氯消毒过程中金霉素氧化分解行为及消毒副产物次生风险研究

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水的消毒是阻断病原体通过水源传播的重要措施,尤其在2019年冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-Co V-2)爆发期间,强化消毒导致在地表水中流入释放的大量氯基消毒剂[1],可能会在金霉素(chlortetracycline,CTC)存在的情况下造成消毒副产物(disinfection byproducts,DBPs)的形成。DBPs是由有机或无机物质与水处理过程中添加的消毒剂之间的相互作用产生的,其存在已被广泛证明会对人类健康产生不利影响。尽管对水环境中氯消毒剂在溶解有机氮(dissolved organic nitrogen,DON)存在的情况下引发DBPs形成的研究相对较多,但针对四环素类抗生素CTC在氯消毒过程中氧化分解行为及其DBPs次生风险的研究却十分有限。因此本文首先研究了氯消毒过程中CTC氧化分解反应的动力学,采用液相色谱/电喷雾电离飞行时间-质谱(LC/ESI-TOF-MS)检测了CTC氯化反应的主要产物,并分析了CTC的主要降解途径;然后进一步探究了DBPs的次生风险,采用ECOSAR 2.0软件模拟了检测出的DBPs的生态毒性,并用浓度加和模型和混合毒性指数法对部分DBPs的混合毒性进行评价;此外对DBPs的另一个主要次生风险——对抗生素抗性基因(antibiotic resistance gene,ARGs)水平转移的影响和相关机制进行了初步探究。通过使用场发射电场扫描电镜、三维荧光光谱仪以及Qubit荧光定量仪结合相关实验方法,检测了大肠杆菌质粒结合水平转移体系中大肠杆菌形态特征、细菌胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)和胞外DNA的含量变化,从而探究DBPs影响ARGs水平转移的方式和原因,以期为DBPs的产生、消减和风险控制提供理论基础。论文的主要结论如下:(1)CTC与次氯酸钠(Na Cl O)氯化反应的一级动力拟合线性相关常数范围为0.32~0.99,对比二级动力学拟合的线性相关常数范围0.18~0.96和氯化过程中CTC表现出的快速去除,可知准一级动力学模型更加符合CTC在氯消毒过程中的降解,Na Cl O氧化降解抗生素废水的反应为一级反应。并且降解反应受到p H的显著影响,p H=8时CTC降解速率最快,虽然从总体上看,反应体系为碱性时CTC的降解速率比酸性条件下快,但10 min之后p H=6时CTC降解速率突然加快,降解也更彻底,总降解率最高。添加低剂量的二价钙镁阳离子可以使CTC的降解更加彻底,但当二价钙镁阳离子浓度升高时反而会对CTC的降解有抑制作用。(2)CTC氯化反应的主要产物的m/z分别是270、282、326、512、457、610和832。根据现有文献和实验结果,推测了可能存在的三种氧化途径。第一种氧化途径是由CTC结构C环上的C-11和C-11a原子之间的键被破坏,羟基催化的分子内环化产生酯类生成产物(m/z=512)和其他产物的过程;第二种氧化途径是次氯酸根或氯自由基优先与三个CTC位点反应,即两个双键、二甲基氨基和苯环后,再继续进行其他反应的途径;第三种可能的氧化途径主要是CTC上的二甲基氨基首先被取代为酮基,然后再发生取代反应等。(3)采用ECOSAR 2.0对DBPs进行毒性模拟结果显示,与CTC单独的作用相比,CTC与Na Cl O生成的一些DBPs具有更高的急性毒性和慢性毒性;采用毒性加和模型和浓度指数法对这两类物质进行混合毒性模拟后发现这两类DBPs对鱼和藻的毒性均有部分加和作用。(4)与不加DBPs(水平转移效率为0.00109%)相比,暴露于4mg/L CTC与1.5 mg/L Na Cl O反应产生的DBPs 24小时后,大肠杆菌ARGs的水平转移频率为0.0112%,近乎是没有添加DBPs的十倍;12 mg/L CTC与0.9 mg/L Na Cl O反应产生的DBPs对水平转移效率的促进作用最低,为0.00219%,与空白组相比也提高了近2倍。进一步研究发现DBPs通过影响大肠杆菌的细菌丰度、形貌特征、EPS和细菌胞外DNA等影响ARGs水平转移效率,ARGs水平转移效率的变化是这些因素共同作用的结果。
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