铜离子和镁离子对溶解性有机质与氧氟沙星相互作用的相反效应

原作者：潘波邱梦怡，等石利戈（译）

（重庆市开县环境监测站重庆市开县405400）

铜离子和镁离子对溶解性有机质与氧氟沙星相互作用的相反效应

原作者：潘波邱梦怡，等石利戈（译）

（重庆市开县环境监测站重庆市开县405400）

透析平衡系统用于研究Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）对溶解性有机质与氧氟沙星的相互作用的影响。Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）与氧氟沙星的结合行为被研究。引进Cu（Ⅱ）能增加溶解性有机质与氧氟沙星的相互作用，而Mg（Ⅱ）则降低了彼此的结合力。氧氟沙星也增强了Cu（Ⅱ）结合溶解性有机质的能力，却降低了Mg（Ⅱ）结合溶解性有机质的能力。氧氟沙星的在没有金属离子时的结合能力与有金属离子存在时的结合能力的差值（ΔCb）被计算并且与金属离子单独存在的结合能力（Cbm）。ΔCb/Cbm的值一般在1～3之间，这个值的大小由Cu（Ⅱ）离子的浓度而定。两种三元混合物DOM-OFL-Cu和DOM-Cu-OFL的结合能力的研究被提出。对于Mg（Ⅱ）离子而言，当Mg（Ⅱ）离子的浓度低于1mmol/L时，ΔCb/Cbm的值约在-1左右，但是，随着Mg（Ⅱ）离子的浓度增加，该值可升高至5.Mg（Ⅱ）离子对氧氟沙星的竞争效应就此被提出。其动力学特征由红外吸收光谱收集。

1　前言

人类使用抗生素作为医疗治疗药物，而家畜（主要是猪，家禽和肉）被喂以抗生素主要的目的则是为了治疗疾病和促进其生长速度。一些抗生素被用于人类和动物（如磺胺类，喹诺酮类和四环素类），而其他抗生素是专门针对人或动物。在近几十年来，抗生素生产和运用的发展速度非常快，而这带来了很大的环境问题。通常来讲，使用的抗生素有百分之五十到九十不可能被人类和动物吸收（Schlusener and Bester，2006）。因此，它们在使用后迅速排出。抗生素根据水化学条件通常结构复杂和物理化学性能多样。在污水处理厂采用的常规方法可能不能彻底去除污水中的抗生素（Göbel et al.，2005；Stackelberg et al.，2007）。因此，没有从污水中完全去除的抗生素可能通过不同的途径进入地表水，地下水，甚至自来水。例如，抗生素进入环境的重要输入包括污水灌溉，土地利用污泥污水处理厂的污泥和家畜的粪便作为肥料运用于土地，或者是污水处理厂排放的污水进入土地（Scheytt et al.，2007；Chee-Sanford et al.，2009；Yin et al.，2010；Yiruhan et al.，2010）。不幸的是，这种类型的化学品已被证实会对人类和野生动物导致毒性作用（Park and Choi，2008）。关于抗生素的风险最大的担忧是他们在环境中的抗药性基因会增强。抗生素和微生物之间的长期接触使得微生物的抗药性增强。在全球范围内人类细菌病原体的耐药被显著增加和抗性基因也在不断转移转移（Seveno et al.，2002）。抗药性的产生会使得医疗过程中使用抗生素时的治疗效用失败，从而严重威胁人类的健康。因此，迫在眉睫的是揭示抗生素在环境中的迁移情况。抗生素在环境中的传输是通过水相。因此，了解抗生素的含水行为是主要的。

