基于分子印迹的DGT技术被动采集喹诺酮类抗生素的原理及环境行为研究

The use of antibiotics resulted in the pollution of the aquatic environment, the promotion of the bacterial resistance, threatening the ecosystem safety and human health. The methods that most commonly used for analysis and assess the antibiotic pollution in the environment is the spot sampling, which is time and cost consuming, highly variable and can miss the concentration changes over time. Passive sampling technique can solve this problem but is lack of selectivity and efficiency. In this proposal, a novel selective passive sampling technique based on the diffusive gradient in thin-films (DGT) will be developed with fluoroquinolone antibiotics as model compounds, molecularly imprinted polymer (MIP) as the new sorbent and polydimethylsiloxane (PDMS) as the new loading base for MIP. The performance of the novel selective DGT will be investigated by taking the effects of pH, ionic strength, coexisting substances dissolved organic matter (DOM) and other antibiotics into account to understanding its sampling processes and mechanism. Then the potential applications of this MIP-DGT to understand the interaction of fluoroquinolones and DOM and the effects DOM on the availability of fluoroquinolones will be explored. The results from this project could better the environmental risk assessment of fluoroquinolones by providing more reliable theoretical and technical support.

抗生素的大量使用导致水环境污染、细菌耐药性问题，威胁着生态环境安全和人类健康。抗生素污染的环境分析和评估方法常由瞬时采样方式进行，该方法耗时且变异性大，不能反映浓度动态变化。被动采样技术可以弥补此缺陷，但富集效率和选择性有待加强。本项目拟以喹诺酮类抗生素为研究对象，采用分子印迹聚合物为新型吸附剂，聚二甲基硅氧烷作为新型吸附剂载体构建基于DGT的新型选择性被动采样技术，考察结合相吸附特性、关键环境因子pH值、离子强度、溶解性有机质、其他类抗生素等因素对采样过程的影响，阐明基于分子印迹的DGT被动采样机理；进而以喹诺酮-溶解性有机质为研究体系，利用此被动采样技术深入探索喹诺酮与溶解性有机质相互作用机制，特别是喹诺酮从溶解性有机质上的解吸行为，揭示此过程对喹诺酮可利用性变化规律。研究成果可以为喹诺酮的环境风险评估提供可靠的理论和技术支持。

本项目首先以氟喹诺酮类（FQs）抗生素作为目标分子，发展了一种高选择性的分子印迹聚合物制备（MIP）的DGT（MIP-DGT）用于原位采集水环境中的FQs，并初步探讨了DOM与FQs之间的相互作用。主要研究内容和重要成果有：（1）制备了基于MIP的聚丙烯酰胺DGT结合相，并测试了其对FQs的选择性吸附性能，证明其具有很好的选择性，形成了相关发明专利1项；（2）以制备的MIP吸附胶为结合相，Nylon膜为滤膜、聚丙烯酰胺凝胶(PA)为扩散胶，组装成MIP-DGT，实验室条件下考察了关键环境因子（pH值，离子强度和溶解性有机质-DOM）对MIP-DGT的采样性能影响，并在污水处理厂进行了野外验证。结果表明五种FQs通过PA扩散胶的扩散系数为2.28～2.97×10-6 cm2/s；MIP-DGT对FQs的累积质量与时间成良好的线性关系；pH和离子强度对MIP-DGT采样过程没有显著影响，但DOM存在时，MIP-DGT测定浓度显著低于水样直接测定浓度，且DOM与pH、DOM与离子强度之间存在显著的交互作用。三种采样方式均检测到环丙沙星、氧氟沙星和诺氟沙星三种抗生素，其浓度在17.2～1920 ng/L；两种DGT测定结果与抓取式采样测定结果呈现一致的浓度趋势，且XDA1-DGT测定浓度高于MIP-DGT；MIP-DGT测定结果可能是水体中自由溶解态FQs，并进一步利用透析袋法验证了此猜想。以上研究结果已发表于《Science of the Total Environment》;（3）以环丙沙星为模型化合物，利用MIP-DGT初步探讨了环丙沙星与DOM的相互作用。并将MIP-DGT与DIFS模型结合探讨了环丙沙星在DOM和水相系统中的动力学交换特征。结果表明：DOM对环丙沙星的吸附平衡时间为30 min，平衡吸附率为35%；MIP-DGT在DOM存在情况下可以线性累积环丙沙星，但是低于理论累积量；利用DIFS模型计算得出特征反应时间为9.99E6 s，吸附速率常数为3.42E-13 s-1，环丙沙星从DOM上解吸的过程会受到较大的动力学限制。DOM的存在可以影响该类抗生素的形态，进而影响其生物可利用性，也可能影响其毒性。本项目研究成果可为进一步研究抗生素在水环境系统中的生物有效性和毒性提供了一种重要的原位研究工具，为更好地评估抗生素的环境生态风险提供了重要的技术支撑。