（环境科学与工程专业论文）几种典型抗生素药物在水体及土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究.pdf

几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 温为2 8 ，流动相起始比例为a ：b = 2 0 ：8 0 ，总的运行时问为19 分钟，流速1m lm i n ，注射体积2 0 忆。在土壤复杂基质中的检测， 由于s p e h p l c 无法较好地去除基质干扰，检测灵敏度不高，因而在 土壤降解实验中采用了s p e l c e s i m s m s 检测方法。土壤降解样品 加入1 0m l 的混合溶剂( m e t h a n 0 1 e d t a m c l l v a i n e1 ：1 ，p h = 4 ) 。通过超 声，离心，洗脱等一系列步骤后进样检测。h p l c 色谱分离使用 t h e m os c i e n t 狮cs u e y o r 分析仪器。色谱分离柱选用h y p e r s 订0 d s 2um ，1 5 0 x2 。6m m ( t h e 咖os c i e n f i f i c l 。流动相a 为乙腈，流动相b 为0 1 甲酸溶于1 0m m 的乙酸铵溶液( 1l ) 。采用的梯度为，a 起 始于2 0 ，持续3 分钟，然后在2 分钟后增加到5 0 ，再在o 1 分钟内 增加到9 0 ，持续2 9 分钟，然后在o 1 分钟内降低到2 0 ，接着3 9 分 钟用来平衡。整个流动速率为o 2m lm i n 。土壤中回收率检测作三 次平行，在三种实验所用的单一土壤( 5g ) 和添加牛粪的土壤中( 5 g + 0 2g ) 注入1m gk g 1 或2 0 0 k 1 的s m x 、t i 洲，回收率分别为 7 1 5 8 0 8 ( s m x ，干重) ，6 0 9 7 2 7 ( t r m ，干 重) 。总之，q - 峋c 验证结果表明了上述在水相及土壤中的检测方法 灵敏度较高，检测方法准确可行。 在确定了实验中所用的检测方法后，接着展开研究了三种药物 s m x ，s p y 及t 刚在不同水体环境介质中及土壤中的环境行为。在 光降解实验中，考察了s m x ，s p y 及t 蹦在不同水体条件下的光降 解行为，比较了三种药物在高压汞灯、自然光及紫外灯下的降解差 异。研究结果表明：光源、水体p h 值、温度、光照时问及各种不同 的水体介质都会影响药物的光降解效率。s m x 和s p y 比较容易发生 光降解，但在某些水体条件下降解率较高，而在有些条件下则降解 率相对较低，这与药物在不同p h 条件下的离子形态影响到对光源波 长的吸收可能有一定关系。在降解过程中二者均出现了明显的降解 产物，同时实验过程中对控制样品的监测发现s m x 和s p y 一般情况 下不容易发生水解。对于t r m ，其在各种不同光降解条件下表现十 分稳定，甚至在类f e n t o n 反应这类高级氧化过程中( 如u v + f e 2 上， u v + f e 3 + ) 也基本未发生降解，在8 小时内的降解率低于2 ，呈现 东华大学博士论文 几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 出持久稳定状态。然而在自然光照下，对包裹的试验控制样品中的 浓度及对应温度、光强监测对比发现，在p h = 4 和p h = 7 的i 、州溶液 在白天吸收热量，夜间放热的过程中促进了其发生热水解的能力， 并出现了明显的水解产物，水解发生率大于l o 。药物在土壤中的 吸附解吸行为也是重要的环境行为之一。为考察这些药物在各种不 同性质土壤中的流动性和累积性，参照o e c d 指导方针选择丫5 种具 有不同理化性质的土壤进行了试验研究。同时考察了土壤溶液1 ) h 值 的变化对吸附造成的影响进行了选择性实验。实验结果发现，s m x 和s p y 在吸附过程中受土壤有机碳含量影响较大，通常含量越高的 土壤，吸附能力随之提高，这和前人对其他磺胺类药物吸附实验的 报道相一致。总体来说，s m x 和s p y 在土壤中的吸附系数较小，因 而在土壤中具有高度的流动性。而对于t i 泓，在吸附过程中受到有 机碳含量的影响不明显，而与土壤的阳离子交换容量关联程度较 高。相比s m x 和s p y ，在各种类型的土壤中都呈现出较高的吸附系 数，呈现出较强的吸附性能。解吸实验计算得出的迟滞系数表明， 三种药物在各种土壤中都呈现出不同程度的迟滞行为，这为进一步 评价药物在土壤中的流动性及累积性提供了有利的参考数据。在土 壤溶液p h 值调节对吸附影响的实验发现，s m x 随着土壤溶液p h 值的 提高，吸附能力呈显著下降超势，而s p y 随着p h 值的提高，吸附能 力未呈现出明显的波动，而t 州则呈现出两段变化，在前一阶段， 吸附能力随着d h 的提高而呈现上升趋势，但在后一阶段，吸附能力 随着p h 的提高则呈现下降趋势。这充分表明土壤溶液的p h 值在药物 吸附过程起到相当重要的作用。 吸附实验结果发现，磺胺类药物( s m x 和s p y ) 在土壤中呈现 低吸附能力，而t r m 呈现高吸附能力，通常低吸附的化合物在土壤 中易发生生物降解，高吸附的化合物则不易发生生物降解。为考察它 们实际的生物降解能力，接着进行了生物降解实验。实验中主要以 s m x 和t r m 这两种常结合在一起使用的药物作为研究主体，考察了 在三种具有不同理化性质的土壤中，有无添加牛粪修复的情况下， 在好氧及厌氧培养条件下的降解行为。实验结果表明，在好氧培养 i i i 东华史学博士论文几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 条件卜，在具有生物活性的土壤中，在前2 0 天内， 5 0 的s m x 在 粘壤土和壤质砂土中消失，在壤土中则观察到有 8 0 的损失出现。 