氧化法降解制药废水中残留四环素

王丽琼，王桂华，马玉龙

(宁夏大学化学化工学院 能源化工国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021)

氧化法降解制药废水中残留四环素

王丽琼，王桂华，马玉龙

(宁夏大学化学化工学院 能源化工国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021)

比较了H2O2、HClO4和NaClO等3种氧化剂对制药废水中残留四环素的降解效果，发现3种氧化剂对四环素的降解效果、降解途径和降解产物是不同的：H2O2对四环素的降解率为80%，但部分四环素被转化为差向四环素而非氧化降解；HClO4对四环素的降解率为88%，但部分四环素并非被降解而是发生了消去反应转化为脱水四环素；NaClO对四环素的降解效果最好，降解率几乎达到100%。进一步对NaClO降解四环素的产物进行红外光谱和核磁共振波谱分析，发现四环素经NaClO降解后母体原有并四苯结构并未被破坏，而是酰胺键发生断裂产生了一种新的氧化产物。

四环素；H2O2；HClO4；NaClO；氧化降解

我国不仅是四环素类抗生素的原产大国也是其使用及出口大国。发酵法生产四环素排放的废水、废渣中往往残留未分离完的四环素，若不进行降解处理，将会通过各种途径进入环境，导致环境中抗生素蓄积。近年来，在河水、地表水以及地下水中都检测到了残留四环素类抗生素[1-2]，虽然土壤对部分抗生素有一定的自然降解能力，但局部环境抗生素的排入量超过土壤的自然降解能力时，势必会造成环境中抗生素蓄积，耐药菌泛滥[3]，进而影响人类健康和生态环境。因此，残留四环素类抗生素的降解成为人们急需解决的问题。

目前，四环素的去除方法主要有物理吸附法、化学氧化法和生物法等。有研究者分别对含有四环素的鸡粪、猪粪和牛粪进行堆肥处理30～45 d，四环素降解率为70%～95%[4-5]；Shi等[6]和Prado等[7]采用活性污泥法处理四环素废水，发现四环素的降解主要源于污泥吸附而非生物降解。由此可见，生物法降解四环素的影响因素及降解条件较复杂且四环素属抗菌能力强的广谱类抗生素，稍高浓度的残留四环素会对微生物产生抑制和杀灭作用。所以，处理高浓度的残留四环素，可能要选择其它非生物的方法。如，Lv等[8]用Cu-13X分子筛吸附处理废水中残留四环素，每克分子筛可吸附2 400 mg四环素，但该法并未从根本上降解四环素，只是四环素的存在位点发生了改变。鉴于此，作者采用氧化法降解制药废水中残留四环素，并对降解产物进行表征分析，拟为制药废水中残留四环素的降解提供依据。

1 实验

1.1 材料与试剂

制药废水由四环素生产企业提供，经高效液相色谱法检测，废水中四环素残留量为235 mg·L-1。

四环素标准品(纯度96.5%)，Sigma公司；甲醇、乙腈，色谱纯；高氯酸(HClO4，有效氯≥10%)、次氯酸钠(NaClO，有效氯≥10%)、双氧水(质量分数≥30%)、盐酸、氢氧化钠，分析纯；草酸，优级纯；草酸溶液用超纯水配制。

1.2 方法

1.2.1 制药废水中残留四环素的氧化降解

在制药废水中分别加入一定量的H2O2、HClO4、NaClO溶液，置磁力搅拌器上搅拌，每隔一定时间取样，用草酸终止氧化反应。然后过膜，用高效液相色谱仪(LC-20AT，日本岛津)测定氧化降解前后废水溶液中四环素的浓度。每个实验设3个平行，按式(1)计算四环素的降解率：

X=(c0-ct)/c0×100%

(1)

式中：X为四环素的降解率；c0为氧化降解前废水中四环素的浓度，mg·L-1；ct为降解处理t时间后废水中四环素的浓度，mg·L-1。

色谱条件：色谱柱InertSustain HC-C18(4.6 mm×150 mm，5 μm)，检测波长355 nm；柱温35 ℃；进样量20 μL；流动相为有机相(乙腈∶甲醇=2∶1)-水相(0.01 mol·L-1草酸)=35∶65(体积比)；流速0.8 mL·min-1。

1.2.2 降解产物分析

由于制药废水中其它残留物会干扰和影响降解产物的分析，因此，本实验以纯四环素作为实验对象进行降解产物分析。

准确配制一定浓度的四环素标准品，然后分别加入H2O2、HClO4、NaClO溶液按1.2.1进行氧化降解。用双光束紫外可见光谱仪(UV-9000，上海)测定四环素溶液降解前后的紫外光谱。将待测样品完全晾干，采用溴化钾压片法，用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR-8400S，日本岛津)测定四环素溶液降解前后的红外光谱，波数范围为4 000～400 cm-1，扫描次数为50，分辨率为4 cm-1。将待测样品经柱层析分离，用核磁共振仪(PZH841-400MHZ-70F，Bruker)表征降解产物的分子结构。

