对磺胺嘧啶厌氧生物降解机理的研究

doi:10.11894/iwt.2020-0654

对磺胺嘧啶厌氧生物降解机理的研究

李欣航^,, 曹占平^,, 惠婷, 董妩嫘, 王华

Study on anaerobic biodegradation mechanism of sulfadiazine

Li Xinhang^,, Cao Zhanping^,, Hui Ting, Dong Wulei, Wang Hua

通讯作者: 曹占平, 博士, 副教授。E-mail: caozhanping2012@126.com

收稿日期: 2021-03-4

基金资助:

国家自然科学基金. 51078265

Received: 2021-03-4

作者简介 About authors

李欣航(1994-),硕士研究生E-mail:18714708391@163.com , E-mail：18714708391@163.com

Abstract

Choosing sulfadiazine as the target pollutant, the degradation performance of sulfadiazine by anaerobic organisms was investigated. The results showed that the degradation rate of sulfadiazine at 20 mg/L by microorganisms was 99.7% under the conditions of 25℃, pH=6.0, and 100 mg/L sodium bicarbonate. The degradation process of sulfadiazine met zero-order reaction kinetics. Analysis of degradation pathways showed that anaerobic organisms degrade sulfadiazine through three parallel pathways, the sulfadiazine was gradually transformed into low-toxic and nontoxic compounds, of which 2-amino-4-hydroxypyrimidine was main degradation product.

Keywords： sulfadiazine ; anaerobism ; biodegradation

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本文引用格式

李欣航, 曹占平, 惠婷, 董妩嫘, 王华. 对磺胺嘧啶厌氧生物降解机理的研究. 工业水处理[J], 2021, 41(4): 52-55 doi:10.11894/iwt.2020-0654

Li Xinhang. Study on anaerobic biodegradation mechanism of sulfadiazine. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(4): 52-55 doi:10.11894/iwt.2020-0654

磺胺嘧啶（SDZ）是一种重要的抗生素，广泛用于临床医疗、畜牧业和水产养殖业。SDZ在生物体内仅有10%~50%被吸收，剩下的通过排泄方式进入环境，较难降解，广泛存在于水体、土壤和沉积物中。水体中的SDZ浓度虽然很低（ng/L~μg/L范围）^〔1〕，但会危害环境和人类健康，因此环境中抗生素的降解受到人们的关注。

生物法具有工艺简单、成本低等优点，已成为处理抗生素废水的有效方法。目前关于厌氧生物降解SDZ机制的研究较少。Yu Deng等^〔2〕用2种好氧细菌对SDZ进行降解，检测到12种中间产物，其中2-氨基-4-羟基嘧啶为主要降解中间产物。B. Ricken等^〔3〕用Microbacterium sp. strain BR1对磺胺类抗生素进行降解，通过羟基化反应、单加氧酶作用，母体化合物发生断裂。Zhihao Yu等^〔4〕用好氧膜生物反应器去除SDZ，去除率为91%，其主要降解途径包括磺酰胺键断裂、苯环的羟基化和裂解、S—C键的断裂。

笔者研究了厌氧生物法对SDZ的降解性能，在此基础上考察SDZ初始浓度、SO₄^2-浓度、pH和外加碳源对降解效果的影响，并对降解途径进行分析。

1 实验部分

1.1 试剂与装置

SDZ（纯度＞98%），购于阿拉丁试剂公司，其他试剂均为分析纯。模拟废水组成：SDZ 20 mg/L、NaHCO₃ 100 mg/L、KH₂PO₄ 20 mg/L、NH₄Cl 60 mg/L、Na₂SO₄ 80 mg/L、Na₂HPO₄ 80 mg/L^〔5〕，模拟废水pH调至6.0。

厌氧反应器采用有机玻璃制作，尺寸16 cm×15 cm×7 cm，最大容积为1.7 L，实际有效容积1.1 L。

1.2 污泥来源与驯化

污泥取自天津污水处理厂厌氧处理单元的浓缩污泥，含水率96%，MLSS为2 000 mg/L。将污泥和模拟废水置于厌氧反应器中，以碳酸氢钠和SDZ为碳源进行驯化，每隔3天换一次基质，经过2个月的培养SDZ降解率趋于稳定。