而t r m 则在三种土壤中表现出较强的持久性。在1 0 0 天后，残留在具 有生物活性的壤质砂土、粘壤土及壤土中的含量比分别6 l 士6 ，3 l 土 7 ，和2 6 士6 。土壤中牛粪的添加( 3 7 8 c ，2 3 n ，p h8 1 9 ，添加 比例为4 ) 仅仅轻微地影响到两种化合物的起始降解速率，即在前 2 0 天内的降解速率要快于未添加牛粪的土壤。但2 0 天过后，降解速 率已无差别显现，实验结束后，在牛粪修复和未修复的土壤中未发 现降解效率的显著差别。在厌氧培养条件下，两种化合物的降解同 好氧培养条件下相比迅速的多。在2 0 天内，s m x 几乎损失殆尽，而 t i 洲也出现了8 5 以上的损失。同时在厌氧环境体系中，实时监测 了体系的p h ，n 0 3 ，s 0 4 2 。的变化，进一步验证了厌氧环境体系的存 在。 由于在降解实验中发现了s m x 和t i 洲在灭菌控制样品中的损失 出现，推测可能有部分原因是因为随着时间的推移，微生物活性逐 渐复苏造成。因而为进一步验证灭菌及未灭菌体系的微生物活性， 同时考察土壤中药物单体或混合物，不同浓度下的添加对微生物活 性是否造成影响，在这部分研究中，采用基质诱导呼吸法考察了药 物在土壤中对微生物呼吸的影响。实验结果表明，灭菌后的样品经 历长时间实验过程中，均呈现出不同程度的复苏迹象，因而这也是 药物在灭菌样品中浓度损失的原因之一。对于微生物呼吸的影响比 较发现，同控制土壤样品对比，药物对土壤微生物呼吸的短暂抑制 作用出现在前2 天，随后快速恢复。1 0 0 天后，在添加不同浓度，单 体或混合物的抗生素土壤中，总的矿化程度无较大差异。这表明无 论是在二种不同浓度下，添加单体或混合药物的土壤中( 1om gk g 。1 s m x + 2m gk g 。1t i 洲或1 0 0m gk g 。s m x + 2 0m gk g 。t r m ) ，在1 0 0 天后对微生物呼吸造成的影响较小。 关键词：磺胺甲恶唑，甲氧苄氨嘧啶，磺胺吡啶，降解，吸附一解吸，基质诱 导呼吸 ， i v 东华大学博士论文 几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 t h ee n v i r o n m e n t a l b e h a v i o r sa n dr e s p i r a t o r y i n h i b i t i o no fs e l e c t e dp h a r m a c e u t i c a l a n t i b i o t i c si na q u a t i ca n ds o i le n v i r o n m e n t a b s t r a c t s i n c ef h ed i s c o v e i yo fp e n i c i l l i ni n1 9 2 8 ，j u s ti naf e wd e c a d e s ，t h ep r o d u c t i o na n du s eo f p h a m a c e u t i c a la n t i b i o t i c sh a sb e e ni n c r e a s i n go v e rm ew o r l d t h ei n t r o d u c t i o no fa n t i b i o t i c s p o s e do np o s i t i v ee 仃e c t sf o rc u r h l gh u m a na n dl i v e s t o c k sd e s e a s e s ，b u ta l s ol e dt on e g a t i v e e 腩c t sw h i c hc o u l dn o tb ei 髀o r e d s u l f a m e t h o x a z o l e ( s m x ) ，s u l f a p 蜘d i n e ( s p y ) a r c c o m m o n l yu s e di nh u m a na n dl i v e s t o c k sw h i c hb e l o n g e dt oac l a s so fs u l f o n o m i d e s a sa s y n e r g i s t ，t r i m e m o p r i m ( t r m ) i so f t e nu s e di nc o m b i n a t i o nw i ms u l f a d m g s ，e x p e c i a l l yw i t l l s u l f a m e m o x a z o l e ，i nar a t i oo fl ：5 l i k eo m e ra n t i b i o t i c s ，t h e s ed n l gr e s i d u e sw e r ee m i t t e di n t o t h ea q u a 石ce n 、r i 】n m e n ta i l ds o i le n 啊r o n m e l l tb yv a r i o u sp a t h w a y s ，p o s i l l gp a no ft l l r e a tt ot h e e n v i r o n m e l l t a ls a f e t ) ra sw e l l w h e ns m x ，s p ya n dt i t ma r ed i s c h a r g e di n t oa q u a t i c e n v i r o n m e n t ，p h o t o d e g r a d a t i o na n dh y d r o l y s i sb e c o m ei m p o r t a n te n v i r o m e n t a lb e h a v i o r sf o r