溶解有机物（DOM）是普遍存在于水环境中，例如土壤中的孔隙水，海水，地下水和地表水中都存在溶解有机物（DOM）（Leenheer and Croue，2003）。DOM和抗生素都含有多种官能团，因此它们可以通过疏水作用，离子交换，阳离子桥接，无定形的包合物和氢键作用（Gu et al.，2007；Agarwal et al.，2008）。在环境中可发现有10～29%的DOM与抗生素的结合物（Zhou et al.，2007）。因此，DOM和抗生素之间的相互作用可以改变抗生素的溶解性，吸附，流动性，生物利用度和环境风险（Gu et al.，2007）。另据报道，在大多数情况下，抗生素的吸附行为和DOM与抗生素相互作用在很大程度上受水的化学条件控制。在所研究的水化学条件，阳离子对抗生素行为的影响引起了很大的研究关注。阳离子的存在可以降低抗生素的吸附，由于阳离子和抗生素之间对吸附剂存在相同的官能团的竞争（Wang et al.，2011）或通过入侵或屏蔽吸附剂吸附阳离子（Chen et al.，2011）。另一方面，抗生素与吸附剂之间的相互作用在阳离子引入之后可能被增加。该参与机制是阳离子与抗生素形成的复合物（Pei et al.，2010；Guaita et al.，2011a），阳离子桥接（Pei et al.，2010，2011；Pils and Laird，2007），和外层和内层的络合（Guaita et al.，2011b）。以上讨论认为，没有确凿的结果，得到关于阳离子对抗生素的行为的作用所扮演的角色。在环境中的抗生素的各机制和它们的不同反应的水的变化化学条件（如pH和温度）。因此，详细的调查是必要的，以确定不同的机制所带来的贡献。只有一些研究提供的结果在抗生素吸附过程中阳离子的吸附行为和提供了非常重要的信息关于抗生素的吸附机制（Peietal.，2010；Wangetal.，2011）。因此，结合阳离子行为和抗生素行为的意见可能是研究阳离子对抗生素的吸附行为影响的有效方法。然而，根据我们所知，还没有关于DOM-抗生素和阳离子三者综合影响的研究。所有关于离子强度影响的研究都是应用阳离子浓度来研究DOM与抗生素的相互作用。主要原因可能是自由溶解阳离子和DOM绑定分离阳离子较为困难。因此，本研究采用透析平衡系统调查阳离子在DOM与抗生素相互作用中的作用。氧氟沙星（OFL）被选中作为抗生素的代表模型是因为它广泛存在于环境中（Yiruhan et al.，2010）。铜（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子被作为阳离子的代表模型，因为它们在环境中是常见的。

2　实验部分

2.1化学药品

抗生素——氧氟沙星是由日本的一家生物基因公司制得的。氧氟沙星（200mg/L）的原液溶解于含有0.01M NaCl（背景电解质）和含量为200mg/L NaN3（生物抑制剂）的背景溶液中，根据测量结果显示，氧氟沙星在pH 7.0时的溶解度为3400mg/L。氧氟沙星有6.10和8.28两个酸离解常数。该研究运用的是Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）的硝酸盐溶液。其溶解度比其他所有的化学品的分析纯都高。在本实验中所用的有机溶剂，是从Merck公司（德国）购买的用于测量梯度级的液相色谱。

2.2溶解有机质的制备（DOM）

在本实验中所制备的溶解性有机质是从滇池（中国昆明）中提取的沉积物——胡敏酸（HA）。简要的说，就是收集来的沉积物通过简单的冷冻干燥，研磨，最后通过一个直径为2mm的筛网筛滤而获取。其中的植物残体通过人工手动挑拣出来。用0.1mol/L的NaOH和0.1mol/L的Na4P2O7的混合液与土壤中提取的胡敏酸（HA）混合。平衡12h后，将混合物在1000g下离心10min，收集上清液。提取液经过滤后用HCl絮凝。絮凝的胡敏酸首先用HF洗三次，然后再用蒸馏水洗，直到用AgNO3检测不到氯离子的存在。然后将胡敏酸冷冻干燥，研磨至粒径小于500μm。

