典型土壤对土霉素的吸附研究1.doc

精品论文典型土壤对土霉素的吸附研究1齐会勉，乔显亮，吕亮 大连理工大学环境与生命学院工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁大连 (116024) e-mail: ,13478795908139.com摘要：抗生素是畜禽养殖和水产养殖中常用的一类化学品，可通过畜禽粪便的农业施用直接进入土壤环境。本文采用静态批量吸附实验，测定了土霉素（oxytetracycline, otc）在南 方地区两种代表性农田土中的吸附等温线，并考察了 ph 值和离子强度对 otc 吸附的影响。 结果表明，otc 在乌柵 土和红壤中的吸附，可分别使用 freundlich 和 langmuir 得到较好的 拟合效果；随着 ph 升高，乌柵 土和红壤对 otc 的吸附常数均呈降低趋势，与 ph 升高引起 otc 的价态变化有关；离子强度较明显抑制乌柵 土对 otc 的吸附，对红壤吸附 otc 影响 不大，可能与两种土壤吸附 otc 的机理不同有关。 关键词：土霉素；吸附；粘土矿物；金属氧化物中图分类号：x131.11引言四环素类抗生素能抑制蛋白质的合成，对防治畜禽的呼吸系统疾病及细菌性腹泻非常有 效，连续低浓度投药有较好的促生长效果1，是世界产量和销量最多的抗生素之一2，可通 过畜禽粪便的农业施用直接进入土壤环境。在土壤中残留较长时间，环境检出率较高3，可 能对生态健康和安全造成影响4，因而受到特别关注。吸附作用是影响抗生素持留、分布、 迁移、转化及最终归趋的关键过程，所以目前不少研究集中于抗生素的吸附行为研究，分别 对粘土矿物、有机质、金属氧化物等土壤组成的吸附行为进行了研究5-10，也有一部分有关 土壤的吸附研究的报道11,12，但研究相对较少。有关中国代表性土壤对四环素类抗生素吸附 的研究目前还鲜有报道。前人研究表明，土壤组成和性质（如粘土矿物类型、ph、cec 等）对四环素类抗生素 的吸附具有重要影响13-15。本研究选择我国南方地区两种具有代表性的乌栅土和红壤作为研 究介质，这两种土壤在 ph、矿物成分、有机质含量和阳离子交换量（cec）等指标都具有 较大的对比性。通过静态吸附平衡实验，研究其对用量最大的四环素类抗生素土霉素（oxytetracycline, otc）的吸附行为，具体考察了等温吸附，ph、离子强度等因素的影响， 本研究对于四环素类抗生素的生态风险评价及归趋研究具有一定的学术价值。2材料和方法2.1 供试土壤供试土壤分别为：江西鹰潭地区的红壤（red soil，发育于第四纪红色粘土母质）和江 苏常熟地区的乌柵土（wushan soil，育于黄土状的湖积母质）。样品除去杂物，经自然风干 后，研磨过 100 目筛。采用常规方法测定土壤的主要理化性质：ph 值采用电位法；有机质 含量采用重铬酸钾氧化外加热法；易还原铁氧化物含量采用草酸铵缓冲溶液提取，邻菲罗啉 显色法；cec 采用乙酸铵交换法。结果参见表 1。1本课题得到国家 973 课题(2006cb403302)和国家自然科学基金基金(20607005，20877014)的资助。-7-表 1 土壤样品的理化性质tab.1 physicochemical properties of soil samples土样phom%fe2o3%al2o3%cec（cmol/kg）矿物组成红壤4.90.486.617.419.42以高岭石为主乌柵土7.23.895.515.416.33以蒙脱石为主2.2 吸附实验及测定方法等温吸附实验：用去离子水配制 100ppm 的 otc 母液于 4冰箱中避光保存。准确称取0.0400g 土样于 100ml 具塞锥形瓶中，加入一定量的 otc 水溶液，并分别以 10mm、100mm的 nacl 作为支持电解质，终体积为 25ml。然后用微量的 naoh 和 hcl 调土壤水溶液的 ph 为 5.30.2，加盖后置于黑暗条件下恒温（252）振荡 22h，以 4000r/min 离心 10min（anke tdl-5-a），上清液过 0.22m 微孔滤膜后，用 hplc/uv（agilent 1100）测定平衡液中 otc 的浓度，并根据初始溶液和平衡溶液中 otc 浓度的差值计算 otc 的吸附量。otc 初始浓 度有五个：10、20、60、80、100mg/l，每个浓度点至少包括两个重复，对应每一种浓度的otc 溶液作空白实验。