t h e i l l h o w e v e r ，t l l e r ea r el i t t l er e p o r t so nt 1 1 e s ed m g sc u r r e n t l y ， e s p e c i a l l yl a c ko fc o m p a r i s o n s u n d e rd i f f 酹e l l tc o n d i t i o n s s oi ti sn e c e s s a 巧t o 向1 l yu n d e r s t a n dt h ep h o t o d e g r a d a t i o nb e h a v i o r s o fm e s ea l l t i b i o t i c si i la q u a t i ce n v i m m e n t o nm eo t h e rh a n d ，s o 订i sa l s oa ni m p o r t a n tc a 耐e f ， b u tm e r ei ss t i l ll i t t l er 印o r to nm ea c c l l m u l a t i o na n dd e g r a d a t i o nl ( i n e t i c si ns o i l t h er e a s o n s m i 曲tb er e l a t e dt o 批oa s p e c t s ，o n ei sn os t a n d a r dd e l e c t i o nm e t h o dh a sb e e ne s t a b l i s h e du n t i l n o w ，a n dt 1 1 eo 吐l e ra s p e c ti sm ep o o re l 】n p h a s i so nt l l ed n l g i n d u c e dp o l l u t i o n s oi ti si m m i n e n t t om a k em ee s t a b l i s h i n e n to fd e t e c t i o nm e m o dw i t hh i 曲e 伍c a c ya n ds e n s i t i v i t yi ns o i la n do l e r c o m p l e xm a t r i x ，t of i l n l l e ru n d e r s t a n db i o d e g r a d a t i o nb e h a 啊o r sa l l de x p l o r ew h e t h e rm e ya r e t 0 x i ct os o i lm i c r o o r g a n i s m s h lm i sp r q i e c t ，d e t e n n i n a t i o no ft 1 1 r e ep h a n n a c e u t i c a l si na q l l a t i ca n ds o i ie n v i r o 埘：n e n tw a s f j r s ti d e n t i f i e d a 西l e n t1 10 0h p l cw a su s e di na q u a t i cp h a s e b a s e do np r c 、r i o u sl i t e r a h l r e sa n d p r e l i m i n a r yt e s t s ，a c e t o n i t r i l e ( a ) a n do 3 a c e t i c a c i di nu l 缸a - p u r ew a t e f ( b ) a r eu s e df o r m o b i l ep h a s ea n dg m d i e n te l u t i o nw a sa d o p t e d c o m p 撕n gw i md i f r e r e n te l u t i o nc o n d i t i o n s ， o p t i m i z e dc o n d i t i o nw a si d e n t i f i e d t h eg r a d i e n tw a sw e l lt oa c h i e v et h es e p a r a t i o no ft l r e e c o m p o u n d s ，a n dt h ep e a k sw e r es h a 印a n ds y l n m e 缸y a n a l y s i so fs a m p l e sw a su n d e r t a k e nb y h p l c ( a g i l e n tt e c h n o l o g i e s ，s e r i e s1 10 0 ) w j t hc - 18c 0 1 u m n ( 4 6m m 2 5 0m m ，5p m ， 10m m ， a 1 1 t e c h ) au vd e t e c t i o nw a v e l e n g t ho f2 8 0n mw a su s e d a n dt h eo v e nt e m p e r a n l r ew a ss e ta t2 8 1 1 1 ei n i t i a lr a t i oo f m o b i l ep h a s ei sa ：b = 2 0 ：8 0 t h en 】nt i m ew a s19m i nw i t han o wr a t eo f 1m lm i n a n da ni n j e c t i o nv 0 1 u m eo f2 0 ul mm ec o m p l e xm a t r i x1 i k es o i l ，i tc o u l dn o