响应面法研究磺胺氯哒嗪在海水中的光解动力学

赵姚云川， 任鸿飞， 房 岐， 李英杰， 张彪军， 田森林

（昆明理工大学 环境科学与工程学院，云南 昆明650500）

1 实验背景与目的

抗生素在全球范围内应用广泛.中国是抗生素的生产、消费大国，2013年中国抗生素的消耗量为16.2万吨［1］.目前我国污水处理厂的处理工艺主要针对常规污染指标，对新型环境污染物抗生素的去除效果不理想［2］，因而抗生素在污水出水口仍具有较高的浓度，有些抗生素质量浓度高达mg/L量级［3-5］.由于抗生素具有诱导细菌菌群抗药性和产生抗性基因的特性，抗生素污染势必对水环境造成严重的生态威胁［6-8］.因此研究抗生素在水环境中的转化对于认识其生态风险、保护生物健康具有重要意义.质对抗生素光降解的影响，在实际水环境中各溶解性组分是共存的，因而亟需研究多组分因素共存条件下抗生素的光化学转化，然而该方面的研究报道甚少.本研究以海水环境频繁检出的磺胺氯哒嗪为模型化合物，采用响应面法（RSM）研究了海水环境中代表性的溶解性组分（DOM、NO3-、Br-和Cl-）共存条件下对磺胺氯哒嗪的光解动力学，筛选出影响磺胺氯哒嗪光解的显著性影响因素，并进行机理阐释.

2 材料与方法

光降解是决定抗生素环境归趋的重要因素，且受水环境中众多溶解性组分的影响［9-12］.研究发现溶解性有机质（DOM）可通过光屏蔽和光诱导产生活性物种（ROS），如激发三重态DOM（3DOM*）、羟基自由基（·OH）和单重态氧（1O2），影 响 抗 生 素 的 光 降 解［13］；研 究 还 发 现NO3-、Cl-、Br-和HCO3-/CO23-等也可通过淬灭效应和产生卤素自由基和碳酸根自由基影响抗生素的降解［14-15］.但是以上研究均考虑单一溶解性物

2.1 实验材料 纯度高于98%的磺胺氯哒嗪标准品（北京百灵威科技有限公司）、腐殖酸（HA）、乙酸铵（分析纯，北京百灵威科技有限公司）；硝酸钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、溴化钾、冰乙酸、无水乙醇、盐酸（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氢氧化钠、氯化钠、磷酸（分析纯，天津市光复科技发展有限公司）；乙腈（色谱纯，购于美国天地有限公司）；超纯水（18 MΩ·cm，天津市兰力科化学电子高科技有限公司生产的超纯水器制备）

2.2 光解实验设计 本实验采用响应面法（RSM）［16-17］研究磺胺氯哒嗪的光解动力学.选取海水环境中有代表性的4种溶解性组分DOM（实验中使用HA作为DOM的代替物）、NO3-、Cl-、Br-，且每种溶解性物质设置5个浓度水平进行实验［15，18-20］（表1）.

表1 响应面设计的环境因子设置和质量浓度水平Tab.1 Factor definitions，coding levels and design points for RSM experimental design

每组实验将一定浓度的磺胺氯哒嗪作为目标物与4种溶解性组分因子一起进行实验，4种因子的浓度按照Design Expert 8.0.6（Stat-Ease Inc.，Minneapolis）软件设计的响应面实验参数进行配制（表2）.实验结果分析采用Design Expert软件进行处理.具体实验设计过程如下：磺胺氯哒嗪表观的光解速率常数k（单位：s-1）与4种目标溶解性物质的编码因子（x1，x2，x3，x4）之间的关系可以通过一个完整的二次方程式进行拟合［21］：

其中，xi（i＝1～4）分别对应溶解性物质DOM、Br-、NO3-、Cl-的编码因子；βx是二次方程的拟合系数，包括常数项β0、一次项系数βi（i＝1～4）、平方项系数βii（ii＝11～44）以及交叉项系数（β12，β14，β13，β23，β24）.

溶解性物质xi可由（2）式计算获得：

其中，Xi（i＝1～4）表示DOM、Br-、NO3-、Cl-的真实浓度（每个因子编码所对应的质量浓度）；Xi，0表示溶解性物质的中心点浓度（因子编码0所对应的质量浓度）；ΔXi表示同一种溶解性物质的相邻编码因子所对应的实际质量浓度的差值.以DOM的因子编码x1＝2为例，Xi值为10，Xi，0值为5，ΔXi＝10-7.5＝2.5，即x1＝（10-5）/（10-7.5）＝2.

2.3 光降解实验设计光解实验在OCRSPX32T光化学反应仪（开封市宏兴科教仪器厂）中进行，光源为500 W汞灯（290 nm滤光片，λ＞290 nm）.反应溶液置于石英试管中.用磷酸盐缓冲液配制初始浓度为20μmoL/L的磺胺氯哒嗪作为目标污染物，加入一定量实验所需的水环境因子，用磷酸和氢氧化钠溶液调至所需pH值（PHS-3C精密pH计，购于上海精密科学仪器有限公司），放置于反应仪中，在暗条件下15 min后，以此作为反应的起始时间取第一个点，开启紫外灯，间隔一定时间移取1 mL反应液至棕色液相小瓶（已加入100μL异丙醇）中，每组实验重复3次.

