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水环境中药物与个人护理品(PPCPs)的环境水平及降解行为研究进展

张照荷, 陈典, 赵微, 袁国礼, 李俊, 焦杏春

张照荷,陈典,赵微,等. 水环境中药物与个人护理品(PPCPs)的环境水平及降解行为研究进展[J]. 岩矿测试,2023,42(4):649−666. DOI: 10.15898/j.ykcs.202210260207
引用本文: 张照荷,陈典,赵微,等. 水环境中药物与个人护理品(PPCPs)的环境水平及降解行为研究进展[J]. 岩矿测试,2023,42(4):649−666. DOI: 10.15898/j.ykcs.202210260207
ZHANG Zhaohe,CHEN Dian,ZHAO Wei,et al. Environmental Levels and Degradation Behavior of Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs) in the Water Environment[J]. Rock and Mineral Analysis,2023,42(4):649−666. DOI: 10.15898/j.ykcs.202210260207
Citation: ZHANG Zhaohe,CHEN Dian,ZHAO Wei,et al. Environmental Levels and Degradation Behavior of Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs) in the Water Environment[J]. Rock and Mineral Analysis,2023,42(4):649−666. DOI: 10.15898/j.ykcs.202210260207

水环境中药物与个人护理品(PPCPs)的环境水平及降解行为研究进展

基金项目: 国家自然科学基金项目(41771515); 中国地质科学院基本科研业务费项目(CSJ-2021-08); 中国地质调查局地质调查项目(20211414)
详细信息
    作者简介:

    张照荷,硕士研究生,主要研究方向为环境地球化学。E-mail:1830613564@qq.com

    通讯作者:

    焦杏春,博士,研究员,主要研究方向为环境地球化学。E-mail:jiaoxingchun@mail.cgs.gov.cn

  • 中图分类号: X52

Environmental Levels and Degradation Behavior of Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs) in the Water Environment

  • 摘要:

    药物和个人护理品(PPCPs)是一种存在于各种介质中的新污染物,具有生物富集、致癌致畸性,近年来在水环境中被广泛检出,其种类和浓度也有逐渐增多和加重的趋势,加之与人类生活密切相关,可以通过家庭垃圾、医院废水、垃圾填埋场、污水处理厂等方式直接污染地表水,并进一步污染孔隙水、地下水等,致使生态环境和人体健康存在风险。因此,广泛了解PPCPs在各种环境介质中的浓度水平对于防范生态健康风险具有重要意义。近年来,对PPCPs浓度的调查研究取得了较大进展,自1976年美国堪萨斯城首次报道药物以来,各国陆续报道了不同介质中PPCPs的存在,弥补了各研究区污染物及浓度的空白,有利于开展综合治理工作。PPCPs在水环境中常见的降解方式有水解、光解及生物降解,同时在降解过程还会受到pH、温度、共存离子等影响,而且在各种降解过程中生成的产物也有所不同。污水处理厂因为去除工艺的限制,使得地表水中许多PPCPs虽然经过了废水的生物降解环境,但是光降解仍然可能比暴露在阳光下的生物降解更强。其中,抗生素在水环境中主要发生光降解;布洛芬、碘普罗胺、咖啡因等更易发生生物降解;而自然界中PPCPs发生水解的概率较低,酯类和酰胺类是其中最常见的易水解的官能团,除此之外,四环素类等因为吸附到沉积物中,也会发生水解反应。目前,对于PPCPs浓度水平的研究很多集中在单一水体,而海水、雨水等介质缺乏监测和分析,同时对于降解行为的研究大都没有关注到降解过程和降解产物,使得一些降解产物的高毒性被低估。因此,全面了解各种水环境介质中PPCPs浓度可以较为准确、系统地获知各地区PPCPs的污染情况,对于PPCPs治理与削减工作具有重要的现实意义;而探究PPCPs在水环境中的降解行为,有利于了解其在环境中的残留和代谢情况,厘清中间产物和最终产物的性质,以便针对性地对PPCPs的环境生态效应进行评估分析,降低风险。

     

  • 铊属于稀散元素,常分散赋存于岩石中;在地球化学上既有亲石性,又有亲硫性。亲石性表现为以类质同象的形式与钾、钠等元素在云母和钾长石等富钾矿物共生;而在低温高硫环境中,则表现为亲硫性,以类质同象的形式进入各种铅锌铜铁等硫化物矿物中。20世纪70年代,为了寻找放射性同位素205Pb曾经存在的证据和探究核素合成的机理,科研人员开始了对铊同位素的研究1。在早期的研究中,由于测试用的热电离质谱仪(TIMS)的质量分馏不稳定,且难以激发高电离能的元素,导致铊同位素分析结果的精密度较差,不能满足大部分研究的需要。近些年,随着具备高电离能力的多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)的出现,同时得益于铅对分析过程中铊同位素分馏的校正,使分析结果的精密度有了大幅提高(优于0.05‰)2-5

