數(shù)較小，因而在土壤中具有高度的流動(dòng)性。而對(duì)于TRM，在吸附過程中受到有機(jī)碳含量的影響不明顯，而與土壤

11、的陽離子交換容量關(guān)聯(lián)程度較高。相比SMX和SPY，在各種類型的土壤中都呈現(xiàn)出較高的吸附系數(shù)，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性能。解吸實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出的遲滯系數(shù)表明，三種藥物在各種土壤中都呈現(xiàn)出不同程度的遲滯行為，這為進(jìn)一步評(píng)價(jià)藥物在土壤中的流動(dòng)性及累積性提供了有利的參考數(shù)據(jù)。在土壤溶液pH值調(diào)節(jié)對(duì)吸附影響的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SMX隨著土壤溶液pH值的提高，吸附能力呈顯著下降超勢(shì)，而SPY隨著pH值的提高，吸附能力未呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，而TRM則呈現(xiàn)出兩段變化，在前

12、一階段，吸附能力隨著pH的提高而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但在后一階段，吸附能力隨著pH的提高則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這充分表明土壤溶液的pH值在藥物吸附過程起到相當(dāng)重要的作用。
　　 吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，磺胺類藥物(SMX和SPY)在土壤中呈現(xiàn)低吸附能力，而TRM呈現(xiàn)高吸附能力，通常低吸附的化合物在土壤中易發(fā)生生物降解，高吸附的化合物則不易發(fā)生生物降解。為考察它們實(shí)際的生物降解能力，接著進(jìn)行了生物降解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中主要以SMX和TRM這兩種常結(jié)合在一

13、起使用的藥物作為研究主體，考察了在三種具有不同理化性質(zhì)的土壤中，有無添加牛糞修復(fù)的情況下，在好氧及厭氧培養(yǎng)條件下的降解行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在好氧培養(yǎng)條件下，在具有生物活性的土壤中，在前20天內(nèi)，>50%的SMX在粘壤土和壤質(zhì)砂土中消失，在壤土中則觀察到有>80%的損失出現(xiàn)。而TRM則在三種土壤中表現(xiàn)出較強(qiáng)的持久性。在100天后，殘留在具有生物活性的壤質(zhì)砂土、粘壤土及壤土中的含量比分別61±6%，31±7%，和26±6%。土壤中牛糞的添加

14、(37.8%C，2.3%N，pH8.19，添加比例為4%)僅僅輕微地影響到兩種化合物的起始降解速率，即在前20天內(nèi)的降解速率要快于未添加牛糞的土壤。但20天過后，降解速率已無差別顯現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在牛糞修復(fù)和未修復(fù)的土壤中未發(fā)現(xiàn)降解效率的顯著差別。在厭氧培養(yǎng)條件下，兩種化合物的降解同好氧培養(yǎng)條件下相比迅速的多。在20天內(nèi)，SMX幾乎損失殆盡，而TRM也出現(xiàn)了85%以上的損失。同時(shí)在厭氧環(huán)境體系中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了體系的pH，NO3-，SO42

15、-的變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了厭氧環(huán)境體系的存在。
　　 由于在降解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了SMX和TRM在滅菌控制樣品中的損失出現(xiàn)，推測(cè)可能有部分原因是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，微生物活性逐漸復(fù)蘇造成。因而為進(jìn)一步驗(yàn)證滅菌及未滅菌體系的微生物活性，同時(shí)考察土壤中藥物單體或混合物，不同濃度下的添加對(duì)微生物活性是否造成影響，在這部分研究中，采用基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法考察了藥物在土壤中對(duì)微生物呼吸的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，滅菌后的樣品經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)過程中，均呈現(xiàn)出不同程

16、度的復(fù)蘇跡象，因而這也是藥物在滅菌樣品中濃度損失的原因之一。對(duì)于微生物呼吸的影響比較發(fā)現(xiàn)，同控制土壤樣品對(duì)比，藥物對(duì)土壤微生物呼吸的短暫抑制作用出現(xiàn)在前2天，隨后快速恢復(fù)。100天后，在添加不同濃度，單體或混合物的抗生素土壤中，總的礦化程度無較大差異。這表明無論是在二種不同濃度下，添加單體或混合藥物的土壤中(10 mg kg-1SMX+2 mg kg-1 TRM或100 mg kg-1 SMX+20 mg kg-1 TRM)，在100天