水环境天然胶体对抗生素类光解行为影响机制研究

In aquatic environment, the natural colliodal particles have become important carriers for most environmental contaminants such as heavy metals, PAHs, DDTs, PCBs and antibiotics etc. With the chemical speciation transformed by the colloids adsorption, the natural aquatic colloidal particles have great influence on the transport and transformation of environmental contaminants in water environment. In this proposal, the antibiotics speciation would be investigated and colloid adsorption models be developed in the presence of various natural colloidal particles, and the adsorption mechnism of antibiotics to natural aquatic colloids would be illuminated. The kinetic processes of antibiotics photoreaction in existence of natural aquatic colloidal particles would be developed. The scale effect and structure effect of natural aquatic colloidal particles on the processes of antibiotics photolysis would be analyzed detailedly. The interface effect of natural colloidal particles on the direct photoreaction and indirect photoreaction of antibiotics would be elucidated as well. Subsequently, the photolysis mechanism of antibiotics in the water environment with lots of natural colloidal particles would be illuminated, and the quantitatively predictive models would be constituted to assess the antibiotics photoreaction in water based on the qauntum chemical descriptors. This project would enrich the methods and theories of environmental chemistry.

在水环境体系中，抗生素类药物已经成为全球关注的重要环境污染物，而水体中存在着可以作为主要环境污染物赋存重要承载体的大量天然胶体颗粒，水体天然胶体颗粒将改变抗生素类污染物形态，并对水环境体系抗生素类污染物的迁移转化过程产生显著影响。本课题以水环境天然胶体颗粒物质为研究对象，以天然胶体颗粒物质对抗生素类污染物吸附机制和抗生素形态研究为基础，开展水环境体系天然胶体作用下抗生素类药物光解反应动力学模拟实验，解析水环境天然胶体颗粒物质作用下抗生素类药物光解反应的胶体颗粒结构影响，阐释水环境体系天然胶体颗粒表面抗生素类污染物光解反应的界面效应，揭示水环境体系天然胶体颗粒物质作用下抗生素类污染物光解行为的反应机理，建立基于量子化学参数为描述符的水环境天然胶体颗粒作用下抗生素类污染物光解行为动力学参数的定量化评价模型。

本项目从2014年到2017年这四年的时间里，项目组成员按照计划有条不紊的推进本项目实施，并结合研究过程中发现的问题对研究方法和内容进行调整、改进、扩展和深化。项目以水环境天然胶体颗粒物质为研究对象，以天然胶体颗粒物质对抗生素类污染物吸附机制和抗生素形态研究为基础，开展水环境体系天然胶体作用下抗生素类药物光解反应动力学模拟实验，揭示水环境体系天然胶体颗粒物质作用下抗生素类污染物光解行为的反应机理。其主要的研究进展如下：（1）利用过滤及切向超滤技术将水样切分为悬浮颗粒物（粒径 ＞1μm）“溶解相”（粒径 < 0.7 μm）、真溶相（粒径 < 1 nm）、胶体相（粒径 1 nm-1 μm），测定了6种典型抗生素在溶解相中的平均浓度范围为13.65-320.44ng/L，悬浮颗粒物上为10.67-50.32ng/g，胶体颗粒相中为297-3,073ng/g，真溶相中为12.53-214.88ng/L且各相中抗生素的季节变化明显。抗生素吸附在胶体颗粒的比例最高可达 49.83 %，表明水环境系统中的天然胶体是一种重要、潜在的抗生素类污染物的载体。（2）在淡水与海水体系中，抗生素的光化学转化符合一级反应动力学，在海水中不同相态的抗生素光化学转化速率表现为“溶解相” > 真溶相 > 胶体相 > 纯水，淡水中胶体相 > 真溶相，这是由于淡海水天然胶体的来源组分不同。天然胶体颗粒通过光屏蔽作用抑制抗生素的直接光化学转化，抑制率为9.04-31.33%；同时，天然胶体也可以通过产生·OH和3DOM*促进四环素间接光化学转化，促进率最高可达86.7 %。（3）根据水环境胶体颗粒的组成结构，选取高岭土、针铁矿和腐殖质富里酸类有机物制备无机胶体与有机胶体颗粒，开展模拟胶体颗粒作用下对诺氟沙星（NOR）的吸附与光化学转化。胶体颗粒对NOR吸附符合Freundlich吸附模型，吸附量表现为有机胶体颗粒 > 无机-有机复合胶体颗粒 > 无机胶体颗粒。胶体颗粒对NOR光转化速率最高为无机-有机复合胶体颗粒，这是由于NOR的光转化受有机胶体颗粒吸附与光屏蔽的协同影响直接光解，也可以通过胶体颗粒产生的活性自由基·OH和3DOM*影响间接光解。由此可见，天然胶体在抗生素迁移转化中起重要作用。