（环境科学专业论文）环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究.pdf

c u 2 + 和腐殖酸都能够非常明显的抑制环丙沙星光降解的进行，抑制率随浓度的增加而增 大；阴离子表面s d b s 活性剂能够对环丙沙星的光降解产生非常明显的促进作用，在低 浓度的时候随浓度的增加而增大，而达到一定浓度之后随浓度的增加而有所减小；f e 3 + 在低浓度的时候能够对环丙沙星的光降解起到明显的促进作用，促进率随浓度的增大而 增加，而达到一定浓度之后，促进率随浓度的增大而减小，进一步加大浓度会出现抑制 作用。 关键词：环丙沙星，光降解，p h ，p e 玎 a bs t r a c t a saf l u o r o q u i n o l o n ea n t i b i o t i c ，c i p r o f l o x a c i nw h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nm e d i c a l ，a n i m a lh u s b a n d r y , a g r i c u l t u r ea n da q u a c u l t u r ec a i l e n t e rt h ea q u a t i ce n v i r o n m e n tt h r o u g hv a r i e t yo fw a y s c i p r o f l o x a c i n w h i c he x i ti nt h ee n v i r o n m e n tw o u l dd a m a g et h eh e a l t ho fh u m a nb o d ya n de c o l o g i c a l , b e c a u s ei tn o to n l y c a nb et o x i ct ot h ec e n t r a ln e r v o u ss y s t e m ，l i v e r ，k i d n e y , a n dh e m a t o l o g i cs y s t e mo fh u m a nb o d y , b u ta l s o h a v eb a c t e r i a lr e s i s t a n c e s oi t se n v i r o n m e n t a lb e h a v i o ra l r e a d ya r o u s ep e o p l e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i ns u r f a c ew a t e r s ，p h o t o c h e m i c a ld e g r a d a t i o ni st h em a i nf a c t o ri nd e t e r m i n i n gt h ef a t eo fo r g a n i cm a t t e r t h i sp r e s e n ts t u d yt h ee f f e c to fp h o t o d e g r a d a t i o no fc i p r o f l o x a c i nw h e na d dt h ed i f f e r e n tc o m p o u n d sw h i c h s i m u l a t et h ee n v i r o n m e n t a f t e re s t a b l i s h e dt h ea n a l y s i sm e t h o do fc i p r o f l o x a c i ni nw a t e r , w es t u d i e dt h ei n f e c t i o ni nt h ed a r ko r u n d e r5 0 0 wx e n o nl i g h t t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：n op h o t o d e g r a d a t i o no c c u r r e di nt h ed a r ka n dt h e p h o t o l y s i s o fc i p r o f l o x a c i nf o l l o w e df i r s t - o r d e rk i n e t i c su n d e rt h el i g h t w i t hi n c r e a s eo fi n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fc i p r o f l o x a c i n ，t h ep h o t o d e g r a d a t i o nr a t eo fc i p r o f l o x a c i nd e c r e a s e dg r a d u a l l y w ea l s os t u d i e dt h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so