三種常用醫(yī)藥及新型手性農(nóng)藥哌蟲啶在土壤中的環(huán)境行為與歸趨研究.pdf

1、藥物和個(gè)人護(hù)理品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)是一類新型化合物，源源不斷地輸入到環(huán)境中并可引發(fā)其對(duì)環(huán)境和生態(tài)中的非靶標(biāo)水生和陸生生物產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。對(duì)于PPCPs而言，糞便施肥、城市污泥農(nóng)用、污泥土地利用和污水灌溉是PPCPs進(jìn)入土壤的主要途徑。因此，土壤是PPCPs通過污水灌溉和污泥回用在環(huán)境中的主要載體?？R西平(CBZ)和撲熱息痛(APAP)是目前污水處理廠出水和活

2、性污泥頻繁檢出的具有代表性的常用藥物。
　　本論文利用14C-放射性同位素示蹤技術(shù)并有機(jī)結(jié)合超高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(UPLC-MS/MS)，溯源追蹤常用藥品14C-卡馬西平和14C-撲熱息痛在不同土壤條件下的轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)（礦化、可提態(tài)殘留和結(jié)合殘留），并利用放射性特征峰以確定目標(biāo)組分的保留時(shí)間，進(jìn)而有針對(duì)性地進(jìn)行后續(xù)LC-MS/MS分子結(jié)構(gòu)鑒定工作，明確其產(chǎn)物組成和代謝降解途徑。在120天的培養(yǎng)期內(nèi)，CBZ在好氧條件下降解相當(dāng)緩

3、慢，不同土壤中的礦化量均低于2％，且其結(jié)合殘留量也可忽略不計(jì)(＜5％)。活性污泥的添加進(jìn)一步延長了CBZ在土壤中的持留期，使其半衰期高于100天。CBZ在好氧條件下主要降解產(chǎn)物有5種，它們分別是:10，11-二氫-10-羥基卡馬西平、環(huán)氧卡馬西平、N-甲醛吖啶酮、4-乙醛-9-吖啶酮和吖啶?？R西平降解過程中的主要反應(yīng)包括電環(huán)化、開環(huán)、氫轉(zhuǎn)移、羰基化和脫羰基化等，在土壤中生成具有生物活性的降解產(chǎn)物?？R西平母體化合物在土壤中的持久性及降

4、解產(chǎn)物的生成暗示了卡馬西平可能會(huì)對(duì)植物吸收或地下水污染等產(chǎn)生一定的環(huán)境危害。
　　在120天的培養(yǎng)期內(nèi)，高達(dá)17.0±0.8％的撲熱息痛發(fā)生徹底礦化，滅菌處理和活性污泥的添加顯著抑制了撲熱息痛徹底礦化為CO2。在引入土壤后，撲熱息痛迅速與土壤結(jié)合形成結(jié)合殘留，培養(yǎng)末期其在土壤中的結(jié)合殘留量占初始放射性引入量的73.4-93.3％。本論文明確了撲熱息痛在土壤中降解產(chǎn)生的8個(gè)降解產(chǎn)物，它們分別是:3-羥基對(duì)乙酰氨基酚(3-hydrox

5、yacetaminophen)、氫醌(hydroquinone)、1，4-苯醌(1，4-benzoquinone)、N-乙酰對(duì)苯醌亞氨（N-acetyl-p-benzoquinone imine，NAPQI）、對(duì)甲氧基乙酰苯胺(p-acetanisidide)、4-甲基苯酚(4-methoxyphenol)、2-己烯酸(2-hexenoic acid)和1，4-二甲苯(1，4-dimethoxybenzene)。根據(jù)產(chǎn)物組成及其動(dòng)態(tài)變化

