磺胺类抗生素在胞外聚合物与水系统中的分布特征
编者按：剩余污泥中胞外聚合物物质（EPS）与污水中抗生素之间的相互作用在污水处理、资源回收和污泥管理中至关重要。因此，研究磺胺类抗生素（SAs）在EPS中的分布系数较为重要，特别是在污泥衍生溶解有机碳（DOC）和水相体系中。通过平衡实验，使用碱性提取EPS（AEPS）和水凝胶（Hydrocolloids）后系统测定了SAs浓度，并拟合计算了Log KDOC。结果表明，AEPS的Log KDOC高于对溶解有抑制作用的水凝胶。对所研究的三种SAs，Log KDOC按以下顺序排列：SMX >SPD >SDZ。这种顺序归因于SAs不同的物理化学性质。三维激发-发射基质荧光光谱和拟合结果表明，水凝胶中缺乏以色氨酸和腐殖质样物质为主的芳香族蛋白。同时，以色氨酸为主的芳香族蛋白的疏水相互作用是AEPS与SAs结合过程的主要驱动力。该研究近期已发表于《Environmental Research》杂志。
文章亮点
1、SAs在两种体系中分布特征不同。
2、两种EPS的色氨酸与腐殖酸物质含量不同。
3、疏水物质色氨酸类蛋白质在结合中起到关键作用。
4、三种SAs结合潜力依次为SMX＞SPD＞SDZ。
1. DOC特性分析
3D-EEM荧光光谱揭示了两种EPS之间的荧光特性存在显著差异。特别是，该图显示了两个可辨别的峰值。第一个荧光峰（Ex/Em = 280-290/350-370），类似于PN相关峰并与色氨酸相关，与先前报道的PN相关峰的位置（Ex / Em = 276-281/340-370）相比，显示出红移。第二个峰（Ex/Em = 310-330/380-410）是HA相关峰，与先前报道的HA相关峰相比，呈蓝移。特别是AEPS中色氨酸峰的荧光强度显著超过Hydrocolloids的荧光强度。此外，AGS中AEPS（区域III）的荧光强度明显降低（图1c）。在Hydrocolloids中观察到缺少HA相关峰，这与先前研究的结果一致。值得注意的是，AEPS提取不涉及提取酪氨酸荧光峰的方法，例如涉及使用阳离子交换树脂的方法的EPS，但观察到色氨酸峰，这可能是由于提取方法的差异。同样，四种EPS类型的特征峰主要集中在IV区，在其他区域（尤其是Hydrocolloids）中较少存在。IV区内的峰强度和形状有相似性，间接表明AGS和CAS的提取物主要由该区域内的可溶性微生物产物组成。
从不同提取方法和来源获得的四种EPS的FTIR光谱如图2所示。AEPS和Hydrocolloids在特定特征峰方面仍然存在差异。值得注意的是，在 3160-3650 cm−1，归因于PN和PS的O / N-H拉伸振动，观察到典型的多糖条带，与以前的研究一致。2800-3000 cm−1的峰对应于芳香族化合物的 C-H 拉伸振动。除了上述峰值外，还观察到三个典型的PN振动峰值：1655 cm−1（C-O 拉伸振动），1550 cm−1（C/N–H 弯曲振动）和 1400 cm−1（C-N/O 弯曲振动），分别对应于酰胺 I、酰胺 II 和酰胺 III 条带。虽然从FTIR光谱中准确定量每个组分具有挑战性，但结合PN / PS和EEM，AEPS和AGS之间的比较表明，Hydrocolloids和CAS在去除PN的同时富集了PS。这表明成分比例存在差异，但其基本组可能没有根本区别。CAS和AGS提取的Hydrocolloids浓度与先前的结果一致，如图2所示。提取的AEPS含量明显高于Hydrocolloids的含量，后者大约高出三倍。这是因为提取过程中的酸凝固过程，其中一部分生物聚合物被丢弃，导致总量减少。
图1 4种EPS的3D-EEM谱图 (a)AEPS-C (b) Hydrocolloids -C (c) AEPS-A (d) Hydrocolloids -A以及吸附SDZ后 (e) AEPS-A (f) Hydrocolloids -A
图2 4种DOC样品的 (a)波长在500 cm-1 and 4000 cm-1之间的红外光谱图和 (b) 从CAS和AGS中提取的四种生物聚合物的量。