取制得的胡敏酸（HA）（1g）溶解在20mL NaOH（0.5mol/L）溶液中，再加入980mL背景溶液混合从而得到溶解性有机质（DOM）的贮备液，放置一夜后方可使用。将溶解性有机质（DOM）溶液的pH用盐酸（HCl）调节至7.0。为了避免小分子的溶解性有机质透过渗透膜的不确定性，在使用渗透膜时，分子量小于3500的将会被丢弃。在使用前，透析膜要先浸泡在0.1mol/L的NaHCO3溶液中（30min），然后再浸泡在0.1mol/L的碳酸钠溶液中（30min），最后再用流动的蒸馏水（30min）连续洗涤（30min）。溶解性有机质（DOM）溶液中置于两端密封的渗透膜中，通过自来水洗涤和蒸馏水依次清洗，然后浸在纯水中。不断换洗超纯水，直至不能检测到有机碳的存在。然后将含溶解性有机质（DOM）的渗透膜袋放在背景溶液（0.01M NaCl和200mg/L的NaN3）中浸泡。背景溶液总共需换三次。经预处理的溶解性有机质（DOM）溶液倾出并贮存在冰箱中。胡敏酸（HA）颗粒中C、H、N、S和O元素组成分别占43.9、4.3、3.2、0.9和46.5。使用有机碳（TOC）分析仪可测得制备的溶解性有机质（DOM）溶液中的有机碳含量。在预透析过程中的碳损失小于5%，从而元素组成的变化被忽略。

2.3在透析平衡系统中的溶解性有机质与氧氟沙星（DOM-OFL）的相互作

利用透析平衡系统对溶解性有机质与氧氟沙星（DOM-OFL）的相互作用进行了研究。渗透膜的一端打结绑定好，然后放入40mL的液相瓶中，并向渗透带中装入20mL溶解性有机质（DOM）溶液。氧氟沙星（OFL）溶液和背景水则加在渗透膜外，通过计算加在小瓶内的总的蒸馏水的量来计算氧氟沙星（OFL）溶液的初始浓度，因为氧氟沙星（OFL）分子能够通过该膜而扩散。渗透膜的开口端将用小瓶盖子压住，由此将溶解性有机质（DOM）溶液密封住。根据我们的初步研究，5d为表观平衡足够长的时间。将所有的小瓶在25℃的空气浴摇床中连续正当5d。然后，将渗析膜内部和外部的液体进行称重（为浓度校准）。渗析袋内外的氧氟沙星（OFL）浓度用高效液相色谱（HPLC）进行测量。透析平衡体系的pH值调节至p H7.0。

Cu（Ⅱ）或Mg（Ⅱ）离子溶液同时也被添加到膜的外面用来研究阳离子对DOM与氧氟沙星之间的相互作用的影响。Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子溶液的初始浓度也是基于在体系中总的溶液的体积。其他的实验条件也和上述的相同。无论是膜内部还是外面的铜（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子的浓度都是用原子量化吸收光谱仪（AAS）来测定。以前的研究是当Cu（Ⅱ）（0.2mmol/L）或Mg（Ⅱ）（50mmol/L）时开始有DOM沉淀产生。在本实验中，Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子的浓度将选了低于此值。DOM与金属离子的相互作用（在没有氧氟沙星的情况下）依然用渗透平衡系统进行和上述相同过程的研究。

2.4氧氟沙星的检测

用高效液相色谱仪定量测定氧氟沙星，选用（安捷伦科技1200）C8钢柱（5μm，4.6mm×150mm）作为色谱柱，用加了0.8%的冰醋酸的水和乙腈以体积比为90：10的比例配制流动相。流动相流速为1.0mL/min。氧氟沙星在仪器中的保留时间为4.6～5.0min.氧氟沙星的浓度被紫外检测器在波长为286nm时定量检测出。观察到通过添加阳离子的DOM与氧氟沙星的峰面积没有明显的变化。检测出氧氟沙星的限值为0.1mg/L。