6、規(guī)律推斷，撲熱息痛在土壤中的降解途徑主要包括苯環(huán)水解、氧化作用、甲基化作用和苯環(huán)開環(huán)裂解等反應(yīng)。其中，APAP-M1（3-羥基對(duì)乙酰氨基酚）、APAP-M3（1，4-苯醌）和APAP-M4(N-乙酰對(duì)苯醌亞氨，NAPQI)具有與母體相近或更高的生物活性。撲熱息痛在土壤中易形成結(jié)合殘留，這暗示了撲熱息痛不易發(fā)生地表徑流、地下水滲透等遷移行為，另一方面，撲熱息痛在降解過程中生成了大量的降解產(chǎn)物，它們中有些具有與母體相當(dāng)甚至高于母體的生物活性

7、，可能給環(huán)境帶來不可預(yù)知的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，如在可食植物或蔬菜中吸收并累計(jì)等，值得進(jìn)一步深入研究。
　　本論文考察了土壤添加物（活性污泥和堆肥）對(duì)兩種檢出頻繁的PPCPs撲熱息痛(APAP)和磺胺甲噁唑(SMX)土壤中環(huán)境行為的影響。在土壤和不同添加物引入后的土壤中，APAP和SMX在土壤中均發(fā)生了較快速的消減。在整個(gè)培養(yǎng)過程中14C-SMX在土壤中的礦化相當(dāng)有限(＜6.8％)，且遠(yuǎn)低于相同條件下的14C-APAP(30.06％)。活性污

8、泥和堆肥的添加抑制了解熱鎮(zhèn)痛藥撲熱息痛和抗生素磺胺甲噁唑在土壤中的礦化，且添加量越高，礦化作用的抑制效應(yīng)越顯著?；钚晕勰嗪投逊实奶砑右泊龠M(jìn)了撲熱息痛和磺胺甲噁唑在土壤中結(jié)合殘留的形成。如在培養(yǎng)至84 d時(shí)，添加了5％和10％的土壤堆肥后14C-撲熱息痛在土壤I中結(jié)合殘留的放射性量分別占初始放射性引入量的64.85％和66.04％，均高于對(duì)照土壤中的結(jié)合殘留量(39.46％)。在此基礎(chǔ)上，本論文通過添加無機(jī)氮肥硝酸銨和吸附劑活性炭研究了上

9、述抑制效應(yīng)和促進(jìn)結(jié)合殘留形成的機(jī)理。
　　在添加了0.2μg/g硝酸銨后，土壤中的微生物活性有了提高，因而促進(jìn)了磺胺甲噁唑的礦化，而在NH4NO3添加濃度為0.5μg g-1時(shí)，土壤中微生物更傾向于優(yōu)先利用外來引入的較易利用的無機(jī)氮作為微生物生長所需的氮源，而取代利用磺胺甲噁唑，從而導(dǎo)致了無機(jī)氮肥的添加對(duì)磺胺甲噁唑在土壤中礦化輕微的抑制作用。硝酸銨的添加并未對(duì)撲熱息痛在土壤中的礦化、結(jié)合殘留和可提態(tài)殘留的形成和動(dòng)態(tài)變化產(chǎn)生影響，同

10、時(shí)也未對(duì)磺胺甲噁唑的結(jié)合殘留和可提態(tài)殘留產(chǎn)生影響，說明N效應(yīng)并不是撲熱息痛和磺胺甲噁唑在土壤中環(huán)境行為的主要影響因素。
　　添加活性炭后14C-撲熱息痛和14C-磺胺甲噁唑的礦化受到顯著的抑制，尤其當(dāng)活性炭添加量高于0.05％。隨活性炭添加率的增加，礦化作用的抑制效應(yīng)越顯著。如在培養(yǎng)至84 d時(shí)，對(duì)照土壤中30.60％的14C-撲熱息痛礦化為14CO2，而在添加了0.05％、0.5％和2％活性炭后，撲熱息痛在這三種土壤中的礦化率分

