水中微量药物在氯化消毒与UV/氯化联合消毒过程中的转化机制及其水质生物毒性变化规律研究

Recently, occurrence of pharmaceuticals continuously in drinking water has been widely concerned by scholars of all nations. The fate of these pollutants in drinking water disinfection deserved more attention. In this study, ten widely-used drugs are chosen as target compounds to investigate their removal efficiencies, influence factors, and reaction kinetic mechanisms by chlorine disinfection and combined UV/chlorine disinfection processes, to illustrate the contributions of each chlorinated active species (e.g.HOCl, Cl2, Cl2O) in chlorine disinfection and different radical species (e.g. HO•, Cl•, Cl2•-, O•-) in combined UV/chlorine process for the removal of different target compounds. In addition, the degradation products of target pharmaceuticals during chlorination and combined UV/chlorine process are identified and proposed to elucidate the degradation pathways and transformation mechanisms of each pharmaceutical. Finally, the acute toxicity tests with different aquatic organism are done to explore the variation of biological toxicity of different pharmaceuticals in water after chlorine disinfection and combined UV/chlorine disinfection, and to estimate the potential ecological risk. This study will be not only able to reveal the transformation mechanism of different kinds of trace pharmaceuticals during drinking water disinfection, but also can provide the reference and theoretical basis for predicting the risk of water quality during disinfection of drinking water containing trace pharmaceuticals.

新型微量药物类污染物在饮用水中的不断检出引起了各国学者的广泛关注，其在消毒过程中的转化规律更值得重视。本课题选择饮用水中经常暴露的10种典型药物为研究对象，考察单独氯化和UV/氯化两种最常用消毒工艺对10种目标药物的去除效能、影响因素及其反应动力学机制，掌握单独氯化消毒过程中不同含氯活性组分（如HOCl、Cl2、Cl2O）和UV/氯化联合消毒过程中各自由基（如HO•、Cl•、Cl2•-、O•-）对目标药物去除率的贡献；分析目标药物在单独氯化与UV/氯化消毒过程中的主要和次要降解产物，推断其氧化降解途径与转化机制；选择不同类型水生生物进行急性毒性试验，研究单独氯化和UV/氯化联合消毒前后水质生物毒性变化规律，掌握不同种类目标药物在消毒过程中降解产物的毒性情况，预测其生态风险。本研究不仅可以揭示水中微量药物在消毒过程中的转化机制，还可为预测含有微量药物饮用水在消毒过程中的水质风险提供理论依据。

课题围绕着氯化消毒和UV/氯化消毒工艺对饮用水中经常暴露的典型药物的降解效率、机制与水质毒性变化等内容进行研究，研究了苯扎贝特、降固醇酸、卡马西平、非那西汀、萘普生等药物在氯化消毒和UV/氯化消毒工艺中的降解速率，结合捕获实验和动力学模拟研究确定了不同药物降解过程中氯、UV和活性自由基如Cl•/Cl2•-/ClO•对不同药物的贡献；研究了水体背景成分如pH值、HCO3-/CO32-，Cl-及腐殖酸对药物降解的影响，发现这些背景成分均不同程度上抑制了药物的降解，改变了活性组分对药物降解的贡献；通过HPLC-MS-MS测定了药物的降解产物，结合活性物种的反应特征推测其降解途径，研究表明ClO▪易于攻击药物结构中的酰胺基；通过蚕豆根尖微核实验考察药物降解前后的遗传毒性变化，研究指出紫外/氯消毒工艺对CA的遗传毒性变化不大，但对NAP的遗传毒性有所增加。在此基础上，又扩展研究了UV/过氧乙酸（PAA）过程中药物萘普生的降解过程，探讨了不同水体背景成分存在时其中的活性自由基如（HO•和有机碳自由基（R•））的相互转化机制；研究了UV/氯氨降解吡咯酮类药物等的降解过程与机制，研究发现氨自由基对药物降解的贡献微弱，HO•和Cl•/Cl2•-对药物降解起主要贡献，随着pH升高药物降解速率降低，低浓度Cl-能促进药物降解，高浓度Cl-和其他成分如HCO3-/CO32-、腐殖酸会抑制其降解，结合化学计算推测其氧化主要通过羟基化反应、去甲基化反应、脱乙酰基反应和去苯环反应进行；UV/氯胺处理工艺会降低药物遗传毒性。综上所述，课题系统研究了不同消毒过程中药物类污染物的降解规律与机制，为该类药物在消毒过程中水质风险控制提供了理论依据与技术支持。在课题的资助下，培养博士生1名，研究生8名，共发表SCI论文15篇。