典型土壤對(duì)土霉素的吸附研究1.doc

精品論文典型土壤對(duì)土霉素的吸附研究1齊會(huì)勉，喬顯亮，呂亮 大連理工大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)院工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 (116024) e-mail: ,13478795908139.com摘要：抗生素是畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖中常用的一類化學(xué)品，可通過畜禽糞便的農(nóng)業(yè)施用直接進(jìn)入土壤環(huán)境。本文采用靜態(tài)批量吸附實(shí)驗(yàn)，測定了土霉素（oxytetracycline, otc）在南 方地區(qū)兩種代表性農(nóng)田土中的吸附等溫線，并考察了 ph 值和離子強(qiáng)度對(duì) otc 吸附的影響。 結(jié)果表明，otc 在烏柵 土和紅壤中的吸附，可分別使用 freundlich 和 langmuir 得到較好的 擬合效果；隨著 ph 升高，烏柵 土和紅壤對(duì) otc 的吸附常數(shù)均呈降低趨勢，與 ph 升高引起 otc 的價(jià)態(tài)變化有關(guān)；離子強(qiáng)度較明顯抑制烏柵 土對(duì) otc 的吸附，對(duì)紅壤吸附 otc 影響 不大，可能與兩種土壤吸附 otc 的機(jī)理不同有關(guān)。 關(guān)鍵詞：土霉素；吸附；粘土礦物；金屬氧化物中圖分類號(hào)：x131.11引言四環(huán)素類抗生素能抑制蛋白質(zhì)的合成，對(duì)防治畜禽的呼吸系統(tǒng)疾病及細(xì)菌性腹瀉非常有 效，連續(xù)低濃度投藥有較好的促生長效果1，是世界產(chǎn)量和銷量最多的抗生素之一2，可通 過畜禽糞便的農(nóng)業(yè)施用直接進(jìn)入土壤環(huán)境。在土壤中殘留較長時(shí)間，環(huán)境檢出率較高3，可 能對(duì)生態(tài)健康和安全造成影響4，因而受到特別關(guān)注。吸附作用是影響抗生素持留、分布、 遷移、轉(zhuǎn)化及最終歸趨的關(guān)鍵過程，所以目前不少研究集中于抗生素的吸附行為研究，分別 對(duì)粘土礦物、有機(jī)質(zhì)、金屬氧化物等土壤組成的吸附行為進(jìn)行了研究5-10，也有一部分有關(guān) 土壤的吸附研究的報(bào)道11,12，但研究相對(duì)較少。有關(guān)中國代表性土壤對(duì)四環(huán)素類抗生素吸附 的研究目前還鮮有報(bào)道。前人研究表明，土壤組成和性質(zhì)（如粘土礦物類型、ph、cec 等）對(duì)四環(huán)素類抗生素 的吸附具有重要影響13-15。本研究選擇我國南方地區(qū)兩種具有代表性的烏柵土和紅壤作為研 究介質(zhì)，這兩種土壤在 ph、礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量和陽離子交換量（cec）等指標(biāo)都具有 較大的對(duì)比性。通過靜態(tài)吸附平衡實(shí)驗(yàn)，研究其對(duì)用量最大的四環(huán)素類抗生素土霉素（oxytetracycline, otc）的吸附行為，具體考察了等溫吸附，ph、離子強(qiáng)度等因素的影響， 本研究對(duì)于四環(huán)素類抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及歸趨研究具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。2材料和方法2.1 供試土壤供試土壤分別為：江西鷹潭地區(qū)的紅壤（red soil，發(fā)育于第四紀(jì)紅色粘土母質(zhì)）和江 蘇常熟地區(qū)的烏柵土（wushan soil，育于黃土狀的湖積母質(zhì)）。樣品除去雜物，經(jīng)自然風(fēng)干 后，研磨過 100 目篩。