天然水体中颗粒物对抗生素的吸附

天然水体中颗粒物对抗生素的吸附

1 引言

天然水体环境中最基本的颗粒物体系是以粘土矿物微粒为骨架，通过聚集作用形成的土壤团粒.微粒由于具有较大的比表面积，因而能够吸附金属水合氧化物并与水中存在的一些有机高分子通过架桥作用发生团聚.这种聚集体还可以吸附结合水中的重金属和离子、化学品等微污染物.

自1929年青霉素问世以来，抗生素在全世界范围内得到了广泛使用.美国在一项针对139条河流的水质状况的研究表明，在河水中检测出95种有机物，其中，31种常用抗生素中氟喹诺酮类、磺胺类、大环内酯类的最大值浓度能够达到1.9 μg · L-1.在德国Baden-Wuttemberg 地区 108个地下水样品中，共检测出 60种药物，有 8 种药物在至少3个样品中被检出，其浓度最高可达 1100 ng · L-1，检出率最高达 20%.我国在香港维多利亚港与珠江中检测多种抗生素，含量分别在70~489 ng · L-1与13~69 ng · L-1之间.

环境中抗生素药物的长期存在，可能导致环境微生物群落结构发生改变，甚至可能破坏生态系统原有正常的新陈代谢模式，导致水体或土壤性质发生变化.磺胺类抗生素及氟喹诺酮类抗生素对水体中的绿藻有负面影响，而且可能经由植物吸收等途径进入食物链，对人体健康构成潜在的威胁.青霉素、磺胺类药物等易使人产生过敏和变态反应.

当前，关于抗生素的吸附研究主要集中在土壤和底泥等对抗生素的吸附方面.研究了26个土壤的理化性质对土壤吸附抗生素的影响.利用超声波提取的方法测定了底泥中的14种抗生素，得出养殖场附近的河流底泥中抗生素如土霉素含量能够达到9287.5 μg · kg-1.等检测了海河底泥中的12种抗生素的含量，其中，磺胺泰哒嗪的含量高达481.85 ng · g-1.

水体中抗生素种类繁多，它们在水处理工艺中的去除效果相差很大，可能是受到抗生素分子特性和物化性质的影响.目前，很少有人从分子角度对这些抗生素的去除、抗生素的物理化学性质及饮用水工艺进行结合分析.研究抗生素从进入自然水体到处于平衡状态的过程中，各种抗生素的固、液相分配问题，对饮用水或者污水中的抗生素去除方法研究具有指导意义.因此，本文分析了水体中颗粒物对7种典型抗生素的吸附特征，通过环境扫描电镜测定颗粒物的表面结构及元素组成，并采用高效液相色谱与质谱串联(HPLC-MS/MS)的检测方法对抗生素进行测定.

2 材料与方法

2.1 仪器与材料

超高效液相色谱-三重串联四级杆质谱联用仪(美国Agilent公司)，VAC ELUT SPS 24固相萃取仪(美国Agilent公司)，恒温振荡器(美国CRYSTAL)，SB 25-12DTDN超声波清洗仪(宁波新芝生物科技股份有限公司)，N-EVAP氮吹仪(美国Organomation)，OASIS HLB固相萃取柱(6 cc/500 mg，美国Waters)，SAX阴离子交换小柱(3 cc/200 mg，美国Agilent)，ZORBAX Eclipse C18柱(3.5 μm，2.1 mm×100 mm，美国Agilent)，滤膜(聚四氟乙烯，0.22 μm、0.45 μm，47 mm，美国Pall;玻璃纤维，0.7 μm，47 mm，美国Whatman).

本文以河底沉积物及天然水体中检出率较高的几类人及兽用抗生素为研究对象，包括磺胺类：磺胺嘧啶(Sulfadiazine，SDZ)、磺胺甲噁唑(Sulfamethoxazole，SMX)、磺胺甲基嘧啶(Sulfamerazine，SMZ);甲氧苄啶(Trimethoprim，TMP);大环内酯类：罗红霉素(Roxithromycin，ROX);喹诺酮类：氧氟苄啶(Ofloxacin，OFL)、恩诺沙星(Enrofloxacin，ENR)等，其标准品均购自德国Dr. Ehrenstorfer、西玛通(100 μg · mL-1 in Methanol，美国Accust and ard)，Caffeine-13C3(100 μg · mL-1 in Methanol，剑桥同位素实验室)，甲醇与乙腈(色谱纯，美国Fisher)，乙二胺四乙酸二钠(优级纯，美国Sigma)，醋酸与醋酸铵(CNW，上海安谱科学仪器有限公司).

2.2 颗粒物样品的制备

实验中使用的环境扫描电镜型号为XL-30 TMP，它配有常规的二次电子检测器，气体二次电子检测器及X射线元素分析能谱仪，可以对固体、粉末、金属、非金属样品进行表面形貌及元素分析.将一定量的天然水用0.22 μm滤膜进行过滤，得到颗粒物样品用于进行颗粒物形态和成分分析.由于很难将天然水中的颗粒物从滤膜上完全分离下来，因此，在连续实验中使用的颗粒物取自河边的土壤.通过对两种颗粒物样品的环境扫描电镜结果进行比较可知，两种颗粒物的组成元素相似，各种元素的相对含量相差不大.颗粒物样品在使用之前需要进行处理：将颗粒物样品加入到浓度为4 mol · L-1的NaOH溶液中水浴加热4 h，取出在120 ℃条件下烘干3 h.处理的颗粒物样品进行环境扫描电镜分析和吸附试验.

2.3 标准曲线及抗生素样品的制备

准确称取上述7种抗生素标准品各0.0100 g，溶解到50 mL甲醇中，配制成浓度为200 mg · L-1的标准储备液.分别取一定量的单标储备液混合，用甲醇稀释成浓度为10 mg · L-1的混标储备液.Simeton用甲醇稀释至10 mg · L-1.用初始流动相将混合标准液稀释成混合标准溶液(10、20、50、100、500、1000 μg · L-1).称取Na2EDTA、柠檬酸、Na2HPO4配制McIlvaine溶液;柠檬酸钠和柠檬酸溶液配制成柠檬酸缓冲液，调节样品的pH为4.7左右.

水样在进行固相萃取之前，要将样品的pH调至3~4左右，加入0.4 g Na2EDTA 以螯合水样中的诸如Ca2+和Mg2+的二价离子，并且用滤膜过滤，然后过SAX-HLB萃取系统(固相萃取柱预先用5 mL甲醇、5 mL纯水活化).固相萃取之后，用7 mL洗脱液(甲醇与乙腈比例为1 ∶ 4)洗脱，氮吹至近干，加入10 μL(10 mg · L-1)内标物Simeton，用初始流动相定容至1 mL.最后用高效液相色谱-质谱联用仪器(HPLC-MS/MS)对样品进行测定.

1 L超纯水中加入浓度为1 mg · L-1的混合标准溶液800 μL，作为待测水样.水样中加入100 μL(1 mg · L-1)替代物Caffeine-C13，加入0.4 g Na2EDTA，然后进入SAX-HLB 萃取系统.萃取后的HLB小柱分别使用不同的洗脱液进行洗脱，对比各种洗脱液对目标抗生素的回收率.回收率(D)计算公式如下：

式中，C1为加标试样中测定浓度(ng · L-1)，C0为加标浓度(ng · L-1).

2.4 色谱与质谱的测定条件