（环境科学专业论文）诺氟沙星在针铁矿和赤铁矿表面的吸附行为研究.pdf

目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 药品和个人护理用品类污染物1 1 2 1 药品和个人护理用品类污染物( p p c p s ) 简介一1 1 2 2p p c p s 进入环境的途径及行为3 1 3 抗生素类污染物4 1 3 1 抗生素及抗药性4 1 3 2 抗生素药物的使用及其在环境中的残留和转归7 1 3 3 抗生素类污染物的潜在生态风险8 1 3 4 抗生素的环境行为研究进展9 1 4 喹诺酮类药物概况1 1 1 5 研究内容、目的和意义1 3 1 6 技术路线14 第二章材料与方法1 5 2 1 铁氧化物合成方法l5 2 1 1a f e o o h 的制备1 5 2 1 2a f e 2 0 3 的制备1 5 2 2 铁氧化物的表征1 5 2 2 1 叶f e o o h 的表征一1 5 2 2 2q f e 2 0 3 的表征一1 6 2 3 实验仪器及试剂1 6 2 3 1 实验仪器1 6 2 3 2 实验试剂1 7 2 4 针铁矿吸附诺氟沙星实验方法1 7 2 4 1 吸附动力学17 2 4 2 吸附等温线l7 2 4 3 吸附热力学l8 2 5 赤铁矿吸附诺氟沙星实验方法18 2 5 1 吸附动力学1 8 2 5 2 吸附等温线l8 2 5 3 吸附热力学1 9 2 6 分析方法19 2 6 1 诺氟沙星浓度测定方法19 2 6 2 数据分析方法1 9 第三章针铁矿吸附诺氟沙星的行为研究2 l 3 1 引言2 1 3 2 结果与讨论2 2 3 2 1 吸附动力学2 2 3 2 2p h 对吸附动力学的影响2 3 3 2 3p h 对吸附量的影响2 4 3 2 4 离子对吸附动力学的影响2 5 3 2 5 离子对吸附量的影响2 6 3 2 6 吸附等温线2 7 3 2 7p h 对吸附等温线的影响一2 8 3 2 8 阳离子对吸附等温线的影响3 1 3 2 9 吸附热力学3 2 3 3 本章小结3 4 第四章赤铁矿吸附诺氟沙星的行为研究3 5 4 1 引言一3 5 4 2 结果与讨论3 5 4 2 1 吸附动力学3 5 4 2 2 吸附等温线3 7 4 2 3 吸附热力学4 0 4 3 本章小结。4 1 第五章总结与展望4 2 5 1 主要结论4 2 5 2 值得继续研究的问题4 2 参考文献4 4 攻读硕士学位期间发表论文5 0 型疋谢51 摘要 诺氟沙星( n o r f l o x a e i n ，n o r ) ，是氟喹诺酮类抗生素的一种，由于其广谱 抗菌的特性及相对低廉的价格，被广泛应用于医疗及畜牧养殖领域中。已有很 多报道表明，诺氟沙星会残留在畜禽粪便及环境样品中，对土壤和水环境会产 生潜在的威胁。铁是自然界中少数常见的变价元素，铁氧化物矿物在土壤颗粒 和岩石、水体沉积物中广泛存在。它们有较大的比表面积和较高的反应活性， 环境相容性好，价格低廉，对重金属和有机污染物质有良好的吸附性能。为了 更全面地了解诺氟沙星进入土壤后的环境行为，本文以诺氟沙星为研究对象， 在实验室条件下，设计了一系列实验，对诺氟沙星在人工合成针铁矿m f e o o h ) 和赤铁矿( q f e 2 0 3 ) 体系下的吸附行为，包括吸附动力学，吸附等温线，p h 、温 度和无机离子等环境影响因素进行了系统研究，以期对诺氟沙星在土壤环境中 的转化行为和归趋有较深入的了解。 首先，在实验室条件对针铁矿和赤铁矿进行了制备，并通过扫描电镜、x 射线衍射和b e t 比表面积分析对它们进行了结构和性质的表征。在此基础上， 以两种铁氧化物为研究对象采用批处理实验方法和螺旋盖玻璃瓶一振荡器反应 体系，分别研究了诺氟沙星在针铁矿和赤铁矿体系下的吸附动力学特征和吸附 量的变化规律。研究结果表明，诺氟沙星在针铁矿和赤铁矿表面均会发生吸附， 吸附量分别为9 4 3 和6 9 5l m a o l g - 1 ，表明针铁矿的吸附能力大于赤铁矿。针铁 矿和赤铁矿吸附诺氟沙星的动力学均符合伪二级动力学方程，经过模拟得到在 p h = 5 0 时，诺氟沙星在针铁矿和赤铁矿表面的吸附速率常数分别为o 1 3 9 和 0 6 6 0 州1 h 1 ，表明诺氟沙星在赤铁矿表面的吸附更迅速，这主要与他们的比 表面积和晶型有关。 其次，通过改变p h 、温度、外源添加无机离子等，研究了系列环境因素对 针铁矿吸附诺氟沙星的影响。结果表明，诺氟沙星在针铁矿上的吸附等温线较 好地符合f r e u n d l i e h 方程。随p h 升高，厨值先升后降，表明p h 过大或过小都 不利于诺氟沙星在针铁矿表面的吸附，这主要决定于各p h 时诺氟沙星和针铁矿 的不同形态间的乘积之和，结果也表明针铁矿表面的吸附作用主要以诺氟沙星 的阳离子和针铁矿的兼性离子为主。