近日，环境与健康科学研究院师生在环境科学与工程领域高影响力期刊Water Research发表题为“Sulfonamide Disinfection Byproducts Exhibited Severe Toxicity to Human Commensal Bacteria”的研究论文（Cai et al. Water Research, 2024, 256, 121551）。

论文工作研究了5种常见磺胺类化合物（磺胺二甲嘧啶、磺胺吡啶、磺胺噻唑、磺胺嘧啶、磺胺二甲异唑）氯化消毒反应的动力学，采用色谱-质谱方法检测出多个以前未见报道的反应中间体，发现磺胺噻唑、磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶的氯化反应液严重抑制人源共生菌的生长，结合化学分析和毒性测试数据推测了氯化反应液中的高危害中间体。

研究背景

抗生素广泛应用于医疗、畜牧业和养殖业。由于生物体不能完全吸收抗生素，大量的抗生素被释放到环境中。磺胺类抗生素具有化学反应活性较高的官能团，在氯化消毒处理时易发生脱磺化、氯取代、氧化、水解等反应生成多种消毒副产物。有限的研究发现，氯化后磺胺类抗生素的抗菌活性增加，说明部分反应中间体活性较高，具有潜在危害，但对这些高活性消毒副产物并不明晰。

研究的主要内容

工作首先研究了磺胺类抗生素氯化反应的动力学，发现磺胺二甲异唑的氯化率最高，20秒内可降解99%以上。其次是磺胺吡啶、磺胺二甲嘧啶和磺胺噻唑，在5分钟内降解率分别为98%、98%和84%，而磺胺嘧啶在反应10分钟后也没有明显降解。磺胺类抗生素的氯化反应均符合二级反应动力学。五种磺胺类抗生素的氯化反应液中检测到大量的反应中间体。在氯化反应中，磺胺类抗生素上的S-N键和苯胺上的胺基是氯的主要攻击位点。

因此，氯取代、S-N键断裂、S-C键断裂、羟基化、氧化和脱硫是氯化反应的主要途径，但具体途径在5种磺胺类抗生素中有所不同。除了常见的消毒副产物氯代乙酸，本研究还检测到16个反应中间体，这些中间体均为首次检测到。进一步采用唾液链球菌K12，研究了氯化产物的毒性效应。唾液链球菌K12是一种人类共生菌，在人体消化系统分泌细菌素，抑制致病菌的生长。

结果发现，氯化30 min后，磺胺二甲基嘧啶、磺胺噻唑和磺胺嘧啶反应液均表现出严重毒性，完全抑制了细菌的生长，而其他两个抗生素的抑制作用分别仅为50%和20%。通过毒性试验结果和质谱对比，确定了3种反应中间体m/z 187.2 (C10H10N4)、m/z 287.2 (C9H7N3O4S2)和m/z 215 (C7H10N4O2S/C12H14N4)是氯化产物中的主要毒性物质。

小结

综上所述，在消毒剂氯的攻击下，五种抗生素均能分解并产生众多的中间产物，且中间产物对人类共生细菌的生长具有较强的抑制作用。本研究证明了化学分析和毒性试验相结合的方法在鉴定有毒消毒副产物中的作用，并强调了在消毒副产物的毒性评价和风险评估方面进行更多研究的必要性。

文献详情

论文第一作者为2019级硕士研究生蔡东明，通讯作者为李敏杰教授和郭良宏研究员。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135424004536.

Sulfonamide Disinfection Byproducts Exhibited Severe Toxicity to Human Commensal Bacteria

DongMing Cai , Jinjian Ding , Fangfang Li , Guoqiang Zhuang , Minjie Li, Liang-Hong Guo

Water Research.

DOI：10.1016/j watres.2024.121551