全 文 ：中国环境科学 2013,33(4)：663~668 China Environmental Science

小球藻引发水中环丙沙星的光降解效能研究
朱小燕 1,2,傅大放 1,2*,邓 琳 1,马振杰 2,谭晓莲 2 (1.东南大学市政工程系,江苏 南京 210096；2.南京市雨污
水资源化利用工程技术研究中心,江苏 南京 210007)

摘要：研究了小球藻引发水中环丙沙星的光降解、相同条件下藻液光致产生的自由基以及两者之间的关系.结果表明:环丙沙星的光降解
率和自由基的产量随着藻浓度和藻破碎时间的增加而增大,藻液破碎时间大于 20min 时,环丙沙星降解率和自由基产量的增幅均减缓;小球
藻超声功率为 100W 时,环丙沙星光降解率可达 93.4%,此时自由基的产量也最大为 313.4μmol/L,再增加破碎功率对两者均产生抑制作用.
不管小球藻液的条件如何变化,其光致产生的自由基量和引发环丙沙星的光降解量均存在较好的线性相关性.
关键词：小球藻；环丙沙星；光降解；自由基
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2013)04-0663-06

Efficiency of ciprofloxacin photodegradation induced by chlorella in aqueous solutions. ZHU Xiao-yan1,2, FU
Da-fang1,2*, DENG Lin1, MA Zhen-jie2, TAN Xiao-lian2 (1.Department of Municipal Engineering, Southeast University,
Nanjing 210096, China；2.Engineering Technology Research Center of Rain Wastewater Resoure Utilization, Nanjing
210007, China). China Environmental Science, 2013,33(4)：663~668
Abstract：Chlorella induced ciprofloxacin photodegradation and free radicals production in aqueous solutions were
investigated. Furthermore, the relationships between ciprofloxacin photodegradation and free radicals generation were
studied. The results show that both the photodegradtion efficiency of ciprofloxacin and the production rate of free radicals
positively correlated with either the chlorella concentration or the chlorella breaking time. However, when chlorella
breaking time was set at 20 min or more, the ciprofloxacin photedegradtion efficiency and free radical production rate
increased slowly. The maximum ciprofloxacin photedegradtion efficiency (93.4%) and the maximum free radicals
production (313.4μmol/L) were obtained concurrently under a condition of 100W ultrasonic power for chlorella breaking.
The extra increase of breaking power had adverse effects on ciprofloxacin photedegradtion and free radicals production.
Regardless of the conditions of chlorella solutions, a linear correlation was observed between the amount of produced free
radicals and the photodegradation efficiency at a significance level of about 0.1.
Key words：chlorella；ciprofloxacin；photodegradation；free-radicals

抗生素的发现与应用在人类健康及动植物
病虫害防治方面发挥了巨大的作用[1].但是,近年
来,抗生素类药物在环境中的行为及造成的负面
影响引起国际环境科学界乃至公众的广泛关
注 [2-3].我国是抗生素的使用大国,特别是在人口
密度高、发展快的地区,河流的药物污染程度远
远高于发达国家河流,有些药物含量甚至高于发
达国家污水中的含量水平[4].喹诺酮类的药物残
留作为一种新型污染物在水体环境中的转归成
为热点话题[5].环丙沙星是临床应用较多的第三
代喹诺酮药物[6].王桥军等[7]研究发现,珠江的上
下游均能检测出环丙沙星、诺氟沙星等喹诺酮类
药物,浓度分别为18~330ng/L,且远远高于瑞士河
流中喹诺酮类抗生素的含量;广州市内的湖泊及
自来水厂中也检测出上述喹诺酮类药物,且自来
水中浓度在 0~231ng/L;广州市的部分污水厂也
同时检测出喹诺酮类抗生素药物,浓度为 45~
349ng/L,且高于国外污水厂出水中的含量.
藻类广泛地存在于天然水体中,是天然水光
化学的重要影响因素[8].目前藻类在污水处理中
主要偏向于生物作用,但藻类在有机物光降解化
收稿日期：2012-08-13
基金项目：高校博士点基金项目(6205000007)
* 责任作者, 教授, fdf@seu.edu.cn
664 中 国 环 境 科 学 33卷

