紫外辐射加速磺胺甲恶唑SMX的生物降解汇总Word格式文档下载.docx
- 文档编号:21089157
- 上传时间:2023-01-27
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:481.44KB
紫外辐射加速磺胺甲恶唑SMX的生物降解汇总Word格式文档下载.docx
《紫外辐射加速磺胺甲恶唑SMX的生物降解汇总Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《紫外辐射加速磺胺甲恶唑SMX的生物降解汇总Word格式文档下载.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
UVIrradiationforAcceleratedBiodegradationof
Sulfamethoxazole(SMX
XULin-ke,YUYue,YANNing,ZHANGYong-ming
(DepartmentofEnvironmentalEngineering,SchoolofLifeScienceandEnvironmental
Engineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai200234,China
Abstract:
Threeprotocols,UVphotolysisalone(Ph,biodegradationalone(B,andintimatelycoupledphotolysisandbiodegradation
(Ph&
B,
wererespectivelyused
for
degradation
of
sulfamethoxazole(SMXinbatchtotestSMXdegradationratesandmineralizationdegree.SMXwasmore
inhibitiontobiofilmbycomparingwiththeeffectofinitialSMXconcentrationoninitialSMXdegradationrateandaveragedegradationrate,buttheinhibitioncouldberelievedbymeansofUVirradiation,whichresultedinaccelerateddegradationofSMX.TheaverageSMXdegradationratebyPh&
BwastwiceasthatbyPhand4timesasthatbyB.ThenitrogenhassignificanteffectonbioactivityofbiofilmdegradingSMX,whilethereleasednitrogenfromSMXunderUVirradiationwasassimilatedbybiofilmpartly.Inaddition,whenprotocolPh&
BwasusedfordegradationofSMX,themineralizationdegreecouldbeincreasedduetosynergyofphotolysisandbiodegradation,andthedegreewas8.4timesasprotocolPhand2.2timesasprotocolB.
Keywords:
sulfamethoxazole(SMX;
photolysis;
biodegradation;
reactor
收稿日期:
2011-03-22
基金项目:
国家自然科学基金项目(50978164,50678102;
高等学校博士学科点专项科研基金项目(20070270003;
上海市重点学科建设项目
(S30406
作者简介:
许琳科(1985-,男,河南省洛阳市人,硕士生,研究方向为难降解有机废水的处理。
E-mail:
xlkjackson@yahoo.com.cn通讯联系人:
张永明,E-mail:
zhym@shnu.edu.cn
由于药物尤其是抗生素类药物的广泛使用,再加上人体吸收的不完全,它们很容易通过诸如医院废水和居民生活污水的排放等各种途径进入到天然
-3]
水体,形成持久性污染[1。
越来越多的药物活性物
源,生物降解区内装有软性醛化纤维用以负载生物膜,在生物反应区中部设置曝气头,通过曝气驱动液
体在反应器内循环流动。
紫外光功率为24W,波长为254nm,距离反应器10cm
左右。
质(PhACs在城市污水、地表水以及自来水中被检测出来。
这一类药物使用量巨大,我国抗生素的年产量合计14.7万吨,年消耗量在10万吨以上[9]。
药物活性物质进入水体后会对水生生物产生一定的影响,若不能得到有效处理,随着水的循环进入到饮用水中,会对人们的身体产生严重的健康风险。
因此,和其他难降解有机污染物一样,如何降解水体中的这些药物成分,特别是使该类药物得到矿化,已引起人们广泛的关注。
