抗生素作为广谱类药物，被广泛应用于治疗人体疾病,治疗和预防畜禽、 水产品的细菌性病害, 在世界范围的使用量呈逐年递增趋势^[1].在美国，作为促生长作用的抗生素使用量在近40年内增加了80倍^[2].中国每年兽用抗生素的平均使用量已高达6 000t^{[3, 4]}.随着我国畜禽养殖业的繁荣和发展，四环素类、 大环内酯类、 青霉素类、 磺胺嘧啶类抗生素的使用日益广泛，但是抗生素的不合理应用及不遵守正确的休药期导致大部分抗生素不能完全被机体吸收，抗生素及其衍生物作为微量污染物所造成的污染及由此产生的环境效应引起人们的关注^[5,6,7].

四环素(tetracycline,TC)作为一种典型人畜共用抗生素,应用较为广泛，TC是一种稠环芳烃化合物，属于难降解物质，在环境中残留危害较大，并可致突变、 致癌^[8].TC类抗生素及其中间代谢产物具有生物毒性,可以透过细菌的细胞壁，与细菌的遗传物质核糖核蛋白结合, 抑制微生物的蛋白质合成, 对生化处理过程的微生物都有明显的抑制作用^[9].同时其降解产物的溶血作用，对肝脏、 胃肠有损害及可使牙齿染色等，长期低浓度的药物残留还会诱发病菌的耐药性^[10].因此，研究环境中残留TC的消减过程就显得尤为重要^[11].而目前，国内外用于TC类药物降解技术主要包括高锰酸钾氧化法^[12]、 TiO₂光催化降解法^[13]、 臭氧氧化法^[14]和电化学法^[15]等，但是TC在不同环境条件下的自然消减过程鲜有报道.

与抗生素相比，太湖的重金属污染问题吸引了更多学者的关注.2012年Lu等^[16]在太湖水体检出Pb的浓度为0.95~4.30 μg ·L^-1； 陈璐璐等^[17]研究指出，太湖中Cd的浓度为0.76~1.12 μg ·L^-1，平均值为0. 85 μg ·L^-1； 2012年中国环境科学研究院秦延文等^[18]发现，太湖表层沉积物中Cd含量为0.20~2.88 mg ·kg^-1，平均0.45 mg ·kg^-1，超过背景值3.46倍. Cd富集程度最为严重，具有较强的生态危害，其次是Pb，全湖Pb 的含量在29.20~74.48 mg ·kg^-1 之间，平均值为38.27 mg ·kg^-1； 2012年河海大学王沛芳等^[19]报道，太湖表层沉积物中Cd污染较重且分布较广，含量为1.62~3.29 mg ·kg^-1，可提取态所占比例最高、 迁移性最强，其次是Pb，Cd在太湖各湖区沉积物中存在中等潜在生态风险.

太湖流域人口密集、 社会经济高速发展，是典型的水网地区，非常易于抗生素、 重金属等污染物在水体中的搬运和迁移.残留抗生素和重金属经污水排放、 地表径流等途径进入太湖后，太湖水体中的 Pb、 Cd等重金属能否影响 TC的自然消解，尚不明确.本实验以 TC为研究对象，主要分析在光照及避光条件下， TC在太湖底泥、 重金属影响下的自然消减过程，重点研究了 TC在不同环境下的自然消减速率，并探讨了 TC的消减机制，以期为不同环境下太湖水体中 TC的自然消减提供参考. 1 材料与方法 1.1 实验材料与仪器

TC为分析纯，购自上海国药集团化学试剂有限公司.TC分子结构式及形态见图1.

图1

Fig. 1

图1 四环素分子结构及形态 Fig.1 Structure and speciation of tetracycline

TC有酰胺基(CONH₂)、 二甲胺基 N(CH₃)₂和酚羟基等官能团，此外还有两个含有酮基和烯醇基的共轭双键系统.二甲胺基具有碱性(pK_a=9.6)，而三羰基甲烷系统和酚二酮系统具有酸性(pK_a分别为3.3和7.7).因此四环素是一类两性化合物，它能和各种酸、 碱反应形成较为稳定的盐.