11、別下降至12.79±0.61％、6.60±1.48％和6.27±0.38％。另外，活性炭的添加顯著增加了兩種藥物在土壤中的結(jié)合殘留量，促進(jìn)了二者在土壤中結(jié)合殘留的形成，說明活性炭的添加增強(qiáng)了土壤對(duì)兩種藥物的吸附能力從而降低了二者的生物可利用性。吸附試驗(yàn)證實(shí)了吸附作用在撲熱息痛和磺胺甲噁唑土壤降解過程中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。如當(dāng)土壤中引入活性炭時(shí)，土壤對(duì)磺胺甲噁唑的吸附系數(shù)(kd)是對(duì)照土壤中對(duì)kd值的5683.5倍，揭示了吸附是影響撲熱息痛和

12、磺胺甲噁唑在土壤中礦化和形成結(jié)合殘留的主要影響因素。
　　本論文以我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的手性新農(nóng)藥哌蟲啶為對(duì)象，采用能反映哌蟲啶不同對(duì)映體分子特征四個(gè)單一14C標(biāo)記手性異構(gòu)體為示蹤劑，在對(duì)映體層面上著重研究了哌蟲啶在厭氧淹水土壤中的吸收分配、代謝降解、遷移轉(zhuǎn)歸（從質(zhì)量平衡角度研究ER、BR與礦化等）。研究發(fā)現(xiàn)，不論在徹底礦化、可提態(tài)殘留動(dòng)態(tài)變化與分布和結(jié)合殘留動(dòng)態(tài)變化中，還是各異構(gòu)體母體消減動(dòng)態(tài)、產(chǎn)物形成和產(chǎn)物動(dòng)態(tài)等各方面手性農(nóng)藥

13、都體現(xiàn)了顯著的選擇性差異，表現(xiàn)為對(duì)映異構(gòu)體(5S，7R)-IPP（IPP-SR）和(5R，7S)-IPP(IPP-RS)相對(duì)于對(duì)映異構(gòu)體(5R，7R)-IPP(IPP-RR)和(5S，7S)-IPP(IPP-SS)較易被礦化及與土壤形成結(jié)合殘留?？傮w而言，哌蟲啶在土壤中的礦化相當(dāng)有限，在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)均未超過初始放射性引入量的4％?？商釕B(tài)殘留在培養(yǎng)過程中隨培養(yǎng)時(shí)間的增加不斷下降，結(jié)合殘留則不斷上升。在培養(yǎng)末期，14C-IPP-SR and

14、14C-IPP-RS及其降解產(chǎn)物約占初始放射性引入量的34％，14C-IPP-RR or14C-IPP-SS及其降解產(chǎn)物則僅占約23％。土壤屬性如有機(jī)質(zhì)含量和pH值等的差異可能是引起這類選擇性差異的主要影響因素。哌蟲啶在土壤中結(jié)合殘留的快速形成說明哌蟲啶，尤其是對(duì)映異構(gòu)體IPP-SR and IPP-RS，可在淹水土壤中較快與土壤結(jié)合，從而不易發(fā)生地表徑流、地下水滲透等遷移行為。在哌蟲啶土壤降解過程中，本論文共檢測(cè)并鑒定出9個(gè)放射性降解

15、產(chǎn)物，他們分別是:1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-5-羥基-7-甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氫咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M1)、1-((6-氯吡啶-3-基)甲基）-7-甲基-5-正丙氧基十氫咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M2)、1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基)-5-羥基-6，7-二甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氫咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M3)、5-羥基-7-甲基-1-（吡啶-3-亞甲

16、基）六氫咪唑并[1，2-a]吡啶酮(IPP-M4)、1-((6-氯吡啶-3-基)甲基)-8-硝基-5-丙氧基-1，2，3，5-四氫咪唑并[1，2-a]吡啶（IPP-M5）、1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-2，3-二羥基-7-甲基-8-硝基-2，3，6，7-四氫咪唑并[1，2-a]吡啶-5（1氫）-酮(IPP-M6)、1（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-7-甲基-2，3，6，7-四氫咪唑并[1，2-a]吡啶-5（1氫）-酮(IPP-M7