（环境科学专业论文）泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密否 如需保密，解密时间年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名： 王舂右z 时问：西f 94 -占月 ，7 日 文的规定竹，即学生必 f 权保存提交论文的印 几缩印或扫描等复制 ：同方式在不同媒体上 、) 7 学位论文作者签名： 王右专) 导师签名： u 。 7 | 莎月，7 日 注：请将本表直接裟订在学位论文的扉页利目录之间 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 前言l 1 1 国内外抗生素的使用情况2 1 2 兽药抗生素在土壤环境中的行为2 1 2 1 兽药抗生素在土壤环境中的吸附2 1 2 2 兽药抗生素在土壤环境中的迁移。4 1 2 3 兽药抗生素在土壤环境中的降解4 1 3 抗生素对土壤生物的影响5 1 3 1 对微生物的影响。5 1 3 2 对植物的影响5 2 材料与方法7 2 1 供试材料7 2 1 1 泰乐菌素7 2 1 2 供试土壤和矿物7 2 2 土壤胶体和矿物的提取与合成7 2 2 1 土壤胶体的提取。7 2 2 2 不同类型土壤活性颗粒的制备7 2 2 3 粘土矿物的提取与合成7 2 3 土壤胶体或矿物基本性质的测定8 2 4 缓冲液的制备8 2 5 土壤胶体或矿物悬液的制备8 2 6 土壤胶体或矿物对泰乐菌素的吸附8 2 6 1 不同时间下泰乐菌素在土壤胶体和矿物表面的吸附8 2 6 2 等温吸附。9 2 6 3 不同电解质及浓度下泰乐菌素在土壤胶体或矿物表面的吸附9 2 6 4 土壤胶体或矿物表面泰乐菌素的解吸9 2 6 5h p l c 乡子析9 2 7 红外光谱分析9 2 7 1 土壤胶体或矿物悬液的制备。9 2 7 2 红外光谱实验准备工作1 0 2 7 3 红外光谱分析1o 2 8 泰乐菌素土壤胶体或矿物吸附热与吸附焓变的i t c 测定l o 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 2 8 1 微量热仪10 2 8 2 吸附热及吸附焓变测定1 0 2 8 3 环境条件对泰乐菌素土壤胶体或矿物吸附焓变的影响1 l 3 结果1 2 3 1 土壤胶体和矿物的表面性质j 1 2 3 2 泰乐菌素在土壤胶体或矿物表面的吸附。1 2 3 2 1 吸附时间的确定。1 2 3 2 2 等温吸附曲线l3 3 3 离子种类和强度对泰乐菌素吸附的影响1 6 3 4 吸附态泰乐菌素的解吸1 8 3 5 固定态泰乐菌素的红外光谱分析1 9 3 6 泰乐菌素在黑土胶体或矿物表面吸附的热效应2 4 3 6 1 泰乐菌素黑土胶体吸附的功率时间曲线2 4 3 6 2 泰乐菌素吸附的热力学参数2 7 3 6 3p h 对吸附焓变的影响2 8 3 6 4 离子强度对吸附焓变的影响2 9 4 讨论31 5 结论3 2 参考文献3 3 致 谢3 8 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 摘要 采集吉林公主岭的土壤，沉降虹吸法分离小于2 m 的土壤胶体，离心分离出0 2 2 g m 和小于0 2 m 的粗细粘粒，取部分粘粒经h 2 0 2 去有机质处理得到四种黑土胶体： 0 2 2 m 含有机质粘粒、0 2 2 m 去有机质粘粒、小于0 2 m 含有机质粘粒和小于 0 2 m 去有机质粘粒。以上述四种黑土胶体、高岭石、针铁矿和蒙脱石为实验材料， 研究了大环内酯类抗生素一泰乐菌素在其表面的吸附、解吸特性及吸附前后的官能 团变化和吸附过程的热力学特性。主要结果如下： 1 、土壤细粘粒的吸附量高于粗粘粒，有机质对泰乐菌素的吸附起促进作用，蒙 脱石的吸附量远远高于黑土胶体和高岭石、针铁矿。泰乐菌素与蒙脱石之间的亲和 力最大，黑土胶体次之，针铁矿最小。 2 、阳离子对泰乐菌素的吸附起抑制作用，c a c l 2 比n a c i 的抑制作用更强。同时， 阳离子对黑土胶体和高岭石、针铁矿的抑制强度大于蒙脱石。 3 、采用t r i s h c l 缓冲液和氯化钠缓冲液连续解吸了土壤胶体和矿物表面吸附的 泰乐菌素，结果表明，吸附于黑土胶体表面的泰乐菌素8 0 结合较松散，可以被解 吸剂解吸；蒙脱石的解吸率最低，说明它与泰乐菌素结合最紧密。 4 、应用傅里叶红外光谱仪对泰乐菌素、黑土胶体和矿物及其复合物的结构进行 了分析，发现两者作用后，泰乐菌素的大环内酯类特征峰均有所减小或消失，可能 是因为羰基与o h 形成了分子间或分子内氢键，导致羰基消失。 5 、泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面的吸附是自发过程。泰乐菌素与黑土胶体、 高岭石、针铁矿的吸附过程均为放热反应；而泰乐菌素在蒙脱石上的吸附为吸热反 应。 