磺胺甲恶唑(SMX是一种广谱抗菌药,疗效确切、性质稳定、价格便宜,在医疗及养殖业已被大量使用
[10]
[4-8]
图1内循环光解生物降解同步耦合反应器Fig.1Internalloopandintimatelycoupledphoto-biocatalysisreactor
。
磺胺类药物的抗生性和稳定性使其难以
用简单的生物方法得到降解,这类药物和其他具有难降解性及毒性的污染物如杀虫剂、环境激素等通常考虑用化学法进行氧化,如高级氧化技术(AOPs等行之有效的手段,包括UV-H2O2,UV-O3,UV-TiO2和Fe-H2O2等多种手段。
采用紫外光辐射是其中一种降解药物成分的简便而有效方法。
研究表明[12],磺胺甲恶唑通过直接吸收波长低于310nm的光射线时会产生明显的光解作用并得到有效降解,但往往矿化程度很低,仅仅是转化为相应的中间产物。
即使在粉末二氧化钛作为光催化剂的条件下,其总有机碳的去除率也没有明显提高,而这些药物的中间产物对环境仍然具有一定的毒性。
因此,提高残留药物的矿化程度则是提高含有药物成分的水处理质量的关键。
许多研究都证明了高级氧化法对处理药物成分的降解是有效的,包括抗生素类药物及SMX,但单独依靠紫外辐射还很难使其得到有效的矿化,因此结合生物降解,则有望使其矿化程度提高。
本文采用一种紫外辐射与生物膜同步耦合反应器,对含有SMX的模拟废水进行降解,试图借助于紫外辐射减缓SMX对生物膜的抑制,提高SMX的降解速率和矿化程度。
2+
[11]
1.2实验试剂
实验所用的SMX(分析纯由Aldrich化学公司生产;
高效液相色谱用的流动相乙腈由安徽安庆市时菱化工有限公司生产;
氯化铵、磷酸二氢钾和微量元素所用化学试剂均为分析纯,购自上海国药集团化学试剂有限公司。
1.3SMX溶液及无机盐溶液的配制
称取1gSMX溶解于800mL去离子水中,用=20%的NaOH溶液调节pH至10左右,使SMX完全溶解于其中,然后用去离子水定容到1000mL,作为母液置于4冰箱保存备用。
实验时根据要求稀释至不同的SMX质量浓度。
无机盐溶液的配制:
称取4.775gNH4Cl溶解于250mL去离子水中,配制成质量浓度为5g/L溶液,称取1.097gKH2PO4溶解于250mL去离子水中,配制成1g/L溶液。
微量元素1的配方为:
EDTA5.0g/L和FeSO47H2O5.0g/L;
微量元素2的配方为:
EDTA15.0g/L;
ZnSO47H2O0.43g/L;
CoCl26H2O0.24g/L;
MnCl24H2O0.99g/L;
CuSO45H2O0.25g/L;
NaMoO42H2O0.22g/L;
NiCl26H2O0.19g/L;
NaSeO410H2O0.21g/L;
H3BO40.014g/L。
配好的无机盐和微量元素溶液均贮存于4冰箱备用。
1.4SMX降解菌的驯化
污泥取自上海龙华水质净化厂二沉池,驯化时加入SMX溶液和一定量的无机盐溶液及微量元素,用以驯化培养SMX降解菌。
驯化过程中,每天去除上清液后加入新的培养液。
SMX的质量浓度
1材料与方法
1.1反应器
图1所示的气升式内循环紫外辐射与生物膜同步耦合反应器由石英玻璃制成,工作体积为115mL。
在反应器中间设置一块玻璃片,将反应器分为紫外辐射光解区和生物降解区,光解区面向紫外光
从10mg/L逐步升到120mg/L。
2周后,获得具有降解SMX的污泥,然后将软性填料浸没于污泥24h,使污泥吸附在软性填料上后,移入反应器内继续培养2周。
每天更换培养液,直至形成稳定的生物膜。
驯化过程中,氮和磷无机盐的加入量按照m(SMXm(Nm(P=6051的比例加入,而微量元素1和2均按每1L加入1mL来计。
1.5SMX的降解
SMX的降解采用间歇方式进行,SMX溶液体积为反应器工作体积的2倍,外部设有贮液容器,通过蠕动泵将其与反应器连接,溶液在容器和反应器之间循环。
降解方法有3种:
单独紫外辐射光解(Photolysis,Ph、单独生物降解(Biodegradation,B、紫外辐射与生物同步耦合降解(Photo-biodegradation,Ph&
B。
采用这3种方法针对不同浓度的SMX溶液分别进行降解。
其中氮和磷的加入量仍按照m(SMXm(Nm(P=6051的比例加入,微量元素1和2均按每1L加入1mL来计。
在探讨氮素对SMX降解影响的实验时,有些实验过程不加入氮素。
1.5.1单独紫外辐射光解(Ph在进行紫外辐射光解时,反应器内不装填生物膜,此时开启紫外灯。
SMX的初始质量浓度分别为:
10,15,30,60,90,120mg/L。
每间隔一定时间取样分析SMX和TOC质量浓度随时间的变化。
1.5.2单独生物降解(B在单独生物降解时,关闭紫外灯,装入驯化好的生物膜。
10,30,60,90,120mg/L。
同样每间隔一定时间取样分析SMX和TOC的质量浓度。
1.5.3紫外辐射与生物膜同步耦合降解(Ph&
B在进行紫外辐射与生物同步耦合降解时,反应器内装有生物膜,同时开启紫外灯。