otc 的 hplc 测定条件：agilent 1100 型高效液相色谱议，配有二极管阵列检测器和 hypersil bds (c18，250 mm 4.6 mm i.d., 5.0 m)色谱柱。流动相 b 为甲醇（100%），c 为 甲酸（1% ph=3），d 为乙腈（100%），等度条件为 b:c:d=10:80:10。流速为 1.5 ml/min，柱 温 35，检测波长 355nm，进样量 50l，保留时间为 6.45min。2.3 数据处理（1）土壤/水分配系数的计算 污染物在土壤中吸附能力的大小通常用土壤/水分配系数（kd）表示，kd 值越大吸附作用越强，计算公式如下：cs = (c0- cw)vw/mskd = cs/ cw其中 cs、cw 分别为吸附平衡时固相和液相中 otc 的浓度，单位分别为 mg/kg、mg/l；c0 为 otc 的初始浓度，mg/l；vw 为吸附体系的溶液体积，l；ms 为吸附体系中吸附介质的 质量，kg。kd 为土壤水分配系数，单位为 l/kg。（2）等温线拟合方程本文采用 freundlich 模型以及 langmuir 模型进行实验数据的回归分析。freundlich 模型公式：lncs = lnkf + 1/nlncwalangmuir 模型公式：cw/cs = cw/q + q/bba 式中，cs 和 cw 分别为吸附平衡时吸附质在固相和液相中的浓度，单位分别为 mg/kg 和 mg/l；kf 为 freundlich 平衡分配系数（l/kg）；n 是非线性指数，用以指示吸附等温线的 非线性特征；b 式中 cs 和 cw 同上，q 为饱和吸附量(mg/kg)；b 为与吸附能量有关的常数。3结果与讨论3.1 ph 对 otc 吸附的影响作为一种典型的离子型有机物，otc 分子（见图 1）具有 3 个 pka(3.57、7.49 和 9.44)， 分别对应烯醇羟基(c1:c2:c3)、酚二酮(c10:c11:c12)和二甲胺(c4)3 个官能团，在酸性、中 性和碱性条件下分别带有正电荷、两性零电荷和负电荷16。土壤 ph 随土壤类型和组成的不同而有较大的变化，可通过改变抗生素的电荷状态对其吸附产生显著影响17。如图 2 所示， 酸性条件下，乌栅土和红壤对 otc 的吸附量较大，随着 ph 值的升高 kd 值均降低，吸附趋 势相似。根据文献报道，酸性条件下 otc 主要以带正电荷的 otc+形态存在，otc+可通过 阳离子交换大量吸附到土壤表面带负电的吸附位点。随着 ph 值升高，土壤水溶液中 otc+的比例明显减少，带零电荷的 otc0 和负电荷的 otc-增多，由于电性的排斥，两种土壤对otc 的吸附能力均呈降低趋势。ph 值在 4-6 范围内，乌栅土对 otc 的 kd 值明显高于红壤，推测可能与二者的主要粘 土矿物类型以及 cec 值不同有关。根据前人的研究，粘土矿物在土壤吸附 otc 过程中起重 要贡献18。乌栅土中的粘土矿物以蒙脱石为主，蒙脱石表面因带有大量永久负电荷而具有 较强的离子交换能力，可与带正电的 otc+发生阳离子交换，吸附能力较强，因此 kd 值较高； 而红壤中含有的高岭石表面电荷随 ph 变化大，阳离子交换作用弱，故 kd 值较低。cec 可 以直观地反映土壤阳离子交换能力的强弱，一般 cec 越高，阳离子交换作用越强。从表观 看，红壤的 cec 反而大于乌栅土，分别为 19.42 和 16.33 cmol/kg。酸性红壤中 cec 的吸附 位点主要来源于所含的高岭石和铁铝氧化物，属于可变电荷，所带的电荷数量和电性受 ph 影响显著。cec 值是在中性（ph 7.0）下测定的，并不能真实反应本吸附实验条件下，红壤（ph=4-9）的带电量和 cec 水平11。在 ph4-6 范围内，红壤的 cec 应远低于表观测试的cec 水平，因此表现出对 otc 的 kd 显著低于乌栅土。