6 、根据土壤胶体矿物表面抗生素吸附解吸和热力学特性，分析认为泰乐菌素在 黑土胶体表面的吸附主要通过静电力的作用；针铁矿表面可能是氢键和范德华力的 作用；而泰乐菌素与蒙脱石之间也许是疏水作用。 关键词：泰乐菌素，土壤胶体，矿物，吸附，解吸，热力学 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 a b s t r a c t b l a c ks o i lw a ss a m p l e df r o mg o n g z h u l i n g ，j i l i np r o v i n c e s o i lc o l l o i d sw e r e o b t a i n e dt h r o u g hs i p h o nm e t h o da f t e rd i s p e r s i o n ，a n ds e p a r a t e di n t oc o a r s ec l a y s ( 0 2 2 p m ) a n df i n ec l a y s ( 0 2 ”m ) b yc e n t r i f u g a t i o n p a r to ff i n ea n dc o a r s ec l a y sw e r e o x i d i z e db yh 2 0 2t or e m o v eo r g a n i cm a t t e r t h et y p e so fc l a y sw e r ea sf o l l o w s ：0 2 2 m o r g a n i cc l a y , 0 2 - 2 t mi n o r g a n i cc l a y , 泰乐菌素 土霉素， 因此可知，灭滴灵和奥拉喹多汇入地表水和地下水造成污染的可能性比泰乐菌素和 土霉素要高。另外还有一些既具有高迁移性又具有强稳定性的抗生素，动物体的代 谢、肥料的处理和土壤、水体的净化都不能使其降解，这类抗生素可以进入饮用水 ( t o l l s ，2 0 0 1 ) ，直接威胁人类健康和安全。 1 2 3 兽药抗生素在土壤环境中的降解 多数抗生素极易发生光解，但是在土壤表层光解却不起主要作用，这时生物转 化会有更有效的降解，更强的钝化作用。大部分的抗生素都能生物降解，很多种类 半衰期较长。h e k t o e n 等( 1 9 9 5 ) 对海洋沉积物中土霉素的持久性进行研究，发现土 霉素的半衰期长达3 0 0 天左右；实验室模拟实验条件发现，在好氧条件下，自然土 壤中土霉素的半衰期是2 9 5 6 天，而灭菌土壤中则为9 9 1 2 0 天。可见，土壤中微生 物参与了土霉素的降解( y a n g 等，2 0 0 9 ) 。阿莫西林在粪便中相对较稳定，但在 环境中降解却明显增强；青霉素g 更易降解，以至在禽畜粪便中根本检测不到药物 4 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 母体的存在( c h r i s t i a n 等，2 0 0 3 ) 。普锦成等( 2 0 0 9 ) 发现，在试验初期，砂质土 壤中抗生素的消解速率明显比粘壤土中的高，但是在试验后期，二者渐趋相似，且 土霉素消解速率大于泰乐菌素。 兽药抗生素在水环境中通常会存在诸如光降解、水解和氧化还原降解等非生物 降解过程，该过程对兽药抗生素在环境中的消除有很重要的作用。p a e s e n 等( 1 9 9 5 ) 的研究揭示泰乐菌素a 在酸性环境下可水解成泰乐菌素b ，但是在中性或碱性环境 中却生成泰乐菌素a 丁间醇醛和其他分解产物。缓冲液类型和浓度、p h 以及离子 强度均影响泰乐菌素a 的分解速率。w e m e r 等( 2 0 0 9 ) 发现被土壤表面或水体表面 粘土矿物吸附的金霉素在阳光直射下，会发生光解，这应该是金霉素的重要损失过 程。 1 3 抗生素对土壤生物的影响 1 3 1 对微生物的影响 抗生素多为抗微生物药物，可以抑制或杀死环境中某些微生物而影响微生物群 落，进而影响土壤肥力和相应功能( v a c l a v i k 等，2 0 0 4 ) 。根据抗生素干扰代谢过 程，抗生素对微生物的作用主要有：抑制细胞壁的合成；影响细胞膜的功能；抑制 细胞蛋白质合成；作用于能量代谢系统；干扰核酸合成( 顾觉奋，2 0 0 1 ) 。如：大 环内酯类抗生素会抑制转录导致细胞死亡。但t h i e l e b r u h n 等( 2 0 0 5 ) 的研究发现， 即使很高浓度的抗生素也对土壤微生物活性影响不大。因为土壤中绝大部分微生物 都处于休眠状态，这些休眠的微生物只能通过氧化外界的碳源来提供能量( t a t e ， 2 0 0 0 ) 。 1 3 2 对植物的影响 含有抗生素的动物排泄物被作为肥料施入土壤后会影响植物的生长发育，k o n g 等( 2 0 0 7 ) 的研究表明，当培养液中土霉素浓度高于0 0 0 2m m 时，就会对紫花苜蓿 的生长产生显著的抑制。