    由于铊兼有亲石和亲硫性,其同位素组成对吸附、共沉淀、氧化还原等过程较为敏感,因此可以被应用于天体演化6、古环境变化7、矿床成因8及污染物迁移9-11等过程的示踪。但因为自然界样品中铊的含量低(地壳中铊的平均含量仅为0.75mg/kg),且同位素组成的变化范围和自然分馏效应很小12,导致很难获得高精度和高准确度的铊同位素数据。因此,除高精度的仪器测量外,样品的消解、分离和纯化等化学前处理流程对铊同位素分析结果的准确与否也至关重要。对于铊含量的分析,分解试样时如果不知道矿石中铊的赋存状态,一般选用含有氢氟酸的混合酸或强碱性熔剂分解13-16。而对于富含有机质的样品,由于亚铊的氧化物、氯化物等具有挥发性,应避免使用直接灼烧法除去有机质,而是采用湿法氧化分解1416。目前国内外地质样品中铊同位素测定的消解方法主要为电热板加热法。这种方法便于在洁净的化学实验室完成,但清洗容器和样品消解过程的用时较长,耗时往往超过一周4。根据地质样品岩性的不同,消解所用的混合酸体系也不相同,尚无统一的标准。铊的分离和纯化一般利用Tl+和Tl3+在盐酸介质中与Cl络合能力的不同。需要注意的是,在纯化后的铊馏分中应尽可能减小铅量,否则由于残留的铅同位素组成是未知的(校正时添加标液的铅同位素是已知的),会影响铊的同位素分馏校正;此外,天然样品204Pb的自然丰度虽然仅有铅总量的1.4%,但204Pb1H多原子离子干扰对于铊同位素的高精度测量仍不可忽视。目前,使用阴离子交换树脂(如AG1-X8或AG-MP-1M树脂)二次过柱是普遍采用的铊提纯方法。该方法由Rehkämper等2首次提出,后经Nielsen等3、Baker等6、Owens等17研究团队发展和完善。该方法两次过柱均采用同一种阴离子交换树脂,第一次分离时采用装有1.5mL树脂的石英柱,依次用硝酸-氢溴酸-饱和溴水淋洗液洗脱基体元素、盐酸-饱和溴水淋洗液洗脱干扰元素铅,最后用盐酸-二氧化硫淋洗液收集铊。收集到的铊馏分经硝酸蒸干后,加入氢溴酸-饱和溴水提取液进行二次过柱,以保证完全消除干扰组分的影响。第二次过柱时,除所用体积与第一次不同之外,淋洗液的类型和浓度均与第一次相同。此外,Wang等5开发了磷酸三丁酯(TBP)树脂和AG50W-X12阳离子交换树脂的两级串联分离纯化方案,以NIST 997为参考物质测定BHVO-2、BCR-2、AGV-2、GSP-2、COQ-1、NOD-P-1、NOD-A-1、GBW07406、SCO-1共9种地质标准样品的同位素组成,获得了理想的结果。

    微波消解是一种利用微波的穿透性和激活反应能力加热密闭容器内的试剂和样品的技术,具有省时、省酸、安全、空白值低、易实现自动监控、污染小以及损失少等优点,已广泛应用于食物18-19、环境20、生物21、植物22以及矿物23-26等样品中重金属元素的分析。本文为提高铊同位素分析中化学前处理流程的效率,研究了利用微波消解技术分解地质样品进行铊同位素分析的可行性,比较了硝酸-氢氟酸-盐酸-过氧化氢和硝酸-氢氟酸-高氯酸混合酸体系对样品的消解情况。消解后的样品经AG1-X8阴离子交换树脂分离纯化后,采用MC-ICP-MS结合铅标准溶液(NIST SRM981)质量分馏校正法进行同位素分析。使用优化后的实验方案分析了4个地质标准物质的铊同位素组成,获得较为满意的结果。

    铊同位素组成的测试运用Neptune plus多接收器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS,美国ThermoFisher公司)完成,进样系统包括双路气旋式雾化室、Jet样品锥和X截取锥,检测器包括9个法拉第杯和1个离子计数器。

    淋洗曲线标定及回收率测试应用7500cx电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,美国Agilent公司)完成,内标溶液为10ng/mL铑(2%硝酸介质)。MC-ICP-MS和ICP-MS质谱仪的主要工作参数见表1