2. 磺胺类抗生素在水和碱性提取物中的分配系数
图3清楚地显示了DOC浓度与Ssolution/Swater之间的线性关系。可以看到，AEPS所在系统的KDOC值与Hydrocolloids所在系统展现出相反的趋势。具体来说，AEPS系统中的KDOC值为正值，随着DOC浓度的增大SAs的浓度增大，表现出增溶效应。这与前面许多研究的最终结果是一致的，因为DOC可以通过其物质所带有的官能团与微量有机污染物（TOP）相互作用（疏水作用、范德华力、静电作用等）以增加污染物的溶解度。而反观，Hydrocolloids系统中的KDOC值为负值，进而表现出抑溶效应。这样不同于大多数研究的结果也并非偶然，据相关报道，来自鸡粪的蛋白质样也表现出与来自腐败植物的腐殖质类DOM相反的现象，抑制了土霉素的吸附；生物炭衍生的DOC增加了SMX的吸附却抑制了氯霉素的吸附；DOC可以减少TOP的吸附以潜在的增强其在环境中的流动性。总的来说，DOC也可能会与有机污染物对环境介质产生竞争吸附，从而导致有机污染物浓度的降低，也就是文中的抑溶效应。对此，我们认为DOC对于TOP的吸附行为的影响是带有相当的复杂性和不可预测性，DOC既可以增强也可以抑制抗生素的吸附，主要取决于DOC的性质和污染物的类型。
基于上述内容以及第一部分，这种现象可能归因于其DOC的组成成分不同，因为SAs相同。3D-EEM结果显示，DOC与SAs结合后色氨酸峰表现荧光强度的静态淬灭。据报道，EPS在与SAs的相互作用的过程中色氨酸与酪氨酸起到了主要的作用，其相互作用力是以疏水作用力为主导，尽管其Log Kow值较低。不仅如此，还有研究表明其蛋白质类物质起到主要作用，腐殖酸类起到次要作用。因此，AEPS和SAs之间的相互作用很有可能是以色氨酸等芳香族蛋白质所主导的疏水作用力为主要驱动力。另外，在本研究中，相比于AEPS，Hydrocolloids中的色氨酸类物质减少，类腐殖酸物质则几乎被完全去除，且多糖类物质相对富集。Hydrocolloids中包含羟基、羰基和氨基等这些带大负电荷的官能团，可能通过范德华力和氢键影响有机污染物的吸附，这也用于之前的研究解释相似的现象。另外，SAs的性质主要是指芳香族和电负性，分子的芳构化程度和分布以及电负性影响分子的吸附能力和电离。对于Hydrocolloids而言，这可能导致相比于AEPS系统，Hydrocolloids与SAs的疏水相互作用力减弱，由于色氨酸类以及类腐殖质物质的部分缺失。因此，芳香性大大减弱那么电负性可能就会占据更大的作用。不仅如此，与参考或天然DOC相比，废水衍生DOC与其微生物来源有关可能芳香性以及分子量都较低，影响与微污染物结合能力。
从AGS和CAS两种来源样品的Log KDOC的差异表明，污泥的种类对于DOC的种类有着影响。尽管二者都被用真实废水来喂养，但由于反应器参数设置的不同导致环境因素（如水力剪切力，水力停留时间，丰盛-饥饿时期）的差异造成了不同的DOC类别。而DOC的结合亲和力在先前的研究汇总被证明与芳香性和分子量呈正相关。且有助于序批式反应器中AGS造粒的疏水性物质相较于CAS更多，这可能是Log KDOC较高的原因之一。另外，不同来源泥种所提取的样品对于SAs具有类似的增溶作用，这可能归因于具有类似的组成成分。总的来说，不同类别的DOC具有不同的特殊组成部分，包括极性、分子量、芳香烃的存在在内的广泛对比。
图3 拟合4种DOC类别的Ssolution/Swater在SAs与COD浓度之间的线性关系 (a) AEPS-A (b) Hydrocolloids -A (c) AEPS-C (c) Hydrocolloids -C
