预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法技术

一种预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法，包括以下步骤：获取磺胺类抗生素量子化学参数；构建光催化体系，测定训练集内磺胺类抗生素的光催化降解速率；建立磺胺类抗生素光催化降解的预测模型；应用模型预测磺胺类抗生素光催化降解速率。本发明专利技术适用范围广，无需复杂的检测设备，不造成试验和环境污染，能准确地预测磺胺类抗生素类的光催化降解特性，为实施抗生素类污染物的排放、生态风险评价提供科学依据，具有预测通量大、投入少、成本低、效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于环境污染治理
，涉及一种预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法。
技术介绍
水是生命的源泉、工业的血液，我国的水环境问题却非常严重。由于城市扩张带来的无序建设等活动，目前全国各大流域的水环境质量均呈现恶化的态势，同时伴随着局部水环境的严重污染突发事件、“有水难用”等社会现象，严重地影响了人民群众的生活水平和身体健康。另一方面，随着城市或城市群的发展，城市对水资源的需求不仅在生活、生产用水，也需要水景观资源满足人对自然环境的需求。抗生素类污染物对传统污水处理系统中的微生物具有抑制效应，导致污水处理工艺对抗生素的去除效果不佳。Ingerslev等研究了活性污泥对磺胺类抗生素的降解性能，发现多种磺胺类抗生素很难被生物降解。高级氧化处理(高级氧化)是一系列化学反应，在处理的过程中，利用羟基自由基在水中对污染物的氧化反应；因此，高级氧化技术已经广泛地应用于消除近年不可生物降解的化学物质(如抗生素等)。在诸多高级氧化技术中，光催化工艺使用适当的光催化剂在可见光或紫外(UV)光等条件下即可实施抗生素的有效光降解。Reyes等(2006)研究了通过nTiO2光催化降解四环素，结果表明，在0.5g/L的TiO2的体系下四环素迅速降解。基于nTiO2等光催化材料的抗生素光催化工艺主要降解途径是：①当光催化表面捕获的能量大于带隙能量ΔE(nTiO2为3.03eV)时，催化剂的电子被激发，跨过能隙并跃迁至传导带；②催化剂形成一个空穴(P+)在价带和电子(e-)在传导带；③空穴直接与污染物反应形成二氧化碳；或者空穴与水反应形成羟基自由基，羟基自由基再与污染物反应形成二氧化碳。因此，采用nTiO2光催化工艺降解抗生素仅需要通过溶胶-凝胶-浸渍制备光催剂(nTiO2)，即可在紫外或可见光条件下实施光催化降解。由于nTiO2价格低廉且抗生素能被有效降解，反应时间也较短(约几十分钟～几小时)，基于nTiO2等光催化材料的抗生素光催化工艺被认为是一种低成本治理抗生素废水的重要途径。存在的问题：中国是抗生素的生产和使用大国。其中，磺胺类药物是一种广谱抗菌药，临床上主要用于预防和治疗感染性疾病，加之其性质稳定，制造不需粮食做原料、产量大、品种多、价格低、使用简便、供应充足等优点，兽医临床和畜牧养殖业中作为饲料添加剂或动物疾病治疗药物广泛应用。磺胺类等抗生素易诱导产生抗性基因，可逐步导致人体对其具有耐药性；对于磺胺类等抗生素的使用须遵循三个原则：使用限制、合理用药、加大监督检查。目前，市售的磺胺类抗生素产品较多，常用的有磺胺嘧啶，磺胺二甲基嘧啶，磺胺对甲氧嘧啶，磺胺间甲氧嘧啶，磺胺喹恶啉，磺胺甲噁唑，磺胺异噁唑等。研究表明，磺胺类抗生素的结构决定其生物活性、反应活性。然而，磺胺类抗生素光降解特性与其化学结构之间的关系却并不清楚。从环保和污染治理角度而言，为减少磺胺类抗生素的环境污染，人们应尽量采用易降解的磺胺类药物。然而，哪些磺胺类抗生素易光降解？哪些较难实施？我们并不清楚。因此，阐明磺胺类抗生素光降解特性与其化学结构之间的关系并建立可模型来预测未知磺胺类抗生素的光降解特性具有以下重要的意义。(1)从环保角度科学指导人们的合理用药；(2)指导药物开发、生产部分实施易光降解的磺胺类抗生素生产和研发；(3)为磺胺类抗生素废水的质量提供理论支撑。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过建立基于量子化学参数及QSAR模型预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法，所述方法将可为我国磺胺类抗生素污染物的环境污染治理、科学施用以及监管提供科学依据。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：(1)获取磺胺类抗生素量子化学参数；(2)构建光催化体系，测定训练集内磺胺类抗生素的光催化降解速率；(3)建立磺胺类抗生素光催化降解的预测模型；(4)应用模型预测磺胺类抗生素光催化降解速率。