    表  1  MC-ICP-MS和ICP-MS仪器主要工作参数
    Table  1.  Main operation conditions of MC-ICP-MS and ICP-MS instruments
    工作参数 设定值
    MC-ICP-MS ICP-MS
    冷却气(Ar)流速(L/min) 16.00 14.95
    辅助气(Ar)流速(L/min) 0.86 0.28
    雾化气(Ar)流速(L/min) 0.05 0.92
    射频功率(W) 1152 1470
    积分时间(s) 4.194 /
    每组测量次数 30 /
    测量组数 1 /
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    实验用水由超纯水系统(美国Millipore公司)制备,电阻率18.2MΩ·cm。

    高纯酸由NJ-SCH-I酸纯化器(南京滨正红仪器有限公司)纯化。

    样品消解由Ethos1微波消解仪(意大利Milestone公司)完成。

    PFA微型离子交换柱:北京博明远科技有限公司,下部为0.65cm(内径)×10.0cm(高),上部为1.5cm(内径)×5cm(高),总容量约15mL,底部为孔径20μm的亲水性筛板。

    铅同位素标准溶液NIST SRM981、铊标准溶液GSB 04-1758-2004和地质标准物质(NOD-P-1、NOD-A-1、GBW07406、GSP-2)详细信息见表2

    表  2  地质标准物质和同位素标准溶液的详细信息
    Table  2.  Details of geological reference materials and isotope reference solutions
    标准物质编号 样品类型 研制单位 推荐值
    NIST SRM 981 铅同位素标准溶液 美国标准与技术研究院(NIST) / 10μg/mL
    GSB 04-1758-2004 铊标准溶液 中国有色金属及电子材料分析测试中心 1000μg/mL /
    NOD-P-1 铁锰结核 美国地质调查局(USGS) 210±2μg/g 560±6μg/g
    NOD-A-1 铁锰结核 美国地质调查局(USGS) 120±1.0μg/g 846±8.2μg/g
    GBW07406 土壤 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所 2.2±0.6μg/g 314±25μg/g
    GSP-2 花岗岩 美国地质调查局(USGS) 1.1±0.1μg/g 43±3μg/g
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    阴离子交换树脂(AG1-X8,100~200目):购自美国Bio-Rad公司。

    优级纯的盐酸、硝酸和氢氟酸(上海国药集团化学试剂有限公司):经二次亚沸蒸馏纯化后使用;高氯酸(优级纯,上海国药集团化学试剂有限公司);过氧化氢、饱和溴水(分析纯,广州西陇化工股份有限公司);二氧化硫标准气体(99.9%,广东英德市西洲气体有限公司)。

    0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫溶液的配制:将二氧化硫标准气体通入0.1mol/L盐酸中,使其质量增加6%,现用现配。

    根据铊在样品中的含量,称取50~300mg粉末状样品(200目,105℃烘干2h)于干净的PFA(可溶性聚四氟乙烯)消解罐中,用少量水润湿,加入2mL氢氟酸、2mL硝酸和0.5mL高氯酸;充分混匀,放置反应1h后,加盖拧紧;按表3的升温程序进行微波消解。冷却后,缓慢泄压放气,打开消解罐,将样品转移至15mL 聚四氟乙烯杯中180℃加热至白烟冒尽,加入2mL 6mol/L盐酸溶解,120℃蒸干,重复一次(除尽氢氟酸、硝酸和高氯酸)。最后加入2mL 2mol/L硝酸-1%饱和溴水,加盖密闭后80℃加热12h,待溶液冷却,离心后进行色谱分离。

    表  3  样品处理微波消解程序
    Table  3.  Microwave digestion procedure for sample pretreatment
    步骤消解温度
    (℃)
    消解功率
    (W)
    加热时间
    (min)
    保持时间
    (min)
    112040055
    215080055
    31901200520
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    需要特别注意的是:①所有的敞口操作必须在超净工作台进行,以防外部环境中铅及其他元素的污染;②为避免酸的损失和安全伤害,消解罐必须完全冷却后才能泄压开盖22

    铊的纯化流程在Nielsen等327的研究基础上作了部分优化,优化内容主要包括:①将双柱淋洗修改为单柱淋洗;②控制淋洗液的总体积在28mL。详细步骤如下(流程见表4):采用湿法填充树脂柱,将约2mL AG1-X8树脂置于微型离子交换柱中,依次用1mL 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫和1mL超纯水清洗两遍,再用2mL 2mol/L硝酸-1%溴水平衡树脂2次;然后将离心后的样品溶液加载于树脂柱上,用2mL 2mol/L硝酸-1%溴水淋洗6次和2mL超纯水淋洗1次,以除去基体元素;随后用2mL 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫淋洗5次,收集铊。最后将收集到的0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫溶液置于电热板120℃蒸干,然后用0.5mL 0.1%硫酸-2%硝酸溶解,准备进行质谱测试。