2 结果与讨论

2.1 3种氧化剂对制药废水中残留四环素的降解效果

在相同条件下比较H2O2、HClO4和NaClO等3种氧化剂对制药废水中残留四环素的降解效果，其降解前后的HPLC图谱如图1所示，降解率如图2所示。

a.四环素+H2O2 b.四环素+HClO4 c.四环素+NaClO d.四环素

由图1、2可以看出，四环素经H2O2、HClO4和NaClO氧化后均可发生降解或消去反应，但3种氧化剂对残留四环素的降解效果、降解途径和降解产物是不同的。H2O2对四环素的降解率达到80%，但降解产物在2.97 min有吸收峰，说明部分四环素被转化为差向四环素而非氧化降解；HClO4对四环素的降解率为88%，但部分四环素并非被降解而是发生了消去反应转化为脱水四环素；NaClO对四环素的降解率几乎达到100%，同时四环素并未转化为差向四环素或脱水四环素，而是氧化成一种新的产物。

图2 3种氧化剂对制药废水中残留四环素的降解率

2.2 3种氧化剂降解四环素的紫外可见光谱分析(图3)

图3 3种氧化剂降解四环素的紫外可见光谱

由图3可以看出：(1)经H2O2降解后的四环素在280～400 nm处的紫外吸光度明显低于未降解四环素，但是400 nm以后其紫外吸光度又高于未降解四环素。据报道，脱水四环素、差向四环素在400 nm以后的紫外吸收强于四环素，因此可以推测H2O2降解四环素可能会有差向四环素或脱水四环素生成。(2)经HClO4降解后的四环素在280～400 nm处紫外吸光度与未降解四环素相比没有明显变化，说明四环素母体结构未发生明显变化。可见四环素经HClO4降解后有可能转化成脱水四环素。(3)经NaClO降解后的四环素在280～400 nm处有最大吸收波长，四环素在此范围内也有最大吸收波长，说明均有大的共轭体系存在，但是两者的最大吸收波长不同，表明四环素经NaClO降解后分子结构发生了一定的变化，但分子中的共轭体系并未被破坏。

由于NaClO降解四环素的效果较好，后续实验均以NaClO为氧化剂进行研究。

2.3 NaClO降解四环素的红外光谱分析(图4)

图4 NaClO降解四环素的红外光谱

已知四环素分子中含有芳香环结构，带有酚羟基、羰基和酰胺基等官能团。由图4可以看出，四环素在1 620～1 450 cm-1处有苯环骨架C=C的振动吸收峰，经NaClO降解后此处的吸收峰基本不变，由此推断降解产物的环并未打开；四环素分子中含有的羰基伸缩振动酰胺的谱带，由于氮原子上未共用电子对与羰基产生p-π共轭，使得羰基的伸缩振动向低波数位移；伯酰胺羰基为1 690～1 650 cm-1，四环素经NaClO降解后，此振动吸收峰基本消失，由此推断经NaClO降解后四环素分子里的酰胺键发生了断裂。

2.4 NaClO降解四环素的核磁共振波谱分析(表1)

由表1可知，在降解产物中，酰胺基的羰基吸收峰δ172.12消失，由此推断酰胺键可能断裂；C3的信号为δ95.52，较正常的不饱和C位于较高场，主要由于C4的羰基与酰胺基对C3有较强的屏蔽作用，四环素经NaClO降解后产物中C3的化学位移向低场位移至δ106.36。

2.5 NaClO降解四环素的产物结构式

四环素母体含并四苯基结构。Mboula等[9]研究发现，在四环素的氧化降解过程中，其四环结构并未被破坏，中间产物类似于四环素的母体结构。通过以上的表征分析，佐证了四环素的降解产物可能是酰胺键发生了断裂，生成了一种新的氧化降解产物(图5)，但本研究并未检测到氯化物或氯代产物的存在，这与Zhou等[10]研究发现四环素经氯或氯胺氧化后的产物中检测到氯仿和四氯化碳不同，其机理尚不清楚。

表1 NaClO降解四环素前后的核磁共振波谱数据

Tab.1 Date of NMR spectra for tetracycline before and after degradation by NaClO

C降解前1HNMR13CNMR降解后1HNMR13CNMR12.9668.19/68.072/193.07/192.753/95.52/106.364/187.19/192.145/175.15/176.546/187.19//7/161.46/161.4386.93(1H,dd,J=8Hz、3.2Hz)114.506.91(1H,dd,J=8Hz、2Hz)114.5097.55(1H,dd,J=8Hz、8Hz)136.637.54(1H,dd,J=8Hz、8Hz)136.44107.12(1H,dd,J=4Hz、8Hz)115.277.11(1H,d,J=7.8Hz)115.3211/67.95/66.99121.82,1.5722.58/19.724a/73.25/74.505a/106.93/106.556a/117.09/116.9610a/148.02/148.1511a2.9338.722.8341.3212a2.2334.612.2534.03-CH31.72(s,3H)27.081.73(s,3H)22.83-CONH2/172.12//-N(CH3)22.86(s,6H)41.662.83(s,6H)41.49