紫花苜蓿吸收土霉素的过程为主动吸收，且主要积累在根 部；土霉素主要通过影响紫花苜蓿根系生理过程而显著抑制其生长，但对紫花苜蓿 吸收水分没有影响( k o n g 等，2 0 0 6 ) 。 抗生素对植物生长发育的影响取决于抗生素的类型、植物种类和土壤性质等因 素。比如：b a t c h e l d e r ( 1 9 8 2 ) 发现土壤中四环素类兽药提高了萝卜、小麦和玉米的 产量；但在砂壤上四环素降低了斑豆产量，在粘壤上则对斑豆产量影响不大。土霉素 和氯四环素可减少杂色豆植株的生节、鲜重，并影响其对钙、钾和镁的吸收( 王冉等， 2 0 0 6 ) 。b o x a u 等( 2 0 0 6 ) 研究发现，土培条件下1m g k g 。1 浓度的土霉素、保泰松 和恩诺沙星显著抑制胡萝卜和莴苣生长，然而相同浓度的阿莫西林、磺胺嘧啶、泰 乐菌素、甲氧苄啶和氟苯尼考等不影响这两种蔬菜的生长。植物能直接吸收弗诺喹 酮类、磺胺类和氯四环素类抗生素，3 0 0 - 9 0 0m gl 1 的磺胺地索辛可明显抑制车前 5 华中农业大学2 0 1 0 届硕上学位论文 草、玉米等作物的生长，并在植物根和叶富集，根部的浓度较高。磺胺地索辛在腐殖 质少的土壤中富集更多( m i g l i o r e 等，1 9 9 6 ) 。 近些年，有关兽药抗生素在土壤中的吸附、迁移和降解方面的研究越来越多。 抗生素主要包括四环素类，磺胺类和氟喹诺酮类，也涉及到一些大环内酯类，如泰 乐菌素等。研究热点已经由四环素类慢慢过渡到磺胺类药物，研究内容涵盖了抗生 素的吸附机理、影响因素( 包括p h 、离子强度、c e c 和土壤有机质等) 、抗生素 在土壤中的淋洗扩散过程以及抗生素的降解消除等。兽药抗生素的种类繁多，化学 结构复杂，如四环素在不同环境p h 下会存在三种不同的化学形态。因此，要阐明 类似药物在土壤中的吸附机理和迁移过程存在一定的难度。 目前有关兽药抗生素在土壤中行为的研究主要集中在以下方面：1 抗生素在土 壤中吸附过程的研究多从选择模式矿物入手，应逐渐向自然土壤过渡，利用天然土 壤开展相关实验工作，能更好地还原抗生素在自然条件下的作用状态。2 抗生素与 土壤作用过程中的能量变化已经引起广泛关注，它可为阐述其在各种土壤中的存在 状态以及环境行为提供科学依据。等温微量热技术可以从热力学和动力学的角度分 析探讨各种反应过程，研究化学、物理、物理化学反应以及生物学过程的热效应随 时间变化的规律。微量热法作为一种非特异性研究技术，用来研究土壤这类复杂的 系统，具有不可比拟的优势，它不关心土壤中各种反应过程的具体途径，而只考虑 不同时间内系统的能量状态( b e e z e r ，1 9 8 0 ；c r i t t e r 等，1 9 9 4 ) 。该技术已经在生命 科学、材料科学、医学等领域得到了广泛的应用( p h i p p s 和m a c k i n ，2 0 0 0 ：y a n g 等， 2 0 0 5 ) 。 因此，本课题拟以黑土胶体和典型矿物以及大环内酯类抗生素泰乐菌素为 供试材料，研究土壤胶体与矿物表面泰乐菌素吸附解吸特性，并结合微量热结果， 初步探讨了泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附固定的机理。这些问题的阐明对于 了解泰乐菌素在土壤中的存在状态、迁移和归趋等都具有重要的理论和实际意义。 6 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 2 材料与方法 2 1 供试材料 2 1 1 泰乐菌素 泰乐菌素酒石酸盐购买自s i g m a 公司，为白色至淡黄色粉末，纯度9 5 ( u v ) ， 分子式为c 4 6 h 7 7 n o l 7 c 4 h 6 0 6 ，分子量为1 0 6 6 1 9 。使用时泰乐菌素溶解在0 0 1 m t r i s h c i 缓冲液( p h7 o ) 中，转入5 0m l 棕色容量瓶中定容，配成实验需要浓度 备用。 2 1 2 供试土壤和矿物 黑土采自吉林公主岭市吉林农科院附近的农田，采样深度为0 2 0c m 。土壤p h ( 土：水= 1 ：2 5 ) 为6 2 2 ，有机碳含量为1 5 6g k g 。 高岭石和蒙脱石为化学纯试剂，分别购于上海五四化学试剂公司和河南信阳蒙 脱石公司。实验室合成针铁矿。 2 2 土壤胶体和矿物的提取与合成 2 2 1 土壤胶体的提取 分别称取去除植物根系与碎石块的黑土3 0g 于5 0 0m l 的烧杯中，力n 2 5 0m l 蒸馏 水，搅匀后用0 5m o ll j 的n a o h 或h c l 调节土壤悬液p h 至7 8 ，加蒸馏水至3 0 0m l ， 超声波分散3 0m i n ，并不断搅拌。分散后的悬浊液过3 2 0 目筛，三个烧杯移至同一个 2 0 0 0m l 的烧杯中，沉降法( 熊毅等，1 9 8 5 ) 分离小于2 m 的胶体。