添加外源阳离子后诺氟沙星吸附的厨值变 化规律为m 。( n a 勺 m 2 + ( m 9 2 + ，ca j m 3 + ( 砧3 + ) ，表明外源阳离子对吸附 的影响与离子价态有关，价态越高，影响越大。随着温度从1 5 升高到3 5 时，拟合系数1 n 从o 4 3 升至o 6 1 ，表明温度升高减弱了针铁矿对诺氟沙星的 非线性吸附。h o = 3 9 4 5k j m o l 。1 和a g o m 2 + ( m 9 2 + ，c 2 b m 3 + 3 + ) ， i n d i c a t i n gt h a tt h ev a l e n c es t a t eo ft h ec a t i o ne o n l x o l s i t si m p a c ta b i l i t yt ot h e s o r p t i o no fn o r t og o e t h i t e t h e1 no ft h ei s o t h e r mf i t t e db yt h ef r e u n d l i c hm o d e l i n c r e a s e df r o m0 4 3t o0 6 1 谢mi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ef r o m15t o3 5o c ，w h i c h i n d i c a t e dt h a ta l li n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ec o u l d r e d u c et h en o n l i n e a rs o r p t i o no fn o r t og o e t h i t e 。r e s u l t sw i t h 3 9 。4 5k j m o lo f 避a n dl e s st h a n0o fa g 霭r e v e a l e dt h a t t h es o r p t i o no fn o rt o g o e t h i t ew a sas p o n t a n e o u s l ye x o t h e r m i ep r o c e s s t h e e x c h a n g eo fi o nw a sa d o m i n a n ta d s o r p t i o nm e c h a n i s mf o rn o rs o r p t i o nt og o e t h i t e ， w h i l et h eh b o n d i n ga n dd i p o l ef o r c ew e r eo t h e rp o s s i b l ea d s o r p t i o nm e c h a n i s m s l e s st h a n0 o fa s ui n d i e a t e d 锄e n t r o p yd e c r e a s ed u r i n gt h ea d s o r p t i o np r o c e s s i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so fp i - ia n dt e m p e r a t u r eo nn o r s o r p t i o nw i t hh e m a t i t e w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h ef r e u n d l i c hm o d e la l s oc o u l dw e l l d e s c r i b es o r p t i o n i s o t h e l mo fn o rt oh e m a t i t e ，a n dp hi n c r e a s ew o u l dr e s u l ti nt h er i s eo ft h e a d s o r p t i o nf o r c eb e t w e e nn o rs p e c i a t i o na n dt h eh e m a t i t es u r f a c e ，w h i c hw a s e o n c e m e dw i t ht h ei n c r e a s eo fn o r i - fw h e np hi n c r e a s e df r o m3 0t o8 5 t h e s o r p t i o no fn o rt oh e m a t i t ew a sas p o n t