（环境工程专业论文）土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 土霉素是一种广谱抗生素，广泛用于畜禽养殖和水产养殖业，并被大量排放到水体 和土壤环境中，对生态环境产生潜在危害。尤其是土霉素的长期累积会引起抗性病菌和 抗性基因的滋生。因此，研究土霉素在环境中的行为和生态影响具有重要的科学价值和 现实意义。 为了进一步研究植物对土霉素的吸收规律、植物毒性和评价土霉素随植物性食品进 入食物链的风险，本研究通过水培实验研究土霉素对生菜的植物毒性，结果发现土霉素 在浓度较低( 1m g l ) 时，只对生菜根部表现出抑制作用。当土霉素的浓度高于5m g l 时， 生菜根和叶的生长均受到显著抑制；水分及部分微量元素( f e 、c u 、z n 、m n ) 的吸收也 受到抑制。土霉素为lm g l ，营养液p h 值5 8 条件下，发现p h 对生菜吸收土霉素有 一定的影响，但对生菜生长的影响不显著。在研究过程中还建立了从叶菜组织中提取分 析土霉素的液相色谱方法。测得生菜、芹菜和小白菜中土霉素的回收率为6 6 8 - - 8 2 9 e ， r s d 小于1 0 ，该方法具有回收率高和重现性好等优点。 光解是土霉素在环境水体中重要的转化行为。本研究考察了不同p i - i 条件下，金属 离子对土霉素光解的影响。结果表明：当p h = 7 0 时，加入c a 2 + 、m ：矿、z n 2 + 和c u 2 + 能加快土霉素的光解速率，而且离子的含量越多，土霉素的光解速率越大；在p h = 8 5 时，加入c a 2 + 、m 9 2 + ，其结果与p h = 7 0 时相反。光谱分析表明，金属离子对土霉素 光解的影响可能与它们之间的络合作用有关。本研究通过间接法检测到土霉素在碱性条 件和中性金属离子溶液中的光解过程可产生1 0 2 和0 2 。计算了直接光解、1 0 2 和0 r 对土霉素光解的贡献率，结果发现土霉素的间接光解过程，即产生0 2 和0 2 。对加快土 霉素的光解起主要作用。并分析了土霉素与金属离子的络合作用影响直接和间接光解的 原因。土霉素在海水中的光解速率变化趋势与其在c a 2 + f f l lm 矿+ 溶液中的变化趋势相似， 说明土霉素在海水中的光解受这两种金属离子的影响。 关键词：土霉索；植物毒性；光解；络合作用 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 p h y t o t o x i c i t yo fo x y t e t r a c y c l i n e t ol e t t u c ea n di t sp h o t o l y s i s i nm e t a li o ns o l u t i o n s a b s t r a c t o x y t e t r a c y c l i n e ( o t c ) i so i l eo f b r o a d - s p e c t r u ma n t i b i o t i c s ，w h i c hi sw i d e l yu s e df o rt h e t r e a t m e n to fi n f e c t i o u sd i s e a s e si nl i v e s t o c ka n df i s h i tc 柚e n t e rw a t e ra n ds o i lt h r o u g h v a r i o u sp a t h w a y s ，w h i c hc a nc a u s ep o t e n t i a le c e t o x i c e l o 百c a le f f e c t s ，s u c ha sd e v e l o p m e n to f a n t i b i o t i c - r e s i s t a n tg e n e s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fe n v i r o n m e n tb e h a v i o ra n de c o t o x i e o l o g i c a l e f f e c t so f o t ci sv e r yi m p o r t a n t i no r d e rt os t u d yt h eu p t a k e ，p h y t o t o 虹c 时a n dt h er i s ko fo t c b yp l a n t , as e r i e so f e x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e di nh y d r o p o n i cs y s t e mu s i n gl e t t u c ea sam o d e ls p e c i e s i tw a s f o u n dt h a tt h eg r o w t ho f l e t t u c er o o tw a si n h i b i t e da tt h eo t cc o n c e n t r a t i o no flm e g l w h e n t h ec o n c e n t r a t i o no fo t ci n c r e a s e dt oh i g h e rt h a n5m g l 。