離子強(qiáng)度和離子類型對土霉素在草甸土中被吸附的影響

王東升，張婷，晁宇

遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000

離子強(qiáng)度和離子類型對土霉素在草甸土中被吸附的影響

王東升，張婷，晁宇

遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000

土霉素是四環(huán)素類抗生素中使用較為廣泛的一種，探索土霉素在土壤中的吸附解吸規(guī)律對抗生素環(huán)境風(fēng)險評價與污染控制具有重要的理論與現(xiàn)實意義。通過改變土壤水溶液中離子強(qiáng)度及類型研究其對土霉素在草甸土中吸附的影響,以期為評價該種抗生素對草甸土土壤環(huán)境風(fēng)險提供科學(xué)依據(jù)。土霉素測定方法選擇高效液相色譜法。以V(乙腈)∶V[NaH2PO4（0.01 mol·L-1）]=25∶75為流動相，在流速為1 mL·min-1，檢測波長為355 nm條件下進(jìn)行測定。試驗以O(shè)ECD Guideline 106為基礎(chǔ)，采用批平衡法研究不同離子強(qiáng)度（0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L-1CaCl2溶液）和不同陽離子（0.01 mol·L-1的NaCl、KCl、MgCl2溶液）對土霉素在草甸土中的吸附影響。結(jié)果表明：隨著CaCl2濃度的增加，土霉素在草甸土中的吸附量呈降低趨勢，且不同濃度的土霉素在草甸土中吸附量受離子強(qiáng)度的影響是不同的。土霉素濃度較低時，其在草甸土中吸附能力受離子強(qiáng)度影響較土霉素濃度高時小。以土壤吸附系數(shù)Kd衡量土壤吸附抗生素能力，當(dāng)土壤樣品中離子強(qiáng)度增大時，其對應(yīng)Kd值呈非線性趨勢減小。這說明，在某一Ca2+濃度范圍內(nèi)，其對吸附的影響較其他濃度范圍要大。對相鄰CaCl2濃度處理得出的Kd值進(jìn)行t檢驗，在CaCl2溶液濃度在0.01與0.03 mol·L-1間得出的Kd值存在顯著性差異（p≤0.05），在0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L-1濃度間得出的Kd值均沒有顯著性差異（p＞0.05）。這一結(jié)果說明當(dāng)CaCl2溶液濃度在0.01～0.03 mol·L-1時，其對土霉素在草甸土中的吸附影響較其他濃度范圍大。以Freundlich方程對NaCl、KCl、MgCl2溶液條件下土霉素在草甸土中的吸附進(jìn)行擬合，土樣lg Kf值為lg Kf(Mg2+)＜lg Kf（Na+）＜lg Kf（K+），經(jīng)過方差分析，不同陽離子對lg Kf的影響均未達(dá)到顯著性差異（p＞0.05）。這說明，不同陽離子對土霉素在草甸土上的吸附量（lg Kf）影響的差異并不顯著。

土霉素；吸附；草甸土；離子強(qiáng)度；離子類型

抗生素的發(fā)現(xiàn)在人類預(yù)防疾病和促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展等方面做出了十分重要的貢獻(xiàn)（王冉等，2006）。但隨著近年來抗生素的使用量逐漸增大，抗生素類藥物對土壤環(huán)境的污染問題也引起了國際社會的普遍關(guān)注（Glen等，2003；陳昦等，2008；武庭瑄等，2009；劉新程等，2008；Davis等，2006）。四環(huán)素類抗生素的生產(chǎn)與使用量在世界上排名第2而在中國排名第1（Cheng，2005）。土霉素是四環(huán)素類抗生素中使用較為廣泛的一種。畜禽等體內(nèi)的抗生素大部分以藥物母體或代謝物的形式隨糞便或尿液排出體外（土方浩，2006；Meyer，2000）。當(dāng)以畜禽糞便為肥料施入土壤時，抗生素類藥物隨之轉(zhuǎn)移進(jìn)入土壤環(huán)境。研究表明，目前全球許多地區(qū)均能檢測出抗生素的存在，有些地區(qū)土壤中檢出的土霉素質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至高達(dá)200 mg·kg-1（王冉等，2006）?？股剡M(jìn)入土壤環(huán)境中則會隨著地表徑流，降水等多種途徑進(jìn)入到地表水體與地下水體中（Kay等，2005）。這樣無疑會對人類的健康產(chǎn)生不利影響（Kummerer，2001）。土壤及水環(huán)境中低濃度抗生素長期暴露，對生態(tài)環(huán)境植物產(chǎn)生毒性影響，且這種影響隨著生物放大作用，進(jìn)入食物鏈，會對人類健康產(chǎn)生不良影響。土壤中的抗生素隨著降水等作用的遷移，還會進(jìn)入地表或地下水體，從而對水環(huán)境產(chǎn)生安全威脅（陳育枝等，2006；張許科和劉興金，2002）。