图5 NaClO降解四环素的产物结构式

3 结论

比较了H2O2、HClO4和NaClO等3种氧化剂对制药废水中残留四环素的降解效果，发现H2O2、HClO4和NaClO对制药废水中残留四环素均有一定的降解效果，其中NaClO的降解效果最明显；经H2O2及HClO4降解后，四环素有可能转化为差向四环素或脱水四环素，而经NaClO降解后，四环素生成了新的物质；采用紫外光谱、红外光谱和核磁共振波谱对NaClO降解四环素的产物进行表征分析，得到了最终的降解产物结构式。

[1] 闾幸,余卫娟,兰亚琼,等.嘉兴市地表水中兽用抗生素的污染现状调查[J].环境科学,2013,34(9):3368-3373.

[2] MOMPELAT S,LEBOT B,THOMAS O.Occurrence and fate of pharmaceutical products and by-products,from resource to drinking water[J].Environ Int,2009,35(5):803-814.

[3] MUSSON S E,TOWNSEND T G.Pharmaceutical compound content of municipal solid waste[J].J Hazard Mater,2009,162(2/3):730-735.

[4] WU X F,WEI Y S,ZHENG J X,et al.The behavior of tetracyclines and their degradation products during swine manure composting[J].Bioresour Technol,2011,102(10):5924-5931.

[5] HO Y B,ZAKARIA M P,LATIF P A,et al.Degradation of veterinary antibiotics and hormone during broiler manure composting[J].Bioresour Technol,2013,131:476-484.

[6] SHI Y J,WANG X H,QI Z,et al.Sorption and biodegradation of tetracycline by nitrifying granules and the toxicity of tetracycline on granules[J].J Hazard Mater,2011,191(1/2/3):103-109.

[7] PRADO N,OCHOA J,AMRANE A.Biodegradation and biosorption of tetracycline and tylosin antibiotics in activated sludge system[J].Process Biochem,2009,44(11):1302-1306.

[8] LV J M,MA Y L,CHANG X,et al.Removal and removing mechanism of tetracycline residue from aqueous solution by using Cu-13X[J].Chem Eng J,2015,273:247-253.

[9] MBOULA V M,HEQUET V,GRU Y,et al.Assessment of the efficiency of photocatalysis on tetracycline biodegradation[J].J Hazard Mater,2012,209-210:355-364.

[10] ZHOU S Q,SHAO Y S,GAO N Y,et al.Chlorination and chloramination of tetracycline antibiotics:disinfection by-products fo-rmation and influential factors[J].Ecotoxicol Environ Saf,2014,107:30-35.

Oxidation Degradation of Tetracycline Residues in Pharmaceutical Wastewater

WANG Li-qiong,WANG Gui-hua,MA Yu-long

(StateKeyLaboratoryCultivationBaseofEnergySourcesandChemicalEngineering,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

The oxidation degradation effects of tetracycline residues in pharmaceutical wastewater with H2O2,HClO4,and NaClO were compared.The results showed that the effect,pathway,and products of tetracycline degraded by three kinds of oxidants were different.The degradation rate of tetracycline by H2O2was 80%,but some of tetracycline was transformed into epitetracycline rather than oxidation degradation.Also,about 88% of tetracycline was degraded by HClO4,but elimination reaction and conversion into anhydrotetracycline was one of the pathways of tetracycline removal.NaClO exhibited the best degradation effect for tetracycline,and almost 100% of the tested tetracycline was degraded.So the structure of degradation product by NaClO was characterized by FTIR and NMR analysis.The results indicated that the naphthacene structure of tetracycline was not damaged in the process of degradation.However,the amide bond of tetracycline was damaged and formed a new compound.

tetracycline;H2O2;HClO4;NaClO;oxidation degradation

宁夏自然科学基金资助项目(NZ14024)，宁夏科技支撑计划项目，国家自然科学基金资助项目(21467023)

2016-08-19

王丽琼(1978-)，女，宁夏石嘴山人，副教授，研究方向：生物化工，E-mail:yangyang@nxu.edu.cn；通讯作者：马玉龙，博士，教授，E-mail：nxylma@163.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.12.012

王丽琼，王桂华，马玉龙.氧化法降解制药废水中残留四环素[J].化学与生物工程，2016，33(12)：55-58,70.

X 172

A

1672-5425(2016)12-0055-04