b o t hr o o ta n df o l i a g ee x h i b i t e d p h y t o t o x i c i t yr e s p o n s e f u r t h e r m o r e ，t h ew a t e ra n dt r a c ee l e m e n t s ( f e ，c u , z n , m n ) u p t a k eb y l e t t u c ew e i ei n h i b i t e d 丛w e l l t h ee f f e c t so f p h ( o t c = li n g l e ；p h = 扣8 1w e r ea l s os t u d i e d i tw a ss h o w nt h a tp hc o u l da f f e c tt h eu p t a k eo fo t c ，w h i l et h ei n f l u e n c eo nt h el e t t u c e g r o w t hw a si n s i g n i f i c a n t i nt h i ss t u d y ，i tw a sa l s os e tu pt h eh p l cm e t h o dt om e a s u r et h e r e s i d u e so fo t ci nl e t t u c e ，c e l e r ya n dp a k c h o ic a b b a g e t h er e c o v e r yo fo t cw a sf r o m 6 6 8 t o8 2 9 钆a n dt h er s dv a l u e so fr e p l i c a t e sw e r el e s st h a n1 0 t h er e s u l t si n d i c a t e d t h a tt h em e t h o di sa c c 啪t ca n ds t a b l e p h o t o l y s i si so n eo f t h ei m p o r t a n tp a t h w a y sf o rd e g r a d a t i o no f o t c i nn a t u r ew a l e r t h e e f f e c t so fd i f f e r e n tm e t a li o n so nt h ep h o t o l y s i sr a t eo fo t cw e r es t u d i e da td i f f e r e n tp h v a l u e s 1 1 1 ep h o t o l y s i sr a t eo fo t cw a sa c c e l e r a t e dw i t ha d d i t i o no fc 一+ ，m 矿，z n ”a n d c u 2 + a tp h = 7 0 h o w e v e r , w h e np hv a l u ew a sa d j u s t e dt o8 5 血es i t u a t i o nw a so p p o s i t et o p h = 7 w i t ha d d i t i o no f c a 2 + a n dm 9 2 + a c c o r d i n gt ot h es p e c t r o m e t r ya n a l y s i s t h ei n f l u e n c e o fm e t a li o n so nt h ep h o t o l y s i so fo t cw a sp r o b a b l yr e l a t e dt ot h ec o m p l e x a t i o nb g t w e c n t h e m i nt h ep h o m l y s i sp r o c e s s , o t cc o u l dg e n e r a t e1 0 2a n d0 2 。