摘要
自来水原水中新兴污染物的存在对饮用水水质安全提出新的挑战。采用氯消毒对典型磺胺类抗生素磺胺二甲氧嗪(Sulfadimethoxine,SDM)进行降解研究,考察余氯初始浓度、pH值、氨氮(NH4-N)等因素对降解的影响,探究SDM氯氧化降解机理,评估其生态风险。结果表明:在SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L的条件下,120 s内SDM去除率达到95.9%,降解过程符合准二级反应动力学。反应速率常数随着余氯初始浓度增大而增大,随着NH
关键词
磺胺二甲氧嗪(Sulfadimethoxine,SDM)是一种典型磺胺类人工合成抗生素,抗菌范围广,性质稳定,广泛用于水产养殖和畜牧
氯消毒是传统水处理工艺中的最后一道防线,然而,在消毒的同时,余氯也与水中的有机物发生反应,生成消毒副产物,影响水质安
笔者以典型磺胺类抗生素SDM为目标污染物,考察余氯初始浓度、溶液pH值和NH
SDM(纯度98%)、NaClO(含14%活性氯)购自阿拉丁公司(上海),甲醇(HPLC级)购自Sigma公司(美国)。二氯甲烷(CH2Cl2)购自永华化学(江苏),分析纯试剂盐酸、亚硫酸钠、硫酸铵、氢氧化钠、二水合磷酸二氢钠、十二水磷酸氢二钠购自上海国药,实验用水均为超纯水(电导率18.3 MΩ·cm)。
取20 mL SDM溶液置于玻璃器皿中,利用磁力搅拌器搅拌,确保反应均匀。使用稀盐酸和氢氧化钠溶液(1 mol/L)、磷酸盐缓冲液(10 mmol/L)调节溶液pH值,将一定体积NaClO溶液加入到20 mL SDM溶液中,不同反应时间取样,并迅速与过量Na2SO3溶液(12.5 g/L)淬灭反应,确保反应终止。用HPLC-MS/MS测定剩余SDM浓度,探究不同因素(余氯初始浓度、溶液pH值、氨氮浓度、无机阴离子浓度)对降解的影响。所有反应均重复3次,取平均值。
使用HPLC-MS/MS(Thermo TSQ quantum Access Max)测定SDM浓度。色谱条件:Thermo Access C18色谱柱(3 mm×50 mm,2.6 μm);采用梯度洗脱,流动相为0.1%甲酸水和甲醇,流速1.0 mL/min;柱温25 ℃。质谱条件:负离子模式,扫描模式为SRM,SDM子母离子对m/z为155.8/310.7,轰击电压44 V。
SDM降解中间产物的反应液制备方法:按照1.2节的方法进行SDM降解反应,分别在45、90、240、480 s取样,对应降解初期、中期和末期等反应阶段,降解液混合后进行浓缩和脱盐处理,同时取0 s样品作为空白对照。SDM降解反应溶液均使用超纯水配置。
使用高分辨率质谱HRMS Orbitrap鉴定降解中间产物,进样前需对反应液进行预处理。参照美国EPA 1694方法对降解液进行固相萃取和脱
使用海洋菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)作为指示细菌,进行急性毒性试验,考察氯氧化过程中SDM反应溶液的毒性变化。采用生物毒性分析仪(ATD-P1,北京金达清创)测定发光细菌与SDM氯氧化样品接触前后的发光强度,计算水样对发光细菌发光强度的相对抑制率,以表示急性毒性的大小。每个样品测定3组数据,以NaCl(2%)溶液为空白对照,前后各设置两组。相对抑制率I由
(1) |
式中:I为相对抑制率,%;Lt为样品发光强度;L0为阴性对照发光强度。
使用生态结构效应关系软件ECOSAR(V2.0,美国环保局EPA),根据SDM及降解产物的分子结构来预测对水生生物(鱼、水蚤、藻类)的生态环境毒性风险。
在SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L、pH值为7的条件下进行SDM氯氧化试验,结果见

图1 氯化SDM反应动力学
Fig. 1 Kinetics of SDM chlorination
(2) |
(3) |
式中:[SDM]t和[SDM]0分别为t时刻、0 s时SDM浓度,μmol/L;[HClO] 为溶液中HClO浓度,μmol/L;为准二级表观动力学速率常数,μmol/(L·s)。
在SDM初始浓度为15 μmol/L,溶液pH值为7时,考察余氯初始浓度对SDM降解的影响,结果见