目前，四環(huán)素類抗生素在土壤中的吸附-解吸行為已成為國際上的研究熱點之一。其研究主要集中在此類抗生素在土壤中的吸附-解吸行為及其影響因素這些方面上。土壤中含有多種且大量的陽離子，隨著人類對土壤施用糞肥，又會有大量的陽離子進(jìn)入土壤，有研究表明土霉素能夠與土壤中的陽離子形成2∶1的復(fù)合體（Cheng，2005），從而使

土霉素在土壤中的環(huán)境行為發(fā)生改變。

國內(nèi)外對抗生素在土壤中的環(huán)境行為雖已有一些研究報道，但關(guān)于草甸土中抗生素的研究未見報道。草甸土發(fā)育于沖積母質(zhì)，是受地下水或潛水影響的半水成土壤。長期或季節(jié)性積水的濕地通常與淺層地下水的關(guān)系十分密切，兩者間水文聯(lián)系是濕地物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動力，對地下水的水文過程和水質(zhì)演化具有重要影響（王磊和章光新，2007）。草甸土肥力水平較高，生產(chǎn)潛力較大，已廣為利用。草甸土物質(zhì)組成和理化性質(zhì)受人類生產(chǎn)活動影響較大，是土壤污染的高風(fēng)險區(qū)，也是土壤污染物向水環(huán)境遷移的臨界區(qū)。本試驗通過對不同類型陽離子存在，以及不同離子強(qiáng)度條件下，土霉素在草甸土上吸附的影響，揭示其遷移規(guī)律。以期為抗生素對土壤及水環(huán)境影響風(fēng)險評價提供科學(xué)依據(jù)。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of the two tested soils

1 材料與方法

1.1 供試材料

土霉素標(biāo)準(zhǔn)品（純度為97.5，購自中國藥品生物鑒定所）；土霉素購自大連容海生物科技有限公司；乙腈為色譜純，購自沈陽市華東試劑廠；其他化學(xué)試劑均為分析純；實驗用水為蒸餾水。

供試土壤為草甸土。采于遼寧省錦州市，均為0～20 cm土層樣品，土壤樣品不含任何抗生素類藥物，2種土樣風(fēng)干磨細(xì)過60目篩備用。供試土壤理化性質(zhì)，見表1。

1.2 吸附試驗方法

1.2.1 離子強(qiáng)度

吸附試驗參照OECDguideline 106批平衡方法進(jìn)行。稱取土樣1.0000 g（精確至0.9995～1.0005 g）于50 mL離心管中，按照水土比25:1加入25 mL不同濃度的土霉素溶液（用濃度梯度為0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L-1CaCl2溶液配制），使土壤懸濁液中土霉素的起始質(zhì)量濃度為2.5、5.0、10.0 mg·L-1。在恒溫25 ℃下于200 r·min-1震蕩12 h后，4000 r·min-1下離心15 min，取上清液，經(jīng)0.45 μm水系濾膜過濾后，為防止土霉素在水相中降解，在濾液中加入一滴6 mol·L-1HCl使其pH將至2～3（Stephen和linda，2005），然后用HPLC測定溶液中土霉素濃度。以上處理均做3個重復(fù)，其中未含土霉素的處理作為空白，未含土壤的處理作為對照。

用吸附前后溶液中土霉素濃度之差計算得到2種土樣對土霉素的吸附量，同時利用等溫吸附方程擬合（張勁強(qiáng)等，2005；姚圓等，2010；李兆君等，2008；劉新程等，2010）。

1.2.2 不同陽離子的影響

參照1.2.1離子強(qiáng)度試驗方法，改變其中用不同濃度梯度CaCl2溶液配制不同濃度土霉素溶液為用0.01 mol·L-1NaCl、KCl、MgCl2溶液配制，使土壤懸濁液中土霉素的起始質(zhì)量濃度梯度為2.0、5.0、10.0、15.0、20.0 mg·L-1，測定土霉素在2種土樣中的吸附參數(shù)（Wang等，2008）。

1.2.3 土霉素的測定

土霉素測定的高效液相色譜（HPLC）儀器條件：普析L600高效液相色譜儀，配置UV檢測器，手動進(jìn)樣器，色譜柱為Pgrandsil-STC-C18(5 μm，4.6 mm×250 mm)。進(jìn)樣量為10 μL，柱溫25 ℃，土霉素采用V(乙腈)∶V[NaH2PO4（0.01 mol·L-1）]=25∶75為流動相，流速為1 mL·min-1，檢測波長為355 nm。該色譜條件下土霉素的保留時間為7.30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子強(qiáng)度對吸附的影響