    表  4  铊同位素的离子交换流程(2mL AG1-X8树脂,100~200目)
    Table  4.  Chemical purification procedure for Tl isotopes (2mL AG1-X8 resin, 100-200 mesh)
    步骤 淋洗液 淋洗液体积
    (mL)
    淋洗
    次数
    实验目的
    1 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫 1 2 清洗树脂
    2 超纯水 1 2 清洗树脂
    3 2mol/L硝酸-1%溴水 2 2 清洗/平衡树脂
    4 2mol/L硝酸-1%溴水 2 / 装载样品
    5 2mol/L硝酸-1%溴水 2 6 洗脱基质
    6 超纯水 2 1 洗脱NO3和BrO
    7 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫 2 5 收集铊
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    铊同位素的分析测定在桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室进行。由于自然界样品的铊同位素组成的变化范围很小,用传统的千分偏差“δ”往往不能有效地反映其同位素组成的差异,所以国际上铊同位素测试结果普遍以万分偏差“ε”来表示1。另外,由于未购买到国际上普遍认可的铊同位素标准物质NIST 997,本文选择以中国有色金属及电子材料分析测试中心研制的铊同位素物质GSB 04-1758-2004为参照,即用ε205TlGSB Tl表示:

    $$ \varepsilon^{205}\mathrm{T}\mathrm{l}_{\mathrm{G}\mathrm{S}\mathrm{B}\ \mathrm{T}\mathrm{l}}=\left[\frac{(^{205}\mathrm{T}\mathrm{l}/^{203}\mathrm{T}\mathrm{l})_{\mathrm{s}\mathrm{a}\mathrm{m}\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{e}}}{(^{205}\mathrm{T}\mathrm{l}/^{203}\mathrm{T}\mathrm{l})_{\mathrm{G}\mathrm{S}\mathrm{B}\mathrm{ }\ \mathrm{T}\mathrm{l}}}-1\right]\times10000 $$

    测试时MC-ICP-MS仪器的法拉第杯结构为:L3(202Hg)、L2(203Tl)、L1(204Pb)、C(205Tl)、H1(206Pb)、H2(207Pb)、H3(208Pb),其他主要工作参数见表1。样品引入时的介质均采用2%的硝酸,2ng/mL GSB 04-1758-2004标准溶液对应205Tl电压信号约为1.2V。测试过程产生的质量歧视通过加入已知铅同位素组成的溶液(NIST SRM981)进行校正,计算方法参考文献[5]。在这项研究中,铅标准溶液的质量按照mPb/mTl=10/1加入。在每次测量开始之前,都需要仔细调整仪器参数,以确保铊和铅的信号强度最大化;同时,进行重复的质量扫描,以检查法拉第杯位置是否合适并监测峰形,确保同位素比值测量的仪器条件。此外,为了校正样品的铊同位素组成,在每次分析前后均测量一次标准物质GSB 04-1758-2004。

    针对土壤和沉积物样品中的金属总量分析,中国环境保护标准《土壤和沉积物 金属元素总量的消解-微波消解法》(HJ 832—2017)推荐使用11mL硝酸-氢氟酸-盐酸的混合酸组合对样品进行消解。然而,若地质样品中的有机质或难溶矿物含量较高时,样品难以被完全分解,需使用硝酸-氢氟酸-高氯酸进行二次消解28。高氯酸和过氧化氢可以提高消解体系的分解能力,因此,本文试验了硝酸-氢氟酸-盐酸-过氧化氢和硝酸-氢氟酸-高氯酸两种混合酸体系对样品的消解情况。此外,为了控制干扰元素(特别是铅)的引入,实验中对酸的用量也进行了优化。

    选择土壤标样GBW07406,称样量0.2g,加入不同的混合酸组合,按表3中程序进行微波消解,测定结果见表5。在硝酸-氢氟酸-盐酸-过氧化氢混合酸体系中,当用酸量总体积为4mL(组号1-1)时,消解液中有少量不溶的白色沉淀,此时铊回收率仅有84.7%,说明酸用量太少,不足以将0.2g样品消解完全。将酸用量进一步提升(组号1-2和1-3),所得消解液为清亮透彻的黄色溶液,铊回收率均接近100%,说明硝酸-氢氟酸-盐酸-过氧化氢体系中,7mL酸用量(组号1-2)就可以将0.2g样品消解完全。在硝酸-氢氟酸-高氯酸混合酸体系中,消解样品所用的酸量要少,仅4.5mL(组号2-2)就可将0.2g样品消解完全,此时得到的消解液为清澈透亮的黄色溶液,铊回收率为98.2%。鉴于同位素分析中尽可能低本底的需求,本实验选择2mL硝酸-2mL氢氟酸-0.5mL高氯酸(组号2-2)的混合酸体系对样品进行消解。