学过程中的参与促进作用,也受到越来越多的重
视.Liu 等[9]发现单细胞绿藻可对印染废水中的
80 多种有机污染物进行降解和脱色,偶氮可被蛋
白核小球藻降解为芳香胺.
鉴于目前淡水藻作用于喹诺酮类药物光降
解的研究鲜有报道,且自然水体中藻-有机物体
系随处可见,因此本文主要研究了不同藻浓度、
不同藻破碎时间、不同藻破碎功率下,小球藻液
对环丙沙星的光降解率的影响、相同条件下光致
产生的自由基以及两者之间的关系.
1 材料与方法
1.1 材料与仪器分析
1.1.1 试剂 普通小球藻藻种(中科院水生生物
研究所提供);环丙沙星粉末(中国药品生物制品
检定所,含量 84.9%).
水生四号 (HB-4)培养基试剂 :NaNO3、
K2HPO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O、KH2PO4、
NaCl、FeCl3·6H2O、EDTA-Na2(乙二胺四乙酸二
钠 )、H3BO3、MnCl3·4H2O、 ZnSO4·7H2O、
Na2MoO4·2H2O、CuSO4·5H2O、Co(NO3)2·6H2O、
浓 HCl,均为分析纯.土壤提取液所用土壤取自东
南大学四牌楼校区未施肥花园土.
环丙沙星流动相试剂:柠檬酸、乙腈、三乙
胺,均为高效液相色谱纯.
其他化学试剂:Na2CO3;抗坏血酸;苯;苯酚;
浓 HNO3,均为分析纯.
试验所用纯水均为二次蒸馏水;药剂均为国
药集团化学试剂有限公司生产.
1.1.2 仪器 试验所用的光反应装置是以南京
胥江机电厂XPA系列光化学反应仪为模板,并根
据自己的实际反应所需定制的,反应器的反应容
积为 250mL(原反应装置的反应容积为 1000mL),
具体见图 1.
分析仪器采用 :高效液相色谱 :Pgrandsil-
STC-C18CSC X阳离子交换色谱柱;紫外分光光
度计(T6);15W 紫外灯(=254nm);Phenix 显微镜;
低速台式大容量离心机(TDL-40B);超声清洗器
(SB-3200DTD);恒温培养箱(150C).
1.1.3 分析方法 环丙沙星流动相 [10]:
0.005mol/L 柠檬酸溶液(取 1.05g 一水合柠檬酸
溶解于1000mL纯水中):乙腈=85:15(V/V),用三乙
胺调节 pH值至 3.5.
1
3
5
2
4
8
6
7
9
图 1 自制光反应装置示意
Fig.1 The schematic map of homemade light reaction
device
1-紫外灯电源;2-冷却水出口;3-冷却水进口;4-取样口;5-进气口;
6-反应液;7-紫外灯管;8-转子;9-磁力搅拌器
环丙沙星浓度的测定 分析仪器采用高效液
相色谱(HPLC)[10],流动相流速为 1mL/min,柱温
30℃,进样体积为 10μL.环丙沙星在液相色谱中
的紫外检测波长为 277nm,出峰时间为 7.5min.
自由基的测定将 1mL 苯加入预先配制的水
溶液中,反应后取样用紫外分光光度计测定苯酚
的量[11],检测波长为 270nm,苯酚的生成量即为自
由基的生成量.
1.2 实验方法
1.2.1 小球藻的培养和处理 培养基(配方见表
1)用 0.01mol/LNa2CO3溶液调节 pH值为 7.0~7.2,
高压(121~125KPa)下灭菌 30min 后进行接种,放
入恒温光照培养箱培养,培养温度 25℃左右,上
下浮动不超过 2℃,培养至藻对数生长期及藻浓
度较大即可,一般 10~14d;取出培养好的藻液,加
入 0.01mol/L 抗坏血酸(调节 pH=3)后轻度震荡
30min 对藻进行清洗,接着将预处理后的藻悬浮
液移入离心管中,3800r/min每次离心 20min,倒掉
上层清夜,再用二次水对藻进行清洗,轻度震荡
30min,如此反复清洗三遍.
1.2.2 标准液的配置 环丙沙星储备液的浓度
4期 朱小燕等：小球藻引发水中环丙沙星的光降解效能研究 665