圖1為2種土樣對抗生素的吸附量隨不同離子強(qiáng)度的變化趨勢。其中，縱坐標(biāo)代表的是吸附量，既每千克土壤能夠吸附抗生素的量，橫坐標(biāo)則代表配制土霉素溶液時所用CaCl2溶液濃度。顯然，隨著CaCl2濃度的增高，2種土樣對土霉素的吸附量皆成降低趨勢且2種土樣吸附量降低趨勢基本一致。由圖1可見，在2種土樣中，不同濃度的土霉素在草甸土中的吸附受CaCl2離子強(qiáng)度的影響是不同的。當(dāng)土霉素濃度低時，其在草甸土中的吸附受CaCl2離子強(qiáng)度的影響較土霉素濃度高時要小些。在低濃度土霉素情況下，草甸土中有較多的吸附位點，土霉素能被草甸土充分吸附，離子強(qiáng)度的變化對土霉素吸附的影響較小。在高濃度土霉素情況下，Ca2+離子強(qiáng)度發(fā)生改變時，對土霉素吸附量的影響較大。土壤膠體上的吸附點位是決定吸附量的主要因素。Ca2+離子強(qiáng)度增大，與土霉素競爭土壤膠體上的吸附點位是影響土霉素吸附量的主要原因。因此，在石灰性土壤中，由于Ca2+的存在，對

土霉素的吸附產(chǎn)生影響。進(jìn)而影響其水-土界面環(huán)境行為。因為有陪補(bǔ)離子的存在，土霉素吸附量減少，使其進(jìn)入水環(huán)境的風(fēng)險加大。

圖1 不同CaCl2濃度下2種土樣中土霉素吸附平衡時的吸附量Fig.1 Adsorption capacity of OTC in the two soils on different CaCl2concentration

土壤吸附系數(shù)Kd是土霉素土壤吸附量與平衡溶液中土霉素濃度之比，以Kd值作為衡量土壤吸附抗生素的標(biāo)準(zhǔn)在近年來被廣泛采用。由表2可見，隨著土壤樣品中CaCl2濃度增大，其對應(yīng)Kd值是逐漸減小的，且此種減小趨勢是非線性的。這說明，草甸土吸附土霉素的能力是隨著土壤中Ca2+濃度的增大而減弱的。又因Ca2+對草甸土吸附土霉素的能力的影響是一種非線性的過程，這就說明，有可能在某一Ca2+濃度范圍內(nèi)，其對吸附的影響較其他濃度大。對2種土樣中相鄰CaCl2濃度處理得出的Kd值進(jìn)行t檢驗。結(jié)果表明，在CaCl2溶液濃度為0.01與0.03 mol·L-1間得出的Kd值均存在顯著性差異（p≤0.05），而在0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L-1間得出的Kd值均沒有顯著差異（p＞0.05）。這說明，當(dāng)土壤中CaCl2溶液濃度為0.01～0.03 mol·L-1時，其對土霉素在草甸土中的吸附影響較其他濃度范圍大。Kreuzig等（2003）認(rèn)為如果污染物在土壤中吸附系數(shù)Kd值小于2，就有可能淋溶并影響到地下水安全的風(fēng)險（Kreuzig等，2003）。由表2可見，當(dāng)Ca2+濃度在0.08、0.10 mol·L-1時，土霉素在草甸土中的Kd值幾乎全部小于2，這也表明當(dāng)土壤中Ca2+濃度較大時，草甸土吸附土霉素的能力減弱，土霉素易通過淋溶作用進(jìn)入地下水，從而威脅地下水安全。

由于不同離子強(qiáng)度的作用，2種土樣中土霉素吸附是非線性的過程，因此以Freundlich模型對其進(jìn)行擬合。擬合所得參數(shù)見表3。

由表3可見，2種土樣皆可以用Freundlich模型進(jìn)行良好的擬合。Freundlich方程的擬合參數(shù)lg

Kf代表土壤對土霉素的吸附容量，2種土樣lg Kf值均表現(xiàn)出隨著CaCl2溶液濃度增加而減小的趨勢。這說明隨著離子強(qiáng)度的增強(qiáng)，土霉素在草甸土中的吸附量降低。Freundlich方程擬合參數(shù)1/n＜1說明土壤對污染物的吸附是物理吸附，吸附比例隨著污染物濃度的增加而減少。如表3所見，2種土樣中1/n值均小于1，這說明草甸土對土霉素的吸附比例隨著土霉素濃度的增加而減少。