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图 1 otc 的分子结构（a）及水溶液中形态分布（b）fig.1 otc molecular structure and speciation diagram in water solution50004000wushan soilred soilkd (l/kg)30002000100004 5 6 7 8 9ph图 2 不同 ph 条件，乌栅土和红壤对 otc 的吸附fig 2 otc sorption to wushan soil and red soil at different ph3.2 对 otc 的等温吸附吸附等温线可以反映出吸附介质的表面性质、吸附位分布情况以及吸附介质与吸附质之 间的相互作用等信息19,20。为了更好地比较两种土壤对 otc 的吸附差异，本研究采用相同的实验条件（土壤水溶液 ph 值均调整在 5.30.2 的范围内，离子强度均为 10mm），研究了乌柵土和红壤对 otc 的等温吸附。由吸附结果（图 3）可以看出，两种土壤对 otc 的等温 吸附均表现出非线性特征，吸附量均随平衡溶液中 otc 浓度的增加而增加，起初增加的斜 率较大，后来逐渐减缓下来，这对于吸附作用较弱的红壤尤为明显。当平衡液中 otc 的浓 度较低时，两种土壤表面均有足够的吸附位，可以吸附大部分 otc，在吸附等温线中表现 为相近的吸附量；当加入浓度较大时，otc 在乌柵土上的吸附量较红壤增加明显，说明此 时乌栅土表面还有较多的吸附位，而红壤表面的吸附位已接近饱和，otc 被进一步吸附的 难度加大，故等温线趋于平缓。3500028000cs (mg/kg)210001400070000wushan soilred soil0 8 16 24 32 40 48cw (mg/l)4.5图 3 离子强度为 10mm nacl，ph = 5.3，供试土样对 otc 的等温吸附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图 4 对 otc 等温吸附的 freundlich 和 langmuir 拟合曲线fig.4 the fitting curves of otc isothermal adsorption using freundlich and langmuir models用平衡法研究土壤体系吸附现象时，常采用 freundlich 和 langmuir 吸附方程来描述实验结果。一般认为，土壤中许多吸附数据都能比较好地用 freundlich 方程来描述，适用浓度范 围较宽19。而 langmuir 方程假设吸附介质表面是均匀的，吸附是单分子层的，可以求出物 理意义较明确的常数，如最大吸附量20。将吸附实验数据分别按前文提到的 freundlich 和 langmuir 公式进行回归分析，得到 otc 吸附的拟合曲线（图 4）和回归参数（表 2）。乌栅 土对 otc 的吸附结果，用 freundlich 方程拟合的效果好于 langmuir 方程，相关系数（r2） 分别为 0.9126 和 0.6730，且非线性指数 n 小于 1，表明乌栅土表面能量分布不均一，otc 在乌栅土表面的吸附过程表现出非线性特征。otc 在红壤中的等温吸附，使用 freundlich 和 langmuir 方程拟合的相关系数分别为 0.9131 和 0.9858，拟合效果后者稍好于前者，推测 otc 在红壤表面发生的很可能是单层吸附。另外，通过比较两种土壤的 kf 和 q 值的大小可 以看出，乌柵土对 otc 具有更强的吸附能力，这与前面得出的结论一致。综上，乌栅土与 红壤对 otc 的表面吸附行为存在较大差异。3.3 离子强度对 otc 等温吸附的影响na+、k+等一价金属离子主要通过阳离子交换作用，与 otc+或 otc0 竞争吸附位而对吸 附产生影响21。为了进一步了解 otc 在两种土壤表面吸附机理的差异，本实验测定了两种 离子强度（10 mm 和 100 mm）下 otc 的等温吸附情况。乌柵土和红壤吸附 otc 过程中， 均观察到了离子强度的竞争作用（见图 5），且在较宽的 otc 浓度范围内均对乌柵土吸附 otc 产生较大影响，红壤对 otc 的吸附只在较高 otc 浓度时，受到了离子强度的抑制， 推测这种差异主要是由吸附机理不同造成的。