在水氯化处理过程中磺氯吡啶转化的实验与计算研究：动力学、机理及毒性

《Journal of Hazardous Materials》：Experimental and Computational Studies of Transformation of Sulfachloropyridazine during Water Chloramination: Kinetics, Mechanism and Toxicity

磺胺氯吡嗪氯胺消毒副产物生成动力学与毒性机制研究，揭示中性SCP在低pH下反应速率提高8倍，生成8种新型含氮副产物，其细胞毒性较母体增强31.6%，量子化学模拟阐明氯代、羟基化及硫解三路径。

　　

孙振坤|金一凡|刘江民|黄家伟|魏晓轩|马光才|于海英

浙江师范大学地理与环境科学学院，中国金华市迎宾大道688号，321004

摘要

磺氯吡啶（SCP）是一种广泛使用的广谱抗生素，存在于地表水中，在消毒过程中会与氯胺反应生成新的消毒副产物（DBPs）。本研究首次全面探讨了SCP在氯胺处理过程中DBPs的动力学、转化机制及其毒理学影响。研究发现，SCP的氯胺化遵循伪二级反应动力学，pH值对反应路径有显著影响：较低的pH值会增强氯胺的水解作用并提高氯化潜力，从而促进中性SCP的转化（pH 6.0时，k_obs = 1.13×10^?2 μmol^?1h^?1；pH 8.0时，k_obs = 3.89×10^?4 μmol^?1h^?1），这加速了DBPs的形成并使其结构更加多样化。研究中还发现了8种此前未报道的含氮DBPs，扩展了已知抗生素衍生DBPs的化学种类。理论模拟进一步揭示了三种转化途径，包括氯取代、羟基取代和脱硫，并从分子层面解释了中性SCP相对于其阴离子形式的更高反应性。此外，体外毒性实验表明，SCP的转化产物可使Hep G2细胞活力降低31.6%，揭示了其潜在的细胞毒性风险，远超母体化合物。通过整合动力学、机制学和毒理学证据，本研究不仅阐明了SCP在氯胺消毒过程中的命运，还为评估药物衍生DBPs所带来的健康和环境风险提供了范例。

引言

水消毒已成为控制水传播病毒（如肝炎、脑膜炎、瘫痪和呼吸道感染）的最有效技术[1]、[2]、[3]。然而，最常用的消毒剂氯会与水中的溶解有机物（DOM）反应，生成有毒的卤代消毒副产物（DBPs），主要包括受监管的三卤甲烷（THMs）和卤代乙酸（HAAs）[4]、[5]。因此，在美国、加拿大和英国，人们越来越多地采用氯胺作为氯消毒的替代品，以控制受监管的碳基消毒副产物（C-DBPs）的形成[6]、[7]、[8]、[9]。同时，中国上海和安徽省的大部分饮用水处理设施仍使用氯胺作为消毒剂，以延长消毒过程的持续时间和稳定性[10]、[11]。尽管有研究表明地表水中的DOM和无机离子（如Br?和I?）会与消毒剂竞争[12]、[13]、[14]，但过量的游离氯仍可能促使磺胺类抗生素转化为具有未知结构特征的DBPs。科学研究发现，氯胺的使用与含氮消毒副产物（N-DBPs）的出现之间存在关联，这主要归因于氨基作为潜在的氮源[15]、[16]。卤代乙腈（HANs）、卤代硝基甲烷（HNMs）和N-亚硝基二甲胺（NDMA）是典型的N-DBPs，它们通常比HAAs和THMs具有更高的遗传毒性和细胞毒性[17]、[18]、[19]。

由于磺胺类药物具有出色的稳定性和广谱抗菌性能[20]，它们在人类医学、水产养殖和畜牧业等领域得到广泛应用。磺胺类药物的分子结构包含苯胺、磺酰胺和含氮杂环结构（图S1a），这表明在氯化消毒过程中可能生成特定的N-DBPs。先前的研究已经证实了氯消毒生成不同N-DBPs的潜力，例如磺胺甲氧吡嗪可生成二氯乙腈[12]，而磺胺嘧啶、磺胺甲嗪和磺胺吡啶可生成二溴乙腈[21]、[22]。然而，关于磺胺类药物在不同解离状态下在氯胺消毒过程中的转化机制的研究尚不足。在各种磺胺类药物中，磺氯吡啶（SCP，如图S1b所示）是一个典型的例子。它在多个国家的水生系统中普遍存在，浓度高达5.3 μg/L[23]、[24]、[25]、[26]。值得注意的是，SCP也在饮用水源和水库中以可量化的ng/L浓度被检测到[27]、[28]、[29]。这可能促进抗生素抗性基因（ARGs）的传播，对公共健康构成长期累积威胁。尽管在水生环境中广泛检测到SCP，但目前尚无研究探讨其在氯胺消毒下的转化行为或DBPs生成潜力。SCP独特的含氮杂环结构可能产生未知的DBPs，从而带来潜在的毒性风险。