2.5数据处理

检测到的DOM结合氧氟沙星的浓度用（Cb）表示，游离的氧氟沙星的浓度用（Cf）表示。两者可能形成的结合曲线用Freundlich模型表示。

Freundlich模型：logCb=logKF+nlogCf

其中：Cb（mM）是氧氟沙星的结合浓度和Cf（mM）代表氧氟沙星的游离浓度；KF是Freundlich吸附系数；n是非线性系数。通过在不同的Cf值和被修正的DOM浓度来获得结合系数KDOC：

KDOC=（Cb/Cf）/[DOC]

其中[DOC]是DOM的中有机碳的浓度（mgC/L）。DOM与阳

2.6红外光谱分析

为了揭示DOM、氧氟沙星和阳离子之间的相互作用机制，收集了所有的可能性进行红外光谱的测定，包括DOM，氧氟沙星，DOM/铜，DOM/镁，氧氟沙星/铜，氧氟沙星/镁，DOM/OFL/铜和DOM/OFL/镁。DOM，氧氟沙星，铜（Ⅱ）的浓度分别为22mgC/L，0.1mM，0.1mM和1mM，所有溶液都要经过转蒸发，然后冷冻干燥。每毫克颗粒用200mg KBr（脱水，在105℃）混合在一起在玛瑙研钵研磨（Hou et al.，2010）。将该混合颗粒压成圆片状并加载于傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（瓦里安640-IR）中。光谱被控制在在4000～400cm的分辨率下扫描。

3　结果与讨论

3.1用透析平衡系统测定氧氟沙星与DOM的结合

氧氟沙星和DOM的结合可由图表中空心圆圈表示并用Freundlich方程（r2=0.98）很好的描述出来。从Freundlich模型中可得到其非线性系数（n=0.495±0.022）远小于1（P<0.01）。但是，之前关于氧氟沙星与DOM的结合能力的非线性关系已经被提出，在此，一些问题应该在实验中得以提出。

首先考虑的可能是渗透膜和瓶壁对氧氟沙星的吸附。根据我们的初步实验中，氧氟沙星的吸附损失（透析膜和瓶壁）占最初添加的氧氟沙星浓度的10%。这吸附亏损将会显著降低氧氟沙星在系统中的有效浓度。因此，在这项研究中避免运用物料平衡计算。渗透膜内外的氧氟沙星的浓度均需要计算。膜外测定的是游离的氧氟沙星浓度，而膜内测定的是和DOM结合的氧氟沙星及游离的氧氟沙星的总浓度。上述的吸附损失不会影响平衡，因此所得到的KDOC是基于直接测定的Cb和Cf。

另一种可能的影响可源于水分子通过渗透膜的扩散作用使得DOM的浓度降低。DOM的浓度变化肯定会导致KDOC发生错误（Pan et al.，2008）。因此，膜内和膜外的溶液的质量在平衡前后都需要测量。该重量的变化将导致DOM浓度的变化小于5%。因此，DOM浓度的影响在这项研究中是不可忽略的，但DOM的实际浓度是用KDOC来表示的。

氧氟沙星和DOM之间的结合将极大程度的改变氧氟沙星的特性，这可能导致氧氟沙星在用紫外探测仪定量分析中产生偏差。我们初步的实验表明，对于DOM的浓度低于30mgC/L时，紫外检测器提供了可靠的氧氟沙星在水相中的总浓度。这可能是由于小容积的注入并在流动相中被解离。

OFL降解也可能会导致数据量化的不确定性。因此，叠氮化钠（200mg/L）被加入作为微生物抑制剂并将所有小瓶至于黑暗中平衡。根据我们在参考文献中对初始浓度（没有DOM存在的氧氟沙星溶液）的测量，氧氟沙星浓度在五天内大约改变3%。此外，通过高效液相色谱，氧氟沙星的色谱图中表现出了非常明确的基准，并没有额外的观察到对均衡后的水相的峰。因此，OFL降解的影响可能被排除在当前的实验。