np h o t o d e g r a d a t i o no fc i p r o f l o x a c i ni nd i f f e r e n td i s s o l v e d o x y g e nl e v e l s ，t h ed i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fn i t r a t e ，n i t r i t e ，a m m o n i u mi o n s ，a n dd i f f e r e n tp ev a l u e sw h e n t h e s et h r e ef o r m so fne l e m e n t sc o e x i s t e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tn i t r a t ep r o m o t e dt h ed e g r a d a t i o no f c i p r o f l o x a c i n ，n i t r i t ei n h i b i t e di t a n da m m o n i u mh a dl i t t l ee f f e c t t h ei n f l u e n c eo ft h ed i s s o l v e do x y g e n l e v e l st ot h ep h o t o d e g r a d a t i o no fc i p r o f l o x a c i ni st h es a m ew i t h t h a to fn i t r a t e t h ep h o t o d e g r a d a t i o nr a t e o fc i p r o f l o x a c i nd e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e df o l l o ww i t ht h ei n c r e a s eo fp ev a l u e w h e nn i t r a t ec o e x i s t e d w i t ha m m o n i u m ，t h e yw o u l d n ta f f e c te a c ho t h e r w h e nn i t r i t ec o e x i s t e dw i t hn i t r a t e ，t h ed e g r a d a t i o nr a t e w a sl e s st h a nt h e o r e t i c a lv a l u e i ti n d i c a t e dt h a tn i t r i t ei n h i b i t e dt h ep h o t o - d e g r a d a t i o no fc i p r o f l o x a c i nb y n i t r a t e a tt h es a l n et i m e w es t u d yt h ea f f e c to fp h o t o d e g r a d a t i o nb yt h ef a c t o rw h i c hw es i m u l a t e dt h en a t u r e w a t e r ，s u c ha sp h ，h n m i ca c i d ，c i a n ds oo n t h er e s u l ts h o w e dt h a tw i t hi n c r e a s eo fp ha m o n gt h e5 - 8 ， t h ep h o t o d e g r a d a t i o nr a t eo fc i p r o f l o x a c i nd e c r e a s e dg r a d u a l l y c i 。p r o m o t e dt h ed e g r a d a t i o no f c i p r o f l o x a c i n ，z n 2 + ，c u 2 + a n dh a i n h i b i t e di ta n db o t hc t a ba n dt w c e n 一8 0h a dl i t t l ee f f e c t f e 3 + a n d i i i s d b sp r o m o t e dt h ed e g r a d a t i o ni nl o w c o n c c n n a t i o n s ，a n di nh i g hc o n c e n t r a t i o n si n h i b i t e di t k e y w o r d s ：c i p r o f l o x a c i n ，p h o t o d c g r a d a t i o n ，p h ，p e i v 第一章前言 第一章前言 喹诺酮类抗生素作为抗生素的一种，具有抗菌谱广、体内分布广、组织浓度高、不 用皮试、结构简单、活性强、耐药发生率低等特点，目前已经广泛应用在日常生活当中。 