a tp h = 8 5a n di np h 2 7 0 m e t a li o ns o l u t i o n s t h ec a l c u l a 石o nr e s u l t so fp h o t o l y s i sc o n t r i b u t i o nr a t i oo fd i r e c ta n d i n d i r e c t ( 1 0 2a n d0 2 ) s h o w e dt h a ti n d i r e c t ( 1 0 2a n d0 2 - ) p h o t o l y s i sw a ss i g n i f i c a n tf o r a c c e l e r a t i n gt h ep h o t o l y s i sr a t e i ns o nw a t e r , t h ec h a n g e so fo t cp h o t o l y s i sr a t ec o i n c i d e d w i t ho t ci na d d i t i o no fc a z * a n dm 矿t h e r e f o r e ，t h ep h o t o l y s i so fo t ci si n f l u 钮c e db y c a 2 + a n dm 矿i ns e aw a t e r k e yw o r d s ：o x y t e t r a c y c l i n e ；p h y t o t o x i c i t y ；p h o t o l y s i s ；c o m p l e x a t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：氍 日期：迎唾逝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：) 跺 导师签名：盂堡垒 盟年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 引言 抗生素对于预防和治疗人类与动物的疾病有重要作用。据报道，全世界抗生素的年 消耗量已超过万吨【l 】，我国的消耗量也超过千吨。其中大多数用于畜牧及水产养殖业生 产中的非治疗性用途。早期人们只注重抗生素对人类及动物的药理作用，而近年来人们 比较关注抗生素在环境中的归趋及其对环境的影响。抗生素作为兽药和食品添加剂被禽 畜和水产品摄入到体内，但是其中只有一小部分被吸收利用，大部分会随粪便及尿液排 出体外。施用于水产养殖业的抗生素( 没有被水产品利用及被水产品排出体外的抗生素) 会残留于地表水中；而用于禽畜养殖的抗生素( 被排出体外的抗生素) 会通过粪肥进入农 田土壤中。进入土壤中的抗生素可被植物吸收；也可通过渗滤和地表径流进入到地下水 和地表水中，污染自然水体。 四环素类抗生素是一类使用广、用量大的抗生素。自从二十世纪中期被发现以来， 由于其具有广谱杀菌性被广泛用于治疗和预防人类和动物的疾病。四环素类抗生素的母 体结构具有较大的相似性，理化性质比较相近。因此研究其中一种使用量最大的抗生素 一土零素的环境行为具有代表意义。土霉素四环相连，化学结构稳定，可在环境中存在 较长时间1 2 j 。因此，土霉素的环境行为和生态效应引起环境领域的关注。 土霉素作为一种广谱性抗生素可通过多种途径进入土壤及水体环境中，经历吸附、 生物吸收、光解、水解和生物降解等迁移转化过程。进入土壤中的土霉素若被植物吸收， 可对植物本身及人类产生危害；进入到水体中的土霉素，主要的降解方式是光解。光解 是有机物真正的分解过程，它不可逆的改变了反应分子，强烈的影响水环境中污染物的 归趋1 3 ) 。因此。研究土霉素在植物及水体中的环境行为、归趋及生态效应具有重要的科 学价值和现实意义。 生菜作为人们日常食用的蔬菜，具有生长周期短、易于栽培、对污染物敏感等特点， 常作为受试植物用来评价植物对污染物的吸收与毒性效应。因此，本文采用水培实验在 不同初始浓度以及p h 值条件下，研究了生菜对土霉素的植物毒性。 在自然水体中含有各种金属离子如c a ，、m 矿、z n 2 + 、c u 2 + 等，其中c a 2 + 、m 矿 大量存在，而z n 2 + 、c r 微量存在( 在重金属污染时也会大量存在) 。因此，研究土霉素 在金属离子中的光化学行为具有现实意义。本文从土霉素的环境化学行为及归趋的角 度，研究了在中性和碱性条件下，土霉素在含有c a 2 + 、m 矿、z n 2 + 、c 1 尹水溶液中的光 解动力学；并探讨了土霉素在c a 2 + 、m 9 2 + 、z n 2 + 、c 矿水溶液中光解速率发生变化的原 因及光解途径。本文为研究土霉素在植物及天然水体中的环境行为、归趋和生态效应提 供了理论依据。 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 1 研究背景 1 1 抗生素的使用及其环境水平 抗生素是指由细菌、霉菌或其它微生物在繁殖过程中产生的，能够杀灭或抑制其它 微生物的一类物质及其衍生物，用于治疗敏感微生物( 常为细菌或真菌) 所致的感染，现 在多用作生长促进剂加快牲畜及水产品的生长。虽然抗生素的半衰期不是很长，但是由 于其在环境中大量而频繁的使用，可导致抗生素的污染1 4 以及抗药性的产生。 1 1 1 抗生素的使用 抗生素可用予预防和治疗人类及动物的疾病，尤其可以作为生长促进剂加快牲畜及 水产品的生长。因此其在医疗、畜牧业和水产养殖业中都发挥重要作用。 自从1 9 2 8 年a l e x a n d e r f l e m i n g 发现了青霉素以来，很多抗生素出现在市场上，并用 于各个领域。现今抗生素主要用于医疗、畜牧业和水产养殖业，而其中大量的抗生素被 用于促进禽畜生长。