1.3 检测方法

采用紫外分光光度计于600 nm处测定其吸光度，根据OD₆₀₀值判断降解菌菌量。将样品在10 000 r/min下离心7 min，过0.45 mm膜后测定SDZ、TOC。SDZ采用TU-1810PC紫外分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）测定，检测波长为265 nm；TOC采用TOC-L总有机碳分析仪（日本岛津）测定；pH由pHSJ-3F型pH计测定。

用Q-TOF飞行时间质谱仪（美国Waters）分析SDZ降解产物。色谱条件：C₁₈色谱柱（2.1 mm×100 mm，1.7 μm），流动相为乙腈（A）、0.1%甲酸（B），进样量10 mL^〔6〕。

2 结果与讨论

2.1 SDZ初始质量浓度对降解率的影响

在温度为25 ℃、pH为6.0的条件下，考察SDZ初始质量浓度对降解率的影响，结果如图 1所示。

图1

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图1 SDZ初始质量浓度对SDZ降解率的影响

由图 1可见，SDZ为5~20 mg/L时12 h降解率均达到90%以上；当SDZ增至50 mg/L时，生物降解受到抑制，SDZ降解率为56.5%。适当的质量浓度范围内SDZ可有效降解。SDZ浓度高、降解过程中间产物的积累，可能不利于微生物生长，导致降解率下降^〔7〕。

不同初始质量浓度下（5、10、15、20 mg/L），SDZ的降解过程符合零级反应动力学特征，降解速率常数分别为0.418 8、0.864 7、1.278 8、1.791 7（见表 1）。随着初始质量浓度的增加，SDZ的降解速率加快。

表1 不同质量浓度下SDZ降解的动力学常数

项目	K	t_1/2/h	R²
5 mg/L	0.418 8	6.083 6	0.876 7
10 mg/L	0.864 7	6.593 3	0.915 2
15 mg/L	1.278 8	6.627 6	0.957 4
20 mg/L	1.791 7	6.589 1	0.960 7

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2.2 SO₄^2-质量浓度对降解率的影响

一般情况下，SO₄^2-的氧化还原电位低于磺胺嘧啶的氧化还原电位。电子供体有限时，磺胺嘧啶降解菌可与硫酸根还原菌竞争并得到电子，磺胺嘧啶优先被降解。在SDZ初始质量浓度为20 mg/L、温度为25 ℃、pH为6.0的条件下，考察SO₄^2-质量浓度对SDZ降解率的影响，结果如图 2所示。

图2

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图2 不同SO₄^2-质量浓度下SDZ的降解率

图 2中，SO₄^2-为0~160 mg/L时，12 h内SDZ降解率均达到90%以上；当SO₄^2-增至240 mg/L时，SDZ降解率轻微降低。可见SO₄^2-浓度对SDZ的生物降解效果影响较小^〔8〕。

2.3 pH对降解率的影响

在温度为25 ℃、SO₄^2-质量浓度为80 mg/L的条件下，考察pH对SDZ降解率的影响，如图 3所示。

图3

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图3 不同pH对SDZ降解效果的影响

由图 3可见，pH在5.0~7.0时，厌氧生物对SDZ有较好的降解效果，其中pH为6.0时SDZ的降解率最高，12 h内SDZ降解率为99.7%；pH为8.0时，SDZ降解率为68.0%，同时OD₆₀₀有所降低。原因可能在于pH会改变细胞膜的通透性及与营养吸收有关蛋白质和酶的活性^〔9〕，因此影响微生物的生长和降解效果。

2.4 外加碳源对降解率的影响

在温度为25 ℃、pH为6.0、SO₄^2-质量浓度为80 mg/L的条件下，考察外加100 mg/L碳源对SDZ降解率的影响，结果如图 4所示。

图4

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图4 外加碳源对SDZ降解率的影响

由图 4可见，SDZ为唯一碳源时，12 h内降解率仅为21.6%，外加碳酸氢钠后12 h内SDZ降解率为99.7%，相对于对照组，SDZ降解率显著提高，说明碳酸氢钠对微生物降解SDZ有促进作用。同时，生物生长也较对照组明显加快，适应期缩短较明显。这可能是因为碳酸氢钠作为碳源被微生物利用，增强了微生物的活性，从而提高微生物对SDZ的降解性能^〔10〕。实验还发现，乙酸钠和葡萄糖为碳源时可促进SDZ降解，但生物生长的适应期较长。综上，微生物降解SDZ的最佳外加碳源为碳酸氢钠。

