氟取代基对氟甲砜霉素和诺氟沙星在冰-水体系中分配特征的影响
近年来，含氟抗生素由于具有高效稳定的优点而被广泛使用，但也因为其具有较强的抗代谢或难降解特性，故而在水环境中被频繁检出，极易对水生生态系统造成危害。在中高纬度地区，每年冬季江河湖库等地表水体都会被大面积的冰盖覆盖，这种季节性封冻现象会对水体中各类污染物的迁移转化产生影响。已有研究表明，冰是冬季污染物的主要寄宿处，在污染物的分配过程中发挥着重要作用。而目前关于含氟抗生素在冰-水体系中分配的研究还鲜有报道。因此，本研究选取两种典型含氟抗生素——氟甲砜霉素（FFC）和诺氟沙星（NFX）为目标抗生素。通过构建模拟冰-水分配体系，研究FFC和NFX在冰-水体系中的分配特征，并探究体系受冷面积、冻结温度和溶解性有机质（DOM）等因素对其冰-水分配特征的影响；同时选取与FFC和NFX结构相似的非含氟抗生素——甲砜霉素（TAP）和吡哌酸（PPA）做对比研究，通过对比分析含氟与非含氟抗生素的冰-水分配特征差异与它们化学结构差异的关系，探究氟取代基在抗生素冰-水分配过程中所起到的作用。研究得出以下结论： 当抗生素初始浓度从10ng·L-1增加到90ng·L-1，FFC、TAP、NFX和PPA的冰-水分配系数（KIW）分别减小了39.9%、31.2%、26.6%和28.2%，其中KIW-FFC>KIW-TAP，KIW-PPA>KIW-NFX，KIW值随抗生素初始浓度的增加而减小。随着体系的受冷面积扩大一倍，FFC、TAP、NFX和PPA的KIW值分别增加了34.8%、33.7%、33.2%和38.0%，KIW值随体系受冷面积的增加而增大。当冻结温度从-10oC降低至-20oC时，四种抗生素溶液的过冷度和冻结速率明显增加，溶质分配系数（Kbs）随冻结温度的降低而增大。冻结温度通过影响溶液的冻结速率和冰晶生长形态来改变抗生素进入冰相中的量。冰-水体系中存在DOM时，FFC、TAP、NFX和PPA的KIW值分别增大了2.0%-8.2%、1.4%-6.2%、0.9%-3.8%和0.7%-3.0%。相比于TAP和PPA，含氟的FFC和NFX更易与DOM结合。 抗生素在溶液冻结过程中由于冷冻浓缩效应会先被排出冰相并聚集在冰-水界面处形成一个高浓度带，再通过高浓度带进一步扩散到水相中。冻结条件相同时，抗生素在冰、水两相中的浓度主要由其向水相扩散的速率控制。抗生素的溶解度通过影响高浓度带中抗生素的浓度来影响这一扩散速率。对FFC来说，氟原子的引入降低了其水溶解度，进而导致其向水相扩散的速率慢于TAP，被保留在冰相中的量多于TAP。同时，含有氮杂环结构的PPA具有较高的水溶解度，而结构上将含氮杂环上的N替换成C–F键的NFX的溶解度高于PPA，这导致了NFX保留在冰相中的量比PPA少。氟取代基通过影响抗生素与DOM的结合能力以及抗生素的溶解度等进而影响了抗生素在冰-水体系中的分配特征。由此可见，氟取代基的引入对抗生素的冰-水分配特征具有重要影响。本研究结果有助于深刻认识含氟抗生素在冰-水体系中的迁移行为，并可为后续开展含氟抗生素在封冻水体中的迁移转化及环境效应等研究提供参考。
冰-水体系;含氟抗生素;分配特征;化学结构
吉林大学
硕士
环境科学
郭志勇
2021
中文
X52;X502
2021-09-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）