a n e o u s l ye x o t h e r m i ep r o c e s s ，a n da n i n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ec o u l dr e d u c et h es o r p t i o na m o u n to f n o rt oh e m a t i t e k e y w o r d s ：n o r f l o x a c i n ；g o e t h i t e ；h e m a t i t e ；s o r p t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 环境是人类生存和活动的场所，也是向人类提供生产和消费所需自然资源的基地。随 着人类文明的不断进步，工农业飞速发展，高强度的人类活动不断作用于生态环境，引起 环境质量变化，这种变化对人类生产、生活和健康造成的影响也日益显著。环境问题正成 为关乎人类生存和发展的一个热点问题。 大量人工合成化学物质的生产、使用和排放是引起环境问题的一个很重要的方面。全 世界已有约1 1 0 0 万种已知化学物质，同时，每年还有约1 0 0 0 种新的化学物进入市场【。 化学物质是当今许多大规模生产所必须的原料，但是这些化学物在制造、储存、运输、使 用和废弃过程中往往会对环境和生态产生严重的危害。 生态系统对污染物也有一定的承载能力 2 1 ，当化学污染物进入土壤、水体和空气环境 后，会首先被环境中的微生物或其他组分通过生物月 生物途径代谢或降解。但是随着人类 的生产和生活逐步发展，不断有化学污染物排放到环境中，污染日益加重。而生态系统对 污染的承载力是有限的，当污染超过了这个承载力之后，生态系统将会反过来对人类产生 作用，影响人类的生活质量甚至生存【3 】。 近年来，由于抗生素的滥用，其引起的微生物生态群落抗性增加问题以及潜在的巨大 生态风险，正越来越受到人们的广泛关注，抗生素已经成为一类新型的污染物质，是污染 生态学的研究热点之一。由于抗生素作用目标的特殊性，其在生态环境中不易被微生物降 解，因此为了研究该类物质在环境及生态系统中的迁移转化规律，人们把更多的目光集中 于非生物降解方面，研究环境介质对抗生素的作用。研究抗生素的环境行为包括吸附、降 解、迁移转化等，将有助于发展对污染环境的修复技术；有助于揭示抗生素的生态毒性， 评价其生态风险，进而有助于我们认识抗生素类污染物对生物的毒性作用以及对整个生态 系统的影响。 1 2 药品和个人护理用品类污染物 1 2 1 药品和个人护理用品类污染物( p p c p s ) 简介 过去几十年，持久性有机污染物( p o p s ) 如有机氯农药d d t 、h c h s 和p c b s 的环境 行为、生态毒性、风险评估以及对策、立法等一直是国际上研究的热点之_ _ 1 4 - 9 1 。 南京信息工程人学硕士学位论文 由于药物和人类保健品污染物与人类的生活密切相关，它们在环境中是普遍存在的。 人和牲畜服用的药物一大部分在生物体内没有经过代谢，而是直接排入到环境中；个人护 理用品在洗脸、游泳等活动时也会直接进入环境中。除了抗生素和类固醇，有5 0 多种p p c p s 已经在各种环境样品和动物组织、人的血液中被检测出。根据目前文献报道，在环境中发 现的主要的p p c p s 见表1 1 。 表1 - 1 环境中常见的p p c p s 尽管这类物质在环境中的残留量不高，但是它们却能够长时间地存在于环境中，对动 植物以及人类的生长和繁殖产生严重危害i l m 。而直到上个世纪9 0 年代，美国环保局内华 达州拉斯维加斯国家暴露研究所的d a u g h t o n 等人通过大量的研究和调查，首次指出了药品 和个人护理用品( p h a r m a c e u t i c a l sa n dp e r s o n a lc a r ep r o d u c t s ，p p c p s ) 在环境中的残留以及 潜在危害，并发表了第一篇关于p p c p s 类污染物的综述【1 3 l ，p p c p s 的环境暴露问题才开始 引起人们的关注 1 4 - 1 s 。药品和个人护理用品包括各种药用化合物，例如抗生素、止痛剂、 镇定剂、p 受体阻滞药等，以及日常护理用品，如个人皮肤护理及化妆用品、芳香剂、防 2 第一章绪论 腐剂、洗涤剂、牙齿护理用品等一系列涵盖范围极为广泛，日常生活中人量使用和排泄的 化合物。 虽然药品和个人护理用品类污染物在环境中的残留量不高，其半衰期也不长，但是由 于在医疗、畜牧以及个人护理中大量使用，导致该类污染物质也会在环境中持久残留，产 生假性持续性现象1 1 9 1 。