图4中，AEPS和Hydrocolloids两个系统中所表现出相对不同的拟合程度。不同于先前SMZ和腐殖酸之间的研究，氢键和静电相互作用可能结合过程中发挥重要作用，而疏水相互作用起辅助作用；还有研究所报道的PPCP的芳香环可能与一系列DOC结构域进行离子-偶极诱导或偶极-偶极诱导的相互作用。这里的定量构效关系与先前另一部分研究相似，表明是分配主要是由非特异性相互作用疏水相互作用力驱动的。相比之下，观察到Hydrocolloids相对于AEPS系统相关性弱且斜率降低。以前的研究将其归因于有机碳的疏水性降低，一些处理过程如臭氧氧化或膜过滤都可以显著降低废水中衍生DOC的疏水性。因此，Hydrocolloids相比于AEPS的多个处理过程也可能会降低DOC的疏水性。
图4 拟合2种DOC的log KDOC和log KOW之间的线性关系: (a) AEPS-A (b) AEPS-C
3. 多种磺胺类抗生素在水和碱性提取物中的分配系数
图5显示了DOC浓度与SAs分布之间的线性关系。观察到高浓度点DOC的Ssolution/Swater下降或上升，与线性关系相反的趋势。不同于与先前研究中表明的DOC浓度不影响结合能力，也有研究观察到，通过增加DOC的浓度可以使分子排列的更加紧密，这导致化合物难以进入发生结合的DOC疏水性更强的区域。这也可能是由于其中的DOC浓度过高导致团聚效应，使得SAs反应的位点减少，在前一部分中也出现了类似现象。因此，随着DOC浓度的上升其比值下降，此前的研究中同样的理由也被用以解释类似的现象。
每组混合吸附的分布表明对于每一种SAs的Ssolution/Swater值是小于单一吸附结果的，加入的另外一种或两种SAs抑制了单一污染物的溶解。再加之，DOC的活性基团及结合位点是一定的，几种SAs也具有部分相同的基团（如苯环、亚胺、磺酰基等），这说明几种SAs之间存在竞争吸附。另外，无论是两种还是三种混合系统中所拟合的Ssolution/Swater由大到小的顺序都为SMX>SPD>SDZ。这个结果可以归因于不同的SAs具有不同的极性，KOW值，空间位阻，这致使SAs具有不同分配特性；例如在一项研究中迁移能力顺序为SMX>SMZ>SDZ>STZ。根据三种SAs的KOW和极性键（氧、氮、氯键等）的数量，三者的极性由高到低为SDZ>SPD>SMX，这与混合SAs系统中所得出的Log KDOC值相一致。另一方面，与其他两种SAs相比，SMX的Log KDOC的值较大可能是由于侧基的空间位阻较弱，从而易于占据更多的吸附位点。而SDZ相对于其他SAs而言，较低的Log KDOC可能是由于疏水性较差，不易与DOC的吸附位点相互作用。
对于DOC，DOC与SAs结合后，色氨酸PN和HA相关荧光峰的强度显著降低，表明不同程度的淬灭（图1）。色氨酸是一种疏水性基酸，具有很强的疏水侧链，主要在DOC上提供疏水吸附位点。AEPS的PN/PS比值明显高于Hydrocolloids的PN/PS比值，如前所述，在Hydrocolloids体系中，疏水相互作用比AEPS中的疏水相互作用弱得多，而氢键和分子间作用力（如范德华力）起着更重要的作用。同时，具有强疏水性的芳香族PN在Hydrocolloids中的普遍性远低于AEPS，使其难以结合。AEPS和磺胺类药物之间的疏水相互作用可能由于相对较高的结合强度和丰富的PN的存在而主导吸附过程。疏水相互作用导致SAs吸附在AEPS上，通过AEPS和SAs之间形成复合物可能导致荧光猝灭。当 SAs 进入 PN 内的疏水区域时，它们更容易结合并占据更多位点。这是因为AEPS中的肽链拉伸并暴露于水溶液中。
图5 拟合AEPS-A浓度和不同SAs之间的Ssolution/Swater线性关系
4. 结论
研究特性分析结果显示，4种DOC样品由不完全相同的物质组成，这归因于其提取来源和工艺的不同。在分配实验中，AEPS和水凝胶对SAs在系统中的溶解度表现出不同影响，这可能是受到这些物质不同组成的影响，特别是HA与色氨酸的存在。AEPS-A的Log KDOC值超过了AEPS-C，表明不同来源的生物聚合物中PN的含量较高，尤其是芳香族PNs溶解促进了SAs的溶解。这种分布主要由PN固有的疏水作用力驱动。整体分配情况与SAs极性和DOC组成成分等因素都有重要影响，3种SAs结合潜力分别为SMX>SPD>SDZ。