例如，1 9 9 7 年丹麦使用抗生素的量超过1 5 0 吨，其中大于1 0 0 吨的抗 生素用作禽畜促长剂；在四十年的时间里，美国用于促长剂的抗生素的量增长了近8 0 倍； 其它一些国家，如澳大利亚、纽西兰和欧洲等国家使用抗生素的量也有较快的增长【n 。 在美国，用于禽畜养殖抗生素的用量由1 9 5 0 年的9 1 吨增长到1 9 9 9 年的9 3 0 0 吨。 1 9 9 9 年各种抗生素的使用量所占比例分别为；四环素类抗生素1 5 8 ，青霉素4 3 ， 磺胺类抗生素2 3 ，氨基糖苷类抗生素1 2 ，氟喹诺酮类抗生素o 1 9 ，其中四环素 类抗生素的使用量最大，青霉素和磺胺类抗生素的使用量也相对较大。根据2 0 0 1 年 u n i o no f c o n c e r n e ds c i e n c e t 的统计，抗生素的年生产量接近1 6 0 0 0 吨，其中有7 0 用于 非治疗性用途，如促长剂等。因此在美国抗生素的使用呈逐年上涨的趋势i l j 。 在欧洲，从1 9 9 3 年到1 9 9 8 年用于促进禽畜生长的抗生素的量明显增加，但是1 9 9 8 年以后抗生素的使用量呈减少的趋势。但是这一结果并不能准确的反应事实。因为在欧 洲只有瑞典、丹麦和芬兰提供抗生素的使用数据，而比利时、法国、德国、希腊、卢森 堡、意大利、葡萄牙和西班牙( 1 9 9 9 年) 等国家没有提供抗生素用量的数据，因此在统计 时可能低估了抗生素的用量。在欧洲四环素类抗生素是使用最广泛的一种抗生素，磺胺 类抗生素的用量居第二位，占总使用量的2 1 闭。 在中国，多种抗生素被大量使用，其中包括四环素类抗生素，奠能菌素、盆霉素、 越霉素等抗生素。在非洲的肯尼亚每年大约使用1 4 6 吨抗生素，其中四环素类、磺胺类 抗生素和甲氧苄啶的使用量占7 8 ( 四环素类和磺胺类抗生素占5 6 ，甲氧苄啶占 一2 一 2 2 9 州。通过调查这几个国家抗生累的使用情况发现，四环素类抗生素使用广泛并且用 量大。 1 1 2 抗生素的暴露途径 抗生素的大量使用在获得经济效益的同时又产生一些环境问题，因为其可通过多种 途径进入到土壤、植物和水体等环境介质中。图1 。1 为抗生素在环境中的暴露途径。 抗生素进入土壤的途径：大量抗生素作为饲料添加剂用于禽畜养殖业，由于其不易 被内脏吸收利用，大约有3 0 毋o 的抗生素是以母体的形式排出体外。最近的一些研 究发现，羊可将口服量2 1 的土霉素排出体外；小牛可将服量1 7 , - - 7 5 的氯四环素母 体排出体外l ”。另外，一些具有生物活性以及捧出体外后可转化成母体形式的代谢产物 也被一起排出体外。如磺胺甲嘧啶的代谢产物奎怍乙酰磺胺甲嘧啶在流体粪肥中可转化 成其母体形式。磺胺甲嘧啶在被服用后会在肝脏中与糖结合失去生物活性，但当排泄后 微生物会很快的将糖类分解，使得该化合物重新恢复生物活性闱。因此投加的大部分抗 生素会以活性形式( 母体或代谢产物) 随粪便和尿液排出体外，被用作粪肥施于农田中进 入土壤生态系统。还有一些用于盛放抗生素的医疗废弃物积过期的抗生素也可通过填埋 处理进入土壤。 抗生素进入水体的途径：抗生素被大量用于水产养殖业。投加到水体中的抗生素可 直接污染水体；被水产品摄取的抗生素大多也以母体形式排除体外污染水体；同时考虑 生产抗生素的工厂也会向周边环境水体中排放含有各种抗生素的废水，这样就会对环境 水体产生更大的危害。值得注意的是存在于土壤中的抗生素可以分别通过渗滤和地表径 流进入到地下水和地表水中唧，因此水体中抗生素的环境行为也不容忽视。 抗生素进入植物的途径：将含有抗生素的畜禽粪便和尿液施于农田：使用被抗生素 污染过的废水灌溉农田，进入土壤中的抗生素被植物吸收。 土毒素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 只 回田园 圈1 1 抗生素在环境中的暴露途径 f i g 1 1e x p o s u r ep a t h w a y sf o ra n t i b i o t i c si nt h ee n v i r o n m e n t 1 1 3 抗生素的环境水平 由于抗生素的大量使用，并且会通过各种途径进入到环境中。因此在很多国家的地 表水、地下水、海水底泥、粪肥和农田土壤中都发现抗生素残留。下面分别介绍抗生素 在各介质中的环境水平 ( 1 ) 水体 w a t t s 等人于1 9 8 2 年首次发现了在英格兰的河水中有抗生素的残留，其中包括大环 内酯类、磺胺类和四环素类等，而且它们中至少有一种浓度为1p g ，l 【l 哪。从此以后，很 多其它的抗生素也在地表水中被检出。一个德国小组发现某污水处理厂出水和南部河流 中氯霉素的浓度分别为0 5 6p g l 和o 0 6p g l 【j l 】。早在1 9 9 5 年欧洲就禁止使用氯霉素这 种抗生素，但还是有少量被用于禽畜养殖及农业灌溉等，所以在1 9 9 9 年还能在地表水 体中检测出该抗生素的残留。z u c c a t o 等人【12 】在意大利的河流中检测出泰乐菌素等抗生 素类药物。 抗生素在地下水的残留也被报道【1 1 ，埘。尽管大量地下水中的抗生素都是来自于粪肥 和污水灌溉的渗滤，但是它们的浓度范围不超过o 0 2 枷0 5 峙几i j 。