消毒副产物的生成可能带来意外的毒性。例如，氯胺可导致L-酪氨酸酸和苯丙氨酸分别生成二氯乙腈（DCAN）[30]和NDMA[31]，这两种物质都具有较高的毒性。实验观察到2-苯乙酰胺对中国仓鼠卵巢细胞的EC₅₀值为8.93 ×10^-3 μmol/L，但在与氯消毒剂反应后，可生成2-(2,6-二溴苯)乙酰胺（2,6-DBPAcAm），其EC₅₀值为7.17 ×10^-4 μmol/L，显示出明显的细胞毒性增加[32]。磺胺类抗生素在氯基消毒过程中的毒性研究有限。例如，磺胺嘧啶（SDZ）在UV/氯化过程中可生成THMs[33]，使淡水细菌aliivibrio fischeri的光致发光抑制率在5~10分钟内从7.5%增加到60分钟后的51.0%[21]。此外，研究表明磺胺甲噁唑（SMZ）在氯介导的消毒过程中会转化为更具毒性的产物，且aliivibrio fischeri的发光抑制率随消毒时间的延长而增加[34]。然而，消毒过程对SCP毒性的影响尚未得到研究。

近年来，计算化学方法在研究化学物质的性质、行为和毒性方面展现出巨大潜力。实验测量与理论模拟的结合有助于我们从分子层面理解化学反应的途径和机制。特别是量子化学计算可以表征潜在能量表面上的中间体和过渡态，为实验检测相应产物提供指导。计算模拟还能突破实验限制，快速预测污染物的环境归趋和风险评估[35]。

因此，本研究的目标是：（1）研究磺胺类SCP与氯胺在纯水和地表水中的反应，重点探讨氨基质子化和氯胺水解对氯化反应动力学的影响；（2）通过HPLC?MS/MS测量和量子化学计算结果确定转化产物；（3）通过体外毒性实验评估氯胺消毒对SCP毒性的影响，从而评估SCP及其副产物的毒性和健康风险。预计这些结果将为未来涉及其他磺胺类药物的研究提供宝贵参考。

试剂和水样

次氯酸钠（NaOCl，有效氯含量4.4%）和氯化铵（NH₄Cl，99.5%）购自中国上海新华制药试剂有限公司。L-抗坏血酸购自上海阿拉丁生化科技有限公司。SCP购自Meryer生化科技有限公司。盐酸和氢氧化钠购自上海Macklin生化科技有限公司，用于调节pH值。溶剂包括甲醇（HPLC级）

SCP与氯胺的反应动力学

系统研究了SCP与氯胺在纯水和地表水中的反应动力学。通过HPLC每小时测定SCP的浓度（C_SCP）。在pH 6.0-8.0范围内，对（1/C_SCP ? 1/C_SCP0）与反应时间进行线性回归分析，结果显示强线性相关（R² > 0.96；图1a-b），表明SCP的氯胺化遵循由方程（1）?（3）描述的伪二级反应动力学。

结论

本研究创新性地阐明了磺胺类抗生素SCP在氯胺介导的转化过程中产生的新型含氮消毒副产物的分子机制和环境风险，首次发现了8种稳定的DBPs，其形成受pH依赖的HOCl形态和SCP解离控制。量子化学计算提供的机制学见解揭示了生成这些副产物的顺序步骤。

环境影响

基于实验和计算证据，本研究阐明了磺氯吡啶（SCP）在氯胺化过程中的转化机制，鉴定出8种新型含氮消毒副产物（DBPs），并揭示了pH依赖的形成机制。研究表明，氯胺化增强了SCP的细胞毒性，其中中性SCP比其阴离子形式更具反应性。这些发现突显了水消毒过程中抗生素衍生DBPs的潜在风险，提供了关键见解。

CRediT作者贡献声明

孙振坤：撰写——原始草稿、方法学、实验设计、数据整理。金一凡：验证、方法学、实验设计。于海英：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。黄家伟：软件开发。刘江民：数据可视化、验证。马光才：监督、资金获取。魏晓轩：监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22376189, 22176177）和院士青年人才培养计划（于海英）的财政支持。

注释

作者声明没有其他可能影响本文工作的财务利益。