底泥，2013年2月采自于太湖.将底泥在自然条件下风干，用研钵研细.一部分在烘箱内170℃干燥1 h，并在紫外灭菌灯下照射15 min，以杀灭底泥中的微生物； 另一部分为未杀菌底泥.采集的太湖底泥中金属元素含量如表1所示.

表1(Table 1)

表1 底泥中的金属元素含量 /mg ·kg-1 Table 1 Original content of metal in sediment/mg ·kg-1 元素 Fe Cu Zn Al Pb Cr Cd Mn Ni As 含量 4.8 ND 0.4 8.4 ND ND ND 2.1 1.8 0.2

表1 底泥中的金属元素含量 /mg ·kg-1 Table 1 Original content of metal in sediment/mg ·kg-1

实验所用仪器为紫外可见分光光度计(日本岛津，UV-2550)； 恒温干燥箱(上海精宏, DHG-9240A型)； 分析天平(美国丹佛，TP-214)； 紫外灭菌灯(ZWS 15W). 1.2 TC标准曲线

对一定浓度的TC溶液进行紫外光谱扫描，得到TC的紫外图谱，如图2(a)所示.

图2

Fig. 2

图2 TC溶液的紫外光谱扫描及其标准曲线 Fig.2 UV absorbance of TC and its standard curve

由图2(a)可知，TC的紫外特征吸收峰为274 nm和355 nm，本实验选取274 nm进行后续研究.

取25 mg ·L^-1TC标准溶液，配置2.50、 5.00、 10.00、 15.00、 20.00 mg ·L^-1的TC溶液，在274 nm处测量其吸光度，重复测定3次，取其平均值，即可得吸光度A与TC质量浓度c的线性回归方程，拟合曲线如图2(b)所示.

由图2(b)可知，TC溶液在0～20 mg ·L^-1时，TC质量浓度与其吸光度之间有较好的线性关系，R²为0.99981. 1.3 实验方法

取1 L烧杯25个，每5个分为一组，于第二、 三、 四、 五组中分别加入杀菌底泥100 g、 未杀菌底泥100 g、 硝酸镉0.03 mmol ·L^-1、 硝酸铅0.03 mmol ·L^-1，第一组为空白对照组.于每组中配置1 L浓度分别为0.02、 0.03、 0.04、 0.08 mmol ·L^-1的TC溶液，放置于同一光照条件下，分别称重，并记录原始重量，每天称重并补加蒸馏水，以弥补蒸发散失的水分，定期用紫外分光光度计测定溶液中TC的浓度.另设避光条件下的实验组，除避光外，所有实验条件及方法同光照组.

根据公式(1)，计算TC的消减率r：

2 结果与讨论 2.1 未杀菌底泥对TC自然消减的影响

图3为不同TC浓度的自然消减过程中，对照组与含未杀菌底泥水体中TC的浓度变化.

图3

Fig. 3

图3 对照组与含未杀菌底泥水体中TC的浓度变化 Fig.3 Changes of the concentration of tetracycline in the blank group and the unsterilized sediment

由图3可知，避光时对照组中剩余的TC浓度高于光照组，即表明光照下TC的降解速率大于避光组.光照和避光时，未杀菌底泥水体中TC的浓度都呈明显的降低趋势，主要是前期底泥的吸附作用所致.后期光照下TC呈先上升后下降的趋势，避光下的TC浓度趋于平稳.实验结束时，以图3(a)为例(低TC浓度)，在光照和避光下对照组TC的消减速率分别为15.9%和3.3%，未杀菌底泥水体中TC的消减速率分别为58.44%和68.7%； 以图3(d)为例(高TC浓度)，光照和避光下，未杀菌底泥水体中的TC的趋势与图3(a)相似，对照组TC的消减速率分别为6.6%和6.8%，未杀菌底泥水体中TC的消减速率分别为87.2%和90.3%.