一种预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法，包括以下步骤：1、获取磺胺类抗生素量子化学参数(1)、在Chemicalbook(http://www.chemicalbook.cn/)网站中下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，以“mol.file”的格式实施保存待用；(2)、将下载的小分子以“Gaussian input”文件的形式予以保存；(3)、通过记事本查阅磺胺类抗生素的分子坐标后，构建Gaussian计算文件；(4)、打开Gaussian，输入计算文件后，点击“Run”；(5)、运行后从“output”文件中获取理化参数：采用密度泛函数法B3LYP，基底函数设置为3-21G，计算的理化参数包括：偶极距(μ)，最正氢电荷(qH+)，最大负电荷(qC)，最低未占有分子轨道能(Ehomo)，最高占有分子轨道能(Elumo)，极化率(Ep)，分子体积(V)；(6)、计算福井函数(Fuki indices)中的f(+),f(-)andf(0)，其计算步骤如下(Material studio)：下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，采用Materials Studio软件(version 6.1)实施Dmol3能量优化；采用内置程序中的GGA-BLYP/DND(3.5)基组，以10-6ACU收敛准则，电子场密度设定在0.005Ha；混合密度设定为0.2电荷和0.5针，计算获得各磺胺类抗生素的福井函数。2、磺胺类抗生素的光催化降解(1)、试验材料nTiO2光催化材料从阿拉丁试剂公司购置，平均粒径为20-50nm，纯度为99％，磺胺类抗生素均为标准品，其纯度大于99.0％，使用的磺胺类抗生素有磺胺甲恶唑(SMZ，CAS：723-46-6)，磺胺甲氧达嗪(SMP，cas：80-35-3)，磺胺氯哒嗪(SCP，cas：80-32-0)，磺胺嘧啶(SD，cas：68-35-9)，磺胺二甲氧嘧啶(SDM，cas：2447-57-6)，磺胺甲基嘧啶(SMI，cas：127-79-7)，磺胺吡啶(SPY，cas：144-83-2)，磺胺多辛(SFD，cas：2447-57-6)，磺胺二甲基嘧啶(SM 2，cas：57-68-1)磺胺异恶唑(SIZ，cas：127-69-5)；(2)、光催化降解实验过程在购置的光催化反应仪(BOT-GHX-1，北京中仪博腾科技有限公司)中进行，光源为250W汞灯，光源与反应溶液距离为5cm，催化过程如下：在500mL反应瓶中加入0.01mol/L的NaOH 40mL和300mL的蒸馏水，催化剂(若为nTiO2，则取0.01g；若为负载于竹炭，则取0.33g)，H2O2 2mL，磺胺类抗生素浓度为20mg/L；黑暗条件下静置30min达到吸附平衡以防止吸附效应使得污染物消减；30min后打开光源，每隔10min取样，取样完毕后放入高速离心机中，以13000r/min的转速离心30min，取上清液在高效液相色谱仪上测定污染物浓度；(3)、磺胺类抗生素浓度测定采用HPLC实施磺胺类抗生素浓度的测定，其测定条件为：C18反相色谱柱：150mm×4.6mm,5μm,Agilent,USA)；测定温度：25℃；测定流动相：乙腈及0.1％体积比甲酸混合液，流速设定为1.0mL/min；检测波长：UV检测器(Shimadzu UV2550,Japan)检测，波长设定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：A、获取磺胺类抗生素量子化学参数（1）、在Chemicalbook网站中下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，以“mol.file”的格式实施保存待用；（2）、将下载的小分子以“Gaussian input”文件的形式予以保存；（3）、通过记事本查阅磺胺类抗生素的分子坐标后，构建Gaussian计算文件；（4）、打开Gaussian，输入计算文件后，点击“Run”；（5）、运行后从“output”文件中获取理化参数：采用密度泛函数法B3LYP，基底函数设置为3‑21G，获取的理化参数包括：偶极距、最正氢电荷、最大负电荷、最低未占有分子轨道能、最高占有分子轨道能、极化率、分子体积；（6）、计算福井函数中的,and，其计算步骤如下：下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，采用Materials