高盐基质中β-内酰胺抗生素的自由基降解机制及模型研究

β-lactam antibiotics are among the most frequently utilized antibiotics in China, and their pollution control and risk assessment have recently become a research hotspot. Source treatment (or separation) of antibiotics is a promising approach to pollution control of antibiotics, while the matrices of source treatment (or separation) are always complex and characteristic of high salt, which may affect the transformation of antibiotics. This project plans to apply the advanced oxidation processes (AOPs) as the technique to source treatment of antibiotics, and then investigate the degradation mechanism of β-lactam antibiotics by various radicals in high salt matrices. The kinetics of β-lactams degradation are obtained based on the experimental results. Then the elementary reactions and rate constants are optimized through fitting against the experimental results by genetic algorithm and sensitivity analysis. Afterwards, a first-principles kinetic model for antibiotics degradation in high salt matrices is developed. This model is applied to simulate the radicals variation during the reaction process and radicals distribution in the AOPs system, and then calculate the second-order rate constants of β-lactams with various radicals. By combining with the structure analysis of degradation products, the selective reactivity of various radicals with different groups in β-lactam antibiotics is elucidated, and the radical-induced degradation mechanism of β-lactams is further revealed. Finally, the antibacterial activity and chronic toxicity of products are evaluated to reveal their environmental risk. The results of this project will provide the fundamental understanding and engineering reference for the source elimination of antibiotics in high salt matrices.

β-内酰胺抗生素是我国使用量最大的抗生素，其污染控制和风险评估已成为当前研究的热点。源头处理（分离）是抗生素污染控制的重要策略，而源处理（分离）的水质往往具有高盐特性，对污染物的降解转化具有潜在的影响。本项目拟采用高级氧化作为源处理技术，系统研究高盐基质中不同自由基对β-内酰胺的降解机制。基于实验研究，掌握β-内酰胺的降解动力学规律，通过遗传算法拟合实验值，结合敏感性分析完善模型反应机理，建立高盐基质中的动力学模型；通过模型深入剖析高盐基质中微观自由基的动态变化及分布特性，拟合得到β-内酰胺与不同自由基反应动力学常数；结合降解产物分析，阐明不同自由基对β-内酰胺的结构选择性，揭示β-内酰胺的自由基降解机制，并系统评估产物的环境风险性。研究旨在为高盐基质中抗生素的源头削减及污染控制提供理论依据和技术支持。

β-内酰胺抗生素是我国使用量最大的抗生素，其污染控制和风险评估已成为当前研究的热点。本项目针对抗生素的源分离存在的高盐特性，研究了高盐基质中基于硫酸根的高级氧化体系（SR-AOPs）对β-内酰胺抗生素的降解特性，通过建立动力学模型揭示了SR-AOPs体系内β-内酰胺的自由基降解机制，并评估了降解过程中的环境风险性。研究选取β-内酰胺中的典型药物青霉素（PGs）及头孢抗生素(CEFs)为目标污染物，通过构建紫外及热活化过硫酸盐高级氧化体系，研究了其对青霉素及头孢抗生素的降解。结果表明，SR-AOPs体系可以快速有效降解β-内酰胺，通过实验测定了SO4-‧、‧OH与β-内酰胺反应的二级速率常数。研究发现高盐基质会促进CEFs的降解，但是盐分和自然有机质的复合基质对CEFs的降解有抑制作用。在含氯基质中，SO4-‧、‧OH和含氯自由基都对CEFs均有降解作用。通过构建高盐基质中SR-AOPs体系的动力学模型，模拟了体系内自由基转化及分布特性，结果表明随着Cl-浓度的增加，氯自由基对β-内酰胺的降解作用不断提高，50mM Cl-条件下，氯自由基对β-内酰胺的降解贡献率>90%。在含HCO3-基质中，CO3‧-是主要的作用自由基。但是相对氯自由基，CO3‧-对CEFs的降解贡献更低，500mM HCO3-基质中，CO3‧-对CEFs的降解贡献在70-80%。进一步的产物分析表明，SO4-‧与青霉素G反应的活性位点是侧链上的S原子、苯环和伯胺；SO4-‧与羧苄青霉素反应的活性位点是五元环硫醚键和侧链苯环；SO4-‧与阿莫西林的反应主要发生在五元环硫醚键以及侧链的苯环和伯胺上。无论含盐还是不含盐的热活化过硫酸盐体系，头孢氨苄（CFX）氧化降解过程中主要生成6种MW为363的降解产物，但是产物的浓度和生成速率在含盐体系中得到提高。SO4-·对CFX的氧化反应位点有三个，分别为CFX六元二氢噻嗪环上的硫醚键和双键，以及CFX苯甘氨酸侧链上的伯胺。其中，SO4-·对CFX上S原子的攻击是热活化过硫酸盐体系中的主要反应途径。急性毒性试验表明，无论含盐还是不含盐的体系，热活化的PS均可降低CEFs的毒性，但是这种毒性削减作用在NOM基质中会受到一定的抑制。