然而在农田地区的 四种作物中，检测出两种作物中磺胺类抗生素的浓度分别为o 0 8 g l 和o 1 6 峙，l 。在 美国爱荷华州的地下水中检测到氯四环素、土霉素、林肯霉索和磺胺甲嘧啶等抗生素i l 】。 大连理工大学硕士学位论文 在德国的农田问隙水中，氯四环素、土霉素、四环素和泰乐菌素的浓度范围是o 1 , - o 3 弘g l ；在施有猪粪的美国农田地下水中也能检测到很多种类的抗生素，其中包括四环素、 大环内酯、磺胺类抗生素 1 4 1 。大多抗生素如四环素类抗生素、泰乐菌素和磺胺类药物被 大量用于禽畜及水产养殖业，因此可通过直接或间接的途径进入水体中。 ( 2 ) 底泥 很多研究发现在水产养殖的底泥中含有大量抗生梨捧切。土霉素作为一种最常用的 抗生素大量用于水产养殖业。j 0 b s 等人【1 5 悛现土霉素在底泥中的浓度介于o 1 到4 9 m g ，l 嗄干重) 之间。c a p o n e 等人【明在美国的海水底泥中检测到土霉素的浓度范围是0 5 - - 4 m g k g 。由以上数据可知土霉素在底泥中的残留量很大，若其在底泥和水体中存在动态 平衡，可在这两相中相互转化，会对水体产生二次污染。 ( 3 ) 粪肥和土壤 牲畜口服抗生素大多不被吸收利用而随粪便和尿液排出体外，随粪肥进入农田。 h a r n s c h e r 等人i l 川发现在施有粪肥的农田中，四环素和氯四环素在粪肥中的浓度分别为 4 0m g k g 和o 1m g k g ；在地表- - 中( 0 - 1 0c m ) 这两种抗生素的平均浓度为8 6 2 肛g k g ， 在2 0 - , 3 0 锄的土层中它们的抗生素的平均浓度为1 7 1 7p g k g 。四环素和氯四环素抗生 素的浓度随深度的增加而增加。p a w e l z i e k 等人刚调查了德国西北部施有抗生素的沙土 中四环素类和磺胺类药物的环境水平，在0 - - 3 0 锄土层中土霉素的浓度为2 7 嵋，l 【g ，四 环素的浓度为4 4 3p g k g ，氯四环素的浓度为9 3p g k g 和磺胺类抗生素的浓度为4 5 p g k g 。在德国，w i n c k l e r 等人1 2 l l 也发现四环素类抗生素在农田土壤中的浓度范围是 4 5 0 9 0 0p g k g 。然而r u n s e y 等人1 2 2 1 于1 9 7 7 年在粪肥中没有检测出抗生素的残留，分析 原因可能是因为当年的检测技术还不完善，没有成熟的抗生素检测方法。 1 2 抗生素的环境行为及归趋 虽然抗生素的半衰期较短，但是由于其在环境中大量而频繁的使用，可导致污染棚。 并且其可从一种介质转移到另一种介质，对环境产生危害。因此研究抗生素在环境中的 归趋和转化更具现实意义。 1 2 1几种典型抗生素的理化性质 抗生素在环境中的迁移转化过程主要包括吸附、淋溶和降解等。这些过程与抗生素 的理化性质，如分子结构、分子大小、分子形状、分子形态、溶解性和疏水性有关。 因此在讨论它们在环境中的迁移转化之前，先了解一下几种常用抗生素的物理化学性 质。 一5 一 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 ( 1 ) 四环素类抗生素 四环素类抗生素是一类广谱性抗生素，其被广泛用于禽畜及水产养殖业。它们通过 抑制蛋白质的合成抑制支原体、衣原体和很多革兰氏阳性菌及阴性菌的生长。四环素类 抗生素有多个具有电离作用的官能团，根据溶液的p h 值不同，分子所带电荷数不同。 其中四环素、土霉素和氯四环素具有相似的p k a 值以及带电情况。因此，己知其中一种 抗生素的p k a 值，就可以推测其他两种抗生素的p k a 值。在环境p h 条件下，由于四环 素类抗生素具有多重电离能力，所以其可以正电荷、两性以及负电荷的形式存在于环境 中 2 3 ，2 4 l 。当环境口h 为4 7 时，这类抗生素多以两性形式存在，当p h = 5 5 时，两性形 式的浓度可达到最大值。四环素类抗生素在酸性条件下可稳定存在，而在碱性条件下不 稳定脚】。有些研究表明这类抗生素可与二价金属离子发生络合，并且其b 二酮结构也可 结合蛋白质以及硅烷醇等物质刚。 ( 2 ) 泰乐菌素 泰乐菌素属于大环内酯类性抗生素，可用于杀灭多种致病菌如革兰氏阳性菌、部分 革兰氏阴性菌、弧菌、螺旋菌及球虫等。它的结构主要包括一个1 6 内酯环、一个氨基 糖、两个中性糖。泰乐菌素是泰乐菌素a 、b 、c 、d 的混合体，其中泰乐菌素a 占母 体的8 0 - x ) 0 1 2 7 1 。泰乐菌素在酸性和碱性条件下不稳定，而在中性条件下可稳定存在； 并随着溶剂极性的增加，溶解性增大网 ( 3 ) 磺胺类抗生素 磺胺类抗生素是一种合成抑菌剂，多用于抑制多种革兰氏阴性及阳性菌。其作用机 理是竞争抑制叶酸循环中的对氨基苯甲酸的产生。它的结构主要包括一个苯环、一个氨 基( - 1 佣2 ) 和一个磺胺基团( - s 0 2 n h 2 ) 。具有这种结构的磺胺类药物有磺胺嘧啶、磺胺间 二甲嘧啶、磺胺甲嘧啶和磺胺塞唑等。尽管磺胺类药物是两性的，但是它在生理p h 条件 下呈弱酸性，它的溶解度随p h 的增加而增加，溶解范围在0 1 8g l 。