药品和个人护理用品，特别是抗生素类污染物对环境产生的危害正 逐渐被人们认识，它们会导致环境中微生物抗药性的增加，影响动植物以及人类的生理代 谢和繁殖1 2 0 - 2 1 1 。 1 2 2p p c p s 进入环境的途径及行为 p p c p s 类物质中，抗生素等药物被广泛应用于医疗以及畜牧养殖中，但是药物进入人 或动物体内后只有少量会被吸收分解，而绝大部分会随着排泄物进入城市污水系统。而外 用的日常护理用品则直接通过清洗、洗涤等途径排放进入环境。由于该类物质在日常生活 中的使用频率非常高，所以每天排放到环境中的p p c p s 类污染物的量是相当巨大的。 释放到环境中的p p c p s 类污染物在环境中的循环过程如下图1 1 所示。大量的p p c p s 类污染物会随着生活污水，工业以及医药废水等进入污水处理厂通过各种工艺被降解和转 化，而未被除去的p p c p s 会直接排放进入河流、湖泊等地表水系统；同时它们也有可能未 经过污水厂直接排入地表水，然后进入地下水层。抗生素类物质作为药物或动物生长促进 剂被广泛应用于畜禽养殖业中，使用量非常巨大，而大部分未能被畜禽吸收、分解的抗生 素，就会随粪便排出体外，含有抗生素的畜禽粪便会直接进入地表水；同时由于畜禽粪便 也会被作为有机肥料施用于农业土壤，进而间接污染地表和地下水，并影响土壤微生物群 落及农作物生长。另一方面，未被污水处理厂去除的p p c p s 也会通过污排或污泥间接进入 农业土壤。地表及地下水中如果含有的p p c p s 类污染物质，又会进入人们的饮用水中，进 而影响到人类健康。 研究结果表明田2 3 1 ，p p c p s 在地表水中的浓度范围多数在1 0 - - - 1 0 0n g - u 1 ，污染严重的 水体可以达到p g - l - 1 数量级，在地表水中检测出的各种p p c p s 化合物中，具有雌激素效应 的物质占2 0 以上。在地下水中检测出的p p c p s 含量从几十n g - l 1 到几个p g - l 1 不等。 通过不同途径进入地表地下水、土壤和底泥环境中后，p p c p s 类物质在环境中会发生 迁移、分配和降解。它们在环境中的残留浓度主要取决于以下因素：一定时间范围内p p c p s 类物质的释放量：物质的物理、化学性质；环境基质的性质( 例如土壤类型和气候状况) ： 在环境中的降解程度以及分配系数。由于影响p p c p s 类污染物残留量的冈素众多，导致该 类物质在环境中的行为非常复杂。 3 南京信息工程大学硕：t 学位论文 图1 - 1p p c p s 在环境中的循环过程0 6 j s 1 3 抗生素类污染物 1 3 1 抗生素及抗药性 抗生素是指由微生物或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性 的一类代谢物，以及用化学方法合成或半合成的化合物，目前已知的抗生素种类不下万种 【2 4 l ，表l - 2 所示为目前常用的一些重要抗生素种类及主要用途。 表l - 2 目前常用的抗生素种类及主要用途( k e m p e r , 2 0 0 8 ) 4 第一章绪论 5 南京信息t 程人学硕j ：学位论文 罗红霉素( r o x i t h r o m y c i n ) 螺旋霉索( s p i r a m y c i n ) 泰乐菌素( t y l o s i n ) 万古霉素( v a n c o m y c i n ) 硫胺类( s u l p h o n a m i d e s )磺胺( s u l p h a n i l a m i d c ) 磺胺间二甲氧嘧啶 ( s u l p h a d i m e t h o x i n e ) 磺胺二甲嘧啶( s u l p h a d i m i d i n e ) 磺胺甲恶唑( s u i p h a m e t h o x a z o l e ) 磺胺吡啶( s u l p h a p y r i d i n e ) 磺胺噻唑( s u l p h a t h i a z o l e ) 甲氧苄氨嘧啶( t r i m c t h o p r i m ) 四环素类( t e t r a c y c l i n e s ) 人类 所有动物 仅用于动物 人类 人类 牛、猪、鸡 牛、羊、鸡 人类 猪 人类 和其他磺胺类抗生素配合使用 金霉素( c h l o r t c t r a c y c l i n e ) 强力霉素( d o x y c y c l i n e ) 氧p l j 环素( o x y t e t t a c ) ，c l i n e ) 四环素( t e t r a c y c l i n e ) 牛等家畜、猪 人类、猫、狗 人类、牛、羊、猪 人类、马、羊、猪 抗生素属于p p c p s 的一种，目前也是p p c p s 中人们最关心的一类污染物质。