采用常規(guī)方法測定土壤的主要理化性質(zhì)：ph 值采用電位法；有機(jī)質(zhì) 含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；易還原鐵氧化物含量采用草酸銨緩沖溶液提取，鄰菲羅啉 顯色法；cec 采用乙酸銨交換法。結(jié)果參見表 1。1本課題得到國家 973 課題(2006cb403302)和國家自然科學(xué)基金基金(20607005，20877014)的資助。-7-表 1 土壤樣品的理化性質(zhì)tab.1 physicochemical properties of soil samples土樣phom%fe2o3%al2o3%cec（cmol/kg）礦物組成紅壤4.90.486.617.419.42以高嶺石為主烏柵土7.23.895.515.416.33以蒙脫石為主2.2 吸附實(shí)驗(yàn)及測定方法等溫吸附實(shí)驗(yàn)：用去離子水配制 100ppm 的 otc 母液于 4冰箱中避光保存。準(zhǔn)確稱取0.0400g 土樣于 100ml 具塞錐形瓶中，加入一定量的 otc 水溶液，并分別以 10mm、100mm的 nacl 作為支持電解質(zhì)，終體積為 25ml。然后用微量的 naoh 和 hcl 調(diào)土壤水溶液的 ph 為 5.30.2，加蓋后置于黑暗條件下恒溫（252）振蕩 22h，以 4000r/min 離心 10min（anke tdl-5-a），上清液過 0.22m 微孔濾膜后，用 hplc/uv（agilent 1100）測定平衡液中 otc 的濃度，并根據(jù)初始溶液和平衡溶液中 otc 濃度的差值計(jì)算 otc 的吸附量。otc 初始濃 度有五個(gè)：10、20、60、80、100mg/l，每個(gè)濃度點(diǎn)至少包括兩個(gè)重復(fù)，對(duì)應(yīng)每一種濃度的otc 溶液作空白實(shí)驗(yàn)。otc 的 hplc 測定條件：agilent 1100 型高效液相色譜議，配有二極管陣列檢測器和 hypersil bds (c18，250 mm 4.6 mm i.d., 5.0 m)色譜柱。流動(dòng)相 b 為甲醇（100%），c 為 甲酸（1% ph=3），d 為乙腈（100%），等度條件為 b:c:d=10:80:10。流速為 1.5 ml/min，柱 溫 35，檢測波長 355nm，進(jìn)樣量 50l，保留時(shí)間為 6.45min。2.3 數(shù)據(jù)處理（1）土壤/水分配系數(shù)的計(jì)算 污染物在土壤中吸附能力的大小通常用土壤/水分配系數(shù)（kd）表示，kd 值越大吸附作用越強(qiáng)，計(jì)算公式如下：cs = (c0- cw)vw/mskd = cs/ cw其中 cs、cw 分別為吸附平衡時(shí)固相和液相中 otc 的濃度，單位分別為 mg/kg、mg/l；c0 為 otc 的初始濃度，mg/l；vw 為吸附體系的溶液體積，l；ms 為吸附體系中吸附介質(zhì)的 質(zhì)量，kg。kd 為土壤水分配系數(shù)，單位為 l/kg。（2）等溫線擬合方程本文采用 freundlich 模型以及 langmuir 模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析。freundlich 模型公式：lncs = lnkf + 1/nlncwalangmuir 模型公式：cw/cs = cw/q + q/bba 式中，cs 和 cw 分別為吸附平衡時(shí)吸附質(zhì)在固相和液相中的濃度，單位分別為 mg/kg 和 mg/l；kf 為 freundlich 平衡分配系數(shù)（l/kg）；n 是非線性指數(shù)，用以指示吸附等溫線的 非線性特征；b 式中 cs 和 cw 同上，q 為飽和吸附量(mg/kg)；b 為與吸附能量有關(guān)的常數(shù)。3結(jié)果與討論3.1 ph 對(duì) otc 吸附的影響作為一種典型的離子型有機(jī)物，otc 分子（見圖 1）具有 3 個(gè) pka(3.57、7.49 和 9.44)， 分別對(duì)應(yīng)烯醇羥基(c1:c2:c3)、酚二酮(c10:c11:c12)和二甲胺(c4)3 個(gè)官能團(tuán)，在酸性、中 性和堿性條件下分別帶有正電荷、兩性零電荷和負(fù)電荷16。