模拟日光照射下三种抗生素的光降解行为

第32卷㊀第8期2013年㊀㊀8月环㊀境㊀化㊀学ENVIRONMENTAL CHEMISTRY Vol.32,No.8August 2013㊀2012年11月7日收稿.㊀∗上海市教委创新项目(12YZ128);上海市教委高校第五期海洋环境工程重点学科(J50702);上海市科委项目(10230502900)资助.㊀∗∗通讯联系人,E-mail:hhuang@
DOI :10.7524/j.issn.0254-6108.2013.08.015
模拟日光照射下三种抗生素的光降解行为∗
李圆杏㊀黄㊀宏∗∗㊀刘㊀臻(上海海洋大学海洋科学学院,上海,201306)
摘㊀要㊀选取四环素㊁土霉素㊁红霉素等3种国内普遍使用的抗生素,研究其在模拟日光(1.7kW 氙灯,300nmɤλɤ400nm)下的降解动力学行为.结果表明,3种抗生素在模拟日光下均能发生光降解,3h 的降解率分别达到66.87%㊁90.55%和92.80%.降解过程均符合准一级反应动力学方程,速率常数(k )分别为:
0．0064㊁0.0138min -1和0.0155min -1;半衰期(t 1/2)分别为:108.30㊁50.23㊁44.72min.采用LC-MS 分析推断3种抗生素主要降解产物,探讨了它们可能的光解途径.关键词㊀四环素,土霉素,红霉素,光降解.近年来,抗生素类化合物在水体㊁沉积物和土壤中不断被检出,这类化合物倍受环境化学家的广泛
关注,成为一类新兴的环境污染物[1-2].研究表明,抗生素的环境归趋主要取决于光降解和吸附过程[3-4],光化学降解是抗生素类污染物在环境中消失的重要途径之一[5],尤其在表层水体中,光降解过程更是普遍存在[6].关于四环素的光化学降解行为,前人已进行过一定研究,例如,Oka [7]等检测到了四环素在λȡ290nm 自然光下的开环降解产物,即苯环开裂后生成的内酯类产物.Jiao [8]等(500W 汞灯,λ=365nm)检测到四元环上取代基团发生裂解的产物.模拟日光的情况下,对四环素㊁土霉素㊁红霉素的光解动力学行为以及光解产物和途径研究还鲜见报道.
在我国,土霉素㊁四环素和红霉素等3种广谱抗生素药物,因其具有良好的杀菌或抑菌作用而广泛用于防治动物和水产品的疾病感染[9].本文选择这3种典型抗生素药物,研究其在模拟自然光照射(1．7kW 氙灯,300nmɤλɤ400nm)下的降解动力学过程,并采用LC-MS 分析检测技术,推断光降解产物结构特征,进而探索抗生素药物可能的光化学降解途径,为这类新兴污染物的污染控制和风险评价提供科学依据.1㊀材料与方法
1.1㊀设备与材料
实验设备:台式氙灯老化试验箱(SDL Atlas);超纯水系统(Millipore);LC-2010C 高效液相色谱仪
(日本岛津);Gemini C18色谱柱(Phenomenex 制造);LC-MS(Waters Quattro Premier).实验试剂:四环素(Tetracycline;CAS:60-54-8;ȡ98%);土霉素(Oxytetracycline;CAS:79-57-2;ȡ98%);红霉素(Erythromycin;CAS:114-07-8;ȡ98%);甲醇(分析纯);三氟乙酸(TFA,分析纯);所有
用水均为超纯水.
1.2㊀光降解实验与样品分析光降解试验:配制初始浓度为10mg ㊃L -1的抗生素溶液,各取20mL 至光照瓶内放入台式氙灯老化试验箱内光照,光源为模拟日光光源(1.7kW 氙灯,300nm ɤλɤ400nm),中心处的平均光强为40mW ㊃m -2,反应温度控制在(30ʃ1)ħ.每组实验重复3次,均分别在0㊁5㊁30㊁60㊁90㊁120㊁150min 和180min 时取样600μL.
在光降解实验中,同时进行黑暗对照实验.暗对照中,除反应试管用铝箔包裹外,其他条件均与光照
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实验相同.每组实验重复3次,定时取样,用HPLC分析抗生素的残留浓度.通过将光照与黑暗条件下的结果进行比较,排除光照以外的因素对反应的影响.