图2 余氯浓度对SDM氯氧化的影响
Fig. 2 Effect of residual chlorine on SDM chlorination
余氯浓度/(μmol/L) | /(μmol/(L·s)) | 半衰期t1/2/s | |
---|---|---|---|
30 | 0.005 7 | 0.995 9 | 34.4 |
45 | 0.006 1 | 0.999 4 | 13.8 |
60 | 0.008 3 | 0.998 7 | 7.4 |
75 | 0.011 7 | 0.992 3 | 4.3 |
90 | 0.013 1 | 0.998 3 | 3.4 |
(4) |
考察SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯浓度为60 μmol/L条件下不同溶液pH值对SDM降解的影响,见

图3 pH值对SDM氯氧化的影响
Fig. 3 Effect of pH value on SDM chlorination
pH值 | /(μmol/(L·s)) | 半衰期t1/2/s | |
---|---|---|---|
3 | 0.000 9 | 0.994 0 | 187.1 |
5 | 0.003 2 | 0.999 2 | 21.7 |
7 | 0.009 2 | 0.993 6 | 7.0 |
9 | 0.001 6 | 0.991 4 | 46.3 |
11 | 0.000 1 | 0.408 3 | 3 433.4 |
由
氨氮可导致水体产生富营养化,在水环境中广泛存在。考察SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L、溶液pH值为7时氨氮浓度对SDM降解的影响,结果见

图4 氨氮浓度对SDM氯氧化的影响
Fig. 4 Effect of ammonia concentration on SDM chlorination
氨氮浓度/(μmol/L) | /(μmol/(L·s)) | 半衰期t1/2/s | |
---|---|---|---|
0 | 0.007 8 | 0.996 9 | 7.9 |
10 | 0.007 5 | 0.998 2 | 12.2 |
20 | 0.007 0 | 0.952 8 | 29.5 |
30 | 0.002 4 | 0.770 1 | 179.5 |
40 | 0.001 4 | 0.418 9 | 347.1 |
水环境中存在的无机阴离子可能会影响消毒效果。在SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L、溶液pH值为7条件下,考察浓度为10 mmol/L的HCO

图5 无机阴离子对SDM氯氧化的影响
Fig. 5 Effect of inorganic anions on SDM chlorination
无机阴离子/(mmol/L) | /(μmol/(L·s)) | 半衰期t1/2/s | |
---|---|---|---|
空白 | 0.008 3 | 0.997 0 | 7.4 |
HCO | 0.005 8 | 0.997 5 | 13.8 |
C | 0.008 1 | 0.984 7 | 7.6 |
NO | 0.008 2 | 0.995 9 | 7.5 |
SO | 0.008 3 | 0.997 6 | 6.9 |
CO | 0.000 2 | 0.083 0 | 2 525.0 |
从
采集常州市某实际河水水样,以考察实际环境水体中的SDM氯氧化效果,河水水样的水质指标为:总磷0.04 mg/L、氨氮0.23 mg/L、总氮1.65 mg/L、TOC值7.72 mg/L、pH值7.84、氯离子45.7 mg/L、硝酸根离子0.91 mg/L、硫酸根离子93.2 mg/L、磷酸根离子0.03 mg/L。在初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L,溶液pH值为7的条件下,比较SDM在河水和纯水中的氯氧化反应,结果见

