三种常用医药及新型手性农药哌虫啶在土壤中的环境行为与归趋研究

摘要

药物和个人护理品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)是一类新型化合物，源源不断地输入到环境中并可引发其对环境和生态中的非靶标水生和陆生生物产生负效应。对于PPCPs而言，粪便施肥、城市污泥农用、污泥土地利用和污水灌溉是PPCPs进入土壤的主要途径。因此，土壤是PPCPs通过污水灌溉和污泥回用在环境中的主要载体。卡马西平(CBZ)和扑热息痛(APAP)是目前污水处理厂出水和活性污泥频繁检出的具有代表性的常用药物。
　　本论文利用14C-放射性同位素示踪技术并有机结合超高效液相色谱-质谱联用技术(UPLC-MS/MS)，溯源追踪常用药品14C-卡马西平和14C-扑热息痛在不同土壤条件下的转化动态（矿化、可提态残留和结合残留），并利用放射性特征峰以确定目标组分的保留时间，进而有针对性地进行后续LC-MS/MS分子结构鉴定工作，明确其产物组成和代谢降解途径。在120天的培养期内，CBZ在好氧条件下降解相当缓慢，不同土壤中的矿化量均低于2％，且其结合残留量也可忽略不计(＜5％)。活性污泥的添加进一步延长了CBZ在土壤中的持留期，使其半衰期高于100天。CBZ在好氧条件下主要降解产物有5种，它们分别是:10，11-二氢-10-羟基卡马西平、环氧卡马西平、N-甲醛吖啶酮、4-乙醛-9-吖啶酮和吖啶。卡马西平降解过程中的主要反应包括电环化、开环、氢转移、羰基化和脱羰基化等，在土壤中生成具有生物活性的降解产物。卡马西平母体化合物在土壤中的持久性及降解产物的生成暗示了卡马西平可能会对植物吸收或地下水污染等产生一定的环境危害。
　　在120天的培养期内，高达17.0±0.8％的扑热息痛发生彻底矿化，灭菌处理和活性污泥的添加显著抑制了扑热息痛彻底矿化为CO2。在引入土壤后，扑热息痛迅速与土壤结合形成结合残留，培养末期其在土壤中的结合残留量占初始放射性引入量的73.4-93.3％。本论文明确了扑热息痛在土壤中降解产生的8个降解产物，它们分别是:3-羟基对乙酰氨基酚(3-hydroxyacetaminophen)、氢醌(hydroquinone)、1，4-苯醌(1，4-benzoquinone)、N-乙酰对苯醌亚氨（N-acetyl-p-benzoquinone imine，NAPQI）、对甲氧基乙酰苯胺(p-acetanisidide)、4-甲基苯酚(4-methoxyphenol)、2-己烯酸(2-hexenoic acid)和1，4-二甲苯(1，4-dimethoxybenzene)。根据产物组成及其动态变化规律推断，扑热息痛在土壤中的降解途径主要包括苯环水解、氧化作用、甲基化作用和苯环开环裂解等反应。其中，APAP-M1（3-羟基对乙酰氨基酚）、APAP-M3（1，4-苯醌）和APAP-M4(N-乙酰对苯醌亚氨，NAPQI)具有与母体相近或更高的生物活性。扑热息痛在土壤中易形成结合残留，这暗示了扑热息痛不易发生地表径流、地下水渗透等迁移行为，另一方面，扑热息痛在降解过程中生成了大量的降解产物，它们中有些具有与母体相当甚至高于母体的生物活性，可能给环境带来不可预知的环境风险，如在可食植物或蔬菜中吸收并累计等，值得进一步深入研究。
　　本论文考察了土壤添加物（活性污泥和堆肥）对两种检出频繁的PPCPs扑热息痛(APAP)和磺胺甲噁唑(SMX)土壤中环境行为的影响。在土壤和不同添加物引入后的土壤中，APAP和SMX在土壤中均发生了较快速的消减。在整个培养过程中14C-SMX在土壤中的矿化相当有限(＜6.8％)，且远低于相同条件下的14C-APAP(30.06％)。活性污泥和堆肥的添加抑制了解热镇痛药扑热息痛和抗生素磺胺甲噁唑在土壤中的矿化，且添加量越高，矿化作用的抑制效应越显著。活性污泥和堆肥的添加也促进了扑热息痛和磺胺甲噁唑在土壤中结合残留的形成。如在培养至84 d时，添加了5％和10％的土壤堆肥后14C-扑热息痛在土壤I中结合残留的放射性量分别占初始放射性引入量的64.85％和66.04％，均高于对照土壤中的结合残留量(39.46％)。在此基础上，本论文通过添加无机氮肥硝酸铵和吸附剂活性炭研究了上述抑制效应和促进结合残留形成的机理。
　　在添加了0.2μg/g硝酸铵后，土壤中的微生物活性有了提高，因而促进了磺胺甲噁唑的矿化，而在NH4NO3添加浓度为0.5μg g-1时，土壤中微生物更倾向于优先利用外来引入的较易利用的无机氮作为微生物生长所需的氮源，而取代利用磺胺甲噁唑，从而导致了无机氮肥的添加对磺胺甲噁唑在土壤中矿化轻微的抑制作用。硝酸铵的添加并未对扑热息痛在土壤中的矿化、结合残留和可提态残留的形成和动态变化产生影响，同时也未对磺胺甲噁唑的结合残留和可提态残留产生影响，说明N效应并不是扑热息痛和磺胺甲噁唑在土壤中环境行为的主要影响因素。
