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
reaction kinetics mechanism期刊(天津工业大学环境科学与工程学院，天津300387)
[摘要]以磺胺嘧啶为目标污染物，考察厌氧生物对磺胺嘧啶的降解性能。结果表明，在25℃、pH 为6.0、外加
100mg/L 碳酸氢钠的条件下，微生物对20mg/L 磺胺嘧啶的降解率为99.7%，磺胺嘧啶的降解过程符合零级反应动力学特征。降解途径分析显示，厌氧生物通过3条平行途径降解磺胺嘧啶，将磺胺嘧啶逐渐转化为低毒和无毒的化合物，其中2-氨基-4-羟基嘧啶是主要降解产物。
[关键词]磺胺嘧啶；厌氧；生物降解[中图分类号]X703
[文献标识码]A
[文章编号]1005-829X (2021)04-0052-04
Study on anaerobic biodegradation mechanism of sulfadiazine
Li Xinhang ,Cao Zhanping ,Hui Ting ,Dong Wulei ,Wang Hua
(School of Environmental Science and Engineering ,Tiangong University ,Tianjin 300387,China )
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 20mg/L by microorganisms was 99.7%under the conditions of 25℃,pH=6.0,and 100mg/L sodium bicarbonate.The degradation process of su ⁃lfadiazine met zero ⁃order reaction kinetics.Analysis of degradation pathways showed that anaerobic organisms deg ⁃rade sulfadiazine through three parallel pathways ,the sulfadiazine was gradually transformed into low ⁃toxic and non ⁃toxic compounds ,of which 2-amino-4-hydroxypyrimidine was main degradation product.Key words :sulfadiazine ;anaerobism ;biodegradation
[基金项目]国家自然科学基金(51078265)
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、SO 42-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 20mg/L 、
NaHCO 3100mg/L 、KH 2PO 420mg/L 、NH 4Cl 60mg/L 、Na 2SO 480mg/L 、Na 2HPO 480mg/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16cm ×
DOI :10.11894/iwt.2020-0654
第41卷第4期2021年4月工业水处理
Industrial Water Treatment
Vol.41No.4Apr.,2021
开放科学(资源服务)标识码(OSID ):
15cm ×7cm ，最大容积为1.7L ，实际有效容积1.1L 。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2000mg/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600nm 处测定其吸光度，根据OD 600值判断降解菌菌量。将样品在10000r/min 下离心7min ，过0.45mm 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265nm ;
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。谱条件:C 18谱柱(2.1mm ×100mm ,1.7μm )，流动相为乙腈(A )、0.1%甲酸(B )，进样量10mL 〔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
SDZ 初始质量浓度对SDZ 降解率的影响
由图1可见,SDZ 为5~20mg/L 时12h 降解率均达到90%以上；当SDZ 增至50mg/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、20mg/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0.4188、0.8647、1.2788、1.7917(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
2.2
SO 42-质量浓度对降解率的影响
一般情况下,SO 42-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20mg/L 、温度为25℃、pH 为6.0的条件下，考察SO 42-质量浓度对
SDZ 降解率的影响，结果如图2所示。
图2
不同SO 42-质量浓度下SDZ 的降解率
图2中,SO 42-为0~160mg/L 时,12h 内SDZ 降
解率均达到90%以上；当SO 42-增至240mg/L 时,SDZ 降解率轻微降低。可见SO 42-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℃、SO 42-质量浓度为80mg/L 的条
件下，考察pH 对SDZ 降解率的影响，如图3所示。
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,12h 内SDZ 降解率为99.7%;pH 为8.0时,
SDZ 降解率为68.0%，同时OD 600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
。
项目K t 1/2/h R 25mg/L 0.4188  6.08360.876710mg/L 0.8647  6.59330.915215mg/L    1.2788  6.62760.957420mg/L
1.7917
6.5891
0.9607
工业水处理2021-04,41(4)
李欣航，等：对磺胺嘧啶厌氧生物降解机理的研究
图3不同pH对SDZ降解效果的影响2.4外加碳源对降解率的影响
在温度为25℃、pH为6.0、SO42-质量浓度为80 mg/L的条件下，考察外加100mg/L碳源对SDZ降解率的影响，结果如图4所示。
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,12h内降解率仅为21.6%，外加碳酸氢钠后12h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20mg/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3.527min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5SDZ降解产物的Q-TOF分析
保留时间为0~6min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6SDZ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
矿化生试验研究工业水处理2021-04,41(4)
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2SDZ降解主要中间产物
3结论
厌氧生物降解SDZ过程中最适pH为6.0，加入100mg/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。
参考文献
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[作者简介]李欣航(1994—)，硕士研究生。E⁃mail:187****8391@ 163。通讯作者：曹占平，博士，副教授。E⁃mail:
***********************。
[收稿日期]2021-03-04(修改稿)
中间产物保留时间/min m/z
磺胺嘧啶  3.527250
对氨基苯磺酸0.646174
2-氨基嘧啶0.99696
2-氨基-4-羟基嘧啶  1.325112
2-氨基-5-羟基嘧啶  1.329112
2-氨基-4,6-二羟基嘧啶  5.674128
2-羟胺基-4,5-二羟基嘧啶  6.910145
4-氨基苯磺酸  3.540156
苯磺酸  4.729142
苯胺  5.66794
2-羟基-2,4-已二烯二酸  6.703158
4-〔2-亚氨基嘧啶-1(2H)-基〕苯胺  5.354187
N-甲酰基磺胺嘧啶10.61278
工业水处理2021-04,41(4)李欣航，等：对磺胺嘧啶厌氧生物降解机理的研究

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