胶体悬液用0 5m o l l o 的c a c l 2 絮凝，再用蒸馏水和9 5 酒精洗至无c l ，6 0o c 下烘干，研磨过1 0 0 目筛， 保存备用。 2 2 2 不同类型土壤活性颗粒的制备 分离出的小于2 a m 的黑土胶体悬液中加入蒸馏水，使悬液浓度约为lo a ，8 0 0 0r m i n j 下离一g , l om i n ，分离出 0 2 m 和0 2 2 m 的颗粒。取一部分粗颗粒和细颗粒悬 液，慢慢加入3 0 的h 2 0 2 ，不断搅拌并在4 0 c 水浴加热以去除有机质，重复该过程 至加入h 2 0 2 后无泡沫产生。这样就分离出了四种类型的土壤胶体，即含有机质粗颗 粒( 0 2 2 m ) 、去有机质粗颗粒( 0 2 2p m ) 、含有机质细颗粒( o 2 m ) 和去有 机质细颗粒( 0 2 口m ) 。将得到的土壤胶体悬液用o 5m o ll 1c a c l 2 絮凝，再用超纯 水和9 5 酒精洗至无c l ，6 0o c 下烘干，研磨过1 0 0 目筛，保存备用。 2 2 3 粘土矿物的提取与合成 称取5 0g 粘粒矿物于ll 的高型烧杯，加蒸馏水至5 0 0m l ，用0 1mn a o h 溶液 调节悬液的p h 值为7 8 ( 蒙脱石) 或1 1 ( 高岭石) ，超声波分散2 0 3 0m i n 。沉降法 分离小于2 m 的颗粒( 熊毅等，1 9 8 5 ) 。矿物粘粒用蒸馏水和9 5 酒精分别洗涤至无 c l 离子，5 0 6 0o c 烘干，磨细过1 0 0 目筛，保存备用。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 称取5 0gf e ( n 0 3 ) 3 9 h 2 0 溶于8 2 5m l 蒸馏水中，剧烈搅拌下，2 0 0m l 浓度为2 5 m 的k o h 溶液以5m lm i n 1 的速度缓缓滴入，使溶液p h 为1 2 。在6 0o c 下老化2 4h ， 沉淀用p h9 0 的k o h 溶液洗涤两次，再用蒸馏水和9 5 的酒精洗涤三次，l1 0 下干 燥2 4h ，过1 0 0 目筛，保存备用( a t k i n s o n 等，1 9 6 7 ) 。合成的样品经x 射线衍射( x i m ) 分析鉴定，证实是针铁矿。 2 3 土壤胶体或矿物基本性质的测定 土壤有机质( o r g a n i cm a t t e r , o m ) 和阳离子交换量( c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y ， c e c ) 分别用重铬酸钾氧化法和乙酸铵法测定( 熊毅等，1 9 8 5 ) 。 土壤胶体和矿物的比表面积( s p e c i f i cs u r f a c ea r e a ，s s a ) 用n 2 吸附法测定 ( 北京分析仪器公司) 。 土壤胶体z e t af l 乜位采用z e t a p l u s 9 0 电位仪( 美国b r o o k h a v e n 公司) 测定。将浓 度为1m gm l d 的土壤和矿物悬液各9 管，分别用0 0 1mn a o h 或0 0 1m h c l 调节p h 值为1 - 9 。然后用3 5m l 的悬液润洗z e t a 电位仪的测定杯，再用待测悬液注满测定 杯，小心插入测定电极，使杯内没有气泡，即可开始测定程序。设定每个样品测定 3 次，取平均值为最终的z e t a 电位数据，进而求出电荷零点( p o i n to f z e r oc h a r g e ， p z c ) 。 土壤胶体矿物组成用x 一射线衍射法( x r d ) 分析。 2 4 缓冲液的制备 t f i s - h c i 缓冲液配置方法：准确称量1 2 1 1 0g - - 羟甲基氨基甲烷( t d s ) 至1 0 0 0m l 烧杯中，加超纯水大约至1 0 0 0m l ，配成0 0 1m o ll 一的t n s 缓冲液，用0 1t o o ll 。1 的 h c i 调节其p h 至7 0 。 2 5 土壤胶体或矿物悬液的制备 2 0m gm l 。1 黑土胶体和矿物的处理方法：准确称取0 4 0g 黑土胶体或矿物至2 5 m l 烧杯中，加入2 0m l 按照2 4 步骤新鲜配制的t f i s h c i 缓冲液，超声波分散后，不 断搅拌使之均匀，待用。 5m gm l 1 蒙脱石的制备：准确称取0 0 5g 蒙脱石至2 0m l 烧杯中，加入1 0m l 新 鲜配制的t f i s h c i 缓冲液，超声波分散并不断搅拌，待用。 2 6 土壤胶体或矿物对泰乐菌素的吸附 2 6 1 不同时间下泰乐菌素在土壤胶体和矿物表面的吸附 依次将o 0 1t o o ll 1 、p h7 0 的t f i s h c i 缓冲液2 5m l 、2 0m gm l j 的土壤胶体 和高岭石、针铁矿悬液o 5m l 和1 0 0m gl 1 的泰乐菌素溶液2m l 加入1 0m l 离心 管中，使体系总体积为5m l 。