土壤 ph 隨土壤類型和組成的不同而有較大的變化，可通過改變抗生素的電荷狀態(tài)對(duì)其吸附產(chǎn)生顯著影響17。如圖 2 所示， 酸性條件下，烏柵土和紅壤對(duì) otc 的吸附量較大，隨著 ph 值的升高 kd 值均降低，吸附趨 勢相似。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，酸性條件下 otc 主要以帶正電荷的 otc+形態(tài)存在，otc+可通過 陽離子交換大量吸附到土壤表面帶負(fù)電的吸附位點(diǎn)。隨著 ph 值升高，土壤水溶液中 otc+的比例明顯減少，帶零電荷的 otc0 和負(fù)電荷的 otc-增多，由于電性的排斥，兩種土壤對(duì)otc 的吸附能力均呈降低趨勢。ph 值在 4-6 范圍內(nèi)，烏柵土對(duì) otc 的 kd 值明顯高于紅壤，推測可能與二者的主要粘 土礦物類型以及 cec 值不同有關(guān)。根據(jù)前人的研究，粘土礦物在土壤吸附 otc 過程中起重 要貢獻(xiàn)18。烏柵土中的粘土礦物以蒙脫石為主，蒙脫石表面因帶有大量永久負(fù)電荷而具有 較強(qiáng)的離子交換能力，可與帶正電的 otc+發(fā)生陽離子交換，吸附能力較強(qiáng)，因此 kd 值較高； 而紅壤中含有的高嶺石表面電荷隨 ph 變化大，陽離子交換作用弱，故 kd 值較低。cec 可 以直觀地反映土壤陽離子交換能力的強(qiáng)弱，一般 cec 越高，陽離子交換作用越強(qiáng)。從表觀 看，紅壤的 cec 反而大于烏柵土，分別為 19.42 和 16.33 cmol/kg。酸性紅壤中 cec 的吸附 位點(diǎn)主要來源于所含的高嶺石和鐵鋁氧化物，屬于可變電荷，所帶的電荷數(shù)量和電性受 ph 影響顯著。cec 值是在中性（ph 7.0）下測定的，并不能真實(shí)反應(yīng)本吸附實(shí)驗(yàn)條件下，紅壤（ph=4-9）的帶電量和 cec 水平11。在 ph4-6 范圍內(nèi)，紅壤的 cec 應(yīng)遠(yuǎn)低于表觀測試的cec 水平，因此表現(xiàn)出對(duì) otc 的 kd 顯著低于烏柵土。a)b)hoch3hh3cohn hch3pka3 = 9.44oh1.0mass fraction0.80.67 6 5 48 3d c b a0.491011oho11a212 1ohoh 12a oonh20.20.02 3 4 5 6 7 8 9phpka2 = 7.49pka1 = 3.57圖 1 otc 的分子結(jié)構(gòu)（a）及水溶液中形態(tài)分布（b）fig.1 otc molecular structure and speciation diagram in water solution50004000wushan soilred soilkd (l/kg)30002000100004 5 6 7 8 9ph圖 2 不同 ph 條件，烏柵土和紅壤對(duì) otc 的吸附fig 2 otc sorption to wushan soil and red soil at different ph3.2 對(duì) otc 的等溫吸附吸附等溫線可以反映出吸附介質(zhì)的表面性質(zhì)、吸附位分布情況以及吸附介質(zhì)與吸附質(zhì)之 間的相互作用等信息19,20。為了更好地比較兩種土壤對(duì) otc 的吸附差異，本研究采用相同的實(shí)驗(yàn)條件（土壤水溶液 ph 值均調(diào)整在 5.30.2 的范圍內(nèi)，離子強(qiáng)度均為 10mm），研究了烏柵土和紅壤對(duì) otc 的等溫吸附。由吸附結(jié)果（圖 3）可以看出，兩種土壤對(duì) otc 的等溫 吸附均表現(xiàn)出非線性特征，吸附量均隨平衡溶液中 otc 濃度的增加而增加，起初增加的斜 率較大，后來逐漸減緩下來，這對(duì)于吸附作用較弱的紅壤尤為明顯。