自然状态下，一般认为光化学降解反应机制在于分子吸收光能变成激发态，从而引发各种反应，太阳光对TC的消减具有一定促进作用^[21].有的研究表明，TC在水中还可通过与¹ O₂和O^{· -}₂发生反应进行光解^[22,23,24]. Castillo等^[25]研究发现，在可见光照射下，TC可通过基态电子转移产生阴离子自由基(RF^{· -})，并且进一步产生超氧阴离子自由基O^{· -}₂，同时激发三重态³RF^*可将能量传递给溶解氧产 生¹ O₂，并通过实验证明，强力霉素、 甲稀土霉素、 去甲金霉素和土霉素都可与¹ O₂和O^{· -}₂发生反应进行光解； 而Addamo等^[26]研究发现，直接光解对TC的降解和矿化作用不大.本实验同样得到了上述结论，TC的直接光解速率非常缓慢，而且降解时间较长.

除长时间的光解和底泥的吸附外，底泥中的某些物质在受到光照时，会形成大量的自由基、 过氧化物和单重态氧，这些物质加速了TC的降解^[27].同时底泥中的微生物也促进了TC的降解，TC残留物的结构和理化性质在微生物作用下发生改变，从大分子化合物降解为小分子化合物，最终转变为H₂ O和CO₂，因而TC在含未杀菌底泥水体中的消减过程较快.而光照下TC浓度出现上升后又下降的现象，可能有3种原因：一是光照下TC的原有降解产物再次转化成母药而造成总量增长^[28]； 二是底泥中TC的吸附与解吸平衡被打破，解吸速率大于吸附速率，出现上升趋势； 三是随着时间的延长，出现了耐药微生物，TC对底泥呼吸的影响降低，从而加快了TC的降解^[11]. 2.2 杀菌底泥对TC自然消减的影响

图4为不同浓度下的TC自然消减过程中，对照组与含杀菌底泥水体中TC的浓度变化.

图4

Fig. 4

图4 对照组与含杀菌底泥水体中TC的浓度变化 Fig.4 Changes of the concentration of tetracycline in the blank group and the sterilized sediment

由图4可知，不同浓度时(0.08 mmol ·L^-1 除外)，避光下对照组中剩余的TC浓度高于光照组.由图4(a)和4(b)可知，含杀菌底泥的水体中，TC的浓度出现了先上升后下降的趋势，且避光下的浓度大于光照组，均大于对照组.由图4(c)和4(d)可知，含杀菌底泥的水体中TC的浓度具有明显的下降趋势，且光照下的下降速率大于避光下，随着时间的延长趋于平衡.在光照和避光下，以图4(a)为例(低TC浓度)，杀菌底泥中TC并没有消减； 以图4(d)为例(高TC浓度)，杀菌底泥中TC的消减速率分别为70.37%和59.04%.

图4(a)和4(b)中低浓度组的TC浓度出现上升趋势，可能是因为杀菌底泥中的重金属由于扩散、 解吸、 溶解、 氧化还原和络合作用，以及在物理、 化学等因素的作用下，从底泥向水相释放，造成了水体中重金属含量的升高，而在取样测定吸光度时，部分金属加强了TC在该波长下的响应，同时部分金属也会在该波长下具有自身的响应，导致了测定时数据增大； 而后TC浓度又出现下降趋势，除光照因素外，可能由于底泥中如光合菌、 乳酸菌、 放线菌、 酵母菌、 发酵丝状菌、 芽孢杆菌、 枯草杆菌、 硝化细菌、 酵母等具有降解抗生素功能的微生物并没有被完全杀灭^[29]，而是以休眠体的形式存在于底泥中，随着时间的延长，微生物进而苏醒、 繁殖，同时也对TC产生了耐药性，加快了TC的降解.而避光下的TC浓度大于光照组，也表明光照可以加速TC的消减.