泰乐菌素与土壤胶体的混合物在2 5o c ，1 5 0rm i n 。1 下分别振荡0 5 、1 、2 、4 、8 、1 6 、2 4 、3 2h ，设置两个平行，取出，8 0 0 0r m i n 1 离 心1 0m i n ，上清液用液相色谱仪于2 5o c 、2 8 0n l n 条件下测定。泰乐菌素的加入量 8 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 减去上清液中残留的泰乐菌素量，即得土壤胶体表面泰乐菌素的吸附量。蒙脱石对 泰乐菌素的吸附量过高，故选用蒙脱石悬液浓度为5m gm l ，其他同上。 2 6 2 等温吸附 于1 0m l 离心管中依次加入适量的0 0 1 m i r i s h c l 缓冲液( p h7 o ) 、0 5m l2 0 m gm l 以的土壤胶体悬液和不同体积的泰乐菌素溶液，控制体系的总体积为5 0m l ， 使得泰乐菌素终浓度分别为5 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 和9 0m gl ，设置 两个重复。混合液在2 5o c 和1 5 0rm i n d 条件下振荡2 4h 后，8 0 0 0rm i n 。1 离一t = , l om i n 。 按照2 6 1 的方法计算泰乐菌素的吸附量。 针铁矿等温吸附实验体系中，加入不同体积泰乐菌素溶液，使得体系中泰乐菌 素最终浓度为1 0 、3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 、2 1 0 、2 4 0 和3 0 0m gl 一。蒙脱石体 系中则控制泰乐菌素最终浓度为3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 和2 1 0m gl 一。其他各 步骤、用量及计算方法同土壤胶体。 2 6 3 不同电解质及浓度下泰乐菌素在土壤胶体或矿物表面的吸附 于1 0m l 离心管中，分别加入2 5m l 含有不同n a c l 浓度或c a c l 2 浓度的t r i s h c l 缓冲液，2m l1 0 0m gl d 的泰乐菌素溶液( 蒙脱石体系中，泰乐菌素溶液浓度为1 0 0 0 m gl 。1 ) ，0 5m l 土壤胶体或矿物悬液( 2 0 m gm l 1 ) ，控制体系的总体积为5m l 。n a c l 终浓度为0 、2 、6 、1 0 、2 0 、3 0 、4 0 、6 0 、1 0 0 、2 0 0m m ，c a c l 2 终浓度为0 、0 1 、 o 5 、1 、5 、1 0 、2 0 、4 0 、6 0m m 。混合液在2 5o c 和1 5 0r m i n d 的条件下振荡2 4h 后， 于8 0 0 0rm i n 1 离心1 0m i n 。泰乐菌素吸附量计算同2 6 1 。 2 6 4 土壤胶体或矿物表面泰乐菌素的解吸 、 于1 0m l 离心管中，依次加入2 5m lt r i s h c i 缓冲液，0 5m l 2 0 m gm l 。1 的土壤 胶体或矿物悬液和2 0m l l 0 0m gl 1 的泰乐菌素溶液，控制体系终体积保持在5 0 m l 。混合液在2 5o c 和1 5 0 rm i n d 的摇床中振荡2 4h 后，于8 0 0 0rm i n 1 离心l om i n 。 将被土壤胶体或矿物吸附的泰乐菌素依次用5 0m l1 0m mt r i s h c i 和1 0 0m m 氯化 钠解吸，每次解吸直到上清液没有泰乐菌素被检测出为止。 2 6 5i t p l c 分析 所用仪器为a g i l e n t1 1 0 0 型高效液相色谱仪，配u v d 检测器和h p 化学工作站。 泰乐菌素色谱操作条件：c 8 色谱柱( z o r b a xe c l i p s ex d b ，5g m x 4 6m m x l 5 0 m m ) ，流动相为甲醇：草酸= 6 0 ：4 0 ，流速1 0m lr a i n ，检测波长为2 8 0n i n ，柱温 2 5o c ，进样量2 0 l 。 定量方式采用外标法，在上述检测条件下泰乐菌素的保留时间为5 5 0r a i n 。 2 7 红外光谱分析 2 7 1 土壤胶体或矿物悬液的制备 黑土胶体和矿物的处理方法：准确称取0 0 4g 黑土胶体或矿物至2 0m l 烧杯中， 9 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 加入1 0m l 按照2 4 步骤新鲜配置的 i r i s h c l 缓冲液，并不断搅拌使之均匀，用lm l 移液枪取出0 5m l 悬液( 要求土壤胶体或矿物含量达n 2m g ) 至1 0m l 离心管中，待 用。 