抗生素 类物质之所以引起研究者的广泛关注，在于药物设计的目的就是在生物体内产生生物效应 以达到治疗、保健等效果，如兽药抗生素可用于治疗、预防动物疾病或促进其机体生长。 它们通常具有类似的物理、化学性质以保证生物效应的产生，如多为亲脂性以便通过生物 膜屏障进入生物机体；在体内持久性较强以避免药效发挥前失活等等。以上性质决定药物 易于通过生物积累并可能对水生生态系统或土壤生态系统产生效应。同时，出于健康因素 的考虑，目前所开发设计的兽药抗生素在受药生物体内选择性提高、吸收量减少，使得绝 大部分的药物未被生物代谢而进入环境，对环境存在着潜在的威胁i 2 5 - 2 7 1 。 不合理地使用抗生素会导致抗生素及其衍生物对环境产生污染，目前由该类污染物引 起的环境风险，人们主要关心以下三个方面：首先是微生物抗药性的增加，其可以间接影 响人类的健康；其次是对人体器官组织的直接损伤，导致机体免疫能力下降以及引起过敏 反应等：其三就是抗生素的残留对整个生态环境所产生的潜在影响【2 朋。 当然，关于抗生素的使用人们最关心的还是抗药性微生物发展、增加的问题，特别是 兽药抗生素在食用类动物中使用时，会增加对抗药性菌株筛选的风险。这些抗性菌株可以 6 第一章绪论 通过直接接触和通过食物链进入人体。已经有很多研究报道表明2 9 3 1 1 从医院的污水中和从 施用抗生素的肉禽体内可以分离到抗药性非常强的病原菌株，如弧形杆菌( c a m p y l o b a c t e r s p p ) ，沙门氏菌( s a l m o n e l l as p p ) 和大肠杆菌( e s c h e r i c h i ac o l i ) 等。 微生物的抗药性往往受一段可移动的基因系统控制，如质粒、转座子、基因盒一整合 子系统，这种可移动性也为抗药性从非病原菌转移到病原菌提供了可能性，而只有不超过 5 抗生素抗性由染色体上的基因决定【3 2 1 。目前关于抗药性基因的研究是国际上的研究热点 d 3 3 6 ，已经有很多涉及抗生素抗药性的基因被分离、测序、鉴定。 1 3 2 抗生素药物的使用及其在环境中的残留和转归 自1 9 2 8 年弗莱明发现青霉素开始，抗生素逐渐被广泛应用于疾病治疗；1 9 5 0 年美国食 品与药物管理局( m a ) 首次批准抗生素用作饲料添加剂后，抗生素开始广泛用于畜牧生 产，抗生素的用量也逐年飞速增加。据梁诚吲报道，2 0 0 1 年我国诺氟沙星、环丙沙星、氧 氟沙星的年产量分别为3 5 0 0 吨、1 5 0 0 吨和1 2 0 0 吨左右，而其中约有一半的抗生素用于养殖 业。据欧洲动物健康组织( e u r o p e a nf e d e r a t i o no f a n i m a lh e a l t h ) 2 0 0 1 年的统计数据估计， 欧盟国家每年大约有8 5 0 0 吨的抗生素用于人类医疗，4 7 0 0 吨用于畜牧养殖业中。l e v y 等【3 町 报道在美国每年大约会生产5 0 0 0 万磅的抗生素，其中5 0 用于人类医疗，而另外5 0 则用 于农业，其中包括1 5 4 万磅作为动物生长促进剂被添加到动物饲料中。而美国动物卫生协 会的报告【3 9 1 则指出每年大约有3 1 万磅的抗生素( 约占总产量的6 ) 被用作非治疗性的生 长促进剂；1 4 7 万磅( 约占总产量的2 9 5 ) 用于畜禽养殖中的治疗和预防，而人类的使用 量为3 2 2 万磅( 约占总产量的6 4 5 ) 。当然，无论哪个数据的准确性更高，有一点可以确 定的是在美国抗生素的使用量非常巨大，而这些抗生素绝大部分通过城市污水、污泥、固 体废弃物以及畜禽粪便的应用等方式进入环境。 由于我国是一个传统的农业大国，一直以来施用( 人) 畜禽粪便是保持和提高土壤肥 力的一项重要农业措施。但是，在实践过程中大多凭借经验，缺乏规范的操作指导。同时， 随着我国发展集约化养殖和大力提倡有机肥料的使用，大量的畜禽粪便及其中含有的兽药 抗生素及其代谢产物必然会进入耕作土壤，成为环境污染的潜在隐患。以2 0 0 3 年为例，我 国养殖业全年产生的畜禽粪便等废弃物约为3 1 9 0 亿吨，是同期工业同体废弃物的3 2 倍， 部分地区的畜禽养殖业已经对当地环境构成了污染 4 0 l 。据估计，在散养状况下每l 万头猪 产生的兽药污染物数量约为0 3 加5 吨年。 兽药进入土壤环境的主要途径是通过向耕作土壤施入畜禽粪便。进入土壤中后，兽药 抗生素可能与土壤颗粒发生吸附、随地表径流迁移、淋滤到地下水层或者通过不同途径降 7 南京信息工程大学硕十学位论文 解转化。同时，畜禽粪便的施用多在春秋两季；施用期的气候状况会在部分程度上影响到 药物的环境行为。 兽药通过施入畜禽粪便的途径进入土壤中后，在土壤微域界面可以发生吸附解吸、光 解、水解、氧化还原等多种物理、化学以及微生物作用过程。