由于其较高的疗效价格比，被广泛应用在人类医疗、水产养殖业和畜牧业中，因此它不 断地进入环境形成“假”持久性污染。喹诺酮类抗生素进入到水体、土壤等循环系统中， 将会对自然环境造成很大的破坏。已经有研究证实，喹诺酮类药物可以对人类的消化系 统、中枢神经系统和血液系统等产生毒性，也可以损害肾脏和心脏等器官。此外，还可 以让环境当中的病毒产生耐药性，这类病毒进入人体将严重危害人类健康。因此，随着 人类对环境健康的逐渐关注，喹诺酮类药物在环境中的迁移和转化受到人们越来越多的 重视。 喹诺酮类抗生素主要通过制药厂废水、医院废水和养殖废水进入到环境当中，并且 污水处理厂对抗生素类药物的处理效果普遍很差，因此环境水体当中广泛存在着喹诺酮 类抗生素。 有研究发现，喹诺酮类物质在表层水中的光降解是喹诺酮类物质在水体中降解的重 要途径，光照对喹诺酮类物质在水体中生态毒理效应有着严重的影响。 1 1 喹诺酮类药物的抗茵作用和使用现状 1 1 1 喹诺酮类药物的抗菌作用和分类 喹诺酮类药物主要通过干扰病毒的d n a 旋转酶来抑, 锖i j d n a 的复制，从而达到抑制细 菌繁殖的目的【嵋】。 自1 9 6 2 年第一种喹诺酮类药物问世至今，已经有十几种常用喹诺酮类药物被科学家 陆续研究出来应用到人们的生活当中。这些常用喹诺酮类药物可以根据不同的抗菌特性 分为四类：第一类是抗革兰氏阴性菌类药物，代表药物为吡咯酸，由于这一类药物易形 成耐药性，抗菌谱窄，作用时间短，并且毒副作用大，因此目前市场上这一类药物已经 被淘汰；第二类是抗革兰氏阳性菌药物，代表药物为吡哌酸，这一类药物通常是以原药 的形式通过尿液排出体外【3 1 ，体内稳定，毒副作用小；第三类药物为抗革兰氏阴性和阳 性菌药物，而且还会对支原体和衣原体产生抗菌作用，代表药物为环丙沙星和诺氟沙星， 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 这一类药物在人体的的分布情况和吸收情况都非常好，因此是当前最常用的喹诺酮类药 物 4 1 ；第四类药物为第三类的加强版，相比第三类，第四类药物对支原体和衣原体等有 更好的抗菌活性，代表药物莫西沙星，这一类药物对厌氧菌也有很强的抗菌活性，并且 毒副作用较小，不易产生耐药性。 1 1 2 喹诺酮类药物的使用现状以及发展历程 ( 1 ) 喹诺酮类药物的使用现状 由于抗生素类药物是全球市场最大、最能盈利的药物，因此抗生素类药物在最近十 年得到了充分的发展【5 1 。2 0 0 9 年全球销售的抗生素类药物的总价值已经从2 0 0 1 年的2 7 0 亿美元增长到了超过4 2 0 亿美元，占到了整个药物市场的5 。其中喹诺酮类药物的销售 总价值已经达至1 1 7 1 亿美元，占整个抗生素市场的1 7 ，位于抗生素销售市场的第三位。 由于喹诺酮类药物具有抗菌谱广，体内分布光，活性强，耐药率低等优点，因此受到生 产厂家的青睐。至1 2 0 1 0 年，喹诺酮类药物已经成为发展最快的抗生素类药物，而且从2 0 0 1 至2 0 1 0 年间新研发出的2 1 种抗生素中，喹诺酮类药物占了1 3 5 1 。在我国生产喹诺酮类抗 生素的厂家当中，中东部占了绝大多数，主要生产环丙沙星和诺氟沙星等常用喹诺酮类 药物。 ( 2 ) 喹诺酮类药物的发展历程 喹诺酮类药物的发展在国际上一般分为四个步骤【6 1 ：在二十世纪七十年代，喹诺 酮类药物处于发展初期，研发出来的产品( 如毗哌酸) 抗菌性能一般，并且安全性较差， 因此发展到现代已经被淘汰；自从氟喹诺酮类药物研发成功之后，喹诺酮类药物的发 展进入了快速发展的时期。氟喹诺酮类药物是指在在喹诺酮类药物分子的主环的6 位或 者8 位上加入氟元素的一类抗生素，这一类抗生素( 如环丙沙星和诺氟沙星) 具有更强 的抗菌活性、以及更好的肠道吸收性和半衰期等优点，因此获得了学术界的一致好评， 使得国际上对喹诺酮类药物有了新的认识；二十世纪九十年代初，以左氧氟沙星为代 表的新喹诺酮类抗生素研发成功，这类抗生素比氟喹诺酮类抗生素抗菌谱更广，抗菌活 性更强，安全性也更好；二十世纪九十年代后期，最新一代喹诺酮类抗生素研究成功， 目前正在进入临床试验阶段，这类抗生素的抗菌谱已经可以达到最大值，而且抗菌活性 也达到顶峰，因此国际上一些专家已经预计抗生素市场的未来属于喹诺酮类抗生素。目 前，由于没有好的产生菌的菌种以及生产设备和技术条件的落后，我们国家的抗生素的 生产比较落后，发展也很缓慢。第二代抗生素也就是氟喹诺酮类抗生素在我国的生产和 2 第一章前言 生活当中还占有非常大的比例。 1 1 3 喹诺酮类药物的环境行为 ( 1 ) 喹诺酮类药物在环境中的来源 喹诺酮类药物主要通过制药厂生产废水、医院废水、水产养殖废水以及人类和牲畜 的排泄物进入到水体当中【7 】，详见图1 一l 。生产废水是指生产喹诺酮类抗生素的企业向环 境中排放含有一定浓度的抗生素的废水。这些废水直接或间接地进入环境水体当中，影 响着生态环境的安全和人类的健康。另外，一些生产清洁产品的企业为了达到更好的杀 菌效果，在产品中加入抗生素类物质，其中就包括有喹诺酮类抗生素，这些清洁产品随 生活污水也能够进入水体环境【8 】。医院废水是指医院中一些过期或者没有使用完的喹诺 酮类抗生素没有按照严格的要求进行处理，直接排入下水管网的废水。