tw e l l r e m o v em a t r i xi n t e 疵r e n c e s ，a n dw i t h1 0 ws e n s i 矗v i t yv i au s i n gs p e a g i l e l l t110 0h p l c ， s o s p e l c e s i m s m sm e t h o dw a sd e v e l o p e dt ou s ei ns o i ld e 霉，a d a t i o ne x p e r i m e n t a na l i q u o to f 1o r i l lo ft h ee x t m c t a n t ( m e t h a n o l e d t a m c l l v a i n e1 ：l ，p h = 4 ) w a sa d d e dt oe a c hd e g r a d a t i o n s a m p l e s s a m p l e sw e r eu l 们s o n i c a t e d ，c e n t r i 如g e da 1 1 de l u t e db e f o r el c e s i m s m sa i l a l y s i s a 7 r h e n n os c i e n t i f i cs u r v e y o rh p l cs y s t e mw a su s e df o rl i q u i dc h r o m a t o g r a p h yw i t hat h e n n o h y p e r s i lo d sc 0 1 u n l n ( 15 0 x2 6m m ，2 “m ) u s e da s as t a t i o n a r yp h a s e g r a d i e n te l u t i o nw a s v 东华大学博士论文几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 a c h i e v e dw i t ha c e t o n i t r i l e ( a ) a n df o 咖i ca c i d0 1 i n10m ma m m o n l u ma c e t a t e ( b ) i h e g r a d i e n tp m 伊a mb e g a na t2 0 af o r3m i n ，i n c r e a s e dt o5 0 ai n2m i n ，t h e ni n c r e a s et o9 0 ai n0 1 m i n ，h 0 1 df o r2 9 m i n ，m e nd e c r e a s et o2 0 ai no 1m i nf o l l o w e db y3 9m i no f e q u i l i b r a t i o nt i m e t h ef l o wr a t ew a s0 2m l m i nt h er e c o v e 叮f o rs p 墩e dc o n c e n t r a t i o no fa t1 m gk g 。s m xo r2 0 0 肛gk g 叫t i t ma n di nt h r e ee x p e r i m e n t a ls o i l sw i ma n 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t r i m e t h o p d mw i t hc h a n g e so f 铆op h a s e s 1 1 l l e r e f o r e ，p hi ns u s p e n d e ds o i ls 0 1 u b o np l a y sa i l i m p o r t a n tr 0 1 eo ns o 叩t i o n s o 甲t i o ne x p r 锄e n t ss h o w e dt h a t1 0 ws o 印t i o no fs m x a n ds p yi ns o i l ，w h i l eh 迢hs o r p t i o n f o rt i 洲i ng e n e r a l ，b i o d e g r a d a t i o nw a se a s yt oo c c u rf o rc o m p o u n d sw i t h1 0 ws o 印t i o n v i 东华大学博士论文 几种典型抗生素药物在水体和土壤中的环境行为及呼吸抑制的研究 p o t e n t i a l a n dh a f df o rc o m p o u n d sw i t h h i g l ls o r p t i o np o t e n t i a l t oi n v e s t i g a t et h er e a l b i o d e g r a d a b i l i t yo ft h e m ，b i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dn e x t s m xa i l dt i 讣，1w e r e m a i n l ys t u d i e d ， w h i c hc o m m o n l yu s e di nc o m b i n a t i o nw i me a c ho t l l e r t l l i se v a l u a t i o nw a s u n d e r t a k e ni nt h r e es o i l so fv a r 弧n gc h a r a c t e d s t i c sa n di n c l u d e d 锄e 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