可以预期，不同的抗生素药 物由于其物理化学性质间的差异，即使在相同的基质中也会表现出截然不同的环境行为。 与农药等有机污染物类似，兽药抗生素在土壤中的环境行为是土壤、抗生素药物和土 壤微生物共同作用的结果，即土壤的物理、化学性质、土壤有机质等和药物本身以及微生 物活动之间的交互作用共同影响了抗生素在土壤中的吸附、迁移和降解转化。 1 3 3 抗生素类污染物的潜在生态风险 大量的抗生素类物质进入生态环境后，从药物本身的特性来看，首先影响的就是生态 系统中的微生物，干扰它们的生长代谢。抗生素及其部分代谢产物可能破坏一些有益的功 能性土著菌群：另一方面它们长时间在环境中残留会对环境( 如土壤和底泥) 中微生物的 抗性进行筛选，从而有增加整个微生物群落抗药性的风险h 1 州】。c h a n d e r 等i 2 0 i 研究表n f je p 使 被土壤粘粒吸附固定的抗生素仍然具有一定的生物活性，可影响陆地环境中抗药性菌株的 产生。s c h m i t t 等【4 5 】在研究抗生素对土壤微生物群落抗药性的影响时提出了污染物诱导的群 落抗性( p o l l u t i o n i n d u c e dc o m m u n i t yt o l e r a n c e ，p i c t ) 这一概念：他们以磺胺类抗生素一磺 胺氯哒嗪( s u l f a c h i o r o p y r i d a z i n e ，s c p ) 为模式化合物，研究了s c p 对土壤p i c t 的影响，结 果发现s c p 加入7 天后，土壤微生物群落的抗性p i c t 指数就会显著增加。其次残留在土壤 中的抗生素还会影响植物的生长。2 0 0 3 年m 讨i o 陀等脚j 研究了恩诺沙星( e n r o f l o x 讯e n r ) 对黄瓜、莴笋、菜豆和萝卜的植物毒性作用( p h y t o t o x i c i t y ) 。四种植物在不同浓度的e n r 下暴露3 0 天后，它们的初生根、胚轴、子p t 和叶片的生长均会受到影响：在5 0 0 0p gl 1 高浓度下表现为毒害效应，而在低浓度5 0 、1 0 0p 昏l 1 的条件下，由于植物自身的抵抗能 力，表现出明显的毒物兴奋效应( h o r m e s i s ) 。k 啪孤等1 4 7 】的研究则表明玉米、大葱、甘蓝 可以吸收施过粪肥的土壤中的金霉素，而且植株中金霉素的浓度会随着粪便中药物浓度的 增加而升高。如果人体内的抗生素浓度过高，必然会破坏肠道微生物菌群，诱导抗药性的 产生，增加疾病治疗的困难。 8 第一章绪论 回圈 生活污水固体废弃物 冈 1 _ j 图1 2 人用及兽用抗生素在生态环境中主要的暴露途径阑 可见抗生素的残留对人体健康有潜在的威胁，其生态风险不容忽视。图1 - 2 所示是人 用及兽用抗生素在环境中主要的暴露途径，环境中残留的抗生素最终会污染饮用水源，对 人体健康造成直接的威胁。鉴于抗生素使用潜在的巨大环境风险，合理使用抗生素的呼声 越来越高，欧盟以及美国等许多发达国家已经出台相关政策，严禁抗生素在医药以及畜牧 业中的滥用行为。 l j 4 抗生素的环境行为研究进展 由于抗生素在医疗以及畜牧业中巨大的作用，其使用量与日俱增，随之而带来的环境 风险也日益明显。因此人们很早就开始关注抗生素的环境行为，关于其在环境中的吸附和 迁移转化也逐渐成为研究的热点。 抗生素特别是兽药类，由于它们特定的使用模式，必然会有大量抗生素进入到土壤环 境中。因此为了研究其在土壤中的移动性，在关注抗生素本身理化性质的同时，还需要研 究土壤及其主要组分对抗生素的吸附作用。已经有大量的文章报道研究了抗生素和土壤的 吸附行为田4 1 肛5 3 1 。通过土壤对药物吸附系数( 题酣) 的研究表明，抗生素在土壤中的 移动性能力范嗣很广0 2 局。础 6 0 0 0l k 9 1 ；同一抗生素在不同土壤中，以及不同抗生素 9 南京信息工程大学硕士学位论文 在同一土壤中的缸圳系数均存在显著性差异。化合物的亲水性结构在吸附中起到非常关 键的作用，阳离子交换、粘土表面阳离子桥接、表面复合以及氢键结合作用等机制被尝试 用于解释土壤对抗生素的吸附作用1 5 4 1 。 近几年，为了更深层次地探讨土壤对抗生素的吸附作用，研究者们逐渐把重点转移到 土壤中可能会和抗生素发生作用的各重要组分，如，粘土矿物、腐殖酸、f e a i 等金属氧化 物等，单独研究它们对抗生素的作用。关于该领域的研究，已经有越来越多的文献报道， 是目前抗生素环境行为研究的热点之一。 f i g u e r o a 掣”j 研究了不同p h 以及离子强度下四环素类抗生素( 氧四环素、金霉素、四 环素) 在蒙脱石和高岭石上的吸附，发现吸附可以用阳离子交换以及两性离子的表面复合 机理来解释，结果表明在研究四环素类抗生素以及其他化学性质类似的药物在土壤以及沉 积物中的吸附时，要考虑溶液的离子形态以及可能存在于孔隙水中离子的竞争性。