大多磺胺类抗生素 至少有两个含n 基团，其中一个与s 相连，当p h 大于5 5 7 时去质子；另一个与芳环相连， 在p h 为2 5 时去质子。由于这个原因，大多数磺胺类药物在酸性条件下带正电荷( 2 5 土霉素，植物生物富集因子o a r ) 应该与正相关， 但是事实却正相反。土霉素的啪最小，但是其b a f 最大；分析原因可能是因为土霉 素的电离能力较强( 电离越强，b a f s 越大) ，并且苔藓对氟甲喹和欧索林酸的释放速率快 于土霉素，所以土霉素可在苔藓体内可长期大量富集，而与的值无必然的联系。 1 3 2 抗生素的植物毒性和吸收方式 m i g l i o r e 等人发现恩诺沙星对黄瓜、生菜、豆、萝h 的生长有兴奋效应一在低浓度 时促进植物生长，而在高浓度时抑制植物的生长。并认为抗生素对植物的毒性与抗生素 和叶酸相互竞争有判5 3 “跏。b r a d e l 等人【删发现四环素可以通过抑制植原体的活性而影 响幼芽分枝。i i 加l s o l l 等人1 6 1 1 研究了土霉素对淡水中的水蕴草和金鱼藻的毒性，结果发现 土霉素不会对水蕴草和金鱼藻产生直接的毒害作用。但是，如果长期大量的施用土霉素 则会对它们产生毒害作用，因为浓度较高的土霉素易使水体着色，减少光的透射，会间 接对水蕴草和金鱼藻的生长产生危害。 k o n g 等人【6 2 1 通过研究代谢抑制剂对苜蓿吸收土霉素的影响和苜蓿吸收土霉素的动 力学，发现苜蓿吸收土霉素的过程可能是依靠能量的主动运输过程。氧化磷酸化是伴随 着生物氧化的电子传递过程，并将其释放的自由能用于a d p 与无机磷酸反应生成a t p 的作用，该作用是细胞生命活动的主要能量来源。代谢抑制剂2 , 4 - 二硝基酚( 2 , 4 - d n p ) 作为一种解耦联剂不会抑制电子沿呼吸链的传递过程，但可以抑制氧化磷酸化过程中 a t p 的形成，其结果使电子传递过程与a d p 的磷酸化作用分开，使其不能形成a t p ， 而由电子传递产生的自由能以热能形式散失掉，此时氧和燃料底物分子被过分利用而不 能储存能量【酬。而物质的主动运输所需要的能量由a t p 提供，但是2 , 4 - d n p 的加入抑 制了a t p 的产生，也相应的会减少物质的运输。相应的实验结果发现加入2 , 4 - d n p 后， 苜蓿吸收土霉素量相应减少，因此，可以推断苜蓿吸收土霉素的过程是一个依靠能量的 主动运输过程。同时他们发现苜蓿吸收土霉素的动力学符合米氏方程( 描述在酶存在的 大连理工大学硕士学位论文 条件下，底物浓度和反应速度之间关系的公式) ，说明苜蓿吸收土霉素的过程有酶参与 并且依靠能量，可进一步的说明苜蓿吸收土霉素的方式是主动运输过程。 1 4 光解行为研究 1 4 1 光解 光化学过程是指分子吸收光能后被激发至激发态而发生的各种反应。光化学过程主 要包括：光解反应、分子内重摔、光异构化、光聚合和氢的提取【鲫。有机物在环境中的 光化学转化往往涉及化合物的分解，在环境科学领域通常将污染物的这类转化途径称为 光解或光降解。当一个分子吸收一个光量子的辐射能时，如果所吸收的能量等于或多于 键能的离解能，则发生键的断裂，产生原子或自由基，这样就发生了光解。光解是一个 真正的污染物分解过程，因为它不可逆地改变了反应分子，是有机污染物在环境中的重 要归趋【3 】。 光解反应包括直接光解和问接光解，直接光解是指具有发色团的有机污染物吸收光 辐射后发生化学变化；间接光解又分为敏化光解和氧化光解。敏化光解是指具有发色团 的化合物直接吸收光能并将过剩能量转移到另一个化合物上。氧化光解是指有机污染物 在水环境中与一些受光解而产生的自由基或单线态氧发生的反应。氧由基态跃迁到激发 态需要9 4k j ，m o l 的能量：发色团吸收紫外和可见光可将能量传递给基态的氧，使其转 化为激发单线态氧并与有机物发生反应。与基态氧相比，有机物由基态跃迁到激发态所 需的能量较高，大概只有三分之一的处于激发态的发色团可激发该跃迁。所以只有当水 中氧浓度很低并且有机物跃迁所需能量较小( 如多烯、多环芳烃和硝基苯等化合物) 时， 有机物才能从激发态的发色团获得能量发生跃迁。处于激发态的发色团还可以引发产生 其它活性氧物质与目标物发生反应。间接光解的具体过程如图1 2 所示嗍。环境中普遍 存在着化学污染物吸收阳光而产生的直接光解和间接光解作用【研。 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 s q h o 图1 2 有机物间接光解的主要途径 u c 未知发色团；a 非氧的能量受体；s - 能与单线态氧反应的化合物 f i g 1 2p a t h w a y sf o ri n d i r e c tp h o t o l y s i so f o r g a n i cc h e m i c a l s u c ：u n k n o w c h r o m o p h o r e s ；a ：e n e r g y a c c e p t 嘣n o t o x y g e n ) ；s ：c o m p o u n d s r e a c t i n g 1 0 2 对于环境中的有机污染物，其光化学反应一般遵循一级反应动力学或准一级反应动 力学，其中一个重要原因是环境中污染物的浓度非常低，用反应动力学计算得到的光解 速率常数能用来反映光解速率的快慢。