當(dāng)平衡液中 otc 的濃 度較低時(shí)，兩種土壤表面均有足夠的吸附位，可以吸附大部分 otc，在吸附等溫線中表現(xiàn) 為相近的吸附量；當(dāng)加入濃度較大時(shí)，otc 在烏柵土上的吸附量較紅壤增加明顯，說明此 時(shí)烏柵土表面還有較多的吸附位，而紅壤表面的吸附位已接近飽和，otc 被進(jìn)一步吸附的 難度加大，故等溫線趨于平緩。3500028000cs (mg/kg)210001400070000wushan soilred soil0 8 16 24 32 40 48cw (mg/l)4.5圖 3 離子強(qiáng)度為 10mm nacl，ph = 5.3，供試土樣對(duì) otc 的等溫吸附fig.3 isothermal adsoption of otc on soil samples at 10 mm nacl, ph = 5.30.0030wushan soil4.2lncswushan soilred soil0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 lncw0.0024cw/cs0.00180.00120.00060.0000red soil0 10 20 30 40 50cw圖 4 對(duì) otc 等溫吸附的 freundlich 和 langmuir 擬合曲線fig.4 the fitting curves of otc isothermal adsorption using freundlich and langmuir models用平衡法研究土壤體系吸附現(xiàn)象時(shí)，常采用 freundlich 和 langmuir 吸附方程來描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。一般認(rèn)為，土壤中許多吸附數(shù)據(jù)都能比較好地用 freundlich 方程來描述，適用濃度范 圍較寬19。而 langmuir 方程假設(shè)吸附介質(zhì)表面是均勻的，吸附是單分子層的，可以求出物 理意義較明確的常數(shù)，如最大吸附量20。將吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別按前文提到的 freundlich 和 langmuir 公式進(jìn)行回歸分析，得到 otc 吸附的擬合曲線（圖 4）和回歸參數(shù)（表 2）。烏柵 土對(duì) otc 的吸附結(jié)果，用 freundlich 方程擬合的效果好于 langmuir 方程，相關(guān)系數(shù)（r2） 分別為 0.9126 和 0.6730，且非線性指數(shù) n 小于 1，表明烏柵土表面能量分布不均一，otc 在烏柵土表面的吸附過程表現(xiàn)出非線性特征。otc 在紅壤中的等溫吸附，使用 freundlich 和 langmuir 方程擬合的相關(guān)系數(shù)分別為 0.9131 和 0.9858，擬合效果后者稍好于前者，推測 otc 在紅壤表面發(fā)生的很可能是單層吸附。另外，通過比較兩種土壤的 kf 和 q 值的大小可 以看出，烏柵土對(duì) otc 具有更強(qiáng)的吸附能力，這與前面得出的結(jié)論一致。綜上，烏柵土與 紅壤對(duì) otc 的表面吸附行為存在較大差異。3.3 離子強(qiáng)度對(duì) otc 等溫吸附的影響na+、k+等一價(jià)金屬離子主要通過陽離子交換作用，與 otc+或 otc0 競爭吸附位而對(duì)吸 附產(chǎn)生影響21。為了進(jìn)一步了解 otc 在兩種土壤表面吸附機(jī)理的差異，本實(shí)驗(yàn)測定了兩種 離子強(qiáng)度（10 mm 和 100 mm）下 otc 的等溫吸附情況。烏柵土和紅壤吸附 otc 過程中， 均觀察到了離子強(qiáng)度的競爭作用（見圖 5），且在較寬的 otc 濃度范圍內(nèi)均對(duì)烏柵土吸附 otc 產(chǎn)生較大影響，紅壤對(duì) otc 的吸附只在較高 otc 濃度時(shí)，受到了離子強(qiáng)度的抑制， 推測這種差異主要是由吸附機(jī)理不同造成的。