2019, Vol. 40
2. 中国科学院大学, 北京 100049
唑可能的去除机制均为生物降解.
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
我国是抗生素生产和使用大国, 2013年我国抗生素生产及使用量分别为24.8万t及16.2万t[1].磺胺类药物(sulfonamide, SAs)是一种常用的抗生素, 具有对氨基苯磺酰胺的结构, 主要用于预防和治疗细菌感染疾病[2].进入人体及动物体的磺胺类药物不能完全吸收, 大部分以原型及其代谢物随尿液及粪便排出体外[3]进入污水处理厂(wastewater treatment plants, WWTPs), 污水处理厂是城市污水的重要受纳体, 但是目前的污水厂很难有效地去除磺胺类等抗生素药物[4, 5].过量使用磺胺类药物会导致其在水环境中大量残留, 水环境中的磺胺类药物在国内外被广泛检出[6, 7], 不能完全去除的磺胺类药物随污水处理厂出水排入自然水体中[8], 导致磺胺类药物在水生生物体内累积, 危害其健康.除此之外, 磺胺类药物的滥用可能会引起耐药性, 对生态环境和人类造成危害[9, 10].乙酰化代谢物是磺胺类药物的主要代谢产物[11, 12], 乙酰化代谢物在尿中溶解度低, 析出结晶后增加了对肾脏的毒性[13].目前国内虽然有乙酰化代谢物的相关研究, 但大多数研究者都是研究其在动物源性食品[14~16]以及血清样品[17]中的含量, 在环境中的含量研究目前尚处于起步阶段.
由于某些抗生素会在污泥相中吸附, 水相的去除率并不能准确地反映抗生素的去除情况, 质量平衡分析是一种有效地研究抗生素在环境中的归趋及其对环境的质量负荷的方法[18, 19]. Yan等[20]研究了包括磺胺类药物在内的21种医药活性物质在某污水处理厂中的质量平衡, 发现大部分药物在污水厂的主要去除途径是生物降解, 少部分是污泥吸附作用.综上, 研究环境中乙酰化代谢物含量, 计算质量平衡, 分析其与母体化合物相互转化规律及可能的降解机制, 对研究这些化合物在污水处理厂中的环境行为及开展环境风险管理具有重要意义.
本文选取4种常见的磺胺类药物及其相应的乙酰化代谢物为研究对象, 采用高效液相色谱串联质谱(HPLC-MS/MS)检测其在厦门某污水处理厂中的浓度, 探讨了目标物在污水处理厂的分布规律, 通过质量平衡分析, 考察污水处理厂中磺胺类药物与乙酰化代谢物的转化过程及其可能的去除机制, 以期为今后进一步考察磺胺类药物及其代谢物在污水及污泥中的迁移转化提供参考数据.
1 材料与方法 1.1 仪器与试剂高效液相色谱串联四级杆质谱仪(液相色谱, LC20-AD, 日本岛津公司; 四级杆质谱仪, 3200QTRAP, 美国ABI公司), 配备电喷雾离子源(ESI); Milli-Q超纯水仪(美国Millipore公司).
标准品磺胺嘧啶(sulfadiazine, SD, 99%)、磺胺甲唑(sulfamethoxazole, SMZ, 99%)、磺胺甲基嘧啶(sulfamerazine, SM1, 99.5%)、磺胺二甲基嘧啶(sulfamethazine, SM2, 99.6%)和乙酰化磺胺甲唑(Acetyl-sulfamethoxazole, Ac-SMZ, 99%)购自德国Dr. Ehrenstorfer公司, 乙酰化磺胺甲基嘧啶(N-acetyl sulfamerazine, Ac-SM1, 98%)、乙酰化磺胺嘧啶(N-acetyl sulfadiazine, Ac-SD, 97%)和乙酰化磺胺二甲基嘧啶(N-acetyl sulfamethazine, Ac-SM2, 98%)购自加拿大TRC公司, 同位素标记的内标物13C6磺胺嘧啶(13C6-sulfadiazine, 13C6-SD, 99.4%)和替代物13C6磺胺甲唑(13C6-sulfamethoxazole, 13C6-SMZ, 99.7%)购自德国Witega公司.本研究使用的有机试剂均为色谱纯, 甲醇购自美国TEDIA公司, 甲酸购自上海阿拉丁试剂公司.本实验用的超纯水由Milli-Q系统提供. SAX固相萃取小柱(500 mg, 6 mL)购自美国Agilent公司, Oasis HLB固相萃取小柱(500 mg, 6 mL)购自美国Waters公司.
1.2 样品采集本文选取了厦门某污水处理厂作为研究对象, 其污水进水主要来自城市生活污水, 总服务面积约36 km2, 服务人口半径约20万人, 本文选取该污水处理厂A2/O工艺的二期工程. A2/O工艺是目前处理我国城市污水常见的脱氮除磷工艺, 其去除污染物机制是利用微生物对污染物的生物降解.该工艺处理效果稳定可靠, 运行管理较简单.
