头孢类抗生素的环境降解及催化去除研究

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PPCPs,即药物与个人护理用品(pharmaceuticals and personal care products)正受到环境界越来越多的关注。对于药物而言,由于其在生物体内的不完全吸收以及在污水处理厂中处理得不彻底,导致其进入自然环境后,使得环境中的菌落产生抗药性,从而对整个生态系统及人类社会带来不可估量的危害。  本文从国内的现实情况出发,所选择的目标化合物头孢类抗生素在中国的生产和使用均占世界首位,并且在国内多种水体中也己测得相对较高的含量。文章首先研究了四种有代表性的头孢类抗生素(头孢拉定、头孢呋辛、头孢曲松和头孢吡肟)在环境水体中的降解行为,结果表明在环境水体中,水解是头孢类抗生素主要的降解途径。四种头孢类抗生素的降解半衰期分别为6.3,3.2,18.7和2.7天。中性偏碱的环境能促进头孢类抗生素的水解。头孢类抗生素以直接光解为主,环境中常见的光敏剂腐殖酸和硝酸根离子促进光解的作用有限。通过研究其在水中的降解产物发现头孢类抗生素在水中的主要降解途径分别为β-内酰胺环开环裂解和β-内酰胺环开环后经分子内环合,产生2,5-二酮哌嗪衍生物。  对四种头孢类抗生素在底泥-水系统中降解行为的研究表明:由于该系统中微生物数量多、种类丰富,头孢类抗生素以生物降解为主要降解途径,降解半衰期分别为0.9,2.6,3.1和0.8天,远远低于在环境水体中。好氧条件比厌氧条件更有利于头孢类抗生素的生物降解。灭菌底泥中头孢类抗生素的消除可能是由于吸附到底泥上和水解的双重作用所致。  在研究了水体系统后,本文以头孢拉定为例,研究了其在土壤及畜禽粪便中的降解行为和不同环境因素对其降解的影响。实验结果表明:环境中畜禽粪便里头孢拉定降解反应的活化能Ea经计算为2.39 kJ·mol-1。随着环境温度的升高,头孢拉定的降解速率逐步增大;其次,土壤中头孢拉定的降解与总碳含量及土壤pH有关。一方面其降解速率常数与总含碳量呈对数关系,原因可能是总含碳量与土壤中的微生物含量、吸附位点正相关;另一方面随着土壤pH值的升高,其降解速率增大。再次,微生物对于头孢拉定在土壤中的降解起到重要的作用,氧气的缺乏会抑制土壤中的微生物活动,抑制程度视土壤种类而定。  以头孢拉定为例所进行的光催化降解实验表明:365 nm的紫外灯是较为理想的催化反应光源,原因是头孢拉定分子在365 nm处对光吸收很少,加入TiO2催化剂能充分利用光能加速头孢拉定的降解;其次在既定的头孢拉定初始浓度下,催化剂浓度为0.4 g/L时催化效率最高:低于这个浓度不利于充分发挥催化剂的效应,但当浓度进一步升高至0.8 g/L时,则会使得催化效率下降,同时碱性条件有利于提高处理含有头孢拉定废水的效率。头孢拉定在光催化降解和光降解中遵循不同的途径。在光催化反应过程中生成中间产物的机理包括分子内环合产生2,5-二酮哌嗪衍生物,C-7α位酰基侧链上环已二烯被氧化等。中间产物Ⅱ(准分子离子峰m/z348)的量有一个先升后降的过程。  综上所述,由于头孢类抗生素在我国的大量使用及实际水体中的检出,表明了探索其在环境中的降解动力学及其产物的必要性和研究去除该化合物技术的重大意义。鉴于相关的研究报道在国内外还比较少,本文为相关部门制定环境管理方面的政策和法规提供了科学指导和理论依据。
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