【ESE研究论文】探究腐殖酸的结合效应在四环素的转化和毒性分布中的作用
抗生素类物质在水环境中广泛残留现已在全世界范围内引发关注。长期暴露于该环境中的水生物种所面临的生态毒性以及相关衍生耐药性更是得到了人们的高度重视。医院废水处理设施和污水厂对抗生素类物质低效的降解方式进一步助长了其在水环境中的扩散、含量和浓度。据报道，在我国不同流域的地表水环境中已检测出多达68种残留的抗生素，浓度范围为数十纳克每升至数微克每升。作为全球最大的抗生素生产国和使用国，发表于2015年的一项研究表明，中国的抗生素年使用量为16.2万吨，其中高达58%的未代谢组分被重新排放到环境受纳水体中，而这仅仅包括了在现有研究中最常检出和覆盖的种类，还有大量抗生素的浓度和检出风险仍处于未知状态。
抗生素类物质的双电离结构特性使其能够与水中的多种颗粒态及溶解态有机物发生相互作用，如天然有机物（NOM）和污水厂出水溶解态有机质（EfOM）等，导致其在天然水环境及水处理工艺中的迁移转化效率受到显著影响。作为广泛存在于天然水之中的本底物质，溶解性有机物（DOM）具有对残留抗生素产生明显结合趋向性的特点。
游离态有机微污染物（MPs）在水体中的转化已被广泛研究。尽管许多可电离的有机微污染物与水生环境中的DOM具有强烈的结合趋势，却很少有研究关注混合态和结合态MPs的迁移转化。本研究系统地揭示了游离态、混合态和结合态四环素 （TET）在 UV、UV/H2O2、UV/PS 和 CNTs/PS 氧化体系中转化产物的分布及其毒性评估。通过 UPLC-Q-TOF-MSMS 分析，并结合双键等效性和芳香性指数计算，共鉴定出 33 种主要的氧化产物。通过二维核密度变化分析和密度泛函理论（DFT）计算，TET与HA的结合作用将削弱氧化过程中对二甲氨基（-N(CH3)2）基团的攻击，并诱导TET的A环和B环被直接破坏。毒性评估和统计分析表明，中等分子量（230≤m/z≤380）的中间产物表现出较高的毒性，这与分子结构的环数密切相关（依次为2≫3>1≈4）。本研究建立了预测毒性累积模型（PTAM）来评估各种氧化过程中的总体毒性变化。研究结果为天然水基质中结合态MPs的降解途径提供了新见解。
文章亮点
1. 发现了共有33种氧化产物会随着TET存在状态（自由态、混合态和结合态）的变化而变化；
2. 在各种AOPs过程中，腐殖酸（HA）的结合作用会有规律地改变TET的降解途径；
3. 发现了HA的结合作用会导致TET的A环和B环被直接氧化破坏；
4. 提出了毒性指数与分子结构的环数密切相关，具体表现为：2≫3>1≈4。
文章配图
图片摘要
自由态、混合态和结合态TET在(a) UV、(b) UV/H2O2、(c) UV/PS 和 (d) CNTs/PS氧化体系中的转化产物的相对浓度热力分布图 ([HA]=3 mg/L, [TET]= 20 μM, [H2O2]=200 μM, [PS]=100 μM, [CNTs]=0.05 g/L, pH 6.5)。
通讯作者
郭洪光，四川大学建筑与环境学院教授，博士生导师，四川大学双百人才，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次人才，国家节水型城市评审专家，四川大学好未来优秀学者奖获得者，四川大学学术新人奖获得者，四川大学科技领军人才培育项目获得者，四川大学创新火花项目获得者。主要从事水环境及水处理科学与工程教学及科研工作，包括新型给水及污废水处理理论及技术研究、城市节水、海绵城市及智慧水务等。近年来参与及负责了包括“国家科技重大专项课题”，国家“863”高技术研究发展计划项目，国家自然科学基金，四川省环保厅科技计划项目，四川省科技厅项目与成都市科技计划等多项科研及工程项目。
主要研究领域：饮用水、污水及再生水深度处理；水处理消毒技术；高毒物质（包括新型污染物与新冠病毒等）风险预测评价；工业循环循序用水；城市节水；膜处理技术；市政工程规划；智慧水务；海绵城市建设。
论文ID
原文题目｜Insight into the role of binding interaction in the transformation of tetracycline and toxicity distribution
引用信息｜Yang, B., Cheng, X., Zhang, Y., Li, W., Wang, J., & Guo, H. (2021). Insight into the role of binding interaction in the transformation of tetracycline and toxicity distribution. Environmental Science and Ecotechnology 8: 100127.
编辑 陈卓
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期刊简介：
Environmental Science and Ecotechnology是由中国科协主管，中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院共同主办，Elsevier出版发行的高定位、同行评议、开放获取国际科技期刊。期刊已获得国家新闻出版署批准办刊，国内统一连续出版物号为CN10-1631/X（英文，季刊），国际刊号为ISSN 2666-4984。自2020年创刊至今，ESE以钻石获取方式发行，即免费向作者和读者提供出版服务。