　　添加活性炭后14C-扑热息痛和14C-磺胺甲噁唑的矿化受到显著的抑制，尤其当活性炭添加量高于0.05％。随活性炭添加率的增加，矿化作用的抑制效应越显著。如在培养至84 d时，对照土壤中30.60％的14C-扑热息痛矿化为14CO2，而在添加了0.05％、0.5％和2％活性炭后，扑热息痛在这三种土壤中的矿化率分别下降至12.79±0.61％、6.60±1.48％和6.27±0.38％。另外，活性炭的添加显著增加了两种药物在土壤中的结合残留量，促进了二者在土壤中结合残留的形成，说明活性炭的添加增强了土壤对两种药物的吸附能力从而降低了二者的生物可利用性。吸附试验证实了吸附作用在扑热息痛和磺胺甲噁唑土壤降解过程中发挥了主导作用。如当土壤中引入活性炭时，土壤对磺胺甲噁唑的吸附系数(kd)是对照土壤中对kd值的5683.5倍，揭示了吸附是影响扑热息痛和磺胺甲噁唑在土壤中矿化和形成结合残留的主要影响因素。
　　本论文以我国具有自主知识产权的手性新农药哌虫啶为对象，采用能反映哌虫啶不同对映体分子特征四个单一14C标记手性异构体为示踪剂，在对映体层面上着重研究了哌虫啶在厌氧淹水土壤中的吸收分配、代谢降解、迁移转归（从质量平衡角度研究ER、BR与矿化等）。研究发现，不论在彻底矿化、可提态残留动态变化与分布和结合残留动态变化中，还是各异构体母体消减动态、产物形成和产物动态等各方面手性农药都体现了显著的选择性差异，表现为对映异构体(5S，7R)-IPP（IPP-SR）和(5R，7S)-IPP(IPP-RS)相对于对映异构体(5R，7R)-IPP(IPP-RR)和(5S，7S)-IPP(IPP-SS)较易被矿化及与土壤形成结合残留。总体而言，哌虫啶在土壤中的矿化相当有限，在整个培养期内均未超过初始放射性引入量的4％。可提态残留在培养过程中随培养时间的增加不断下降，结合残留则不断上升。在培养末期，14C-IPP-SR and14C-IPP-RS及其降解产物约占初始放射性引入量的34％，14C-IPP-RR or14C-IPP-SS及其降解产物则仅占约23％。土壤属性如有机质含量和pH值等的差异可能是引起这类选择性差异的主要影响因素。哌虫啶在土壤中结合残留的快速形成说明哌虫啶，尤其是对映异构体IPP-SR and IPP-RS，可在淹水土壤中较快与土壤结合，从而不易发生地表径流、地下水渗透等迁移行为。在哌虫啶土壤降解过程中，本论文共检测并鉴定出9个放射性降解产物，他们分别是:1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-5-羟基-7-甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M1)、1-((6-氯吡啶-3-基)甲基）-7-甲基-5-正丙氧基十氢咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M2)、1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基)-5-羟基-6，7-二甲基-8-硝基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑并[1，2-a]吡啶(IPP-M3)、5-羟基-7-甲基-1-（吡啶-3-亚甲基）六氢咪唑并[1，2-a]吡啶酮(IPP-M4)、1-((6-氯吡啶-3-基)甲基)-8-硝基-5-丙氧基-1，2，3，5-四氢咪唑并[1，2-a]吡啶（IPP-M5）、1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-2，3-二羟基-7-甲基-8-硝基-2，3，6，7-四氢咪唑并[1，2-a]吡啶-5（1氢）-酮(IPP-M6)、1（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-7-甲基-2，3，6，7-四氢咪唑并[1，2-a]吡啶-5（1氢）-酮(IPP-M7)、1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-7-甲基-8-硝基-5-丙氧基十氢咪唑并[1，2-a]吡啶-2，3-二醇(IPP-M8)和1-（（6-氯吡啶-3-基）甲基）-7-甲基-8-硝基-5-丙氧基-1，2，3，5，6，7-六氢咪唑并[1，2-a]吡啶-6-醇(IPP-M9)。哌虫啶在土壤中的降解机理主要包括醚键开裂、甲基化、羟基化、脱硝基或亚硝基化以及羟基氧化成酮等作用。