样品分析:采用LC-2010C高效液相色谱仪检测抗生素的残留浓度,色谱柱:Phenomenex Gemini C18 (250ˑ4.60mm,5μm),柱温控制在30ħ,流速为200μL㊃min-1,进样量为50μL,流动相为:A=甲醇(100%),B=TFA(超纯水所配的0.05%溶液),具体检测条件在表1中给出.
表1㊀3种抗生素的液相色谱检测条件
Table1㊀HPLC conditions for the detection of three antibiotics
药物名称流动相比(AʒB)检测波长/nm保留时间/min 四环素Tetracycline28ʒ72270 5.86
土霉素Oxytetracycline25ʒ75268 6.28
红霉素Erythromycin25ʒ75268 6.24
应用LC-MS(Waters Quattro Premier)对180min的光降解产物进行分离和鉴定.色谱柱:BET C18 (Waters ACQUITY UPLC,2.1ˑ100mm,1.7μm),流动相为甲醇/水=40/60(V/V),流速为0.15mL㊃min-1,进样量为5μL;电喷雾电离源(ESI),正㊁负离子同时扫描,干燥气(N2)流速为550L㊃h-1,温度为350ħ,离子源喷射电压3kV;雾化气(N2)压强为2.4ˑ105Pa,m/z扫描范围100 800Amu.
2㊀结果与讨论
2.1㊀三种抗生素药物光降解动力学
根据图1所示的吸收光谱图看出,3种抗生素在波长300nm至400nm之间均有吸收.因此,在模拟日光光照下,四环素㊁土霉素以及红霉素能吸收日光直接光降解.
图1㊀3种抗生素的吸收光谱
Fig.1㊀UV-vis absorption spectra of the three antibiotics
光解实验暗对照中,3种抗生素溶液均没有明显的降解,这表明光解实验中微生物作用㊁水解作用所引起的3种抗生素的降解可以忽略.光照实验中,四环素㊁土霉素㊁红霉素3h的降解率分别达到66．87%㊁90.55%和92.80%.
如图2,分别对3种抗生素以-ln(C t/C0)对时间t作图(其中,C0为抗生素初始浓度,C t为照射时间t min后的浓度,C t/C0为剩余百分率),可以得到一条直线,并且相关系数R2均大于0.95,可见3种抗生素的光降解过程均遵循准一级反应动力学,它们的一级反应方程㊁速率常数k(min-1)㊁半衰期t1/2(min)和相关系数(R2)均在表2中给出.
由动力学方程可以看出,3种抗生素药物的降解反应速率均是先快后慢;3种抗生素药物的反应速率常数分别为0.0064min-1㊁0.0138min-1㊁0.0155min-1,表明在实验条件下,红霉素的降解速率最快,其次是土霉素,四环素最慢.
㊀
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图2㊀3种抗生素的光解动力学曲线
Fig.2㊀Photodegradation kinetic curves of the three antibiotics
表2㊀3种抗生素光解的动力学方程及动力学参数
Table2㊀Photogradation kinetic equations and kinetic parameter of the three antibiotics 名称一级反应方程速率常数(k)/min-1半衰期(t1/2)/min相关系数(R2)
四环素C t=332.6e-0.0064x0.0064108.300.9942
土霉素C t=715.1e-0.0138x0.013850.230.9938
红霉素C t=782.7e-0.0155x0.015544.720.9956
对于大环内酯类抗生素(如泰乐菌素),曾有研究发现其光化学反应动力学包括两个阶段:首先发生光致异构,反应较快;而后发生光降解,反应较慢.这两个阶段均可用一级反应动力学方程表征[13].红霉素属于大环内酯类抗生素[14],实验中所表现出来的先快后慢的光降解反应特征,与这一研究结论相一致.
对于四环素类抗生素,在吸收光子发生直接光解的同时还可以发生自敏化光解.Werner等在研究四环素的光解时发现四环素的自敏化光解过程的发生,加快了四环素的光降解速率,并且其反应速率受初始浓度的影响[15].Castillo等[16]研究发现,在可见光照射下,四环素类抗生素可通过基态电子转移产生阴离子自由基(RF-㊃),并且进一步产生超氧阴离子自由基O-㊃2,同时激发三重态3RF∗可将能量传递给溶解氧产生1O2,并通过试验证明,强力霉素㊁甲稀土霉素㊁去甲金霉素和土霉素都可与1O2和O-㊃2发生反应进行光解.本实验研究中,四环素与土霉素均属于四环素类抗生素,其光降解速率都表现为先快后慢,推测其中一种原因可能就是因为随着光降解反应的进行,抗生素的浓度逐步降低,自敏化光解的贡献越来越小,从而导致了光降解速度变慢.