每间隔一定时间取样分析SMX和TOC的质量浓度。
1.5.4SMX降解过程中氮素释放规律针对质量浓度为90mg/L的SMX分别采用方法Ph和方法Ph&
B进行降解,以探讨SMX降解过程中,氮素释放以及被为微生物利用的规律。
此过程中每间隔一定时间测定NH+4-N的释放情况,并比较不同降解过程中NH+4-N的变化规律。
1.6分析方法
SMX的分析采用型号为Agilent1100的美国产高效液相色谱,色谱柱型号为ZORBAXSB-C18的反相柱(5m,4.6mm250mm,流动相为乙腈水溶液,体积比为3070,流速为1mL/min。
TOC
的分析采用德国产型号为liquiTOC,Elementar的TOC分析仪。
氨氮的分析采用纳式试剂法。
pH分析采用国产型号LP-3000为便携式pH计。
[13]
2结果与讨论
2.1不同方法对SMX降解的影响
SMX在单独紫外辐射光解、单独生物降解以及紫外辐射与生物降解同步耦合3种方法作用下的降解情况如图2所示。
从图2可看出,在所有方法中,随着初始SMX质量浓度的逐步升高,降解所用时间增加。
B降解SMX的速率均明显高于另2种方法。
比较图2(a和图2(b看出,在最初的10min,采用方法B时,SMX的质量浓度急剧降低,随后其降解速率逐渐变慢,尤其是当SMX的初始质量浓度为120mg/L时,SMX的降解曲线趋于平缓。
这是由于在反应初期,生物膜对SMX的吸附作用使得SMX浓度下降,且吸附速率大于其生物降解速率。
由于SMX是一种广谱型抗生素,其对生物具有一定的抑制性,且随SMX初始质量浓度的增加,
生物抑制性表现得越来越明显。
图2不同降解方法和初始质量浓度与SMX降解的关系Fig.2Relationshipbetweendifferentprotocolsandinitial
SMXremovalrates
图3为各种方法在10min时刻的降解SMX初速率。
可以看出,由于吸附的原因,方法B的初始降解速率明显地要高于方法Ph,但仍低于方法Ph&
而方法Ph的实验结果表明,随着质量浓度
的增加,SMX的初始降解速率几乎没有变化,这表明在单独紫外辐射情况下,SMX的初始质量浓度对其初始降解速率的影响不大。
但在方法Ph&
B中,SMX的降解初速率却随着SMX的初始质量浓度的升高几乎呈直线上升,并且要远远高于单独生物降解,这说明紫外辐射与生物降解同步耦合从初始时刻开始就加速了SMX的降解速率。
紫外辐射光解的结果是破坏了SMX的结构,从而有利于生物
降解或者是减缓了对微生物的抑制。
中,尤其是在紫外辐射下,随着SMX的降解,其结构中的氮素可能会释放出来。
为了比较SMX所释放的氮素的变化情况,分别采用方法Ph和方法Ph&
B对初始质量浓度同样为90mg/L的SMX溶液进行降解。
在此过程中测试NH+4-N的变化情况,结果如图5所示。
由图5可以看出,采用方法Ph降解SMX的过程中,由于没有微生物,所释放
+
的NH+4-N上升较快,240min时,NH4-N浓度为
3.5mg/L,但这只占SMX中氮素的23%,直至600min时,NH4-N的浓度变化不大,其余77%的氮素仍未脱落,存在于SMX光解后的中间产物中。
而采用方法Ph&
B降解SMX时,由于有微生物的存在,所以NH4-N的上升速度较慢,在240min时,NH4-N浓度只有0.6mg/L,到480min时,NH4-N浓度才上升到1.7mg/L。
结合图2的实验结果,方法Ph&
B降解SMX的降解速率最快,这说明所释放的NH4-N
为微生物的生长提供了部分氮源。
++
图3SMX降解初速率与初始SMX质量浓度的关系Fig.3RelationshipbetweeninitialSMXremovalratesand
initialSMXconcentrations
根据图2的降解规律,初始质量浓度为10mg/L的SMX在60min降解完成,降解时间最短。
为了便于比较,所有方法和初始浓度的SMX均以60min为基准,计算它们在60min的平均降解速率,所得结果如图4所示。
从图4中可以看出,各初始质量浓度情况下,方法Ph&
B仍是最快的方法,其降解SMX的平均速率分别是方法Ph的2倍、方法B的4倍。
而方法Ph的平均降解速率高于方法B。
这再一次表明SMX是一种较难生物降解的化合物,并且它对微生物具有一定的抑制作用。
由于紫外辐射导致这种抑制得到缓解,从而使得在Ph&
B过程中SMX
的降解速率是最快的。
图5SMX释放的NH+4-N被微生物利用的情况Fig.5NH+4-NreleasedfromSMXunderUVirradiation
anditsassimilationbymicroorganism
图6所示是初始质量浓度为90mg/L的SMX溶液在采用方法Ph&
B时的降解情况。
在该实验过程中的2组SMX溶液均加入了磷,但其中1组加入了氮,另1组则没有加入氮。
氮和磷的加入比例仍是m(SMXm(Nm(P=6051。
此时氮素的质量浓度相当于7.5mg/L。