为 100mg/L,取 0.1g 的环丙沙星溶解于 1000mL
纯水中,存放于棕色的试剂瓶中.
表 1 水生四号(HB-4)培养基配方
Table 1 Nutrient medium formula of HB-4
成分 浓度 备用溶液
NaNO3 1mL/L 25 g/100mL dH2O
K2HPO4 1mL/L 7.5 g/100mL dH2O
MgSO4·7H2O 1mL/L 7.5 g/100mL dH2O
CaCl2·2H2O 1mL/L 2.5 g/100mL dH2O
KH2PO4 1mL/L 17.5 g/100mL dH2O
NaCl 1mL/L 2.5g/100mL dH2O
FeCl3·6H2O 1mL/L 0.05g/100mL dH2O
EDTA-Fe 1mL/L
Trace mental solution 1mL/L
土壤提取液 40mL/L

藻储备液的配置:取备用藻液稀释一定的倍
数,在显微镜下用血球计数板计数藻细胞个数
(个体计数法),单位为 cells/L,放入棕色试剂瓶中,
保存于 4℃冰箱中备用.
1.2.3 测定样品前处理 考虑到 HPLC 的测样
条件,将取出的水样在离心机中以 3500r/min 的
转速离心 10min,取出上清液,通过直径为 25mm
装有孔隙 0.45μm滤膜的针孔滤头过滤后测样.
1.2.4 不同因素对环丙沙星光降解率的影
响 改变藻浓度、破碎时间和破碎功率,分别研
究其对环丙沙星光降解率的影响,其中光降解率
为(C0－C)/C0×100%.将配制的不同溶液分别装
入光反应器中,置于 15W 紫外灯下照射,在 0,10,
20,30,40,50,60,90,120min 时取样并测定环丙沙
星的浓度 C,总反应时间为 2h.
1.2.5 不同条件下自由基的产量 改变藻浓度、
破碎时间和破碎功率,分别研究藻液光致产生的
自由基量.将配制的不同溶液分别装入光反应器
中,置于 15W紫外灯下照射,在 0,5,10,20,30,40,50,
60,90,120min 时取样并测定苯酚的浓度,总反应
时间为 2h.
2 结果与讨论
2.1 小球藻对环丙沙星的吸附去除
初始浓度为 20mg/L的环丙沙星在无光照条
件下与浓度为 1×108 cells/L的小球藻反应,小球
藻在暗反应条件下对环丙沙星的吸附去除率见
图 2.小球藻对于环丙沙星的吸附作用集中在反
应的前 60min 内,由此可见环丙沙星在小球藻体
系中 60min可基本达到吸附平衡.

0 20 40 60 80 100 120
0
2
4
6
8
吸
附
去
除
率
(%
)
反应时间(min)
图 2 小球藻对环丙沙星的暗反应吸附去除率
Fig.2 Adsorption removal rate of ciprofloxacin by
chlorella in dark
小球藻在 120min内对环丙沙星的吸附去除
率为 7.85%,对药物在水溶液中的去除贡献较小,
因此可以近似认为药物的降解均为小球藻引发
的光降解.
2.2 小球藻浓度变化的影响
2.2.1 藻浓度对环丙沙星光降解率的影响 初
始浓度为 20mg/L的环丙沙星在 15W紫外灯的照
射下与不同浓度小球藻反应,小球藻的浓度变化
对环丙沙星光降解的影响见图 3.当反应液中不含
藻时 ,环丙沙星反应 120min 后的的降解率为
46.58%,随着小球藻浓度的增加,降解率也随之增
加,小球藻的浓度为 1×109cells/L时,环丙沙星反应
120min后的降解率达到 94.69%,说明小球藻对环
丙沙星的光降解有促进作用;且小球藻的浓度增
加到 5×108 cells/L时,反应体系中的环丙沙星能迅
速得到降解,降解率达到67.66%.在后续的试验中,
本试验选取小球藻的浓度为 5×108 cells/L.
2.2.2 藻浓度对自由基产量的影响 由图 4 可
见,随着小球藻浓度的增加,自由基的产量也随之
增加.小球藻浓度较低时,自由基产量增加的趋势
较缓,当藻浓度大于 1×108 cells/L时,自由基的产
量快速增加,最终可达到 260.38μmol/L(1×109
666 中 国 环 境 科 学 33卷

cells/L).