采用4 L的棕色玻璃瓶采集污水, 根据污水厂各个处理单元的水力停留时间, 按照污水处理过程采样, 减小不同批次的污水带来的误差.同时采集污泥样品, 污水采样点分别为沉砂池(S1), 厌氧进水(S2)、缺氧进水(S3)、好氧进水(S4)、好氧出水(S5)、二沉池出水(S6)和紫外出水(S7).污泥采样除了在厌氧、缺氧、好氧区(S2~S5)随污水采样之外, 同时采集剩余污泥(S8)及脱水污泥(S9), 采样时采集3份平行样品.采集水样后加入硫酸调节至pH 3.0, 低温保存带回实验室并于48 h内处理完.采样时间为2016年8月.采样点位如图 1所示.
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图 1 污水厂采样点位分布示意 Fig. 1 Schematic diagram of the WWTP |
样品前处理与检测方法参照笔者之前开发的方法测定, 500 mL水样用微孔滤膜过滤后用HLB固相萃取小柱富集, 污泥样品用柠檬酸盐缓冲液萃取, 收集萃取液, 用SAX与HLB串联提取与富集, 使用HPLC-MS/MS测定样品.
1.4 质量控制和质量保证本文采用13C6-SD作为内标, 13C6-SMZ作为替代物.替代物在萃取前加入到污泥和污水中以监控整个分析过程, 加入内标以校正基质效应.设置3份平行控制误差, 样品检测时, 每隔10个样品回测一次标样进行质量控制.所有的数据都经过严格的质量控制, 通过加标测量回收率, 本文选取了2种浓度, 加入20 ng ·L-1和100 ng ·L-1混合标准溶液.污水的回收率为70.8%~130.6%, 污泥的回收率为88.0%~129.2%.污水检出限为0.19~2.06 ng ·L-1, 污泥检出限为0.61~2.31 ng ·g-1.
2 结果与讨论 2.1 目标化合物在污水处理厂污水和污泥的含量分布采集并检测厦门市某污水处理厂中污水及污泥中磺胺类药物及其乙酰化代谢物含量, 结果如图 2所示, 8种化合物在污水中检测出来6种, SM1和Ac-SD没有被检测出.污泥只检测出5种目标化合物, Ac-SMZ、SM1及其代谢物Ac-SM1没有被检测出. Li等[21]研究了两个污水处理厂中磺胺类的浓度, SM2和SD浓度均较低.在污水进水中Ac-SMZ浓度最高, 为109.4 ng ·L-1, 而在所有的污泥样品中均没有检测到该物质, 该结果和Göbel等[22]的研究一致, 该研究在污泥中加入100 μg ·kg-1含量的Ac-SMZ, 结果导致污泥中的SMZ含量增加, 但却没有在污泥中检测到, 所以Göbel推测Ac-SMZ会在污泥环境中迅速转化为SMZ.本研究中污泥的目标化合物含量较低, Huang等[23]研究了污泥中几种抗生素的含量, 其中磺胺类抗生素在污泥中的含量也较低, SD、SMZ和SM2平均含量分别为8.7、12.35和14.9 ng ·g-1.
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图 2 目标物在污水处理厂污水及污泥中的含量 Fig. 2 Concentrations of target compounds in the wastewater and sludge in the WWTP |
由图 2可以看出, 在厌氧进水的磺胺类抗生素及其母体的浓度明显低于进水的目标化合物浓度, 这可能是由于从厌氧开始的生化池相比于进水, 存在大量污泥, 而污泥吸附是磺胺类药物在污水处理厂的主要降解行为之一[24, 25].
各个磺胺类药物和其相应的乙酰化代谢物在污水与污泥中的含量变化情况如图 3所示, 其中SM1由于在污水和污泥中未被检出, 故没有列出, 可以看出SD整体随污水处理厂工艺呈下降趋势, 其中SD在污水, Ac-SD在污泥下降趋势较为明显, SD在污泥中随各个污水处理单元变化基本不明显, Ac-SD在污水中则未检出. SD随污水浓度降低明显, 而污泥含量基本不变, 但其相应的乙酰化代谢物并未显著提高, 可能有两种原因, 一是SD在污水处理过程中转化为其他代谢物, 二是SD在污水处理过程中产生了微生物降解, 使SD浓度降低.而SM2在随各污水厂处理单元呈现波动的情况, 特别是Ac-SM2在污水和污泥中呈现此消彼长的情况, 这可能是因为Ac-SM2随污水处理厂各处理单元在污泥中不断吸附和解吸, 而母体化合物SM2在污水和污泥中随处理单元进程变化不明显. SMZ的含量变化情况整体与SD类似.