这些废水中也含 有大量的抗生素。v a s c o n c e l o stg 9 1 等对美i 虱e m e r g e n c yu n i to ft h eu n i v e r s i t yh o s p i t a l ( h u s m ) 排放的废水进行抗生素的检测，发现环丙沙星的浓度在3 2 9 9 i t g l 之间。水产养 殖废水是喹诺酮类抗生素进入水体环境的重要载体之一。c a p o n edg 1 0 】等对水产养殖所 用的喹诺酮类抗生素进行了研究和分析，他们发现大约有1 0 4 0 的喹诺酮类抗生素没 有被分解直接进入水体。而d i a z c r u zms t l l 】等则通过研究测试发现水产养殖业中大约有 7 0 的抗生素类药物排放到自然水体当中。s a m u e l s e nob 1 1 2 1 对挪威用于水产养殖的喹诺 酮类进行了调查，发现喹诺酮类抗生素的用量占了用于水产养殖业的抗生素类药物用量 的3 4 。h e k t o e nh 1 1 3 1 对水产养殖业中残余的喹诺酮类抗生素进行了研究，发现它们可以 沉积在水底的污泥中，而且残留时间可以达到3 个月之久。喹诺酮类抗生素对水体环境 最大的污染来源是人和牲畜的排泄物的排放。人类和牲畜使用抗生素之后并不能够完全 代谢，没有完全代谢的抗生素通过尿液和粪便的形式进入到环境当中。a d d i s o njb 【h 】 通过研究发现有5 0 的抗生素用量在动物体内没有完全代谢被排放到外界环境当中。而 也有研究表明这一数值应该为9 0 。说明有大部分抗生素没有被人体和牲畜充分利用， 而人和牲畜的使用是喹诺酮类抗生素的主要消费方式。 从上面喹诺酮类进入环境的各种途径可以发现，人类排泄物的排放、企业废水排放 和医院废水的排放都可以经过污水处理厂，但是有研究证明大多数的喹诺酮类抗生素不 能够被污水处理厂的生物有效降解1 5 , 1 6 。污水处理厂排入环境的水体已经成为环境水体 中喹诺酮类抗生素的重要来源之一【1 7 , 1 8 】。v i e n on t l 9 1 通过对芬兰一些污水处理厂的抗生 素进行分析检测，发现污水中的氧氟沙星的浓度降低很少，而且通过研究和计算可以发 = l 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 现，降低浓度的部分很大程度上都是由于氧氟沙星进入污水处理厂后由于各处污水的汇 合造成稀释的缘故，在一些污水处理厂浓度不但没有降低反而有一定程度的上升。污水 处理厂对喹诺酮类抗生素处理效果差，可能是由于一下三点原因造成的【2 0 1 ，第一，由于 喹诺酮类抗生素不断被研发出新产品，进入污水处理厂的喹诺酮类抗生素也会出现新产 品，这些新产品是污水处理厂的那些活性污泥中的微生物所没有遇到的，不能够对这些 抗生素进行生物降解；第二，由于进入污水厂中喹诺酮类抗生素的浓度是不稳定的，而 污水处理厂处理抗生素污水的负荷是一定的，当进入污水处理厂中的浓度大于污水处理 厂的负荷时，抗生素废水就不能够被降解完全；第三，喹诺酮类抗生素进入污水处理厂 时浓度一般比较低，所以很难与微生物酶发生反应，只能够被污水处理厂污泥中含量很 少的贫养微生物降解，因此降解效率很低。 污 图1 1 喹诺酮类药物在环境中的迁移途径和来源 f i g 1 - 1t h es o u r c ea n dm i g r a t i o np a t ho ft h ef q si ne n v i r o n m e n t ( 2 ) 喹诺酮类药物在生态环境当中的污染现状 我们国家的人口数量巨大，畜牧业和水产养殖产业也非常广泛，而且我国民众的传 统思想严重，对抗生素类药物十分偏爱，再加上对抗生素类药物的管理不严格，造成抗 生素类药物在我国的消费量非常大。而一些发达国家在最近几年已经注意到抗生素对人 4 第一章前言 体和环境的危害，使用抗生素的数量在逐渐减少。有统计在中国人均消费抗生素的量是 发达国家的4 倍，使用数量的巨大也就导致排放到环境当中的抗生素数量也非常多。 目前，已经有很多地方的水体中检测到喹诺酮类药物。这些水体不但包括河流、湖 泊以及海洋等地表水，还包括地表几百米以下的地下水，这些都是人类饮用水的主要来 源。t o n gl 等【2 l 】在2 0 0 9 年通过对湖北省多处地表水和地下水的水质进行检测分析，发现 在地表水中几种典型的喹诺酮类药物都在0 0 1 p g l 左右，其中环丙沙星浓度在 o 0 0 7 0 0 1 2 9 9 l 之间，诺氟沙星的浓度为0 0 1 0 9 9 l ，恩氟沙星的浓度在0 0 0 0 8 0 0 1 0 p g l 之间，氧氟沙星的浓度为0 0 0 6 1 上g l 。而在地下水中检测到的浓度在2 n g l 左右，其中环 丙沙星的浓度为7 2 8 4 n l 之间，诺氟沙星的浓度为2 6 n g l ，恩氟沙星的浓度在 1 9 2 3 n g l 之间，氧氟沙星的浓度在2 1 2 4 n g l 之问。从以上数据中可以看出喹诺酮类 药物在环境地表水和地下水中都有一定量的存在，并且它们之间的浓度差别不大。g o l e t em 等【2 2 l 在2 0 0 2 年对瑞士格拉特山谷分水岭的溪流进行检测时发现常用的两种喹诺酮 类药物环丙沙星和诺氟沙星的浓度高达0 2 9 4 0 4 0 5 n g l 和0 0 4 5 0 1 2 0 n g l 。