复杂基质中土霉素的富集及金属离子对其热降解影响的研究

摘要

抗生素类化合物可用于杀死细菌、真菌等微生物，从而其被广泛应用于医疗行业。但是它们的用途并不仅仅局限于对疾病的治疗，在畜牧生产中，抗生素也可用作饲料添加剂来预防各类动物疾病从而促进动物生长。因此在全世界范围内，总产量70％左右的抗生素被广泛应用于畜牧业和水产养殖业中。目前我国已有17类抗生素（磺胺类sulfonamides、大环内酯类macrolides、四环素类tetracyclines）、11类抗菌剂和激素类药物作为饲料添加剂用于畜禽的饲喂，其中以四环素类抗生素（tetracyclines，TCs）的用量最多，约占总量的57%。然而，TCs在进入动物体内后，由于一般动物对身体体内抗生素的吸收性不好，超过一半（大约60%-90%）的抗生素会随动物粪便排出体外（且几乎全部都以药物原形或初级代谢产物的形式），进而随粪便进入环境中。由于 TCs是四环化合物，化学结构复杂，而且比较稳定，因此属于难降解的物质，易在环境中积累。通过畜禽粪便引入环境中的TCs范围宽广，逐渐积累导致含量很高，又由于其具有较强的抑制和杀死细菌的作用，生物毒性不容忽视，环境危害很大，必须引起足够的重视，因此研究抗生素在粪便中的降解情况是十分必要的。
　　对环境样品中残留抗生素的含量进行准确测定是展开其它后续相关研究的首要前提，但是几乎每种环境样品的基质复杂程度都十分严重，包含好几十甚至好几百种组分，且各组分的浓度变化范围在痕量至大量之间，差别很大。因此对于环境样品废弃物中TCs残留检测来说，主要的障碍在于复杂杂质的干扰，所以在进行各种仪器分析或化学分析检测前通常需要对样品进行预处理。基于此，为了对鸡粪便样品中的残留抗生素进行吸附分离从而达到检测、降解的研究目的，本实验首先结合分子印迹技术（molecular imprinted technology，MIT），根据MIT现有的发展状态，选取饲用抗生素（通常被很多农场主添加在饲料中的抗生素）中应用最为广泛的土霉素（oxytetracycline，OTC）作为研究对象，采用甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA）作为主功能单体，同时又以甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate，MMA）或邻苯二胺（o-phenylenediamine，OPDA）两种物质分别作助功能单体来调节MAA的交联度，再用二氧化硅（SiO2）为载体制备出了土霉素的双功能单体表面印迹聚合物。当各物质的摩尔比为OTC:MAA:MMA=0.08:2.0:2.0或OTC: MAA: OPDA=0.08:3.9:0.1时，所得到的双功能单体分子印迹聚合物（molecular imprinted polymers，MIPs）有较强的选择识别性。且以OPDA为助功能单体时的MIPs相比以MAA作助单体呈现出较大的吸附容量和较好的印迹效果。另外在基于OPDA和MMA这两种双功能单体印迹聚合物制备的SiO2表面印迹聚合物中，吸附量都较无SiO2载体时有显著的增大，但是其中吸附量仍是以OPDA作助单体时最大；而以MMA作助单体的聚合物的印迹效果却更高，即选择性要更好。不过两种表面印迹聚合物对TCs都有较好的吸附性和选择性，有望将之用于复杂的鸡粪样品中TCs的富集分离。
　　在检测出鸡粪样品中TCs的含量后，本实验对它们的降解也进行了研究。目前，在所有处理畜禽粪便的物理、化学或生物法中，高温好氧堆肥法是最简单、经济、适用的方法。在高温好氧堆肥法处理过程中，粪肥原本所含的有害病菌会被灭除，堆肥物料中的有机物不断发生生物化学降解，逐渐形成一种类似于腐殖质的土壤物质，使堆肥逐渐腐熟，增高对农田的肥效，因此在将粪肥施用至农田前进行堆肥处理是不少养殖场主的选择。那些随粪便排出的抗生素在粪便中的行为十分的复杂，它们可以被微生物吸附或降解、在堆肥升温过程中热解转变成别的化合物、与金属离子或其它有机物络合、或者随水分流失而进入土壤中。大致上抗生素在粪便中的降解可被分为两部分：微生物降解和热降解。堆肥过程初期，在有氧条件下堆体中好氧微生物的活跃活动，可降解有机污染物，但同时也会通过热量的形式释放出大量能量，导致堆体温度迅速升高（最高可达70 ℃）。本实验为研究TCs在不同的堆肥中不同时期下由于堆体温度升高对其热降解所产生的影响，特地对鸡粪堆肥的过程进行了模拟，并与纯水中TCs的热降解进行了对比。结果表明，在所选取的温度范围内（40 ℃-70 ℃），随着堆体温度的升高，TCs的降解速率逐渐加快，在纯水基质中的降解也有相同的规律，但是 TCs在鸡粪中的降解速度显著慢于在纯水基质中的降解速度。
　　另外鸡粪样也是复杂环境样品的一种，含有大量的金属离子等无机物和各种大分子、小分子等有机质，它们都可与TCs形成络合物，对鸡粪中TCs的流动和迁移造成不利影响，使之在热降解过程中随着加热时间的延长而迁移速率逐渐变小，导致可被降解的TCs占鸡粪中剩余TCs总量之比逐渐下降，最终使其热降解速度下降的幅度加快，从而在一定程度上偏离简单的一级动力学过程。本实验主要针对金属离子对TCs热降解产生的影响进行探究。在TCs的水溶液中分别加入不同种类、不同浓度且在鸡粪中含量较高的金属离子（Ca2+、Zn2+、Ni2+和Cu2+），观察 TCs的降解情况。实验结果发现除Cu2+可促进TCs的热降解之外，其余三种金属离子都抑制TCs降解；而且金属离子与TCs之间形成的络合物的稳定常数越大，该金属离子对TCs降解的抑制作用越强；另外金属离子含量增大时对TCs降解的抑制作用也会增强，也就是说鸡粪中TCs的络合物的形成可严重抑制其降解，而这也是 TCs在鸡粪中的降解速度显著慢于纯水基质中的降解速度的主要原因之一。

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第1章 绪论

1.1 抗生素在禽畜养殖中的应用及其环境残留

1.2 不同基质中四环素类抗生素残留的检测

1.3 鸡粪中残留四环素类抗生素的处理

1.4 本课题研究的意义和主要内容

第2章 表面印迹在四环素类抗生素检测上的应用

2.1 前言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 实验方法

2.4 双功能单体分子印迹聚合物制备条件的优化

2.5 表面分子印迹聚合物的制备及其吸附行为

2.6 本章小结

第3章不同基质中四环素类抗生素的热降解

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 不同基质中四环素类抗生素的热降解

3.4 本章小结

第4章金属离子对四环素类抗生素热降解的影响

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

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