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污泥中物质的单位：ng ·g-1; 污水中物质的单位：ng ·L-1 图 3 母体化合物与乙酰化代谢物在污水过程的转化 Fig. 3 transformation of parent compounds and their acetyl metabolites during wwtp treatment |
污水及污泥在污水厂各处理单元及整个过程的去除率如图 4和图 5所示, 去除率的计算公式为：
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(1) |
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图 4 污水处理厂污水中磺胺类及乙酰化代谢物在各个处理单元及总体的去除率 Fig. 4 Removal efficiency of target compounds in wastewater for different compartments and overall process in the WWTP |
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图 5 污水处理厂污泥中磺胺类及乙酰化代谢物在各个处理单元及总体的去除率 Fig. 5 Removal efficiency of target compounds in sludge of different compartments and in overall process in the WWTP |
式中, R(%)代表某一处理单元的去除率, ci表示某一处理单元进水浓度, ce表示某一处理单元出水浓度.污水中磺胺类药物及其乙酰化代谢物的去除率中(图 4), 总去除率除了SM2几乎不变之外, 其余5种均有不同程度的去除, Ac-SM1和SD去除效果明显, 分别为86.1%和85.2%, SMZ也有较高的去除(71.9%). Li等[26]的研究发现SD和SMZ在城市污水处理厂中具有较高的去除率, 其研究香港两个污水处理厂的去除率, 其中, 一个污水厂中SD和SMZ的去除率为72.8%和68.2%, 另一个污水厂SMZ去除率高达95.7%, 而SD未检出.而对于不同的处理单元, 污水在初沉池去除效果明显, 这可能是由于进入生化池段, 存在大量污泥, 目标物在污泥中发生快速吸附作用.二沉池阶段的去除率, 磺胺类母体化合物为正去除, 乙酰化代谢物为负去除, 推测该阶段的母体化合物转化为乙酰化代谢物.而在紫外阶段则和二沉池情况相反, 母体化合物出现负去除, 这可能是化合物结合体结构在紫外条件下发生改变形成自由体, 使得基质中的物质间的相互作用发生改变, 从而导致更多的目标物被检出[27].而对于污泥中目标化合物的去除率(图 5), 总体来说, Ac-SD和SMZ的去除率都是100%, Ac-SM2也有较高的去除率, 高达97.2%, SM2去除效果最差, 为7.3%.在各处理单元中, 脱水造成的目标物去除率是最高的, 其次是在好氧区.
2.3 目标物在污水处理厂可能的去除机制通过质量平衡分析可以更好地了解磺胺类药物及其代谢物在污水处理厂中可能的去除机制.质量平衡分析通过日质量流量与损失计算, 按以下公式计算：
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(2) |
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(3) |
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(4) |
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(6) |
式中, Mi、Me、Ms分别代表进水、出水、污泥的日质量流量(g·d-1), Ci、Ce、Cs分别代表进水(ng ·L-1)、出水(ng ·L-1)和剩余污泥(ng ·g-1)的目标物含量, Qw和Qs分别代表污水和污泥的日流量, 采样期间平均污水和剩余污泥日流量分别为3万m3·d-1和3.9 t ·d-1. Ml和Ml率分别为质量流量损失和质量流量损失率.计算目标化合物的质量流量及损失, 结果如表 1所示.
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表 1 目标物的质量流量及质量平衡 Table 1 Mass load and mass balance of target compounds |
由表 1可以得知, 磺胺类化合物的污水质量流量高于污泥质量流量, 这可能是由于磺胺类药物的辛醇/水分配系数(KOW)较低, 水溶性较强, 更容易溶解到水相当中, 而污泥相的吸附较差.此外, 除了SM2之外, 目标物均出现一定程度的质量损失, 即在污水处理过程中产生了生物降解或转化.例如SMZ及其乙酰化代谢物Ac-SMZ在污水处理过程中的总体质量损失分别为69.2%和47.3%, 说明SMZ在污水厂中的主要去除机制是生物降解, 这与前文通过图 3的推测一致, 而SM2及其乙酰化代谢物Ac-SM2在污水处理过程中的总体质量损失分别为-19.1%和1.2%, Ac-SM2的质量损失接近零, 而SM2的质量损失出现负值, 这说明SM2在污水处理过程中的去除机制基本没有生物降解, 同时, SM2和Ac-SM2的污泥质量流量占进水质量流量的19.1%和16.9%, 而SD和SMZ的这一占比分别为2.0%和2.8%, 其余化合物则为零, 这说明SM2在污水处理过程的可能去除机制为污泥吸附, 而出现负值的原因可能是其他代谢物转化为母体化合物. SD与SM1的去除机制则与SMZ一致, 在本研究中主要为生物降解.这与高俊红等[28]的研究结果相似, 其研究了兰州污水厂中9种磺胺类分布特征, 并通过质量平衡分析, 发现生物转化或降解是其主要的去除机制.
3 结论(1) 使用HPLC-MS/MS检测厦门某A2/O型污水厂中的4种磺胺类及其相应的乙酰化代谢物的浓度, 8种目标物中有6种在水体中被检测出, 污泥中有5种目标物被检测出, 与其他污水处理厂相比处于一个正常水平, Ac-SMZ在污泥中会迅速转化为SMZ.
(2) 磺胺类及其相应的乙酰化代谢物在污水处理厂各处理单元的去除率, 除了SM2总去除率基本为0之外, 其余5种化合物均有不同程度的去除.
(3) SM2在污水处理厂中的主要去除机制是污泥吸附, SD、SM1、SMZ在污水处理厂中的主要去除机制是生物降解.
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