图6 实际水样中的SDM氯氧化反应
Fig. 6 SDM chlorination in actual water body
不同水体 | /(μmol/(L·s)) | 半衰期t1/2/s | |
---|---|---|---|
纯水 | 0.008 3 | 0.999 0 | 7.4 |
河水 | 0.005 5 | 0.867 2 | 22.1 |
从
对降解液进行固相萃取,使用高分辨率质谱HRMS Orbitrap解析出9种中间产物,基本信息见
序号 | 化合物 | 保留时间/min | 分子式 | 结构式 | [M+H | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
理论质荷比m/z | 实际质荷比m/z | ∆ | |||||
1 | SDM | 5.43 | C12H14N4O4S | ① | 311.080 8 | 311.080 8 | -0.168 |
2 | Pr344 | 6.02 | C12H13ClN4O4S | ② | 345.041 9 | 345.041 5 | 1.159 |
3 | Pr378 | 7.47 | C12H12Cl2N4O4S | ③ | 379.002 9 | 379.003 0 | -0.264 |
4 | Pr412 | 8.43 | C12H11Cl3N4O4S | ④ | 412.963 9 | 412.964 1 | -0.484 |
5 | Pr330 | 4.01 | C11H11ClN4O4S | ⑤ | 331.026 2 | 331.025 6 | 1.813 |
6 | Pr360-a | 5.46 | C12H13ClN4O5S | ⑥ | 361.036 8 | 361.036 4 | 1.108 |
7 | Pr360-b | 5.81 | C12H13ClN4O5S | ⑦ | 361.036 8 | 361.036 8 | 0.015 |
8 | Pr364 | 5.48 | C11H10Cl2N4O4S | ⑧ | 364.987 2 | 364.987 0 | 0.548 |
9 | Pr394-a | 3.56 | C12H12Cl2N4O5S | ⑨ | 394.997 8 | 394.998 1 | -0.759 |
10 | Pr394-b | 8.35 | C12H12Cl2N4O5S | ⑩ | 394.997 8 | 394.997 6 | 0.506 |
注: 各化合物的结构式


图7 SDM、氯代SDM的色谱图及二级质谱图
Fig.7 Chromatograms and M
SDM结构中含有氨基,因此氯氧化过程中很容易与次氯酸发生氯代反应,取代氨基上的H,生成一氯代SDM(Cl-SDM,Pr344),见
脱甲基反应是甲氧基经常发生的氧化反应,Cl-SDM发生脱甲基反应,脱去嘧啶甲氧基上的甲基(-CH3),生成Pr330。此外Cl-SDM还会发生羟基加成反应,在苯环不同位置加入羟基,生成同分异构体Pr360-a和Pr360-b。同样,2Cl-SDM也会发生脱甲基反应和羟基加成反应,分别生成Pr364,Pr394-a和Pr394-b。基于以上分析,提出SDM在氯氧化过程中的可能路径,见

图8 SDM氯氧化反应路径
Fig. 8 Reaction pathways of SDM by the chlorination
在初始浓度为15 μmol/L、余氯浓度为60 μmol/L、溶液pH值为7的反应条件下,SDM进行降解反应。采用费氏弧菌的发光强度抑制率评价氯氧化过程中水样的急性毒性变化(

图9 SDM在氯消毒中对发光细菌的发光抑制率
Fig. 9 Inhibition rate of SDM degradation by chlorination on luminescent bacteria
使用ECOSAR软件,预测SDM及中间产物对水生生物(如鱼类、水蚤、绿藻)的生态毒性风险,预测结果包括急性毒性LC50(半致死浓度)和EC50(半效应浓度
物质 | 鱼类96h-LC50/(mg/L) | 水蚤48h-LC50/(mg/L) | 绿藻96h-EC50/(mg/L) |
---|---|---|---|
SDM | 116 | 5.24 | 15.8 |
Pr344 | 129 | 5.82 | 17.5 |
Pr378 | 467 | 514.00 | 41.9 |
Pr412 | 509 | 561.00 | 45.7 |
Pr330 | 357 | 8.48 | 28.8 |
Pr360-a | 407 | 9.41 | 32.2 |
Pr360-b | 277 | 8.09 | 26.5 |
Pr364 | 563 | 122.00 | 46.8 |
Pr394-a | 638 | 137.00 | 53.0 |
Pr394-b | 426 | 102.00 | 35.7 |
因此,磺胺类药物在氯消毒过程中生成副产物的生态风险还有待进一步深入分析,以确保饮用水安全。
1)SDM氯氧化反应过程符合准二级反应动力学。在SDM初始浓度为15 μmol/L、余氯初始浓度为60 μmol/L、pH值为7的反应条件下,120 s内SDM去除率达到95.9%。
2)二级反应降解速率常数随余氯初始浓度增加而增大,随着NH
3)使用HRMS Orbitrap共鉴别出9种中间产物,SDM氯氧化降解SDM过程主要通过氯代反应、脱甲基反应、羟基加成反应来实现。
4)SDM氯氧化反应过程中急性毒性并没有有效去除,对饮用水水质安全存在潜在威胁。
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