采用UltiMate 3000高相液相色谱分析仪分析磺胺氯哒嗪的浓度.实验使用ZORBAX Eclipse XDB-C18色谱柱（4.6 mm×150 mm，5μm），流动相选体积分数30%的乙腈与选体积分数70%的乙酸铵缓冲液（pH＝5），流速1.0 mL/min，进样量20μL，二极管阵列检测器的检测波长为260 nm.该分析条件下，磺胺氯哒嗪的出峰时间为3.5 min.最终截取分析仪中的峰面积得到实验数据k值.

3 结果与讨论

3.1 磺胺氯哒嗪的光解动力学表2列举了目标溶解性组分DOM、Br-、NO3-、Cl-在RSM实验设计条件下磺胺氯哒嗪的k值.通过RSM对二次方程式（1）进行拟合，可得溶解性组分前面的系数值βx（表3）.基于对βx的值统计分析，可以评估DOM、Br-、NO3-、Cl-对磺胺氯哒嗪光降解的相对贡献.若P＜0.05，则表示对应的βx值在95%的置信水平明显相异于0.由表3可知，在P＜0.05的显著水平，一次项DOM、Cl-、NO3-以及二次项DOMDOM相互作用是影响磺胺氯哒嗪光降解的显著因素.DOM的系数为负值，表明DOM抑制磺胺氯哒嗪光解；Cl-、NO3-以及DOM-DOM相互作用各项的系数均为正值，说明上述因素对磺胺氯哒嗪的光解起到促进效用.

3.2 显著性因素影响磺胺氯哒嗪的光解机理前人研究报道，DOM可通过多种方式影响污染的光降解［13，18，22-26］：

1）通过光屏蔽效应-竞争光吸收抑制污染物光解；

2）光致产生3DOM*、·OH、1O2等ROS促进污染物降解；

3）淬灭ROS以及反应过程中产生的活性中间体抑制污染物降解.

DOM对污染光解的影响取决于上述途径的竞争.由表3可知，DOM抑制磺胺氯哒嗪光解，说明DOM的抑制效应对磺胺氯哒嗪起主要作用，而光致产生的ROS对其光解影响较弱.已有研究表明DOM可淬灭3DOM*与磺胺抗生素反应产生的磺胺抗生素自由基，从而表现为抑制效应［26］.由此可知，除竞争光吸收外，DOM也可淬灭3DOM*与磺胺氯哒嗪反应产生的中间体而抑制磺胺氯哒嗪光解.NO3

-是水环境中普遍存在的溶解性物质，也是水环境中·OH的主要前驱体［27］.NO3-在光照条件下可产生·OH氧化磺胺氯哒嗪，进而促进其光解；研究发现Cl-/Br-可与激发三重态有机物反应，产生卤素自由基［15］.磺胺抗生素吸光后可通过系间窜越形成激发三重态［23-24，28-32］，因而也可与Cl-/Br-反应产生卤素自由基与磺胺氯哒嗪反应，使得Cl-/Br-对磺胺氯哒嗪的光解表现为促进效用.由于DOM可淬灭DOM光致产生的ROS，DOM与ROS反应可导致DOM的光漂白效用，致使DOM的光屏蔽效应减弱，从而使DOM-DOM相互作用对磺胺氯哒嗪光解表现为促进效用.

表2 响应面实验设计中磺胺氯哒嗪光解的实验条件和动力学参数Tab.2 Experimental conditions and kinetic parameters for the photodegradation of sulfachloropyridazine under the RSM experimental design

表3 响应面实验中磺胺氯哒嗪二次方程式系数βx评估和假设检验Tab.3 Parameter estimates and hypothesis tests for the coefficientsβx of the quadratic model of sulfachloropyridazine

本研究对深入认识水体中溶解性组分的复合作用对抗生素光解的影响具有积极意义，同时研究结果对于发展基于水体中溶解性组分的光降解系统去除抗生素等污染物也具有重要借鉴意义.例如，海水养殖需要投加大量的抗生素，且目前养殖海水不经处理直接排放至周边海域，致使海水养殖区域的抗生素浓度较高；海水中的DOM含量相比于淡水中的DOM普遍偏低，而卤素离子的含量远高于淡水.由RSM的统计结果可知，海水中抗生素的降解速率要高于淡水中，因而发展基于海水中典型溶解性组分的光降解技术策略对于解决海水养殖区域抗生素污染具有重要意义.

本研究基于响应面法（RSM）探讨了海水中典型的溶解性组分对磺胺氯哒嗪光降解的影响，发现在P＜0.05显著水平，溶解性有机质（DOM）、NO3-、Cl-和DOM-DOM相互作用是影响磺胺氯哒嗪光降解的显著性因素；DOM由于其竞争光吸收和淬灭活性中间体而对磺胺氯哒嗪光解表现为抑制效应；NO3-光介导产生·OH而促进磺胺氯哒嗪光解；Cl-可与激发态的磺胺氯哒嗪反应，产生卤素自由基，进而促进磺胺氯哒嗪光解；DOM-DOM相互作用可导致DOM的光漂白效应，减弱了DOM的竞争光吸收促进磺胺氯哒嗪光解.