典型大环内酯类抗生素在氯化消毒处理中的转化机制研究

In recent years pharmaceuticals and their transformation products have received increasing attentions in general public and scientific community due to their environmental contamination issue. The macrolides, produced mostly by Streptomyces and related species, are a class of antibiotics possessing a 14-16 lactone ring to which sugars are attached. The macrolides have been widely detected in Wastewater Treatment Plants and Drinking Water Treatment Plants. Considering the prevalence of chlorination in drinking water and wastewater treatment process, it is very necessary to study the chlorination products of macrolides and their removal mechanism. This project aims to investigate the potential for removal of selected macrolides (clarithromycin, erythromycin, roxithromycin, oleandomycin, leucomycin and tylosin) during chlorination process by species-specific reaction kinetics, propose the chlorination reaction pathways of selected macrolides based on products identification and theoretical calculation, evaluate the safety of above chlorination process by using microbial assay for toxicity risk assessment. We will also study the effect of simulated UV and solar light on the chlorination of macrolides by analysis of reactive species, such as HO•, Cl•、ClO•, and O3. This project will provide the scientific basis for mitigation of macrolides and their chlorination products in aquatic environments.

近年有关药物及其转化产物的环境污染问题受到人们的广泛关注。其中大环内酯类是由链霉菌产生的一类具有14~16元环内酯结构的抗生素，使用量大，在城镇污水处理厂甚至饮用水厂广泛检出。氯化消毒处理工艺普遍应用于（污）水处理厂，残留的大环内酯类抗生素会在氯化消毒处理中发生转化反应，但转化机制及其消毒副产物仍旧不是很清楚。本项目以6种常用大环内酯类抗生素为研究对象，实验室模拟研究大环内酯类抗生素在氯化消毒过程中的去除特性，构建其与有效氯的形态反应动力学模型；利用高分辨质谱技术分析鉴定氯化处理过程中大环内酯类抗生素的消毒副产物，结合理论化学计算方法推演反应途径与转化机制；通过成组微生物毒性测试方法，评估消毒过程中毒性变化规律。进一步考察光氯联用对大环内酯类抗生素的去除效率，探讨生成的活性反应物种与大环内酯类抗生素的反应机理。研究成果为有效控制环境中大环内酯类抗生素及其氯化消毒副产物提供科学依据。

本项目主要研究大环内酯类抗生素在水中的氯化及紫外光/氯降解转化机制，通过实验和理论计算的方法揭示氯氧化剂及活性自由基在反应体系中的作用机制，并从反应动力学及降解转化规律两方面验证研究结果的可靠性。项目按计划完成了相关研究内容，取得的主要研究成果有：（1）建立了大环内酯类抗生素的高效液相色谱（HPLC）、超高效液相色谱-四级杆串联质谱（UPLC-MS/MS）、超高效液相色谱-四级杆时间飞行质谱（UPLC-QTOF-MS）的分析测试方法。（2）揭示了大环内酯类抗生素在不同条件下的水解机制，其水解均遵循一级反应动力学，在中性溶液中比在碱性和酸性条件下更稳定，高温有利于大环内酯类抗生素在中性溶液中的水解，降解途径主要包括脱糖、脱水、甲基化、氧化等过程。（3）研究了大环内酯类抗生素氯化及紫外/氯氧化条件下的降解转化机制。其中在不同pH作用下，泰乐菌素的反应速率为碱性条件>中性条件>酸性条件；在中性条件下，大环内酯类抗生素的降解规律为：磷酸盐缓冲溶液＞超纯水＞河水＞污水处理厂出水；在氯化条件下主要监测得到五种泰乐菌素降解产物，包括脱糖、叔胺基脱甲基以及叔胺基羟基化等降解转化途径。（4）选取三种小分子探针物质硝基苯、苯甲酸和对氯苯甲酸为研究对象，采用理论计算方法分别研究其与紫外光/氯氧化体系中的三种主要自由基•OH、•ClO和•Cl的反应机制，其中加成反应与抽氢反应为自由基的主要反应途径，理论计算所得的反应速率常数与降解产物均与实验结果相吻合。（5）针对大环内酯类抗生素主要反应位点为三级胺，选取氟康唑作为代表性含氮有机化合物研究其在紫外/氯氧化反应过程中的反应动力学和机理，•Cl和•OH对氟康唑的降解起主要作用，包括抽氢反应和加成反应，通过UPLC-QTOF-MS和GC-MS鉴定出氟康唑的六个降解产物，主要包括脱氟、羟基化以及与三唑环环化等反应途径。上述研究成果对大环内酯类抗生素在水环境中的迁移转化及污染控制具有实际指导意义。