根据上面的讨论，我们认为，所观察到的氧氟沙星和DOM之间结合的非线性关系是由他们的真正互动造成的。OFL-DOM交互的非常低的n值代表着氧氟沙星在DOM中较高的异质性结合位点。在pH值7.0左右，氧氟沙星分子表现为两性离子形式（既负电荷和正电荷）。因此，DOM与氧氟沙星的交互作用涉及位点特异性相互作用，如氢键，静电相互作用和阳离子交换，这将会在下面的章节中更加细致的介绍。

3.2Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子对DOM与氧氟沙星相互作用的影响

在加入Cu（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）离子后，DOM与氧氟沙星相互作用受不同模式的影响。在体系中加入Cu（Ⅱ）离子可以明显的促进氧氟沙星与DOM的星湖作用，但是Mg（Ⅱ）离子的加入却显著抑制氧氟沙星与DOM的相互作用。在不同的金属锂在浓度下，都呈现这个规律。加入金属离子后氧氟沙星与DOM的结合系数KDOC′和氧氟沙星与DOM的结合系数KDOC之比如图。对于Cu（Ⅱ）离子来说，这个比值大于1.0，说明KDOC′>KDOC。也就表明，Cu（Ⅱ）离子的加入可以促进氧氟沙星与DOM的结合.并且随着Cu（Ⅱ）离子浓度的增大，这种增强作用越来越显著.但是在加入Mg（Ⅱ）离子后，大部分的KDOC′/KDOC值低于1.0，并随着Mg（Ⅱ）离子的浓度越高其值越小.说明Mg（Ⅱ）离子的加入会抑制氧氟沙星与DOM的结合。

之前的研究表明，由于阳离子带正电荷，可能会中和DOM所带的负电荷，并且降低双电子层厚度和排斥力，或者在DOM分子间形成桥梁，因此促进DOM分子的凝聚。预备实验结果说明，在Cu（Ⅱ）离子浓度高于0.2mM和Mg（Ⅱ）离子浓度高于50mM时，都分别会使DOM沉淀。不过这种类型的凝聚显然不能解释Cu（Ⅱ）离子和Mg（Ⅱ）离子对氧氟沙星与DOM的相互作用完全相反影响的现象。

3.3氧氟沙星对Cu（Ⅱ）离子或Mg（Ⅱ）离子在DOM上的结合的影响

运用渗透平衡体系实验可以看出，Cu（Ⅱ）离子与DOM和Mg（Ⅱ）离子与DOM之间都有明显的结合现象。计算出Cu（Ⅱ）离子的值为47～580L/mgC，Mg（Ⅱ）离子值为5～40L/mgC，有大量的文献说明阳离子与DOM之间存在显著的结合现象，这些结合一般发生在DOM上含O，N，或者S的官能团上。根据这些官能团在数量上和结合强度上的比较，含O官能团（像羧基，酚羟基和酮基）在金属结合方面占最主要的支配作用。所以在本次研究中，含O官能团是讨论的重点。分子尺寸较小的DOM分子，像草酸，柠檬酸，乙酸，苹果酸也展现出这些含O的相互作用活性位点。Cu（Ⅱ）离子与DOM结合的能力明显比Mg（Ⅱ）离子高出一个数量级。这个结果可以从Cu（Ⅱ）离子和各种配位体之间的高结合能力方面解释。例如，之前的研究中强调Cu（Ⅱ）离子可以与DOM中苯磷二酚或乙二胺组分结合，而且有很高的结合系数。甚至是在酸性条件下，质子结合作用也不能与铜离子结合作用相竞争。

在实验中观察到一个有趣的现象，将氧氟沙星加入到金属离子与DOM相互作用体系中也显著的改变了金属离子的行为。氧氟沙星的加入促进了Cu（Ⅱ）离子与DOM的结合，却削弱了Mg（Ⅱ）离子与DOM的相互作用。之前的讨论说明，不同的金属离子对氧氟沙星与DOM相互作用的影响是不同的。从摩尔浓度角度分析可能会对说明不同机制提供有用的信息。如图，氧氟沙星在DOM上结合量的变化量（ΔCb，没有金属离子和加入金属离子情况下氧氟沙星在DOM上结合量的差值）是基于金属离子结合量的变化而变化的。加入不同金属离子后比率如图，横坐标是初始金属离子浓度。