2 7 2 红外光谱实验准备工作 泰乐菌素溶液与土壤胶体或矿物悬液的吸附反应在1 0m l 离心管中进行。 用lm l 移液枪取出0 1m l 泰乐菌素溶液加入装有0 5m l 土壤胶体悬液的离心管 中，则泰乐菌素终浓度为8 0g gm l ，剩余体积由埘s h c l 缓冲液补足，体系终体积 为lm l 。 用黑布袋将实验用1 0m l 离心管遮光保存，立即放置在摇床中2 5o c ，2 0 0rm i n - 1 条件下振荡2 4h 。取出离心，转速为1 2 0 0 0rm i n ，温度为1 0 ，小心地将上清液用 吸水纸吸干净，将留在离心管中的样品放进冷冻干燥机中干燥2 4h 。每种土壤和矿 物的样品制备中都设置两个平行样品，以作参照。 2 7 3 红外光谱分析 样品在完全干燥后，将样品、游离土壤胶体、矿物和游离泰乐菌素取出少量按 照大约1 ：1 0 0 的比例分别和k b r 研磨、混合均匀，放入压片机压片制样。制得的样 品压片放入傅立叶变换红外光谱仪扫描，得到样品、游离泰乐菌素、土壤胶体和矿 物的红外谱图，利用o r i g i n 软件处理谱图，并用o m n i c 软件分析红外谱图。 2 8 泰乐菌素土壤胶体或矿物吸附热与吸附焓变的i t c 测定 2 8 1 微量热仪 滴定量热( i t c ) 是使用瑞典t h e r m o m e t r i ca b 公司六通道高精度热活性监测仪 ( t h e r m a la c t i v i t ym o n i t o ri i i ，t a mi i i ) 进行测定的。该仪器是原t a m 2 2 7 7 生物 活性监测仪的改进型号，基线漂移 4 0n w h ，温度波动 高岭石，其中， 针铁矿的比表面积与黑土胶体的相当。对于同粒径的土壤胶体而言，有机粘粒的c e c 大于无机粘粒的c e c ，细粘粒的c e c 大于粗粘粒的c e c ，蒙脱石的阳离子交换量 最大，达到9 0 2c m o lk g ，针铁矿的最小。 表1 土壤胶体或矿物的某些基本性质 t a b l e1b a s i cp r o p e r t i e so fs o i lc o l l o i d so rm i n e r a l ss t u d i e d 注：0 m ，s s a ，c e c 和p z c 分别代表有机质，比表面积，阳离子交换量和电荷零 点。 3 2 泰乐菌素在土壤胶体或矿物表面的吸附 3 2 1 吸附时间的确定 由图l 可见，泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面的吸附随时f b 】的增长呈现增大的 趋势。0 5 8h 泰乐菌素在黑土胶体表面增加比较迅速，从7 1 3 增加到1 1 9 5m g g 一， 8h 以后吸附量变化不大，2 4h 左右泰乐菌素在黑土胶体上的吸附量趋于稳定；吸附 开始至8h ，高岭石、针铁矿和蒙脱石对泰乐菌素的吸附量分别增大至2 5 7 、2 9 2 和 1 3 3 3 3m gg - i ；2 4h 吸附量达到最大。因此，无论是土壤胶体还是矿物，我们选择 2 4h 为平衡吸附时间。 1 2 泰乐菌素在黑士胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 ( a ) 黑土 ( b ) 矿物 1 4 0 1 2 0 l o o 8 0 6 0 4 0 2 0 o o5l o1 52 02 53 0 3 5 t i m e ( ” o51 01 52 02 53 03 5 t i m e ( h ) 图l 时间对泰乐菌素在土壤胶体或矿物上吸附的影响 f i g 1e f f e c t so ft i m eo nt y l o s i na d s o r p t i o no ns o i lc o l l o i d so rm i n e r a l s 3 2 2 等温吸附曲线 l a n g m u i r 模型被广泛应用于土壤体系的吸附研究，泰乐菌素在供试黑土胶体或 矿物表面的等温吸附曲线均能较好地拟合l a n g m u i r 方程，相关系数都在o 9 5 以上。 方程的表达形式为： x ：x m k c 1 + k c 式中，x 为单位质量土壤胶体或矿物吸附的泰乐菌素的量( m gg - i ) ，x m 为泰乐菌 素在土壤胶体或矿物表面的最大吸附量( m gg - ! ) ，k 是与吸附自由能有关的常数( l 2 1 o 9 8 7 6 _u)口qo-o口、口_o_入一k比霉一名七o屯口一o一童【j _u)口qoio口口_o_入一 ( t k眦_i)勺qqjo勺口一o一函一 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 m g j ) 。 由图2 可见，在黑土粗粘粒反应体系中，当泰乐菌素的浓度较低时吸附等温线 的斜率较大，吸附量随着泰乐菌素浓度的增加趋势上升较快；当泰乐菌素浓度较高 时，曲线趋于平缓，尤其是去有机质粗粘粒体系，表明吸附趋近饱和。