    表  5  不同无机酸种类及用量的消解效果对比(n=3)
    Table  5.  Comparison of digestion effects of different types and volumes of inorganic acids (n=3)
    混合酸体系实验组号混合酸体系各酸用量
    (mL)
    样品消解效果观察铊回收率
    (%)
    硝酸-氢氟酸-
    盐酸-过氧化氢
    1-11+1+1+1有少量不溶白色沉淀84.7
    1-22+2+2+1黄色消解液清澈透亮98.4
    1-35+3+3+1黄色消解液清澈透亮98.6
    硝酸-氢氟酸-
    高氯酸
    2-11+1+0.5有少量不溶白色沉淀81.9
    2-22+2+0.5黄色消解液清澈透亮98.2
    2-35+3+0.5黄色消解液清澈透亮99.0
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    需要特别指出的是,高氯酸与有机质在密闭系统中反应剧烈,易发生爆炸,使用时不仅要严格控制其用量,还要在微波消解之前放置反应一段时间(本文建议时长为1h)。

    为了考察微波消解程序中的最高温度和保持时间对消解效果影响,本文选择土壤标样GBW07406为试验样品,保持其他条件不变;以表3中步骤3的消解温度和保持时间为因素,进行正交试验,分析结果如表6所示。结果表明,当消解温度设定在190℃,保持时间为20min时,铊的回收率大于98%。继续升高消解温度和增加保持时间并不能使铊的回收率显著提高,且高温高压易造成微波消解内管变形,影响其密闭性。因此,190℃保持20min为本文推荐使用的微波消解条件,此时总的微波消解时间为45min。

    表  6  消解温度和保持时间的正交试验结果(n=3)
    Table  6.  Orthogonal test results of digestion temperature and holding time (n=3)
    编号 因素水平 铊回收率
    (%)
    消解温度(℃) 时间(min)
    1 180 15 86.6
    2 180 20 93.1
    3 190 15 94.0
    4 190 20 98.2
    5 200 15 97.8
    6 200 20 99.1
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    203Tl和205Tl的干扰主要来自163Dy40Ar、165Ho40Ar、187Re16O、189Os16O、202Hg1H、204Hg1H和204Pb1H等多原子离子团,因此在进行铊的纯化时需特别关注共存元素镝、钬、铼、锇、汞和铅的分离情况。

    选择0.2g消解后的标准物质GBW07406为试验样品,按表4中铊同位素的离子交换流程,以1mL为单位接取馏分;利用ICP-MS测定各馏分中相应元素的含量并绘制淋洗曲线,结果如图1所示。从淋洗曲线中可以看出,绝大多数基质元素及干扰元素(包括镝、钬、铼、锇、汞和铅)被最开始的6mL 2mol/L硝酸-1%溴水洗脱。为了尽可能地减少铅的残留,本课题组继续使用了6mL 2mol/L硝酸-1%溴水淋洗;接下来,用2mL超纯水将树脂中的氧化性离子(NO3和BrO)洗脱。随后以10mL 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫淋洗并收集馏分中的铊。通过对该馏分的组分分析发现,铊的回收率约为98.5%,镝、钬、铼、锇和汞几乎无残留,铅的残留量不足铊量的1/10,钡有一定的残留,约为总钡量的4%。其中,接取液中钡和极少量铅的残留对铊的同位素测试没有影响,当地质样品中的铅/铊比值大于1000时,铅的残留可能会导致铊同位素组成测定结果偏高5,此时建议进行二次过柱。

    图  1  铊的淋洗曲线(AG1-X8树脂,100~200目),其中2mol/L硝酸-1%溴水洗脱基体元素,超纯水洗脱残留NO3和BrO,0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫收集铊
    Figure  1.  Elution curves of Tl (AG1-X8 resin, 100-200 mesh), 2mol/L HNO3-1% Br2 for eluting matrix elments, ultrapure water for eluting NO3 and BrO, 0.1mol/L HCl-6% SO2 for collecting Tl.