表 2 otc 吸附模型参数tab.2 the simulated parameters of otc sorption models吸附介质freundlich 模型langmuir 模型nkfr2q/e4b/e7r2乌柵土0.833951.210.91265.0016.700.6730红 壤0.423215.350.91312.006.670.9858乌柵土中的蒙脱石因带有大量永久性负电荷而附着大量阳离子，otc 在 ph5.3 左右主要以 otc+和 otc0 存在，主要通过阳离子交换吸附到蒙脱石的表面，当离子强度由 10 mm 增加到 100 mm，溶液中 na+量增多，因 na+同样通过阳离子交换被吸附，与 otc+和 otc0 竞争吸附位的作用增强，故抑制作用更明显。而红壤表面以可变电荷为主，高岭土的 cec 一般只有蒙脱石的十分之一22，阳离子交换作用较弱，本课题组对纯矿物的研究也表明， 蒙脱石的吸附能力是高岭土的几十倍23，而实际红壤对 otc 的吸附水平并不是很低，相当 于乌栅土吸附量的一半，故推测红壤中可能存在别的固定机制。前人研究指出，四环素类抗 生素可以与吸附剂表层的多价态金属离子，如 fe3+、al3+、mn2+、ca2+等发生络合而被吸附 24-26。红壤中铁、锰、铝等金属氧化物含量较高，大部分以结晶态存在，实验测得的 fe2o3% 和 al2o3%仅为易还原量，推测 otc 除部分通过阳离子交换外，主要通过与金属氧化物表层 的金属离子络合而被吸附，故 otc 的吸附受离子强度影响不明显。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)图 5 离子强度分别为 10mm 和 100mm nacl 时，otc 的吸附等温线fig.5 isothermal adsoption of otc on soil samples at two ionic strengths: 10 mm and 100 mm4总结（1）ph 值 4-6 范围内，otc 在乌柵土的吸附常数 kd 显著高于酸性红壤，可能与两种 土壤所带电荷的来源和属性有关。随着 ph 由 4 升高至 9，乌柵土和红壤对 otc 的吸附常数 kd 都呈降低趋势，是由于 ph 升高引起 otc 的形态变化，带正电的 otc+减少所致。（2）otc 在乌柵土和红壤中的吸附，表现出明显的非线性特征，可分别使用 freundlich和 langmuir 等温式得到较好的拟合效果。（3）离子强度对乌柵土吸附 otc 的抑制作用较明显，对红壤吸附 otc 影响不大，可能由于乌栅土中阳离子交换对 otc 吸附起重要作用，而红壤中金属氧化物的络合作用起重 要贡献有关。参考文献1 张致平，蔡年生. 几类重要抗生素的发展现状与主要研究方向j. 中国抗生素杂志, 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 徐维海，张干，邹世春等. 香港维多利亚港和珠江广州河段水体中抗生素的含量特征及其季节变化j.环境科学, 2006, 27(12): 2458-24624 halling-srensen b, nors nielsen s, lanzky pf, et al. occurrence, fate, and effects of pharmaceutical substances in the environment a review j. chemosphere, 1998, 36(2): 357-3935 tolls j. sorption of veterinary pharmaceuticals in soils: a review j. environ. sci. technol., 2001, 35(17):3397-34066 kulshrestha p, giese rf jr, aga ds. investigating the molecular interactions of oxytetracycline in clay and organic matter: insights on factors affecting its mobility in soil j. environ. sci. technol., 2004, 38(15):4097-41057 holten ltzhft hc, vaes whj, et al. influence of ph and other modifying factors on the distribution behavior of 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