2.5 降解机理分析

在25 ℃、pH为6.0、SDZ初始质量浓度为20 mg/L的实验条件下，对SDZ降解后的溶液进行Q-TOF分析，研究SDZ的降解机理，结果如图 5所示。保留时间为3.527 min处出现1个主峰，检测到该物质为SDZ（m/z=250），随后峰强度迅速降低，峰完全消失。

图5

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图5 SDZ降解产物的Q-TOF分析

保留时间为0~6 min范围内产生了几个主要降解产物的峰，分析认为SDZ可能通过以下途径降解，如图 6所示。

图6

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图6 SDZ的厌氧生物降解途径

（1）S—N键不稳定，易发生断裂，生成对氨基苯磺酸（m/z=174）和2-氨基嘧啶（m/z=96）；2-氨基嘧啶进一步转化为2-氨基-4-羟基嘧啶（m/z=112）和2-氨基-5-羟基嘧啶（m/z=112），即2-氨基嘧啶的单羟基化产物，其中2-氨基-4-羟基嘧啶为主要中间产物^〔11〕；除2-氨基-4-羟基嘧啶及其异构体外，还检测出m/z为128的物质，推测可能是2-氨基嘧啶的二羟基化产物（2-氨基-4，6-二羟基嘧啶），嘧啶环上的氨基可能被氧化成羟胺^〔12〕。2-氨基嘧啶也可开环裂解生成甲酸，甲酸可矿化生成CO₂和H₂O。

通过EIS检测，还显示出3种常见特征产物离子（m/z为92、108、156），这些产物离子来源于对氨基苯磺酸部分^〔13〕。对氨基苯磺酸可进一步生成 m/z=156的物质，最后体系中生成苯磺酸（m/z=142）；或对氨基苯磺酸可脱硫并伴随电子释放生成苯胺（m/z=94），然后生成2-羟基-2，4-己二烯二酸（m/z= 158），最后矿化生成CO₂和H₂O^〔14〕。

（2）SDZ很容易释放SO₂生成m/z为187的物质，嘧啶环开环裂解生成甲酸和乙酸，进一步矿化生成CO₂和H₂O^〔15〕。

（3）通过苯环氨基的酰胺化生成m/z为278的物质^〔16〕。

分析认为，SDZ主要通过第1条途径进行降解。第一步磺酰胺键发生断裂，第二步嘧啶环在C₄或C₅位置羟基化。降解途径中检测到对氨基苯磺酸、2-氨基嘧啶和2-氨基-4-羟基嘧啶为主要降解产物（见表 2）。TOC去除率为55.1%，SDZ没有完全矿化。

表2 SDZ降解主要中间产物

中间产物	保留时间/min	m/z
磺胺嘧啶	3.527	250
对氨基苯磺酸	0.646	174
2-氨基嘧啶	0.996	96
2-氨基-4-羟基嘧啶	1.325	112
2-氨基-5-羟基嘧啶	1.329	112
2-氨基-4，6-二羟基嘧啶	5.674	128
2-羟胺基-4，5-二羟基嘧啶	6.910	145
4-氨基苯磺酸	3.540	156
苯磺酸	4.729	142
苯胺	5.667	94
2-羟基-2，4-已二烯二酸	6.703	158
4-〔2-亚氨基嘧啶-1（2H）-基〕苯胺	5.354	187
N-甲酰基磺胺嘧啶	10.61	278

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3 结论

厌氧生物降解SDZ过程中最适pH为6.0，加入100 mg/L碳酸氢钠作为碳源时，可提高降解效率，SDZ降解率为99.7%。SDZ降解过程符合零级反应动力学特征。降解途径分析表明，SDZ主要通过第1条途径进行降解，对氨基苯磺酸、2-氨基嘧啶和2-氨基-4-羟基嘧啶为主要降解产物。SDZ生物降解过程中，与磺胺抗生素相比，中间产物的毒性降低。

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... （3）通过苯环氨基的酰胺化生成m/z为278的物质^〔16〕. ...

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