说明在一些 人类不经常活动的区域也受到了严重的污染。x uwh 等【2 3 】在2 0 0 7 年对香港的维多利亚 港和广州珠江的水质进行检测分析发现诺氟沙星的浓度在0 0 1 2 0 2 5 1 x g l 之间，氧氟沙星 的浓度在0 0 1 1 - 0 1 0 8 1 上g l 之间；而m i n ht b 等【2 4 】在2 0 0 9 年对香港的维多利亚港的水质进 行检测分析师测出诺氟沙星和氧氟沙星的浓度在0 0 0 6 0 0 2 7 i t g l 和0 0 0 8 0 1 4 0 1 x g l 之 问。在两年的时间内两种喹诺酮类药物在水体中的浓度没有发生大的变化，说明喹诺酮 类物质在自然环境中会呈现出“假”持久性状态。这是由于虽然喹诺酮类物质能够在自然 光照条件下能够进行光降解，也能够被水体中的生物降解，但是人类不断地使用进而排 放到水体中，使得喹诺酮类药物一直在自然水体中持续存在。孙广大等 2 5 对厦门的地 表水进行监测时发现氧氟沙星的浓度在0 0 0 1 0 0 0 6 9 9 l 之间，大约是珠江水和维多利亚 港水中氧氟沙星含量的十分之一，说明喹诺酮类物质在水体中的含量还存在有区域性。 喹诺酮类药物不但广泛存在与自然水体当中，还存在于土壤当中。存在于土壤中的 喹诺酮类抗生素主要是通过牲畜排泄物和污水处理厂污泥进入到土壤环境当中。牲畜排 泄物主要是由在牲畜体内的没有完全代谢的抗生素通过排泄物排除体外，被人类利用当 做肥料施入田中。喹诺酮类药物在污水处理厂中绝大多数没有被生物降解而积累在污泥 中，这些污泥最终被当做肥料2 6 1 进入田地。这些进入土壤中的抗生素被植物吸收 2 7 ，2 8 1 ， 进而通过食物链进入人体，影响人体的健康。 5 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 1 2 喹诺酮类抗生素对人类以及生态环境的危害 1 2 1 喹诺酮类抗生素对人类健康的影响 喹诺酮类抗生素由于在社会上的广泛使用，进入到环境当中的量也是非常大的，而 人类接触到环境当中的抗生素主要是通过食用牲畜的肉制品和乳制品而在体内积累。在 1 9 6 9 年国际粮农组织和世界卫生组织就提出了应对各种动物食品中抗生素的残留制定 允许标准【2 9 1 。对喹诺酮类抗生素的要求是：在牲畜的肝脏和肾脏的残留含量不能超过 3 0 n g k g 3 0 1 。许建平 3 1 1 对2 0 0 0 年1 月至2 0 0 3 年1 2 月对在华中科技大学同济医学院附属同济 医院检测到胎儿畸形的9 例病例进行了调查，其中有四位是由于服用了喹诺酮类药物而 导致的，说明喹诺酮类药物可以对胎儿有致畸作用。g a l a t t il 等【3 2 】在意大利研究药物对 神经系统的作用时发现喹诺酮类药物可以对人类的神经系统造成损害。r a m i r e za 等【3 3 1 在对加替沙星治疗严重的支气管炎进行研究时发现加替沙星能够对人类的消化吸收系 统造成危害。k a n gjs 等【3 4 】在研究喹诺酮类药物对心脏的影响时发现，喹诺酮类药物可 以对心脏和血液系统造成不利影响。而喹诺酮类药物对人类最主要的影响是它的过敏反 应，在喹诺酮类药物没有广泛应用之i j i ，医学上认为喹诺酮类药物不会对人体过敏，但 是当喹诺酮类药物在世界上的使用量普遍增多之后却出现了多起过敏反应 3 5 , 3 6 】。虽然喹 诺酮类物质对人体的健康有着普遍的影响，但是它仍然是人类所使用的抗生素类中较安 全的药物之一，并且现在医学上已经有了对这些危害因素预防和处理的方法【3 7 ，3 8 1 。随着 喹诺酮类抗生素发展到氟喹诺酮阶段，一个新的问题出现在医学界面前：氟喹诺酮类抗 生素可以发生光毒性【3 8 , 3 9 1 ，即人类在食用氟喹诺酮类抗生素之后，经过强光照射，有一 定的概率使得食用者出现红斑，严重的可造成细胞突变【3 5 】。目前氟喹诺酮类抗生素产生 光毒性的原因还没能从机理上得到解释。 1 2 2 喹诺酮类药物对生态环境的影响 进入环境水体和土壤中的喹诺酮类抗生素可以对这些生态环境的平衡造成破坏。这 些破坏主要是通过增强环境中细菌对喹诺酮类抗生素的耐药性，以及抑制环境中一些有 益细菌的繁殖和代谢造成的。环境中的一些病毒或者细菌在环境中存在一定量抗生素的 时候能够对这些抗生素进行自我筛选，能够适应这些抗生素的病毒或者细菌被保存下来 并大量繁殖，不能够适应这些抗生素的就被环境淘汰，这就是耐药性。有资料表明，这 些具有耐药性的细菌或者病毒进入人体或者动物体内的时候能够把它们自身的耐药基 6 第一章前言 因转移给一些对人或者动物敏感的菌类，使得抗生素的疗效降低。而由于抗生素开发 难度的加大，新品种的抗生素开发缓慢，这就迫使人们使用更多的抗生素来抑制这些细 菌和病毒的繁殖，从而增强了耐药性，形成了一种恶性的循环。 喹诺酮类抗生素抗菌的机理是干扰病毒的d n a 旋转酶来抑f l j i j d n a 的复制【1 捌，因此 它的抗菌作用不具有专一性。对人或者动物有害的病毒可以得到抑制，一些对人或者动 物以及生态环境有益的一些细菌或者病毒也可以被抑制，例如：解磷细菌和固氮细菌。 