吲哚美辛微生物及自然光降解研究

张婷,吴波,孙娜,陈怀侠

(湖北大学化学化工学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

近年来,药品和个人护理用品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs)新型微污染物对饮用水水质的影响引起了人们高度重视.PPCPs是指用于个人健康或化妆目的,或者由养殖业用于增强家畜生长或健康目的的任何产品,包括抗生素、类固醇、消炎药、镇静剂、抗癫痫药、显影剂、止痛药、降压药、避孕药、催眠药、减肥药、香料、化妆品、遮光剂、染发剂﹑发胶﹑香皂和洗发水[1-3]等.由于其假持久性对生态环境、动物及人体造成的影响不容忽视.

PPCPs与人类生活密切相关,用于人类和畜牧业的药品仅少部分发生代谢,大部分通过排泄进入环境,外用护理品在日常生活中通过洗发、洗脸、沐浴或游泳等途径进入水环境中,PPCPs工业及污水处理厂不完全处理使得该污染物直接排入环境中[4-5].除抗生素和类固醇外,已有超过50种PPCPs在各环境样品中被检出[6].目前,对PPCPs的关注大多集中在本体上,而对其在自然环境中的迁移转化研究较少.

微生物及自然光降解是PPCPs在水体环境中的主要衰减方式[2,7],由于仪器检测限等原因,目前光化学工作者对PPCPs的环境转化研究主要集中在高浓度范围,不符合其实际存在.本文中应用固相萃取研究实际存在浓度下的吲哚美辛微生物及自然光降解,为吲哚美辛自然环境归趋研究提供可靠的理论依据.

1 实验部分

1.1仪器与试剂仪器:Dionex Summit P680 HPLC仪(Dionex,美国),配有手动进样器和20.0 μL定量环柱温箱(Nuohai技术,中国)Chromeleon色谱管理软件,Milli-Q超纯水机(北京,中国),0.22 μm的过滤膜(醋酸纤维,上海兴亚净化材料厂),循环水式多用真空泵(SHZ-Ⅲ,上海雅荣生化设备仪器有限公司),C18固相萃取柱(Agela,天津),真空萃取装置(16位防交叉污染,艾杰尔科技公司),紫外分光光度计(UV2300,上海天美公司).

试剂:吲哚美辛(Indometacin,IDM)、呋喃唑酮(Furazolidone,FZD)、萘普生(Naproxen,NPX)、(中国生物制品检定所,含量均不少于99.5%),腐植酸(HA,上海阿拉丁公司,含量不少于99%),分析纯硝酸钠、碳酸氢钠、叠氮化钠、氯化钠、硫酸铁.色谱纯甲醇、乙腈(Tedia公司,美国俄亥俄州),超纯水,分析纯磷酸等.

1.2固相萃取过程及条件考察C18固相萃取小柱分别用10 mL甲醇和10 mL超纯水清洗、活化.将50 mL水样以5 mL/min的上样速度进行分离富集.以10 mL的超纯水清洗小柱,真空状态下干燥3 min,用1 mL甲醇以0.2 mL/min的流速洗脱分析物,洗脱液直接进行液相色谱法分析

根据吲哚美辛分子结构特点,结合实验可行性、科学性及回收率的稳定性对上样流速、固相萃取柱、上样体积、洗脱液、洗脱液体积优化,最后选择Cleanert ODS-SPE 500 mg/3 mL固相萃取柱、5 mL/min上样流速、50 mL样品体积、1 mL甲醇洗脱.该条件下的日内、日间精密度分别为2.3%、2.7%.

1.3水解实验用过膜超纯水配制一定浓度的吲哚美辛储备液,并稀释为10 μg/L溶液,微生物降解、光降解的同时,做水解实验,相同时间间隔取样.固相萃取富集,洗脱液HPLC检测,测定溶液中吲哚美辛残留量.

1.4微生物降解环境水样分别取长江水和东湖水,配制10 μg/L浓度水平溶液,室温避光无氧条件下微生物降解.相同条件10 μg/L纯水溶液作对照实验,每隔一天取样(共14 d),固相萃取富集,洗脱液上样.相同条件下环境水样添加5 mmol/L叠氮化钠,作微生物降解的对照实验.

1.5光照实验日光光照实验在湖北大学(114°E,31°N)化院楼顶进行,时间为2012年3-4月的晴天,时间为10:00～15:00.反应溶液置于具塞石英试管(φ1.8 cm×22 cm)中,与水平地面成45°垂直日光照射,光照5 h,每隔1 h取样,富集并测定残留量.每组实验重复3次.