0 20 40 60 80 100 120
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
降
解
率
(%
)
反应时间(min)
图 3 小球藻不同浓度下的环丙沙星光降解率
Fig.3 Photodegradation rate of ciprofloxacin by chlorella
in different concentration
无藻
1×107cells/L 5×107cells/L 1×108cells/L
5×108cells/L 1×109cells/L

100
200
0 1×1091×108 5×1085×1071×107
自
由
基
产
量
(m
ol
/L
)
藻浓度(cells/L)
图 4 小球藻不同浓度下的自由基产量
Fig.4 Production of free radical by chlorella in different
concentration
藻类对有机物的光降解有着重要的作用[12],
其属于光敏化的活性物质,在光照尤其是紫外光
下产生自由基能促进水中有机物的降解;有研究
表明天然水体中存在的过氧化氢其一个重要的
来源途径即是藻类生成的[13].
2.3 小球藻破碎时间变化的影响
2.3.1 藻破碎时间对环丙沙星光降解率的影
响 初始浓度为 20mg/L 的环丙沙星与浓度 5
108cells/L 的小球藻在超声功率为 100W 的条件
下改变破碎时间,考察小球藻对于环丙沙星光降
解的影响见图 5.经超声破碎后的小球藻对于环
丙沙星的光降解有明显的促进作用,环丙沙星在
未经破碎的小球藻作用下降解率仅为 75.8%,在
经 30min 超声破碎的小球藻作用下的降解率达
到 86.7%.

0 5 10 15 20 25 30
74
76
78
80
82
84
86
88
降
解
率
(%
)
破碎时间(min)
图 5 小球藻不同破碎时间下环丙沙星光降解率
Fig.5 Photodegradation rate of ciprofloxacin by chlorella
in different ultrasonic broken time
小球藻液经超声破碎后,细胞壁、细胞膜及
部分细胞器被破坏,从而释放出有利于促进环丙
沙星光降解的有机物质.据报道[14],藻液经超声
破碎后释放出 5 个分子质量群的有机物质,破碎
时间越长,释放出大分子量的有机物越多,当破碎
时间达到 30min 时,分子质量群中的大分子有机
物占到近 50%;这些大分子有机物在紫外光的照
射下产生大量的活性氧,从而进一步氧化环丙沙
星,使其降解率增加.

0 5 10 15 20 25 30
200
220
240
260
280
300
320
自
由
基
产
量
(m
ol
/L
)
破碎时间(min)
图 6 小球藻不同破碎时间下的自由基产量
Fig.6 Production of free radical by chlorella in different
ultrasonic broken time
4期 朱小燕等：小球藻引发水中环丙沙星的光降解效能研究 667

2.3.2 藻破碎时间对自由基产量的影响 小球
藻超声破碎时间的增加对自由基产生量的影响
见图 6.随着小球藻破碎时间的延长,自由基的产
量也随之增加;且藻破碎时间小于 20min 时自由
基产量随破碎时间增加呈现快速上升的趋势,破
碎时间再延长上升趋势明显减缓.
2.4 小球藻破碎功率变化的影响
2.4.1 藻破碎功率对环丙沙星光降解率的影
响 初始浓度为 20mg/L 的环丙沙星与浓度 5
108cells/L 的小球藻在超声时间为 20min 的条件
下改变破碎功率,考察小球藻对于环丙沙星光降
解的影响见图 7.小球藻的破碎功率为 100W 时,
环丙沙星的降解率最高为 93.4%.小球藻的破碎
功率为 72W时,环丙沙星的降解率最低为 89.5%,
小球藻的破碎功率在 72~100W和 162~180W两
个阶段内,环丙沙星的降解率呈现上升趋势,小球
藻的破碎功率在 100~162W 内,环丙沙星的降解
率呈现减小的趋势.