2 0 0 5 他 们又研究了氧四环素( o t c ) 在f e 氧化物( 针铁矿、赤铁矿) 和f e 含量较高的土壤中的 吸附情况【5 6 l ，结果表明f e 氧化物对o t c 吸附明显，吸附行为可以用表面复合机理解释， 即o t c 离子和氧化物表面的相互作用，同时也证明了类似离子化合物、土壤氧化体系包括 粘土，以及有机质在o t c 吸附中扮演着重要角色。 g a o 等m 研究了不同p h 、离子强度和可交换性阳离子条件下三种磺胺类药物( 磺胺二 甲嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺吡啶) 在粘土矿物上的吸附情况，结果表明在研究该类药物在 土壤中的转移时，一定要考虑药物本身离子形态组成以及粘土矿物表面的电荷密度。2 0 0 5 年g u 等例研究了四环素( t e t r a c y c l i n e ，t c ) 和铁( h f o ) 和铝( h a o ) 氧化物相互作用 的情况。2 0 0 7 年g u 纠5 9 1 又研究了四环素和腐殖酸的相互作用。g o y n e 等1 研究了氧氟沙 星( o f l o x a c i n , o f l ) 在介孔以及无孔s i 0 2 和a 1 2 0 3 表面的吸附，探讨了吸附剂类型、粒子 内孔径大小对o f l 吸附的影响。p i l s 等【6 1 1 研究了四环素( t c ) 和金霉素( c t c ) 在腐殖酸 和粘土一腐殖酸复合物的吸附情况。结果发现，超过9 6 添加的t c 以及c t c 均会被土壤 组分吸附，吸附能力从强到弱依次为粘土、腐殖酸、粘土一腐殖酸复合物，同时p h 的升 高会降低吸附量。由x r d 分析结果可知，t c 以及c t c 均吸附于蒙脱石( s m e c t i t e s ) 的夹 层中间，而腐殖酸的存在会降低该夹层的吸附性，导致二者的复合物对t c 以及c t c 的吸 附性能最差。 以上研究结果表明土壤中多种组分都会对抗生素类物质产生吸附作用，粘土的吸附能 力最强，研究也最广泛，粘土矿物中丰富的金属氧化物是产生吸附作用的关键物质；而抗 生素和腐殖酸会通过化学键作用发生复合反应，产生吸附行为。土壤p h 会通过影响抗生 素离子形态的组成，间接影响吸附作用。在研究抗生素类物质在土壤中吸附行为时，一定 1 0 第一章绪论 要综合考虑抗生素的理化性质、不同土壤类型、土壤的活性组分、p h 和土壤表面电荷等等， 这些因素都会对吸附作用产生影响。 1 4 喹诺酮类药物概况 喹诺酮类药物又称吡酮酸类抗菌药，是近2 0 年来迅速发展起来的一类十分重要的广谱 抗生素，是继磺胺类药物之后人类在合成抗生素方面的最重要突破。此类药物具有抗菌谱 广、抗菌力强、结构简单、给药方便，与其它常用抗菌药物无交叉耐药性，合成方法简单、 疗效价格比高等优势，因而愈来愈受到各国的重视，成为竟相生产和应用的热点药品。 喹诺酮类药物均含有吡酮酸( 1 , 4 二氢4 氧吡啶- 3 羧酸) 的基本结构，按母环差异可 分为喹啉类( 如诺氟沙星) 、萘啶类( 如依诺沙星、萘啶酸) 、毗啶并嘧啶类( 如吡哌酸) 和噌啉类( 如西诺沙星) 。其中喹啉环系发展最快、品种最多，故习惯上用“喹诺酮类”称 谓这类化合物( 更严谨的化学名称应当为“吡酮酸类”) 。 1 9 6 2 年美国s t e r l i n g - w i n t h r o p 研究所的科学家发现了第一个喹诺酮类抗菌药物萘啶 酸，此后又出现了恶喹酸、吡咯酸，称为第一代喹诺酮类药物( 见图1 - 3 ) 。由于其抗菌谱 窄、仅有中等抗菌活性、药代动力学及安全性不理想，目前基本属淘汰品种。研究发现这 类药物的靶位点为抑制细菌d n a 合成，因而引起对此类药物研究的重视。 h 3 c oo i h 2 c c h 3 萘啶酸 o h 图l - 3 第一代喹诺酮类药物 i h 2 c c h 3 吡咯酸 o h 第二代喹诺酮类药物的代表药物为西诺沙星和吡哌酸( 见图l 一4 ) 。这代药物分子的7 位引入了哌嗪环。分子药理学研究结果表明，7 位哌嗪基团能与d n a 回旋酶亚基之间相互 作用，从而增加了喹诺酮类药物与d n a 回旋酶的亲和力；同时哌嗪基的存在使得药物具 有良好的组织渗透性。 