英文原题：Fe(V) dominates the toxicity increase pathway during ferrate (VI) degradation of fluoroquinolone antibiotics
通讯作者：杜烨，四川大学；赖波，四川大学
作者：Zhongjuan Wang (王忠娟), Ye Du (杜烨), Yanni Jiang (江燕妮), Jie Li (李解), Chuanshu He (何传书), Yang Liu (刘杨), Zhaokun Xiong (熊兆锟), Bo Lai (赖波)
近日，四川大学赖波教授和杜烨副研究员合作探究了高铁酸酸处理水中氟喹诺酮类（FQs）抗生素过程中活性物种生成、污染物转化路径与产物毒性变化之间的关系，证实了高铁酸盐处理过程中中间价态活性Fe(V)会诱导FQs的产物向毒性升高的路径转化，揭示了高铁酸盐处理新型污染物过程中需特别注意由中间价态活性铁导致的环境风险。
抗生素在环境中的积累会对生态安全产生潜在的不利影响。氟喹诺酮类（FQs）抗生素广泛用于人类和畜禽感染治疗。许多水环境中都可检测出浓度范围为ng/L到μg/L的FQs。高铁酸盐（VI）去除微污染物已被广泛研究，但现有研究对高铁酸盐处理FQs后转化产物的毒性关注较少。同时，由于活性高价Fe(IV)和Fe(V)具有更强的氧化能力，目前许多研究通过添加金属离子、还原剂等方式产生更多的Fe(V)/Fe(IV)用于污染物降解，从而增强污染物的去除率。然而，转化产物会随着占主导作用的活性高价中间铁的不同而变化，从而影响产物毒性。因此，建立活性高价铁生成、倾向性转化路径和毒性变化之间的关系，对于理解高铁酸盐处理FQs的风险具有重要意义。
为了解决上述问题，四川大学建筑与环境学院赖波教授团队研究了高铁酸盐处理常见FQs抗生素过程中的活性物种生成、FQs转化产物以及毒性变化规律。首先，通过反应动力学拟合、探针污染物检测以及电子顺磁共（EPR）测试，证实了高铁酸盐处理FQs过程中的主导活性物种是Fe(V)（图1）。图1a显示Fe(VI)与目标污染物的反应二级速率常数随Fe(VI)起始浓度不同而变化，证实Fe(VI)不是唯一活性物种；该过程中甲基苯基亚砜（PMSO）完全转化为甲基苯基砜（PMSO2），并且EPR未检测出其它活性物种，证实活性物质只有高价铁(Fe(VI)、Fe(V)和Fe(IV))。发现体系中Fe(II)产量极少，因而排除了Fe(IV)的主导作用。进一步使用焦磷酸盐作为Fe(V)淬灭剂，证实了Fe(V)在高铁酸盐处理FQs过程中发挥了主导作用。
图1. 高铁酸盐处理FQs过程中的机理探究：（a）Fe(VI)起始浓度对二级速率常数的影响；（b）PSMO转化为PMSO2的效率；（c）EPR分析；（d）Fe(II)生成量的检测；（e）和（f）焦磷酸盐对污染物降解的影响
采用固相萃取（SPE）法富集污染物，研究了FQs转化产物对中国仓鼠卵巢细胞（CHO）以及大肠杆菌（E. coli）的毒性。图2a与2b是细胞存活率的浓度效应曲线与相应的细胞毒性当量。在高铁酸盐处理后，发现三种FQs的细胞毒性增加。与诺氟沙星（NOR）和环丙沙星（CIP）相比，LEV的细胞毒性当量增加最多。在细胞暴露于经高铁酸盐处理的FQs后，研究了胞内活性氧（ROS）水平。该趋势与样品的细胞毒性一致（图2c）。为确定FQs转化产物的抗菌性，研究了LEV转化产物对大肠杆菌E. coli生长曲线的影响，发现LEV转化产物抑制了E. coli的生长，进一步表明了高铁酸盐处理FQs可能会带来潜在风险。
图2. FQs经高铁酸盐处理后产物毒性变化：（a）CIP细胞存活率的浓度效应曲线；（b）NOR，CIP，LEV的细胞毒性当量；（c）胞内ROS
选取CIP作为代表性污染物，通过质谱分析及密度泛函理论（DFT）计算，分析并验证了CIP在高铁酸盐处理过程中的转化路径。CIP经过高铁酸盐处理的降解路径主要分为三条(图3d)：路径I为F原子被-OH取代；路径II是哌嗪基团被羟基攻击进一步开环，经氧原子加成最终被氧化为-NH2；路径III是喹诺酮环发生亲电攻击，通过1,3位点的偶极矩加成开环后形成双羰基，最终被氧化成稳定的-COOH。
图3. 环丙沙星CIP在高铁酸盐处理过程中的降解路径解析：（a）CIP的最高电子占据轨道（HOMO）; （b）CIP的键序；（c）CIP的福井函数；（d）CIP的降解路径
进一步结合NOR以及LEV的转化路径，揭示了高铁酸盐对FQs的一般降解路径：（1）F原子的羟基化；（2）哌嗪基团被氧化为-NH2; （3）喹诺酮环开环并被氧化为-COOH/-OH。使用T.E.S.T.软件预测了不同途径产物的毒性（图4）。CIP-Fe(VI)体系中，途径I使产物毒性降低，而途径II和途径III中产物毒性升高。此外，途径III是NOR/LEV-Fe(VI)体系中毒性升高的主要路径。
图4. 氟喹诺酮类的一般降解路径及转化产物毒性评估：（a）一般降解路径；（b）-（d）CIP, NOR以及LEV的转化产物毒性评估
考虑到Fe(V)的主导作用，计算了不同降解途径中Fe(V)激发的初始反应的活化能（ΔGa）和吉布斯自由能（ΔG）（图5），以了解优先转化路径和毒性变化。在以Fe(V)为主的CIP-Fe(VI)中，途径II最有可能发生，限速步骤所需的活化能（ΔGa）最低为0.73 eV，远低于路径III（ΔGa=3.92 eV）。并且只有路径II的ΔG为负值，表明反应易于自发进行。虽然途径II和III都可能导致CIP的毒性增加，但途径II由于更容易发生，可能是该体系中毒性增加的主导路径。
对于NOR和LEV，发现途径III会增加毒性。在这两种FQs中，LEV限速步骤所需的活化能最低为1.21 eV，证明LEV的途径III相较于NOR更容易发生。N-R3和L-R3的ΔG分别为-448.797 kJ/mol和-414.292 kJ/mol，表明NOR和LEV的途径III可以自发进行，途径III主导了毒性增加。
图5. Fe(V)与CIP、NOR和LEV反应中三条降解路径的起始反应活化能
最后，作者指出利用高铁酸盐处理FQs时，活性中间价态Fe(V)使得产物向着毒性升高的路径转化。在高铁酸盐应用中，仅关注提升目标污染物的降解率以及活化产生具有更高氧化能力的活性铁物种具有不足之处。活性铁物种引起的产物降解路径变化及其带来的潜在风险应当引起重视。
相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，四川大学博士研究生王忠娟为文章的第一作者，四川大学赖波教授、杜烨副研究员为共同通讯作者。
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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