    铊在地质样品中的含量通常低于0.1μg/g,往往需要加大称样量来提高测试精度。大多数样品以硅质或碳质为主,经消解后,硅和碳都挥发除去,所留下的盐分很少,而富含赤铁矿(铁高)、灰岩(钙高)和高岭土(铝高)等类型的地质样品,消解后的溶液中金属离子的浓度很高,而树脂的总离子交换容量一般在3~6mmol/g(干基)或1~2mmol/g(湿基)。因此,为考察这三种阳离子对淋洗流程的干扰,本文采用标准加入法考察了三氧化二铁、氧化钙和三氧化二铝对上述淋洗曲线中铊回收率的影响。操作步骤为:取三组1mL 1μg/mL铊标准溶液(GSB 04-1758-2004),分别加入0.1~0.5g的Fe2O3、CaO和Al2O3,按第1.3、1.4、1.5节进行前处理和样品测试。三种元素的加入量与铊回收率之间的关系如图2所示。

    图  2  三氧化二铁、氧化钙和三氧化二铝对铊回收率的影响(n=3)
    Figure  2.  Influences of the load of Fe2O3, CaO and Al2O3 on the recovery of Tl (n=3)

    图2可以看出,CaO的加入对铊回收率的影响很小,可以忽略。Fe2O3的影响最大,当其加入量为0.4g(约2.56mmol)时,铊的回收率开始下降,约为90%;当加入量为0.5g时,铊的回收率下降到只有75%左右。这可能是因为随着样品中Fe3+的增多,用盐酸淋洗时容易形成络合物FeCl4,占据离子交换反应位点,使树脂的交换容量达到饱和,从而降低了铊的回收率。而对于Al2O3,当其加入量为0.5g(约4.90mmol)时,铊的回收率略有下降,约为93%,从观察到的实验现象判断,原因应是Al2O3有部分结晶,夹杂着少量铊进入固相析出而导致的。因此,对于基质中含铁、铝矿物较高的样品应控制其称样量,以防树脂的交换容量饱和而导致铊回收率偏低。

    通过三份空白试验使用第1.3、1.4、1.5节步骤中的流程进行铊同位素分析,最终确定整个实验流程中铊的空白值低于10pg,远低于普通地质样品中铊含量的1‰,对测试结果的影响可以忽略23

    为了确保MC-ICP-MS测定铊同位素的长期可重复性,对铊标准溶液GSB 04-1758-2004进行40次测量,结果如图3所示。图中的205Tl/203Tl值是以铅标准溶液NIST SRM981为外标校正后的结果(相对于208Pb/206Pb=2.1076)。本实验室的测量结果为205Tl/203Tl=2.38775,标准偏差(2σ)为0.00011,说明仪器的稳定性较好。

    图  3  铊标准溶液GSB 04-1758-2004测量结果的稳定性(n=40)
    Figure  3.  The reproducibility of analytical results for Tl standard solution GSB 04-1758-2004 (n=40)

    按照优化后的化学流程,处理4个地质标准物质,并进行铊同位素组成的测定。从表7中的测定结果可以发现,4个标准物质的2SD均优于0.3(n=6),说明本方法具有较高的精密度。由于与文献选用的同位素标准物质不同,方法的准确度可以用两者间差值变化情况来考察。通过与文献的结果对比发现,标准物质NOD-P-1、GBW07406和GSP-2的ε205Tl差值(ε205TlNIST 997ε205TlGSB Tl)均为0.8,NOD-A-1的ε205Tl差值为0.7,说明方法具有较好的准确性;此外,可以估算标准物质GSB 04-1758-2004相对于NIST 997的ε205Tl值应约等于0.8。

    表  7  地质标准物质中铊同位素组成的测定结果及文献对比
    Table  7.  Comparison of analytical results of Tl isotope composition in geological reference materials determined by this method and those in the literatures
    标准物质编号 岩性 ε205TlGSB Tl
    (2SD)
    ε205TlNIST 997
    (2SD)
    测量次数
    (n)
    数据来源 ε205Tl差值
    NOD-P-1 铁锰结核 / 3.3±0.7 6 5 0.8
    2.5±0.2 / 6 本文研究
    NOD-A-1 铁锰结核 / 10.7±0.5 6 28 0.7
    10.0±0.3 / 6 本文研究
    GBW07406 土壤 / −2.2±0.2 4 5 0.8
    −3.0±0.2 / 6 本文研究
    GSP-2 花岗岩 / −2.5±0.6 9 4 0.8
    −3.3±0.3 / 6 本文研究
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    通过对铊同位素分析中的消解方法、淋洗曲线和流程空白的分析讨论可知,采用微波消解法,在2mL硝酸-2mL氢氟酸-0.5mL高氯酸的混合酸体系中选用适当的消解程序,可以将0.2g土壤标准物质GBW07406彻底消解;利用AG1-X8阴离子交换树脂,依次以2mL 2mol/L硝酸-1%饱和溴水淋洗6次、2mL超纯水淋洗1次和2mL 0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫淋洗5次,并收集0.1mol/L盐酸-6%二氧化硫的馏分,可有效地纯化地质样品中的铊。该淋洗流程所允许上样溶液中含有三价铁和三价铝离子的量分别不应超过2.56mmol和4.90mmol,否则引起树脂的离子交换容量饱和而导致铊回收率降低。与前人相比,该流程缩短了消解时间,采用AG1-X8树脂单柱法进行铊同位素的纯化,将淋洗液的总体积优化至24mL。本工作提高了铊同位素分析中化学前处理流程的效率,将此方法应用于4个不同地质标准物质的铊同位素比值的测定,结果证明具有较好的精密度和准确性。

