四环素类抗生素在土壤中的吸附迁移规律研究

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四环素类抗生素(Tetracyclines,简称TCs)是我国生产和消费最大的一类抗生素。随着人们对TCs依赖性逐渐增强,TCs滥用情况屡见不鲜,未来TCs的使用量还将不断增加,严重危害了生态环境特别是土壤环境。我国重庆地区土壤环境中检测出TCs残留问题,这会对重庆地区的土壤和地下水环境造成潜在污染风险。为应对重庆地区土壤中TCs的污染问题,亟需探究出该地区土壤对TCs的吸附/迁移规律。基于此,本文选取三种使用频率较高的天然TCs:四环素(TC)、土霉素(OTC)、金霉素(CTC)作为研究对象,以重庆地区土壤(未受TCs污染)为供试土壤,首先采用静态吸附平衡试验探究不同条件(反应时间、反应温度、污染物种类、污染物浓度、p H值、背景离子种类、背景离子强度、土壤粒径、土壤有机质)下的TCs在土壤中的吸附规律,并结合SEM、XRD、BET、FTIR表征结果揭示TCs在供试土壤上的吸附机理。在此基础上,选取迁移性最强的OTC为研究对象,优化了土壤中OTC的检测方法,进一步采用土柱迁移试验探究不同水动力和水化学条件下OTC在土壤上的迁移规律。期望为重庆地区土壤的TCs风险预测和污染防治提供量化和可视化的数据依据。主要结果和结论如下:(1)TCs在土壤中的静态吸附/解吸规律TCs在土壤上的静态吸附/解吸结果表明:TCs在土壤上的吸附过程分为快速吸附、慢速吸附及吸附平衡三个阶段,其中快速吸附是土壤吸附TCs的主要过程。土壤对TCs的吸附过程符合准二级动力学模型,说明土壤吸附TCs过程存在离子交换、离子键桥和氢键等多种吸附机制。Langmuir、Fredundlich、Linear能较好的描述TCs在土壤上的吸附行为。解吸试验结果表明TC和CTC更易在土壤中累积,土壤生态污染风险较大;OTC易从土壤环境中迁移,地下水生态污染风险较大。TCs本身性质(种类和浓度)、环境条件(溶液p H、离子种类和强度)以及土壤性质(粒径和有机质含量)等因素对吸附过程的影响结果表明,三种TCs在土壤上的吸附容量依次为TC>CTC>OTC。浓度增大会促进TCs在土壤上的吸附,酸性条件下,土壤对TCs吸附能力强。离子的存在会抑制土壤对TCs的吸附,且离子强度的增加会增大抑制强度。减小有效接触面积和去除有机质会降低土壤对TCs的吸附能力。这些结果表明TCs在土壤表面吸附作用以物理吸附为主,如疏水分配(主要是范德华力)、氢键和静电吸附,此外还存在离子交换和架桥、表面络合等多种吸附机制。(2)OTC在土壤中的迁移规律1)优化后的土壤中OTC前处理条件为固相萃取柱选择Poly-Sery HLB,混合提取液配比为VNa2EDTA-Mcllvaine(缓冲溶液):V乙腈(有机溶剂)=2:1,每次超声提取时间为30min。优化后的OTC检测方法简单易操作,能够满足供试土壤中的OTC检测要求。2)不同水动力和水化学条件对OTC在土壤迁移过程的影响结果表明,OTC在土柱中的迁移行为与淋溶液的入流速度、初始浓度、p H和离子种类均存在相关关系。高强度的入流速度和高浓度的OTC污染源都会增强OTC在土层中纵向迁移的能力。OTC污染源浓度对OTC在土柱中的纵向迁移程度影响不显著,OTC更多被吸附在0-6cm土层中。p H值对OTC的迁移和滞留影响显著,p H=3的酸性条件下,OTC在整个土柱中的滞留量最高;p H=9的碱性条件下,OTC在土柱中的迁移性最强,OTC容易随水流迁移至淋滤液中。不同阳离子因和OTC的络合作用强度不同使OTC浓度在土层和淋滤液中分配不同。Ca2+络合作用强于Na+和K+,Ca2+对OTC在土层中的纵向迁移有明显抑制作用。
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