而在细粘粒 反应体系中，吸附量随着泰乐菌素浓度的增加急剧上升。 与粗粘粒相比，黑土细粘粒的最大吸附量高出6 4 1 1 8 9 9 4 ( 表2 ) ，可能与其 比表面积大有关。在粒径相同的颗粒中，含有机质粘粒比去有机质粘粒吸附量高 3 1 4 6 5 2 1 6 ，可见，有机质对泰乐菌素的吸附有促进作用。因为土壤有机质含有 多种功能团，能够提供大量的吸附位点。 针铁矿的吸附量随泰乐菌素浓度的增加上升比较缓慢，最大吸附量较低，可能 是供试条件下针铁矿带负电荷与泰乐菌素间静电斥力所致。蒙脱石的最大吸附量最 高，可达1 2 8 2 9m gg ，这可能是因为蒙脱石是2 ：l 型膨胀性粘土矿物，阳离子交换 量和比表面积较大。蒙脱石对泰乐菌素的吸附量远远大于黑土胶体和针铁矿。 o1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 08 0 9 0 e q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n ( n a gl - 1 ) 图2 泰乐菌素在黑土胶体或矿物表面的等温吸附曲线 f i g 2e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o no ft y l o s i n0 1 1b l a c ks o i lc o l l o i d sa n dm i n e r a l s 1 4 4 2 o 8 6 4 2 o _工j一口qoio口口ioi入一h以_工j_)勺qdio弓口一o一函h 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 o5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 e q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n ( r n gl - 1 ) o1234567891 0 e q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n ( n a gl - 1 ) 图2 泰乐菌素在黑土胶体或矿物表面的等温吸附曲线( 续) f i g 2e q u i l i b r i u ma d s o r p t i o no ft y i o s i no nb l a c k s o i lc o l l o i d sa n dm i n e r a l s k 值越大表示土壤胶体或矿物对泰乐菌素的吸附亲和力越大，吸附量越高，结 合得越紧密。蒙脱石拟合l a n g m u i r 方程得到的k 值最大，黑土胶体次之，针铁矿 最小。可见，在供试的土壤胶体和矿物中，泰乐菌素与蒙脱石间的亲和力最高，与 针铁矿间的亲和力最低。 4 2 o 8 6 4 2 0 邑口dd-o口li【o_入一 _ k mud屯dqjo日li一o一、卣 o o o o o o 8 6 4 2 一-8gv勺qqjo勺ii!o一占 华中农业人学2 0 1 0 届硕士学位论文 表2 泰乐菌素在黑土胶体或矿物表面吸附拟合l a n g m u i r 方程的有关参数 t a b l e2l a n g m u i rp a r a m e t e r sf o rt h ea d s o r p t i o no ft y i o s i no nb l a c ks o i lc o l l o i d s a n dm i n e r a l s 3 3 离子种类和强度对泰乐菌素吸附的影响 由图3 可见，n a c i 浓度从0 增加到2 0 0m m 时，泰乐菌素在黑土胶体表面的吸 附量减小了5 0 4 7 4 4 ；随着体系中c a c l 2 浓度从0 增长到6 0m m ，吸附量则减小 了8 7 4 9 7 3 。两种体系中粗粘粒所吸附泰乐菌素的减小幅度比细粘粒高1 0 左右。 这表明c a c l 2 比n a c i 更能抑制黑土胶体对泰乐菌素的吸附，对粗粘粒的抑制作用强 于细粘粒。 当体系中加入2 0 0m mn a c i 后，泰乐菌素在高岭石和针铁矿表面的吸附量分别 比未加入n a c l 的体系减少了7 4 5 和8 5 3 7 ；当体系中加入6 0m mc a c l 2 后，吸 附量则分别比未加入c a c l 2 的体系减小了9 4 8 3 和8 9 5 6 ( 图4 ) 。n a c l 和c a c l 2 体系对蒙脱石表面泰乐菌素吸附量的抑制分别为1 1 4 2 和3 0 2 0 。由此可知，供试 的两种电解质溶液对高岭石和针铁矿的抑制强度大于蒙脱石，其中c a c l 2 的抑制作 用更显著，因为二价阳离子在吸附时占据了更多的吸附位点。 