    需要指出的是,由于外界因素的制约,国际上普遍认可的NIST 997标准物质在中国已很难购买,影响了国内铊同位素地球化学研究工作的开展,所以中国亟需研制出国际上认可的铊同位素标准物质。

  • 图  1   水环境中PPCPs的来源与迁移归趋

    Figure  1.   Source and migration fate of PPCPs in water environment.

    图  2   青霉素G通过侧链对β-内酰胺羰基的分子内亲核攻击产生的水解过程(据高雪泉,2016 [65]修改)

    Figure  2.   Hydrolysis process resulting from the intramolecular nucleophilic attack of the β-lactam carbonyl group by the side chain of penicillin G. Modified from Gao (2016)[65].

    图  3   阿莫西林通过侧链对β-内酰胺羰基的分子内亲核攻击产生的水解过程(据高雪泉[65],2016修改)

    Figure  3.   Hydrolysis process resulting from the intramolecular nucleophilic attack of the β-lactam carbonyl group by the side chain of amoxicillin. Modified from Gao (2016) [65].

    图  4   阿替洛尔直接吸收光能引起内部键断裂进行的光降解过程(据季跃飞,2014[72]修改)

    Figure  4.   Photodegradation process in which atenolol directly absorbs light energy and causes internal bond breakage. Modified from Ji (2014)[72].

    图  5   阿昔洛韦通过加入催化剂获得能量形成电子跃迁产生间接光降解的过程(据Elliott等,2017[13];安继斌,2011[73]修改)

    Figure  5.   The process of indirect photodegradation of acyclovir by obtaining energy through the addition of catalysts to form electronic transition. Modified from Elliott, et al (2017)[13] and An (2011)[73].

    图  6   酮基布洛芬在好氧条件下矿化的生物降解过程(据Quintana等,2015[80]修改)

    Figure  6.   Biodegradation of ketoibuprofen mineralized under aerobic conditions. Modified from Quintana, et al (2015)[80].

    图  7   咖啡因通过脱甲基过程的生物降解过程(据杨雪莹等,2019[81]修改)

    Figure  7.   Biodegradation of caffeine through the demethylation process. Modified from Yang, et al (2019) [81].

    表  1   抗生素、激素、消炎止痛药、降压药类等常见PPCPs的物理化学特征

    Table  1   Physical and chemical characteristics of common PPCPs such as antibiotics, hormones, anti-inflammatory painkillers and antihypertensive drugs.

    PPCPs
    的常见类别
    中文名称英文名称缩写分子式医学应用CAS号
    抗生素磺胺甲噁唑SulfamethoxazoleSMXC10H11N3O3S抗菌723-46-6
    诺氟沙星NorfloxacinNORC16H18FN3O3治疗肠炎痢疾70458-96-7
    四环素TetracyclineTCC22H24N2O8杀菌60-54-8
    土霉素OxytetracyclineOTCC22H28N2O11治疗犬、猫的呼吸道、尿道感染79-57-2
    红霉素ErythromycinERYC37H67NO13治疗呼吸道感染114-07-8
    激素地塞米松DexamethasoneDEXC22H29FO5抗炎、免疫抑制50-02-2
    雌酮EstroneE1C18H22O2维持雌性个体的第二生理特征53-16-7
    乙烯雌酚DiethylstilbestrolDESC18H20O2治疗雌激素低下症及激素平衡失调引起的功能性出血56-53-1
    消炎止痛药萘普生NaproxenNAPC14H14O3止痛解热22204-53-1
    双氯芬酸Diclofenac AcidDICCHClNO治疗风湿性关节炎等15307-86-5
    布洛芬IbuprofenIBUC13H18O2镇痛、抗炎15687-27-1
    降压药科素亚Losartan-C22H22ClKN6O降血压124750-99-8
    缬沙坦ValsartanARBC24H29N5O3降血压137862-53-4
    降血脂药吉非罗齐GemfibrozilGEMC15H22O3调血脂25812-30-0
    苯扎贝特BezafibrateBZFCHClNO调血脂41859-67-0
    β-受体阻断药阿替洛尔Atenolol-C14H22N2O3降压、调整心率29122-68-7
    美托洛尔MetoprololMPLC15H25NO3降压、调整心率51384-51-1
    抗精神病药卡马西平CarbamazepineCBZCHN2O治疗癫痫、神经性疾病298-46-4
    可铁宁Cotinine-C10H12N2O促进神经系统兴奋486-56-6
    驱虫剂避蚊胺DiethyltoluamideDEETC12H17NO防止蚊虫叮咬134-62-3
    合成麝香佳乐麝香GalaxolideHHCBC18H26O用于化妆品、调制香料1222-05-5
    吐纳麝香TonalideAHTNC18H26O用于化妆品、调制香料1506-02-1
    消毒杀菌剂三氯生TriclosanTCSC12H7Cl3O2抗菌除臭3380-34-5
    三氯卡班TriclocarbanTCCC13H9Cl3N2O杀菌除臭101-20-2
    除草剂阿特拉津AtrazineATZC8H14ClN5除草1912-24-9
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    表  2   水环境中抗生素类PPCPs在地表水、地下水、沉积物、孔隙水、海水、雨水中的检出情况