目录

声明

论文说明

术语与缩略语表

摘要

第一章 文献综述

1 环境中的常用药品与个人护理品及其环境行为研究进展

1．1 药品与个人护理品概述

1．2 药品与个人护理品主要有机污染物及污染源与归趋

1．3 PPCPs在环境中的残留分布和污染状况

2 手性新烟碱类新农药哌虫啶的研究进展

2．1 新烟碱类杀虫剂的开发和研究

2．2 新烟碱类杀虫剂的环境影响

2．3 新烟碱类杀虫剂哌虫啶的创制开发与研究

3 环境有机污染物在土集中的主要环境行为

3．1 环境有机污染物在土壤中的迁移扩散

3．2 挥发

3．3 土壤对环境有机污染物的吸附与解吸

3．4 环境有机污染物在土壤中的降解

3．5 结合残留

4 选题依据及研究意义

第二章 抗癫痫药卡马西平在土壤中的残留、矿化与降解规律

1 材料和仪器

1．1 标记化合物14C-卡马西平

1．2 常规标准品

1．3 供试土壤

1．4 污泥样品

1．5 土壤和污泥总有机碳与有机氮含量分析

2 实验方法

2．1 土壤的培养

2．2 采样和提取

2．3 样品处理

2．4 14C-结合残留

2．5 仪器分析

3 结果与讨论

3．1 质量平衡

3．2 卡马西平在土壤中彻底降解为CO2的矿化规律

3．3 卡马西平在土壤中结合残留的形成

3．4 卡马西平在土壤中可提态残留的动态规律

3．5 卡马西平在土壤中的持久性

3．6 放射性组分分析

3．7 放射性组分的结构鉴定

3．8 土壤中CBZ在好氧条件下的降解途径

4 本章小结

第三章 解热镇痛药扑热息痛在土壤中的残留、矿化和降解规律

1 材料和仪器

1．1 标记化合物14C-扑热-息痛

1．2 常规标准品

1．3 供试土壤

1．4 污泥样品

1．5 土壤和污泥总有机碳与有机氮含量分析

2 实验方法

2．1 土壤的培养

2．2 采样和提取

2．3 样品处理

2．4 14C-结合残留测定

2．5 仪器分析

3 结果与讨论

3．1 质量平衡

3．2 扑热息痛在土壤中的矿化规律

3．3 扑热息痛在可提态残留中的分布规律

3．4 扑热息痛在好氧土壤中结合残留的动态分布

3．5 扑热息痛母体的消减行为

3．6 放射性组分分析

3．7 放射性组分的结构鉴定

3．8 扑热息痛在好氧土壤中的降解途径

4 本章小结

第四章 污泥和堆肥对扑热息痛和磺胺甲恶唑在土壤中环境行为的影响及其机理

1 材料和仪器

1．1 标记化合物14C-扑热息痛和14C-磺胺甲恶唑

1．2 供试土壤

1．3 污泥样品

1．4 土壤和污泥总有机碳与有机氮含量分析

2 方法

2．1 土壤的培养

2．2 采样和提取

2．3 样品处理

2．4 14C-结合残留

2．5 腐殖质的分级及各组分中14C-BR测定

2．6 HPLC-LSC分析

2．7 不同供试土壤对扑热息痛和磺胺甲噁唑吸附作用的测定

3 结果与讨论

3．1 质量平衡

3．2 土壤添加剂对扑热息痛和磺胺甲噁唑在好氧条件下矿化的影响

3．3 土壤添加剂对扑热息痛和磺胺甲噁唑结合残留动态变化的影响

3．4 扑热息痛和磺胺甲噁唑在不同土壤中可提态残留动态交化规律

3．5 扑热息痛和磺胺甲噁唑好氧条件下在不同土壤中的消减规律

3．6 吸附作用对两种药物扑热息痛和磺胺甲噁唑在土壤环境中降解的影响

4 本章小结

第五章 手性农药哌虫啶在淹水胁迫下的残留、矿化及降解规律及其选择性差异

第一节 哌虫啶在淹水土壤中选择性分布和矿化规律

1 材料和仪器

2 试验方法

3 结果与讨论

第二节 哌虫啶四个异构体在淹水土壤中的降解产物和降解途径研究

1 试验材料

2 试验方法

3 结果与讨论

4 本章小结

第六章 结论和研究展望

1 主要结论

2 主要创新点

3 研究展望

参考文献

作者简介

攻读博士期间发表的论文

致谢