以上结果说明，泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面的吸附主要是通过离子交换作 用进行。 1 6 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 o5 01 0 01 5 02 0 0 n a c i ( 1 t l 】旧 o2 03 04 05 0 c a c l 2 ( m m ) 图3n a c i 浓度和c a c l 2 浓度对泰乐菌素在黑土胶体表面吸附的影响 f i g 3e f f e c t so fn a c ia n dc a c l 2c o n c e n t r a t i o n so nt y l o s i na d s o r p t i o no n b l a c ks o i lc o l l o i d s 1 7 5 2 9 6 3 o _k_iiv勺ocij。勺ii一o一入一 5 2 9 6 3 o i-8邑絮七o屯 去有机质粗粘粒 含有机质细粘粒 去 有机质细粘粒 高岭石 针铁矿 蒙脱石。这表明在供试的黑土胶体和矿物中， 蒙脱石对泰乐菌素的结合最紧密，不易解吸。 1 8 国 5 m 5 m 5 d 3 2 2 l l 0 n i-s彗v鼍djospv口iso一占 0 0 0 0 0 4 3 2 1 0 _葛v口doio口、口_o_入_ ，m m_葛_)屯dqjo屯口一okp_ 泰乐菌素在黑士胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 表3 吸附在黑土胶体或矿物表面的泰乐菌素依次用t r i s h c i 缓冲液、氯化钠解 吸的解吸率 t a b l e3t h e p e r c e n td e s o r p t i o no ft y l o s i no nb l a c k s o i lc o l l o i d so rm i n e r a l sb y t r i s h c ia n ds o d i u mc h l o r i d es e q u e n t i a l l y 3 5 固定态泰乐菌素的红外光谱分析 泰乐菌素分子结构是由一个1 6 元的大环内酯作为母核，通过糖苷键与两个糖分 子相连( 图5 ) 。由图6 可见，泰乐菌素的糖分子在3 8 0 0 3 2 0 0c m d 存在带有肩峰的宽 吸收带，1 4 5 7c m o 处出现的是c h 3 中c h 反对称振动吸收，1 2 0 0 1 3 0 0c m d 之间出现 的吸收带源于醚基和羟基的c o 的振动吸收，在1 7 1 9c m 。1 和1 5 9 3c m 1 出现的强烈吸 收带是大环内酯的特征吸收峰。土壤胶体和矿物仅在1 6 4 0 1 6 5 0c m o 处显示出水的弯 曲振动吸收峰( f r a n c h i 等，1 9 9 9 ) 。 乃，i t ) s i nat ) i o i nbt y k ) s i nct y l ( 舔i ni ) r i c l oc h oc i i o c 1 2 0 h r ! c h 、c h 、hc h 、 r jm ) , c a r o s c i i m y c a r o s e- m y c a r o 必 图5 泰乐菌素的化学结构示意图( s a r m a h ，2 0 0 6 ) f i g 5s k e t c hm a po ft y l o s i n sc h e m i s t r ys t r u c t u r e 1 9 华中农业大学2 0 1 0 届硕士学位论文 w a v e n u m b e r ( c m ) du口墨=g口盘一摹 ou口对#一g口暑h摹 泰乐菌索在黑七胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 qo写#一基口臣卜摹 qo口爵#一g口舀卜摹 华中农业人学2 0 1 0 届硕士学位论文 w a v e n u m b e r ( c m ) ooag=gij盘一摹 do口g岩旨口盘一摹 泰乐菌素在黑土胶体和矿物表面吸附解吸及热力学特性研究 8 磊 毫 昌 们 a 歪 卜 零 t s 图6 泰乐菌素、土壤胶体和矿物及泰乐菌素胶体，泰乐菌素矿物的f t i r 光谱 f i g 6f t i rs p e c t r ao ft y l o s i n ，s o i lc o l l o i d s , m i n e r a l sa n dt y l o s i n s o i lc o l l o i d s ， t y l o s i n - m i n e r a l s ( t s ，c o c ，c i c ，f o c ，f i c ，k a o ，g o e ，m o n 及其t s 分别表示泰乐菌素，含有 机质粗粘粒，去有机质粗粘粒，含有机质细粘粒，去