60 80 100 120 140 160 180
89
90
91
92
93
94
降
解
率
(%
)
破碎功率(W)
图 7 小球藻不同破碎功率下的环丙沙星光降解率
Fig.7 Photodegradation rate of ciprofloxacin by chlorella
in different ultrasonic broken power
小球藻藻液经超声破碎后释放出的有机物
质,在紫外光的作用下会产生多种活性氧,从而氧
化环丙沙星.在破碎功率小于 100W 时,随着破碎
功率的增加,藻细胞被破碎释放出有利于促进药
物降解的有机物质也随之增多;当破碎功率大于
100W 时,藻细胞释放出的有利有机物随功率的
增大反而被破坏[15],使得其对环丙沙星光降解的
促进作用减弱,环丙沙星的降解率减小.
2.4.2 藻破碎功率对自由基产量的影响 由图 8
可见,随着小球藻破碎功率的增加,自由基的产量
先增大后减小;且藻的破碎功率为 100W时,其光
致产生的自由基量最大为 313.4μmol/L.

60 80 100 120 140 160 180
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
320
自
由
基
的
产
量
(m
ol
/L
)
破碎功率(W)
图 8 小球藻不同破碎功率下的自由基产量
Fig.8 Production of free radical by chlorella in different
ultrasonic broken power
超声波的振动力使得细胞的细胞壁和细胞
器遭到破坏,超声的功率逐渐增大则细胞被破坏
的程度越大,从而产生更多的光敏剂(腐植酸和
棕黄酸等)[16],在紫外光照下产生大量的自由基.
2.5 自由基产量和药物降解率的关系
对小球藻在不同藻浓度、不同破碎时间和不
同破碎功率三种情况下光致产生的自由基量和
引发环丙沙星的光降解量的数据进行相关性拟
合分析,见图 9.

50 100 150 200 250 300 350
8
10
12
14
16
18 藻浓度
破碎时间
破碎功率
降
解
量
(m
g/
L)

自由基产量(mol/L)
图 9 自由基产量与药物降解量的关系
Fig.9 Relationship between free radical production and
ciprofloxacin degradation quantity
668 中 国 环 境 科 学 33卷

小球藻浓度变化引发的自由基产量和环丙
沙星降解量的数据进行线性回归得到的方程为
y=0.05226x+4.52235,相关性表征 R2=0.9659;破碎
时间变化引发的自由基量和环丙沙星降解量的
数据进行线性回归得到的方程为 y=0.02209x+
9.50453,相关性表征 R2=0.85734;破碎功率变化
引发的自由基量和环丙沙星降解量的数据进行
线性回归得到的方程为 y=0.01716x+12.33099,相
关性表征 R2=0.93858;表明 3种影响因素作用下,
小球藻光致产生的自由基量和引发环丙沙星的
光降解量具有良好的线性相关性;因此,小球藻对
环丙沙星光降解的促进作用与其光致能产生自
由基有直接的关联.
3 结论
3.1 环丙沙星的光降解率随着藻浓度的增加而
增大.小球藻的浓度达到 5×108cells/L 时,对环丙
沙星的光降解的促进作用明显增强;藻浓度增加,
自由基的产量也随之增加;当藻浓度大于 1×108
cells/L时,自由基的产量增速更加明显.
3.2 随着小球藻超声时间的延长,其对环丙沙
星光降解的促进作用也更加明显.藻液破碎时间
为 20min 时,环丙沙星的降解率达 84.6%,继续增
加破碎时间对降解率贡献不大;藻破碎时间延长,
自由基的产量也随之增加;但藻的破碎时间大于
20min时,自由基的产量增幅变缓.
3.3 小球藻超声功率为 100W时,对环丙沙星光
降解的促进作用最强,降解率可达 93.4%;藻破碎
功率增加,自由基的产量呈现先增大后减小的趋
势;且在破碎功率为 100W时,自由基的产量最大
为 313.4μmol/L.
3.4 不管小球藻液的条件如何变化,其光致产
生的自由基量和引发环丙沙星的光降解量均存
在一定的线性相关性,说明小球藻对环丙沙星光
降解的促进作用与其光致能产生自由基有直接
的关联.
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致谢：本试验场地由江苏省水处理与生态修复工程技术研究中心
提供,在此表示衷心的感谢.

作者简介：朱小燕(1987-),女,江苏盐城人,东南大学市政工程系硕
士研究生,研究方向为含抗生素污水中的环丙沙星和诺氟沙星在小
球藻和栅藻作用下的光降解去除效率及初步的反应机理.