图4(c)和4(d)表明，光照下含杀菌底泥的水体中，四环素的浓度低于避光组，且光照下的消减速率明显大于避光组.在底泥的吸附作用、 自身的降解以及重金属的络合等作用下，四环素的浓度呈降低趋势. 2.3 水中硝酸镉对TC消减过程的影响

图5为不同TC浓度下，对照组与含硝酸镉水体TC消减过程中浓度的变化.

图5

Fig. 5

图5 对照组与含硝酸镉水体中TC的浓度变化 Fig.5 Changes of the concentration of tetracycline in the blank group and Cd(NO3)2

TC是两性化合物，其分子含有1个碱性基团、 2个酸性官能团，在酸性、 中性和碱性条件下，通常以正离子、 中性和负离子形态存在^[30].本实验水体呈中性，此时TC以兼性离子存在，水体中加入镉离子后，为TC提供了较多的反应位点.随着TC浓度的增加，自身所提供的反应位点相应增多，可能发生了镉离子与TC的配位反应，其与镉离子通过络合作用，形成2 ∶1的配合物， 导致TC聚合后沉淀^[31,32,33]. Dulisio等^[34]认为在形成2 ∶1配合物的过程中，这些金属离子与TC的络合主要是发生与二甲基氨基或者是羟基基团的配合. TC与金属离子的络合过程中，只有官能团发生了电离.TC在亲核和亲电试剂的作用下，容易发生水解并引起分子的重排，转化为容易降解的物质.某些金属离子，如镉离子对TC的水解和分子重排起到了催化作用. 2.4 水中硝酸铅对TC消减过程的影响

图6为不同TC浓度下，对照组与含硝酸铅水体中TC消减过程的浓度变化.

图6

Fig. 6

图6 对照组与含硝酸铅水体中TC的浓度变化 Fig.6 Change of the concentration of tetracycline in the blank group and Pb(NO3)2

由图6可知，光照和避光下，对照组TC浓度的变化趋势同以上实验组.不同TC浓度时，含硝酸铅水体中TC浓度均表现为下降趋势，且600 h之前，光照和避光下四环素浓度的变化趋势几乎吻合； 600 h之后，光照下四环素的消减速率大于避光组，且趋势逐渐增大.在光照和避光下，以图6(a)为例(低TC浓度)，含硝酸铅水体中TC的消减速率分别为29.3%和14.8%；以图6(d)为例(高TC浓度)，硝酸铅水体中TC的消减速率分别为32.3%和15.7%.

硝酸铅与TC的作用机制与硝酸镉相同，都是形成了重金属-TC配合物.但与硝酸镉相比，硝酸铅对TC消减的促进作用较小，这主要是由于TC与不同金属离子形成配合物的难易程度不同^[35]，以及提供的反应位点的活性不同，水体中镉离子比铅离子更容易与TC形成稳定的配合物. 3 结论

(1)自然光照下，TC的降解缓慢； 未杀菌底泥水体中，TC的消减速率大于杀菌底泥，微生物起到了重要的作用； 含硝酸镉水体中TC的消减速率大于含硝酸铅水体，硝酸镉对TC消减的促进作用大于硝酸铅.以0.08 mmol ·L^-1TC为例，TC在各环境因素中的消减速率依次为：未杀菌底泥(87.2%)>杀菌底泥(70.37%)>硝酸镉(64.2%)>硝酸铅(32.3%)>空白组(6.6%)，各环境因素都促进了TC的消减.

(2)避光下，空白组TC及高浓度TC的消减趋势与光照组相似.低浓度TC的消减受环境中金属离子及其他因素的影响较大.避光下的TC消减速率小于光照组，表明光照促进了TC的消减.

致谢 ：感谢南京师范大学韩睿明博士对论文修改过程中的指导.