同时以草酸铁钾为化学露光计[8],测定纯水中吲哚美辛光解的平均光量子产率.

以上光解实验和量子产率测定过程中,同时设置暗对照.暗对照中,除反应试管用铝箔包裹外,其他条件均与光照实验相同.文中所列降解数据均为扣除暗对照后的数据.

1.6分析检测鼎泰公司C18反相色谱柱(5 μm,4.6 mm×250 mm),配有相同填料的预柱(5 μm,2.1 mm×12.5 mm,Agilent公司,美国),流动相:甲醇-0.2%磷酸(78∶22,V/V),流速:1.0 mL·min-1,柱温:30 ℃,进样量:20 μL,检测波长:268 nm.吲哚美辛、奈普生和呋喃唑酮的紫外吸收光谱通过紫外-可见分光光度计测得.

1.7数据处理结合实验数据和文献[9,10],本文中选取一级反应动力学模型处理光降解数据,得到光解速率常数(线性相关系数r2>0.90)和光解半减期t1/2:

C=C0e-kt

(1)

(2)

其中:C0:初始浓度;C:t时的浓度;t:时间;k:反应速率常数.

2 结果讨论

2.1水解实验及光量子产率的测定室温下放置14 d后,吲哚美辛在纯水、东湖水和长江水中的残留量较初始浓度减少量均小于5.0%,因此可以认为自然光降解和微生物降解时,水解可以忽略不计.

以草酸铁钾为化学露光计[8],测定了纯水中吲哚美辛自然光(250～350 nm)下光解的平均光量子产率为0.006 8±0.001.

2.2微生物降解在不同的环境水样,微生物对吲哚美辛降解能力不尽相同,见图1.本文中所取水样为水体流通较好的长江水及流通性较差的东湖水,由图可知,吲哚美辛在长江水基本没有微生物降解,而东湖水微生物降解较为显著,48 h之内降解了约50%.加入5 mmol/L叠氮化钠之后,48 h之内几乎没有微生物降解,13 d之后可以抑制微生物降解.这可能是由于环境水样有一定的差异,如水体中的细胞个数、微生物的种类、水质本身如溶氧量、含氮量、含碳量及粒子含量不同而对其产生的影响较大.东湖水中可能含有可以降解吲哚美辛的微生物.Hiroshi[11]等人在研究环境水样中微生物降解也得出类似的结论.

2.3初始浓度对光降解速率的影响以吲哚美辛1～500 μg/L的浓度梯度,太阳光照下考察初始浓度对化合物的影响,由表1可知,在一定的范围内,不同初始浓度的吲哚美辛具有不同的光反应速率,浓度越大降解速率越慢,当浓度超过某一个浓度值时,光降解速率几乎相同.吲哚美辛的光降解速率常数(k)与浓度(C)成指数函数(图2).也有文献报道,化合物浓度增大光降解速率减慢的现象,Cogan[12]等比较了不同浓度药物的光子通量,发现不同浓度的药物光解时,光子所经历的路径长短不同;同时在一定浓度范围内,浓度也会对药物的光解产生屏蔽效应,从而对光降解产生较大的影响.更大浓度时,浓度增加,降解速率变化不大,可能是由于浓度超过一定范围后,屏蔽作用较微弱,溶液中较恒定一部分药物分子接受光子,其光降解速率变化不大,此结论少见文献报道.

图1 实际水体中微生物降解趋势图

图2 浓度与光降解速率指数拟合

C/(μg/L)110100300500k/(h-1)0.174 50.167 90.118 60.116 90.115 2t1/23.974.135.845.936.02R20.954 70.946 30.991 50.965 70.900 5

图3 不同水体中10.0 μg/L吲哚美辛光降解速率

图4 共存物对光降解的影响

吲哚美辛纯水溶液中加入5 mg/L Fe3+,光照30 min,目标物降解了91.2%.

2.5共存物对光降解的影响由于环境水样成分较复杂,因此环境水样中往往含有不止一种或一类药物.本文中研究了结构及波长类似物萘普生、非类似物呋喃唑酮存在下吲哚美辛光降解.由图4可知,同浓度的萘普生抑制光降解,而呋喃唑酮促进光降解.这可能是由于萘普生和吲哚美辛具有重叠的紫外吸收,竞争光子[15],抑制光降解.呋喃唑酮光照之后产生的一系列光活性物质或光降解产物促进吲哚美辛光降解.

表2 加入基质后吲哚美辛光降解动力学参数(C0=10 μg/L)

3 结论

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