3种抗生素的反应速率变化趋势虽然相似,但引起该反应趋势的原因却不尽相同,因此有必要确定抗生素降解产物,从而更好地了解抗生素药物的光降解途径.
2.2㊀3种抗生素药物的降解产物及途径
基于LC-MS降解产物质谱图谱,结合母体化合物的分子结构和可能的化学键断裂方式,推测3种抗生素药物的光降解途径.四环素降解产物质谱图显示,有两种产物,分别为P1和P2,推测四环素的降解机理可能如图3.
图3㊀四环素的光降解路径
Fig.3㊀Photolysis path of tetracycline
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P1是母体结构中苯环开裂后降解的产物,该产物的开环方式与oka等检测到的四环素开环降解的内酯类产物相同[7].四环素降解产物中还检测到另外一个产物P2.分析其结构特征,推测P2可能是四环素分子胺基上的两个甲基( CH3)以及母环上的羟基( OH)降解脱去得到的产物,这一点与Jiao等研究四环素光降解结果相类似[8].
土霉素光降解产物质谱图,有P3和P4两个碎片结构,推测土霉素的降解机理可能如图4所示.因土霉素又叫氧四环素,与四环素同属四环素类抗生素,其降解机理可参考四环素.P3是母体结构中苯环开裂后生成的产物,而P4可能是土霉素的取代基团发生降解脱除 CH3㊁ NH2㊁ OH以及 CONH2而生成的.
图4㊀土霉素的光降解路径
Fig.4㊀Photolysis path of oxytetracycline
红霉素降解产物质谱图显示,只有P5一个碎片离子,可推测红霉素的降解机理为图5.P5是母体结构的羟基( OH)脱去得到的降解产物.
图5㊀红霉素的光降解路径
Fig.5㊀Photolysis path of erythromycin
3㊀结论
(1)模拟日光照射下,纯水中四环素㊁土霉素和红霉素都发生了直接光降解,其光降解反应均遵循准一级动力学方程,在同样的实验条件下,红霉素的降解速率要快于四环素和土霉素.
(2)基于LC-MS检测分析,四环素光降解路径主要是四元环开裂及胺基上的两个甲基( CH3)以及母环上的羟基( OH)降解脱去得到两种降解产物.土霉素光降解路径主要是母体结构中苯环开裂以及取代基发生降解脱除 CH3㊁ NH2㊁ OH以及 CONH2等基团所致.红霉素光降解只检测出一种产物,主要是母体结构脱去羟基( OH)得到的降解产物.
致谢:本实验是在复旦大学环境与工程系宋卫华教授实验室完成的,宋教授给予了精心的实验指导,在此表示感谢.
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Photodegradation behavior of three antibiotics with solar simulator
LI Yuanxing㊀㊀HUANG Hong∗㊀㊀LIU Zhen
(College of marine science,Shanghai Ocean University,Shanghai,201306,China)
ABSTRACT
Antibiotics are frequently detected as emerging pollutants in aqueous environment.Three antibiotics widely used in China(tetracycline,oxytetracycline,erythromycin)were selected to investigate the degradation kinetics by identifying and determining the concentrations of antibiotics in water with solar simulator(1.7kW xenon lamp,300nmɤλɤ400nm).The results indicate that photodegradation occurd for the three antibiotics under simulated sunlight irradiation.The degradation rates obtained after3h were66.07%,90.55%,and 92.8%,respectively.The kinetic analysis indicated that the pseudo-first-order kinetic model described their degradation processes well.The degradation rate constants(k)are0.0064min-1,0.0138min-1and 0.0155min-1,respectively,and their half-life(t1/2)are108．30min,50．23min and44．72min, respectively.In addition,the byproducts from the three antibiotics photolysis were analyzed using high-performance liquid chromatography mass spectrometry(LC-MS),and the possible degradation pathways of the tested antibiotics were proposed.
Keywords:tetracycline,oxytetracycline,erythromycin,photodegradation.。