Studio软件实施Dmol3能量优化；采用内置程序中的GGA‑BLYP/ DND基组，以10‑6 ACU收敛准则，电子场密度设定在0.005Ha，混合密度设定为0.2电荷和0.5针，获得各磺胺类抗生素的福井函数；B、磺胺类抗生素的光催化降解（1）、试验材料nTiO2光催化材料，平均粒径为20‑50nm，纯度为99%，磺胺类抗生素均为标准品，其纯度大于99.0%；（2）、光催化降解实验过程在光催化反应仪中进行，光源为 250W 汞灯，光源与反应溶液距离为5cm，催化过程如下：在500mL反应瓶中加入0.01mol/L的NaOH 40 mL和300mL的蒸馏水，催化剂为nTiO2 0.01g或竹炭 0.33g，H2O2 2mL，磺胺类抗生素浓度为20mg/L；黑暗条件下静置30min达到吸附平衡；30min后打开光源，每隔10min取样，取样完毕后放入高速离心机中，以13000r/min的转速离心30min，取上清液在高效液相色谱仪上测定污染物浓度；（3）、磺胺类抗生素浓度测定采用HPLC实施磺胺类抗生素浓度的测定，其测定条件为：C18反相色谱柱：150 mm×4.6 mm, 5 μm；测定温度：25°C；测定流动相：乙腈及 0.1% 体积比甲酸混合液，流速设定为1.0 mL/min；检测波长：UV 检测器 检测，波长设定为268 nm；抗生素的浓度测定：采用外标法实施抗生素的浓度测试，外标法的测试条件与上述条件一致，即采取标准样品，在浓度分别为2.5、5、10、20、40、80、160及200mg/L时测试其在268nm处的峰面积，构建标准曲线及拟合方程，利用拟合方程计算抗生素样品的浓度；C、测定训练集内磺胺类抗生素的光催化降解速率并构建预测模型基于所测定的不同时间下磺胺类抗生素的浓度，采用一阶降解方程计算磺胺类抗生素的光催化降解速率，获取训练集内的磺胺类抗生素光催化降解速率后，将其输入到SIMCA软件中，同时也将获取的量子化学参数输入，以磺胺类抗生素光催化降解速率为因变量，以量子化学参数为自变量，利用“偏最小二乘法”建立模型，模型质量以判定系数R2、组方差值F及概率P为评价标准；D、应用模型预测磺胺类抗生素光催化降解速率首先计算待预测的磺胺类抗生素量子化学参数，基于构建的预测模型并输入相关量化参数数值，获得待预测的磺胺类抗生素光催化降解速率。...

【技术特征摘要】
1.一种预测磺胺类抗生素光催化降解速率的方法，其特征在于：它包括以下步骤：A、获取磺胺类抗生素量子化学参数（1）、在Chemicalbook网站中下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，以“mol.file”的格式实施保存待用；（2）、将下载的小分子以“Gaussian input”文件的形式予以保存；（3）、通过记事本查阅磺胺类抗生素的分子坐标后，构建Gaussian计算文件；（4）、打开Gaussian，输入计算文件后，点击“Run”；（5）、运行后从“output”文件中获取理化参数：采用密度泛函数法B3LYP，基底函数设置为3-21G，获取的理化参数包括：偶极距、最正氢电荷、最大负电荷、最低未占有分子轨道能、最高占有分子轨道能、极化率、分子体积；（6）、计算福井函数中的,and，其计算步骤如下：下载拟测定的磺胺类抗生素结构式，采用Materials Studio软件实施Dmol3能量优化；采用内置程序中的GGA-BLYP/ DND基组，以10-6 ACU收敛准则，电子场密度设定在0.005Ha，混合密度设定为0.2电荷和0.5针，获得各磺胺类抗生素的福井函数；B、磺胺类抗生素的光催化降解（1）、试验材料nTiO2光催化材料，平均粒径为20-50nm，纯度为99%，磺胺类抗生素均为标准品，其纯度大于99.0%；（2）、光催化降解实验过程在光催化反应仪中进行，光源为 250W 汞灯，光源与反应溶液距离为5cm，催化过程如下：在500mL反应瓶中加入0.01mol/L的NaOH 40 mL和300mL的蒸馏水，催化剂为nTiO20.01g或竹炭 0.33g，H2O2 2mL，磺胺类抗生素浓度为20mg/L；黑暗条件下静置30min达到吸附平衡；30min后打开光源，每隔10min取样，取样完毕后放入高速离心机中，以13000r/min的转速离心30min，取上清液在高效液相色谱仪上测定污染物浓度；（3）、磺胺类抗生素浓度测定采用HPLC实...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹小明，肖小雨，胡萃，石刚，夏青磊，
申请(专利权)人：井冈山大学，
类型：发明
国别省市：江西;36