实验结果表明,没有加入氮素的SMX降解速率明显低于加入了氮素那一组。
由于通过紫外辐射光解所释放的氮素最高只有3.8mg/L,明显低于所加入的7.5mg/L,因此未加入氮素这组SMX的降解速率慢是由于氮素的缺乏,导致微生物的活性受到影响,进而使得SMX的降解速率要慢些。
这说明一定量的氮素对微生物的活性有一定的影响。
图4降解方法对SMX的平均降解速率的影响Fig.4EffectofprotocolsonaverageSMXremovalrates
2.3SMX的矿化
采用紫外辐射与生物降解耦合的目的是希望提高SMX的矿化程度,即希望使其TOC得到较高的去除率。
图7所示为初始浓度为60mg/L的SMX
2.2氮素与SMX降解的关系
SMX是一种含氮的杂环化合物,在其降解过程
在经3种方法处理6h后其TOC的去除率。
从图7可以看出,采用方法Ph&
B降解SMX,可以使TOC的去除率达到57%。
而通过方法B对SMX进行6h的降解,其TOC的去除率为26%,相应的用方法Ph时,其TOC的去除率只有6.8%,显然方法Ph对SMX的降解速率要高。
这说明SMX在紫外辐射下只是结构发生了变化,转化为了中间产物,即矿化程度较低。
因此,要使SMX得到较高的矿化率必须借助于生物的作用。
通过方法紫外辐射与生物降解协同作用使SMX
的矿化程度提高。
独生物降解要快,单独紫外辐射只是使SMX的结构破坏,转化为中间产物,而其矿化程度非常低。
而当紫外辐射与生物降解耦合之后,可以使SMX的矿化程度明显提高。
参考文献:
[1]OverbyeKM,BarrettJF.Antibiotics:
Wheredidwego
wrong?
[J].DrugDiscoveryToday,2005,10(1:
45-52.
[2]KumarasamyKK,TolemanMA,WalshTR,etal.
EmergenceofanewantibioticresistancemechanisminIndia,Pakistan,
andtheUK:
Amolecular,
biological,
and
epidemiologicalstudy[J].TheLancetInfectiousDiseases,2010,10(9:
597-602.
[3]SenguptaN,AlamSI,KumarRB,etal.Diversityand
antibioticsusceptibility
pattern
of
cultivableanaerobic
bacteriafromsoilandsewagesamplesofIndia,Infection[J].GeneticsandEvolution,2011,11(1:
64-77.
[4]ZhlkeS,
Dnnbier
U,
Heberer
T.
Detection
图6氮素对SMX降解速率的影响Fig.6EffectofnitrogenonSMXremoval
rates
identificationofphenazone-typedrugsandtheirmicrobialmetabolitesingroundanddrinkingwaterapplyingsolid-phaseextractionandgaschromatographywithmassspectrometricdetection[J].JournalofChromatographyA,2004,1050(2:
201-209.
[5]BuserHR,MullerMD,TheobaldN.Occurrenceofthe
pharmaceuticaldrugclofibricacidandtheherbicidemecopropinvariousSwisslakesandintheNorthSea[J].EnvironSciTechnol,1998,32(1:
188-192.
[6]BuserHR,PoigerT,MullerMD.Occurrenceandfateof
图7不同方法对SMX矿化程度的比较Fig.7Comparisonwithdifferentprotocols
forSMXmineralization
thepharmaceuticaldrugdiclofenacinsurfacewaters:
Rapidphotodegradationinalake[J].EnvironSciTechnol,1998,32(22:
3449-3456.
[7]BuserHR,
PoigerT,
MllerM
D.
Occurrenceand
environmentalbehaviorofthechiralpharmaceuticaldrugibupr
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 紫外 辐射 加速 磺胺 甲恶唑 SMX 生物降解 汇总
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)