影响光解速率常数的因素包括内部因素和外部因 素，内部因素有光解量子产率和摩尔吸光系数，这些因素决定于分子结构；外部因素有 光程( 光在水体中通过的距离) 、光强、p h 值、金属离子和活性氧物质等。p h 值决定了 化合物在溶液中的形态分布，从而决定了光化学反应体系的主体，即光活性物种；金属 离子可影响化合物存在的结构及形态；具有光氧化作用的自由基及单线态氧可加快化合 物的光解。 1 4 2 抗生素的光解研究 抗生素使用量大，可通过多种途径进入到环境水体中，在很多地表水中都被检出l 她 明。抗生素的一些特征结构如芳环、杂环以及其它的功能团可吸收光并且可与自然水体 中的一些光解自由基及单线态氧反应，因此其在水体中的降解的主要方式是光解【醴】。光 解是有机物真正分解的过程，它不可逆的改变了反应分子，强烈的影响水环境中污染物 的归趋。光解反应包括直接光解和间接光解，在环境中普遍存在着抗生素吸收光而产生 的直接光解作用和问接光解作用。 e d m u n d 等x t + 9 1 究了硝基呋喃类抗生素( 呋喃它酮、呋喃唑酮、呋喃妥英) 药物在水 环境中的光化学降解。对于这几种物质，在光解的前几分钟，直接光解是主要的光解路 径，生成了一种光稳定的状态，介于顺反异构之间，计算了这三种硝基呋喃的直接光解 速率常数和量子产率。运用环境相应的活性氧基团( r o s ) 浓度，测定了目标物与r 0 s ( 单 线态氧、羟基自由基) 的反应速率常数，并且计算了半衰期。所计算的与单线态氧和羟 基自由基的反应半衰期分别处于1 2 0 - 1 9 0 0h 和7 4 - 8 2h 范围内。与仲夏北纬4 5 度处的直接 光解半衰期( o 0 8 0 , 4 ) 4 4h ) 对比，可以很清楚地得到，它们的间接光化学过程弱于其直接 光解过程。而且硝基呋喃类抗生素在去离子水和自然水体中的光解也可以证明直接光解 是主要的降解过程。因为自然水体中的1 0 2 若与目标物发生间接光解反应可加快反应速 率，但是在自然水体中没有观察到光解速率被加快。硝基呋喃类抗生素的主要光解产物 为脱水的硝基呋喃，是一种光不稳定的化合物，其易发生光解，产生n 0 ，n o 容易被氧 化为亚硝酸。所产生的酸会进一步催化硝基呋喃类抗生素母体的光降解，这表现为自身 催化行为。但是自然水体有较强的缓冲能力可中和这种酸，所以可以减少其对母体的催 化降解。 l a t o n a v 哪研究了阿托伐他汀( a t r ) 、酰胺咪嗪( c a r ) 、左氧氟沙星( l g v o ) 和磺胺 甲恶唑( s m ) ( ) 在自然水体中的光解。结果发现，s m x 和l e v o 在含有h 2 0 2 的溶液中的光 解速率快于纯净水，这说明羟基自由基可与s m x 和l e v o 发生间接光解。但是在含有 n 0 3 。、溶解性有机质( d o m ) 和h c 0 3 ( 存在于自然水体) 的合成水中加入淬灭剂，它们的 光解速率没有显著变化，说明s 脚l e v o 在环境中的光解主要是直接光解在起作用。 但是对于另外两种药物a t r 和c a r 的光解，研究发现它们可能主要发生间接光解作用。 b o 佗等人1 7 l 】研究了五种不同杂环取代的磺胺类药物( 磺胺甲恶唑、唑、磺胺甲噻 二唑、磺胺塞唑和磺胺恶唑) 在水中的光解行为。它们在水中的光解过程主要是直接光 解，并且该过程与化合物的杂环结构和溶液中的p h 值有关。对于化学结构相似的化合物 应具有相似的光解行为，但是它们的光解速率却相差很多：磺胺塞唑光解相对较快，唑 和磺胺甲噻二唑其次，磺胺甲恶唑的光解速率最慢。这些磺胺类药物都具有相似的骨架 结构，只是杂环结构存在差异，因此可以推断它们不同的光解行为可能与杂环有关。磺 胺类药物可被电离，因此这些化合物的质子化作用对它们的光化学行为也有一定的影 响。通过磺胺类药物的光解行为研究，作者建议不选用对光稳定的化合物，而选用那些 具有相似药效及相似化学结构且对光不稳定，产物环境友好的化合物施用于环境中。 l u n e s t a d 等人1 7 2 j 利用高效液相色谱、紫外光谱和微生物测定方法测定海水中八种抗 生素( 土霉素、呋喃嘧啶、欧索林酸、氟甲喹、磺胺嘧啶、磺胺间二甲嘧啶、甲氨苄嘧 啶和甲藜嘧胺) 的光解。结果发现在海水表面土霉素、呋喃嘧啶、欧索林酸和氟甲喹发 生光解，并失去它们的生物活性；其它抗生素虽然有些也发生了光解，却没有失去生物 活性。当在水深为1m 时，只有波长大于3 0 0 b m 的光才能进入，所以只有吸收波长大于 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 3 0 0n m 的物质才能被光解，通过测定发现土霉索、呋哺嘧啶和部分氟甲喹发生光解，但 只有土霉素和呋喃嘧啶的生物活性减少了。 d o i 等人【7 3 】研究了在不同条件( 温度、p h 、光照、基质和有机物) 下，土霉素的降解 动力学。结果发现土霉素是一种对光和热不稳定的化合物，并且随p h 的增大，降解速率 逐渐加快。