3.4在DOM/OFL/金属离子体系中所有组合的红外表征

上文对Cu（Ⅱ）离子和Mg（Ⅱ）离子的比较说明了这两种样离子可能与DOM上不同的位点结合，因此，在改变DOM-OFL相互作用中既有不同的影响。利用红外光谱数据来说明Cu（Ⅱ）离子和Mg（Ⅱ）离子在三项体系中的不同作用。

红外光谱如图，可以观察到一些含氧官能团的典型红外响应。羧酸C=O键在以1710cm-1为中心的位置出现一个宽峰。1300～1260cm-1区域指示羧酸C-O键和O-H变形。在1270cm-1出现的峰，指示酚的C-OH键。在1640～1600cm-1区域出现的峰值时酮基的C=O键。我们可以观察到，虽然氧氟沙星自身有非常强的羧基红外信号，OFL-DOM的结合却大大抑制了羧基官能团的响应。这个结果说明了氧氟沙星可能优先与DOM上的羧基反应。Cu（Ⅱ）离子也是公认的可以与羧基官能团形成稳定络合物的物质，所以Cu（Ⅱ）离子可能在氧氟沙星和DOM的羧基官能团之间起桥接作用。而这种稳定的三元络合物并不能适用于Mg（Ⅱ）离子，是由于Mg不是过渡金属，所以没有d-轨道。但是Mg（Ⅱ）离子可能通过阳离子交换作用和静电作用，同时与羧基和酚羟基相互作用。因此，Mg（Ⅱ）离子可能与氧氟沙星竞争DOM上的羧基位点，同时与DOM上的酚羟基反应。然而，上述假设还需要证据证明。同时也要注意到，为了做红外分析的脱水过程可能会导致络合物分离，所以将来的研究最好测原样的相互作用，例如使用ATR-FTIR。

基于上述结合数据的讨论和表征数据分析，用示意图的形式说明Cu（Ⅱ）离子和Mg（Ⅱ）离子对DOM-OFL相互作用的不同影响。氧氟沙星可以与DOM通过氢键作用或者在含氧官能团发生离子交换作用而结合。加入Cu（Ⅱ）离子促使体系中物质形成三元络合物DOM-OFL-Cu和DOM-Cu-OFL，从而使与DOM结合的氧氟沙星和Cu（Ⅱ）离子都增加。而Mg（Ⅱ）离子可以通过阳离子交换作用与含氧官能团结合，从而与氧氟沙星竞争DOM上相同的结合位点，或者由于水合层较大，遮掩了附近氧氟沙星可以结合的位点。

4　结论

Cu（Ⅱ）离子和Mg（Ⅱ）离子对DOM-OFL相互作用有相反的影响。Cu（Ⅱ）离子的加入可以促进氧氟沙星与DOM的结合，但Mg（Ⅱ）离子的加入会抑制氧氟沙星与DOM的结合。在研究金属离子在DOM-OFL-金属离子三元络合物体系和DOM-金属离子二元络合物体系的过程中表明OFL的加入可以促进DOM-Cu的相互作用，却会抑制DOM-Mg的相互作用。结合红外分析光谱给出的数据，我们可以推测DOM-OFL-Cu和DOM-Cu-OFL这两种三元混合物可以增加DOM与Cu和OFL的结合。镁（Ⅱ）离子和DOM的结合可能会竞争或遮掩氧氟沙星附近的结合位点。

从自由溶解浓度来看，相比二元混合物体系而言，在液相DOM/OFL/Cu（Ⅱ）三元混合体系中，会降低氧氟沙星的结合能力，而在DOM/OFL/Mg（Ⅱ）三元混合体系中则会得到增加。

X171.5

A

1673-0038（2015）14-0168-04

2015-3-23

石利戈（1976-），男，工程师，大学专科，主要从事环境监测方面的工作。