这些细菌可以对农作物的生长产生积极地作用，如果这些细菌的代谢被抑制，农作物的 产量将会受到影响。而且自然界中的氮、磷的循环体系也会被破坏。 1 3 喹诺酮类药物的研究现状 1 3 1 喹诺酮类药物的测定方法 在大型分析仪器没有普及之前，为了能够更方便的测定喹诺酮类抗生素的含量，大 多数都是采用微生物测定抗生素的方法，可以分为两种：微生物法和免疫分析法。微生 物法是利用微生物对抗生素所表现出来的反应所建立的一种抗生素分析和检测方法。这 种方法的优点就是样品的处理简单，缺点就是测定所需要的时间较长，灵敏度较差。陈 迁等 4 1 】利用微生物比浊法测定环丙沙星的浓度，发现这种方法的最低检出限可以达到 0 0 3 m g l 。o k e r m a n 等利用四平皿法可以测定较高浓度的坏丙沙星和恩诺沙星，但是并 不能应用到实际当中。免疫分析法虽然也是利用微生物的原理，但是它却是近年来刚被 开发出来的新技术，主要是利用抗原能够对抗体发生特异性选择和可逆性结合等原理。 这种方法速度快，费用小，便于现场检测，但是它由自身的机理上的缺陷容易出现误差。 b u c k n a l ld 等【4 2 】使用免疫分析法对喹诺酮类抗生素进行检测时发现可以准确检测到 4 k t g k g 。 + 近些年，由于大型分析仪器的普及，喹诺酮类抗生素在实验室内的测定的灵敏度大 大提高，主要采用的方法有高效液相色谱法、紫外可见分光光度法和荧光分析法。 ( 1 ) 高效液相色谱法 高效液相色谱法是利用色谱柱内的极性材料对不同极性物质的保留时间不同把这 些物质从时间上分离开来，进而通过紫外或者荧光检测器对这些检测物质的特定检测波 长进行检测，推算出检测物质的浓度的方法。因为色谱柱可以把检测物质分离开，因此 高效液相色谱法可以同时检测多种喹诺酮类抗生素。此外，高效液相色谱法还具有灵敏 7 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 度高，重现性好等优点。当然这种方法也有自身的缺点，高效液相色谱仪只能够测定水 溶液或者有机溶液，因此当检测固体样品当中喹诺酮类抗生素浓度时就必须进行前处 理，把样品当中的喹诺酮类抗生素溶入到水或者有机试剂当中，而在前处理当中就可能 导致测定的误差。总体来说，目前在实验室内进行喹诺酮类抗生素检测的普遍方法就是 高效液相色谱法。黄文静等【4 3 】用反相高效液相色谱法同时测定化妆品中的两种喹诺酮类 药物( 氧氟沙星和环丙沙星) 时发现当流动相的水相为0 1 2 的甲酸或者2 1 0 的乙 酸时，氧氟沙星和环丙沙星都有严重的拖尾，而加入一定量的三乙胺后，这一问题就得 以改善，所出的峰对称性很好，峰也很尖锐，氧氟沙星和环丙沙星的检出限分别为 2 0 3 2 0 2 6 3 m g l 和1 9 9 1 9 9 2 6 m g l 。刘丽贞等】用高效液相色谱法同时测定鱼肉中的诺 氟沙星、思诺沙星和环丙沙星时在只用酸溶液和有机相作为流动相时也出现了严重拖尾 的现象，经过分析是由于喹诺酮类结构的叔胺基和羟基能够在水中解离，固定相表面的 活性位点可以通过氢键或者离子交换强烈吸附喹诺酮类物质，导致色谱峰拖尾，在加入 了溴化四丁铵来和喹诺酮类物质竞争硅醇剂时，拖尾现象就消失了，同时她们还改进了 前处理方法，由于丙酮或者丙酮溶液可以对喹诺酮类物质有较强的溶解性和脱蛋白作 用，因此当测定动物体内的喹诺酮类药物时，可以用丙酮：o 1 m o l l 氢氧化钠为1 0 ：1 的 溶液作为提取液。此外王圣义【4 5 】、谢君【4 6 】、孟勇4 7 1 、陈雪昌和蒋赛平【4 9 1 等都使用高 效液相对不同物质中的喹诺酮类药物提取并测定，结果表明高效液相色谱法可以稳定和 准确的测出喹诺酮类药物的含量，完全可以达到国家要求的测量标准。 由于科技不断地发展，单一仪器的测定已经不能满足一些科研的要求，这时就出现 了两种或以上大型仪器连用的现象，目前在实验室内测定喹诺酮类药物最常用的就是高 效液相和质谱连用的方法。由于在实际检测中容易受到各种杂质的干扰，所以单独用高 效液相色谱法在一些特殊的条件下不能够满足测定要求。高效液相和质谱联用方法不但 可以对喹诺酮类药物的浓度进行准确的测定，而且还可以对影响测定的杂质进行分析和 排除，确保测定的准确性。彭涛等【5 0 l 使用高效液相和质谱联用仪测定鸡肉中的喹诺酮类 药物时，发现质谱的联用大大降低了基质对喹诺酮类药物的干扰，测定出五种喹诺酮类 药物的检出限都在1 0 “眺g 以下，都能够满足欧盟的要求【5 l _ 5 3 1 。厉文辉等【5 4 】等使用高效 液相和质谱联用法对鱼肉中的喹诺酮、磺胺与大环内脂类抗生素进行检测时发现对喹诺 酮类药物的检出限都在0 0 2 0 6 i t g k g 之间，具有较高的灵敏度和选择性。 ( 2 ) 紫外可见分光光度法 8 第一章前言 紫外可见分光光度法测定喹诺酮类药物主要是利用喹诺酮类药物能够与三价铁 l s s - s g 】、染料 5 9 , 6 0 1 及p 苯酬6 1 】等发生显色剂发生显色反应，可以对这些显色的物质进行 紫外光或者可见光的吸收测定，从而推算出喹诺酮类的浓度。由于样品中的杂质非常有 可能对紫外可见光吸收，造成测定的误差，因此通常与萃取和色谱等方法联用，使物质 能够分离开，然后再进行吸收测定。其中导数分光光度法【6 2 】和流动注射分析与计算机联 用f 5 8 】已经在喹诺酮类药物的分析测定中被用到。 ( 3 ) 荧光分析法 n c o o h 图1 - 2 喹诺酮类物质的结构 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo ft h ef q s 喹诺酮类物质具有很强的荧光特性，因为它的结构中有一个大的共轭体系和刚性平 面结构 6 1 。但是由于荧光特性容易受至s j p h 和溶剂等条件的影响，所以直接用荧光光度仪 测定喹诺酮类物质时对外界条件的要求比较高，需要使外界条件达到喹诺酮类物质荧光 性最强的条件下才能使测定最稳定和准确。c h a p m a njs 等【6 3 】，黄淑萍等【删都对不同的 喹诺酮类物质进行了荧光分光光度法测定，发现当p h = 3 的时候，喹诺酮类物质的荧光特 性最强。目前已经直接用荧光分光光度法测定的喹诺酮类物质的检测限都达不到分析测 定的要求，如表1 ，因此不断有人改进荧光分析方法，这些方法使得荧光分析法的灵敏 度得到了很大的提高，改进的途径主要是使用化学的方法增加喹诺酮类物质的荧光特 性。王静萍等【7 3 1 研究了铽与恩诺沙星络合物的荧光特性，发现其检出限可以达到 o 5 9 n m o l l 。v e i o p u l o ucj 等【7 4 】研究了铽与另外几种喹诺酮类的荧光特性，发现它们的 检出限都可以达至u 1 t m o l l 级，完全达到实验室内的检测要求。d r a k o p o u l o sa i 等i 7 5 j 研究 了钪与喹诺酮类物质的荧光特性，发现检出限都在1 1 n m o l l 以下。除了金属离子，一些 表面活性剂也能够使喹诺酮类抗生素荧光特性增强7 6 1 。 9 nli 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 表卜1 荧光分光光度法直接测定喹诺酮类物质的线性范围 t a b l e1 - 1t h el i n e a rr e g i o no ff q st ob ed e t e r m i n e db yf l u o r o m e t r i cs p e c t r o p h o t o m e t r y 除了以上常用的分析方法外，毛细管电泳法也是测定喹诺酮类药物的方法之一。毛 细管电泳能够把普通电泳的优点和色谱的优点集于一身，具有检测速度快，成本低，自 动化程度高等特点，现在许多科研人员对此方法进行了深入的探讨和分析 7 7 , 7 8 】。 1 3 2 喹诺酮类药物的降解 目前喹诺酮类药物降解的方法可以分为物理处理技术、化学处理技术、生物处理技 术和光催化氧化处理技术。 ( 1 ) 物理处理技术 物理处理技术是指利用物理的技术( 如气浮法和沉淀法等) 使喹诺酮类药物聚集或 沉淀的方法。这些方法具有工艺简单、费用低和操作简便等特点，由于没有对药物的化 学结构造成影响，只是单纯的聚集和沉淀，只能够作为更高级处理的预处理来使用，但 是如果单纯从费用和处理效率比来看的话，物理处理技术是最高效的。马文鑫等【7 9 1 对制 药厂的抗生素废水运用气浮法进行处理，发现有1 4 含量的抗生素得到去除。张满生等【8 0 j 使用吸附法来处理抗生素废水，发现不但能够对抗生素进行有效吸附，还能够使废水的 色度得到有效地改善。此外絮凝沉淀法也是物理处理技术的一种，和吸附法和气浮法不 同，这种方法能够使抗生素类药物得到有效去除。饶义平等【8 1 1 对抗生素废水使用絮凝剂 1 0 第一章前言 进行处理，发现不但抗生素的去除率超过九成，整个废水的c o d 去除率都达到百分之七 十以上。 ( 2 ) 化学处理技术 化学处理技术是指利用化学方法对喹诺酮类的结构造成破坏，使其彻底降解的方 法。现在经常使用的化学处理技术主要是利用化学物质自身强氧化性或者化学物质所产 生物质的强氧化性能够和喹诺酮类抗生素发生氧化还原反应，进而使其降解。目前最流 行的化学处理技术主要为：f e n t o n 法和f e c 法。这两种方法主要是用在生物处理的预处 理技术，或者是与生物技术联用等方面。赵玲玲等【8 2 1 对c o d 浓度为3 0 0 0 0 的抗生素废水 使用混凝f e n t o n 法进行预处理，发现预处理后抗生素废水的去除率达n 31 2 ，在经过 活性污泥处理，去除率达到8 0 以上，而没有经过预处理，直接使用活性污泥处理的去 除率在4 0 以下。说明f e n t o n 法可以大大提高抗生素废水的可生化性。潘志彦等发现 f e c 预处理后的抗生素废水的可生化性也得到了很大提高。 ( 3 ) 生物处理技术 生物处理技术指利用微生物对废水中的抗生素进行代谢，从而对其进行降解的方 法。由于抗生素具有抑制细菌生长的作用，因此抗生素废水在生物处理前必须经过预处 理，或者与其他方法联用的形式，才能达到好的处理效果。商佳吉等【娴等使用水解好 氧m b b r f e n t o n 串联的方式对抗生素废水进行降解，发现抗生素废水的c o d 去除率可以 达至1 j 9 7 3 8 。另外孙振龙等【8 5 利用膜处理技术，周平等【8 6 】利用厌氧好氧处理技术，张 彦波等【8 7 1 利用水解酸化厌氧好氧处理技术都对高浓度抗生素废水进行了降解，降解率 都在8 5 以上。 ( 4 ) 光催化氧化技术 光催化氧化技术主要是利用催化剂在紫外光照射产生一些活性物质与抗生素废水 中的有机物发生氧化还原反应使其降解的技术。虽然这种方法的费用和处理效果比不是 很高，目前还处于实验室研究阶段，在实际应用中不是很广泛，但是由于它具有对环境 的污染较小，不会产生废弃物等优点，因此它的应用i j i 景十分光明。 1 4 水体中有机物光降解的研究方法 由于人类对有机污染物的随意排放，以及污水处理厂处理之后会有少量残留的有机 物进入自然水体，因此环境当中含有大量的有机污染物，当然也包括很难被污水处理厂 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 降解的抗生素类物质。环境中大部分的水体都为地表水，能够受到阳光照射，水体中的 有机污染物受到照射后有可能会直接降解，也有可能会在水体中其它物质的催化作用下 降解，降解有可能产生毒性较低或者无毒的物质，也有可能产生毒性更强的物质，对水 体环境造成更大的危害，因此有机污染物在水体中光降解的研究是十分必要的。 1 4 1 光源的选择 在自然界中，照射水体的光主要是太阳光。太阳光在大气层之外时的波谱很广，紫 外光的数量也比较大，但是经过大气层尤其是臭氧层时，太阳光中的大部分波长较短的 紫外光都被吸收，只有很少的部分进入到大气层以内，因此照射到自然界水体中的光大 都是可见光和波长较长的紫外光，这些光的波长绝大部分在2 9 0 纳米以上。 由于太阳光容易受到外界因素( 如季节、时间以及天气等) 影响，所以太阳光在实 验过程中不能稳定存在，造成实验的重现性不好。现在光降解实验一般都采用人工光源 进行照射，实验室内的人工光源一般为：汞灯和氙灯。汞灯主要是使汞蒸气受激发进 而发光的，发光光谱主要在紫外区，如图1 3 ( b ) ，和太阳光的光谱差别较大。氙灯主 要是使氙气受激发进而发光的灯，氙灯的发射光谱主要集中在可见光区，与太阳光类似， 如图1 3 ( a ) ，从图中可以看出氙灯能够很好的模拟自然光。y a g c r 等【8 8 】对氙灯和太阳 光降解有机物的差别进行了研究，发现氙灯对有机物的降解和太阳光没有很大差别。而 且氙灯受外界影响较小，可以作为稳定的光源来模拟自然光进行实验。葛林科【8 9 】在用氙 灯模拟自然光的条件下降解喹诺酮类药物，发现喹诺酮类抗生素可以被直接降解。 1 2 曩季 襄 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 九( 姗) ( a ) ：氙灯光谱( 一) ；太阳光光谱( )( b ) ：汞灯光谱 图1 - 3 三种光源的光谱分布 f i g 1 - 3s p e c t r ao ft h r e e k i n d so fl i g h ts o u r c e 第一章前言 1 4 2 光化学反应器的选择 同前市场上在售的光化学反应器主要有两种：一种是旋转式光化学反应器，这种反 j 收器是把。个石英制的舣层冷阱固定在仪器的中心，罩面放入光源，外层通冷凝水，在 冷阱的周罔3 6 0 度甲均分析i 石英管，在石英管中力【i 入反应液，在仪器启动的时候石英管 会以冷阱为中心转动。旋转式光化学反应器的优点是可以1 次测多个条件的影响，而且 各个反应的光照都很、r 均，缺点是取样时要把灯关掉一个个取，因此在取样过程中容 易造成误差。另外一种是冷阱式光化学反应器，这种反j 岖器足1 个三层的冷阱，如图1 4 ， 冷阱的最早面放入光源，中叫层通冷凝水，外层加入反戍液和磁了。反应开始后磁子存 磁力搅拌器作用下转动使反应液中物质在均匀分布，取样时不用关灯即呵取样，现阶段 在实验室中一般都采用冷阱式光化学反应器。 1 冷却水进口2 冷却水出口3 取样口4 通气口5 石英冷却装置6 反应装置7 5 0 0w 氙吠】8 二 角支架9 磁子 图卜4 光化学反应装置 f i g 1 - 4s c h e m eo ft h ep h o t o r e a c t o r 1 4 3 有机污染物在水体中的光化学反应途径 有机污染物存水体中的光降解 i 要有两种途径：直接光降解和问接光降解【9 0 。9 3 1 ，但 是有一些有机物也会发生自敏化光降解【9 4 9 5 1 。 ( 1 ) 直接光降解 水体中些自。机物能够吸收光子达到激发念，然后激发念分子内部键的断裂或者重 组形成降解产物。e d h l u n dbl 等9 6 1 对硝基呋喃进行光降解研究时，发现硝基呋哺发生直 环丙沙星在水溶液中的光化学降解研究 接光降解可以分为两个阶段，第一个阶段是硝基呋喃吸收光子发生分子结构的异化，第 二阶段是异化后的硝基呋喃分子键断裂，发生降解。第一阶段反应速度非常快，而第二 阶段的反应速度比较慢，总的反应速率就相当于第二步的反应速率，符合一级反应动力 学。 ( 2 ) 间接光降解 自然界的水体当中含有很多种物质，其中有一些物质能够在自然光的照射下产生活 性氧化物，这些活性氧化物能够和水体中的有机污染物发生氧化还原反应，使其降解。 有机污染物的间接光降解也是其光降解的重要途径。t e rh a l l ea 等【9 7 1 模拟自然光对不同 自然水体中硝草酮的光降解进行了研究，发现硝草酮不但能够在水体中发生直接光降 解，还可以发生问接光降解，并且间接光降解的反应速率比较快。 ( 3 ) 自敏化光降解 些有机物( 如喹诺酮类物