南京信息t 程大学硕上学位论文 o 9 9 ) ( s i g m a 公司) ； ( 2 ) 甲醇、乙腈( 液相色谱纯) ( r o e 公司) ( 3 ) 冰乙酸、n a a c 3 h 2 0 、n a c l 、m g c l 2 、c a c l 2 、a l c l 3 、n a 2 s 0 4 ( 分析纯) ( 上海试 剂厂) 2 4 针铁矿吸附诺氟沙星实验方法 2 4 1 吸附动力学 利用m i l l i - q 水配制1 0m m o l l 1 的h a e 和n a a c 溶液，分别按不同体积比混合，加入 n a c i 调节离子强度为i = o 0 1m o u l ，得到p h 为3 5 、5 0 、5 6 和6 2 的背景溶液，用于研 究p h 对n o r 吸附的影响；选用p h = 5 0 的缓冲液，分别加入m g c l 2 、c a c l 2 、a i c l 3 、n a 2 s 0 4 ， 调节离子强度为i = 0 0 1m o l l ，得到不同离子的背景溶液，用于研究不同离子种类对n o r 吸附的影响。为了排除微生物降解的影响，背景溶液经1 3 0 ，3 0m i n 高压灭菌处理。称 取5 ( 士0 1 ) m ga - f e o o h 于1 5m l 棕色玻璃瓶中，再用移液管移入1 0m l 含有2 0l u n o l l - 1 的n o r 的背景溶液，盖上带有t e f l o n 内垫的盖子，放入2 5 的恒温振荡器中，转速设为 1 5 0 r m i n 1 ，避光振荡。每个处理设置3 个平行重复。分别于3 0 m i n 、1h 、3 h 、6 h 、1 2 h 、 2 4h 、4 8h 、6 0h 、7 2h 后取出样品，用0 2 2i n n 的滤膜过滤后取1m l 上清液进行h p l c 分析。结果表明平衡时间为4 8h ，因此以4 8h 的样品计算各p h 条件下吸附量的数值。 2 4 2 吸附等温线 称取0 0 3 1 9gn o r ，用不同p h 和不同离子的背景溶液配成2 0 0l u n o l l - 1 的n o r 标准 溶液，然后通过梯度稀释法将其稀释至l 、2 、5 、1 0 、2 0 、4 0 、6 0 、踟、1 0 0 、2 0 0l a m o l l - 1 的一系列浓度的n o r 溶液。称取5 ( 士0 1 ) m ga - f e o o h 于1 5m l 棕色玻璃瓶中，再用移液 管移入1 0m l 各浓度n o r 溶液，盖上带有t e f l o n 内垫的盖子，放入2 5 的恒温振荡器中， 1 7 南京信息t 程大学硕士学位论文 转速设为1 5 0r - m i n ，避光振荡。每个处理设置5 个平行重复。4 8h 后取出样品，用0 2 2t u n 的滤膜过滤后取1m l 上清液进行h p l c 分析。 2 4 3 吸附热力学 称取0 0 31 9gn o r ，用p h 为5 0 的背景溶液配成2 0 0t t m o l l 1 的n o r 标准溶液，然 后通过梯度稀释法将其稀释至l 、2 、5 、1 0 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、2 0 0t t m o l l - 1 的一系 列浓度的n o r 溶液。称取5 ( 士0 1 ) m ga - f e o o h 于1 5m l 棕色玻璃瓶中，再用移液管移入 1 0m l 各浓度n o r 溶液，盖上带有t e f l o n 内垫的盖子，分别放入1 5 、2 5 和3 5 的 恒温振荡器中，转速设为1 5 0r m i n 1 ，避光振荡。每个处理设置5 个平行重复。4 8h 后取 出样品，用0 2 2t u n 的滤膜过滤后取lm l 上清液进行h p l c 分析。 第二章材料与方法 2 5 3 吸附热力学 称取0 0 3 1 9gn o r ，用p h 为5 0 的背景溶液配成2 0 0p m o l l - 1 的n o r 标准溶液，然 后通过梯度稀释法将其稀释至l 、2 、5 、l o 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、2 0 0p m o l l 1 的一系 列浓度的n o r 溶液。称取2 0 ( 士0 1 ) m ga - f e 2 0 3 于1 5m l 棕色玻璃瓶中，再用移液管移入 1 0m l 各浓度n o r 溶液，盖上带有t e f l o n 内垫的盖子，分别放入1 5 、2 5 和3 5 的 恒温振荡器中，转速设为1 5 0p m i n - 1 ，避光振荡。每个处理设置5 个平行重复。2 4h 后取 出样品，用o 2 2u m 的滤膜过滤后取lm l 上清液进行h p l c 分析。 2 6 分析方法 2 6 1 诺氟沙星浓度测定方法 诺氟沙星的浓度采用高效液相色谱仪测定。色谱柱：g e m i n ic 1 8 色谱柱0 5 0m m x 4 6 m l ni d ，5t m a ) ，g e m i n ic 1 8 保护柱( 4 0r a m 3 0m m i d )