表 2 otc 吸附模型參數(shù)tab.2 the simulated parameters of otc sorption models吸附介質(zhì)freundlich 模型langmuir 模型nkfr2q/e4b/e7r2烏柵土0.833951.210.91265.0016.700.6730紅 壤0.423215.350.91312.006.670.9858烏柵土中的蒙脫石因帶有大量永久性負(fù)電荷而附著大量陽離子，otc 在 ph5.3 左右主要以 otc+和 otc0 存在，主要通過陽離子交換吸附到蒙脫石的表面，當(dāng)離子強(qiáng)度由 10 mm 增加到 100 mm，溶液中 na+量增多，因 na+同樣通過陽離子交換被吸附，與 otc+和 otc0 競爭吸附位的作用增強(qiáng)，故抑制作用更明顯。而紅壤表面以可變電荷為主，高嶺土的 cec 一般只有蒙脫石的十分之一22，陽離子交換作用較弱，本課題組對(duì)純礦物的研究也表明， 蒙脫石的吸附能力是高嶺土的幾十倍23，而實(shí)際紅壤對(duì) otc 的吸附水平并不是很低，相當(dāng) 于烏柵土吸附量的一半，故推測紅壤中可能存在別的固定機(jī)制。前人研究指出，四環(huán)素類抗 生素可以與吸附劑表層的多價(jià)態(tài)金屬離子，如 fe3+、al3+、mn2+、ca2+等發(fā)生絡(luò)合而被吸附 24-26。紅壤中鐵、錳、鋁等金屬氧化物含量較高，大部分以結(jié)晶態(tài)存在，實(shí)驗(yàn)測得的 fe2o3% 和 al2o3%僅為易還原量，推測 otc 除部分通過陽離子交換外，主要通過與金屬氧化物表層 的金屬離子絡(luò)合而被吸附，故 otc 的吸附受離子強(qiáng)度影響不明顯。3500028000cs (mg/kg)210001400070000wushan soil10 mm nacl100 mm nacl1800015000120009000cs (mg/kg)60003000red soil10 mm nacl100 mm nacl0 8 16 24 32 40cw (mg/l)012 24 36 48 60 72cw (mg/l)圖 5 離子強(qiáng)度分別為 10mm 和 100mm nacl 時(shí)，otc 的吸附等溫線fig.5 isothermal adsoption of otc on soil samples at two ionic strengths: 10 mm and 100 mm4總結(jié)（1）ph 值 4-6 范圍內(nèi)，otc 在烏柵土的吸附常數(shù) kd 顯著高于酸性紅壤，可能與兩種 土壤所帶電荷的來源和屬性有關(guān)。隨著 ph 由 4 升高至 9，烏柵土和紅壤對(duì) otc 的吸附常數(shù) kd 都呈降低趨勢，是由于 ph 升高引起 otc 的形態(tài)變化，帶正電的 otc+減少所致。（2）otc 在烏柵土和紅壤中的吸附，表現(xiàn)出明顯的非線性特征，可分別使用 freundlich和 langmuir 等溫式得到較好的擬合效果。（3）離子強(qiáng)度對(duì)烏柵土吸附 otc 的抑制作用較明顯，對(duì)紅壤吸附 otc 影響不大，可能由于烏柵土中陽離子交換對(duì) otc 吸附起重要作用，而紅壤中金屬氧化物的絡(luò)合作用起重 要貢獻(xiàn)有關(guān)。參考文獻(xiàn)1 張致平，蔡年生. 幾類重要抗生素的發(fā)展現(xiàn)狀與主要研究方向j. 中國抗生素雜志, 1993, 18(2): 106-119 2 sarmah ak, meyer mt, boxall aba. a global perspective on the use, sales, exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics (vas) in the environment j. chemosphere, 2006, 65(5): 725-7593 徐維海，張干，鄒世春等. 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