当加入一些矿物质( 如斑脱土) 时，可更加快土霉素的降解速率，但其量的减 少可能是因为吸附而不是降解，若再向矿物质中加入有机质( 如鱼饲料) ，则在相同时间 内土霉素减少的量会更多。而且他们还发现土霉素在海水中的降解速率要快于淡水，分 析原因可能是因为海水和淡水对光的消减作用不一致，在海水中光被削弱的少因此， 土霉素在淡水中残留的时间较长，应更加关注其在淡水中的施用和残留情况。 在化学反应中，有些化合物能够吸收光能，但自身并不参与反应，而能把能量转移 给另一化合物，使之成为激发态参与反应，这种化合物称为光敏剂，其可产生高活性物 质，如1 0 2 以及超氧自由基负离子( 0 2 1 是光解研究的重要组成部分。般认为，光敏剂 分子经光照激发后，遵循两种活性氧组分产生机制，即产生自由基包括0 2 。、羟基自由 基( o h ) 等的i 型机制和产生1 0 2 的型机制。类型i 反应是通过处于激发态的敏化剂 发生电子传递从而生成自由基；类型i i 反应是通过能量从处于激发态的敏化剂传递给基 态氧从而形成了1 0 2 1 ”j 。 四环素类抗生素( t c s ) 可吸收波长在3 0 0 啪以上的光，因此容易发生直接光解嗍。 最近的一些研究发现，在水中t c s 还可通过与1 0 2 和o ，发生反应进行光解d 1 ”j 。c a s t i l l o 等人【7 5 】研究了在含有核黄素o 峋及可见光的条件下，t c s 的光致反应动力学。他们发现 t c s 可通过基态电子转移产r f - ，并且进一步产生o 厂，同时激发三重态的i 盯可将能量传 递给溶解氧产生1 0 2 ，通过实验证明强力霉素、甲稀土霉素、氯四环素、去甲金霉素和 土霉素都可与1 0 2 和0 2 一发生反应进行光解( 如图1 3 所示) 。m i s k o s k i 等人1 7 6 】研究了在有氧 及可见光条件下，利用染料作为敏化剂( 盂加拉红0 m ) ) 光氧化t c s 。结果发现激发三重 态的孟加拉红可使基态氧变成单重态的氧( 1 0 2 ) ，使t c s 与1 0 2 发生氧化光解，并可以解释 1 s 光致毒性的机理( 1 0 z 的k g ) 。而且他们还发现t c s 的直接降解产物可能含有蒽醌类 化合物，因此具有较高的量子产率。t c s 的生物活性随光解减弱。 大连理工大学硕士学位论文 p t q f r f + 岛 小卜 图1 3 四环素类抗生索在核黄素敏化作用下的光降解途径 f i g 1 3 p r o e 2 s 螂f o r r f s e m i t i r , e d p h o t o m i s o f t c s 检测产生1 0 2 和0 2 一的方法有多种，大致可分为直接法和间接法。直接法最常用的 就是通过电子自旋共振技术检测1 0 2 和0 2 - t q 存在u 4 , 丌】。含有未成对电子的物质具有顺 磁性，在强磁场下不同的取向形成不同的磁能级。磁波的频率和这些磁能级的差值相当 时，电磁波被吸收形成电子顺磁共振。根据谱图中吸收峰的位置、谱线的积分强度、谱 线的宽度及超精细结构等信息可以鉴定顺磁粒子的结构状态，检测它们的浓度。用这种 方法检测蒽醌化合物光照产生1 0 2 时，需要在溶液中加入2 , 2 ，6 ，6 四甲基哌啶酮( t e m p ) ， t e m p 能与1 0 2 反应生成湛口o ，通过在电子顺磁共振仪上的实验特征谱与商品的 t e m p o 的谱图值比较，确定实验中的t e m p o 的谱图，根据谱图信息来判断是否产生1 0 2 以及产生的量。在用电子顺磁共振检测产生的o 厂时，需要在溶液中加入5 ，5 二甲基一1 毗咯啉_ n 氧化物( d m p o ) ，d m p o 能与0 2 ”反应形成d m p o o ，加合物，通过检测这种 加合物的电子顺磁共振信号来砑究o 厂。这种方法对于溶剂也有一定要求，由于在质子 性溶剂如水中d m p o 0 2 。加合物很容易分解成d m p o - o h ，另外自由的婀以加速半醌 负离子自由基的衰减，半醌负离子自由基和d m p o d ，在非质子型溶剂如二甲基亚砜 ( d m s o ) 中比在水中更稳定，因此常用d m s o 作为研究1 0 2 ，0 2 。的溶剂，而d m s o 是羟 基自由基的特异抑制剂i 瑚，因此在d m s o 溶液中不能观察到羟基自由基的存在。 间接方法就是在反应体系中加入1 0 2 和0 2 的抑制剂，观察光反应的强度是否受抑 制，以此来判断反应体系中是否有活性氧产生以及所产生的是何种类型的活性氧组份； 或者在反应体系中加入与活性氧反应的化合物，通过测定生成物量的变化来判断产生的 活性氧。间接法的优点是简便且不需要大型贵重仪器。n a n 3 是1 0 2 的专用抑制剂，将 不同浓度的n a n 3 加入到藻红蛋白的反应体系中，光照后观察光解的受抑制情况，随着 土霉素对生菜的植物毒性及其在金属离子溶液中的光解 n a n 3 浓度增加，溶液中未被光氧化的藻红蛋白的量逐渐上升，表明溶液中的n a n 3 对 藻红蛋白的光解有明显的抑制，间接证明藻红蛋白的光敏化反应中有1 0 2 产生1 7 ”。在双 酚a 化合物的反