    Table  2   Detection of antibiotic PPCPs in surface water, groundwater, sediment, pore water, seawater and rainwater.

    水环境
    介质
    PPCPs化合物PPCPs检出含量
    (ng/L)
    水环境数据来源
    地表水磺胺甲恶唑ND~57.76中国上海市青浦区[44]
    28.34中国上海黄浦江[45]
    <MDL~934斯里兰卡[46]
    0.7~16意大利米兰[47]
    77.7(最大浓度)密西西比河国家河和娱乐河[13]
    氧氟沙星114中国黄河[42]
    0中国黄浦江[45]
    诺氟沙星152中国黄河[42]
    0中国黄浦江[45]
    红霉素34中国黄河[42]
    0~722.04中国天津[48]
    罗红霉素53中国黄河[42]
    3.63中国黄浦江[45]
    四环素113.89中国黄浦江[45]
    0~9.74天津[48]
    地下水醋磺胺甲恶唑ND~91中国北运河[49]
    磺胺二甲基嘧啶ND~969.7中国北运河[49]
    磺胺甲恶唑ND~14.2中国北运河[49]
    1110美国[50]
    23.40西班牙[51]
    磺胺嘧啶11.62西班牙[51]
    29.9哈尔滨[52]
    环丙沙星4~9.68中国江汉平原[53]
    0.82哈尔滨[52]
    四环素2.26~9.51中国江汉平原[53]
    罗红霉素1.47~13.8中国江汉平原[53]
    诺氟沙星4.74~52.6中国江汉平原[53]
    土霉素1.1~7.24中国江汉平原[53]
    林可霉素0.32美国[50]
    沉积物磺胺甲恶唑1. 27~688.59中国上海市青浦区[44]
    0~11.3中国太湖[54]
    磺胺嘧啶0~0.41中国太湖[54]
    土霉素0~8.73中国太湖[54]
    环丙沙星0~15.33中国太湖[54]
    氧氟沙星0.9~18.27中国太湖[54]
    罗红霉素0.15~3.96中国太湖[54]
    孔隙水红霉素29.9中国白洋淀[55]
    林可霉素20.2中国白洋淀[55]
    土霉素47.8中国太湖[56]
    氧氟沙星33.6中国太湖[56]
    雨水环丙沙星10.3美国明尼苏达州[38]
    恩诺沙星2.97美国明尼苏达州[38]
    海水磺胺甲恶唑42波罗的海[57]
    11希腊爱琴海[57]
    7.2意大利威尼斯[57]
    克拉霉素14波罗的海[57]
    16希腊爱琴海[57]
    8.5意大利威尼斯[57]
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    表  3   水环境中PPCPs常见化合物的降解类型、影响和因素及降解产物

    Table  3   Types, effects, factors, and degradation products of common PPCPs in the water environment.

    PPCPs常见化合物降解类型水环境中降解行为
    影响因素
    降解产物参考文献
    青霉素水降解金属离子[87]
    四环素水降解pH[69]
    头孢拉定水降解pH[88]
    卡马西平光降解pH,共存离子[89]
    萘普生光降解pH,温度[71, 90]
    双氯芬酸光降解pH=8[90]
    氧氟沙星生物降解pH=4.5,25℃[91]
    卡马西平生物降解pH,温度[92]
    碘普罗胺生物降解pH=4.5,25℃[91]
    双氯芬酸生物降解菌株种类[93]
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-25
  • 修回日期:  2022-12-14
  • 录用日期:  2023-03-28
  • 网络出版日期:  2023-05-29
  • 刊出日期:  2023-08-30

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