2.2 不同離子對土霉素吸附作用的影響

不同離子類型的存在對土霉素在草甸土中吸附的影響存在差異。以Freundlich方程對NaCl、KCl、MgCl2溶液條件下土霉素在草甸土中的吸附進(jìn)行擬合（Wessels等，1998；Schmitts和Schneider，2000）。擬合所得參數(shù)見表4。

由表4可見，不同陽離子條件下，2種土樣lg Kf值均為lg Kf(Mg2+)＜lg Kf（Na+）＜lg Kf（K+）。經(jīng)過方差分析，2種土樣不同陽離子對lg Kf的影響均未達(dá)到顯著性差異（p＞0.05）。這說明不同陽離子對土霉素在草甸土上的吸附量（lg Kf）影響的差異并不顯著。造成這一結(jié)果的原因可能是草甸土土壤膠體主要帶負(fù)電，而土霉素在中性和堿性條件下主要以中性離子和堿性離子的形式存在，土霉素在草甸土中的吸附不是以陽離子交換的方式進(jìn)行的而是以膠體表面范德華力對大分子土霉素的吸附的方式進(jìn)行的。因而陽離子的改變對土霉素在草甸土中的吸附影響并不顯著。這一結(jié)果與包艷宇等（2009）報道的陽離子類型對土壤吸附土霉素的研究結(jié)果相一致，但這一結(jié)論與張勁強(qiáng)等（2007）研究的不同價態(tài)陽離子對諾氟沙星在土壤中的吸附結(jié)果不同。這也說明，不同類型的抗生素在同一環(huán)境介質(zhì)上的吸附機(jī)理是不同的，因此受陽離子類型影響的程度也不相同。

表2 不同CaCl2濃度下土霉素2種土樣中的Kd值（L·kg-1）Table 2 Kdvable of OTC in the two soils on different CaCl2concentration（L·kg-1）

表3 不同CaCl2濃度下的吸附模型參數(shù)Table 3 Sorption parameters for the model on different CaCl2concentration

表4 不同陽離子對2中土樣中土霉素吸附的影響Table 4 Sorption of OTC in two soils with the exsistence of different cations

3 結(jié)論

1）Ca2+離子強(qiáng)度增大，與土霉素競爭土壤膠體上的吸附點位，是影響土霉素吸附量的主要原因。土霉素在草甸土中的吸附量隨著Ca2+離子強(qiáng)度的增大而降低且不同濃度的土霉素在草甸土中的吸附受CaCl2離子強(qiáng)度的影響是不同的，當(dāng)土霉素濃度較低時，其在草甸土中的吸附受Ca2+離子強(qiáng)度的影響較土霉素濃度高時要小些?？梢姡诳股貪?/p>

度較高且Ca2+離子強(qiáng)度較大的條件下，草甸土吸附土霉素的能力減弱，土壤中土霉素的吸附量減少，土霉素易通過淋溶作用進(jìn)入地下水，進(jìn)而對地下水環(huán)境安全產(chǎn)生威脅。

2）土霉素在草甸土中的吸附可以用Freundlich模型進(jìn)行良好的擬合。對相鄰CaCl2濃度處理得出的Kd值進(jìn)行t檢驗，結(jié)果表明只有在0.01與0.03 mol·L-1間得出的Kd值均存在顯著性差異（p≤0.05），而在0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L-1間得出的Kd值均沒有顯著差異（p＞0.05）。這說明Ca2+離子濃度0.01～0.03 mol·L-1時，其對土霉素在草甸土中的吸附影響較其他濃度范圍大。

3）不同陽離子條件下，2種土樣lgKf值均為lgKf(Mg2+)＜lgKf（Na+）＜lgKf（K+）。對其進(jìn)行方差分析均未達(dá)顯著性差異，可見不同陽離子對土霉素在草甸土上的吸附量影響并不明顯，這與土霉素在草甸土上的吸附以范德華力為主而非陽離子交換形式為主有關(guān)。

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Influence of different strength and species of cation on adsorption of oxytetracycline in meadow soils

WANG Dongsheng, ZHANG Ting, CHAO Yu
College of Environmental Science and Engineering, Liaoning Engineering Technology University, Liaoning Fuxin 123000, China

Oxytetracycline (OTC), one of the tetracycline class of antibiotics, is more widely used in China. It has important significance theoretically and practically to explore the law of adsorption-desorption of OTC in soil for environmental risk

oxytetracycline; sorption; meadow; cation strength; different cations

X53

A

1674-5906（2014）05-0870-06

王東升（1963年生），男，教授，博士，研究方向為土壤中污染物的遷移轉(zhuǎn)化。E-mail: lnwds@sina.com

2014-03-19

王東升，張婷，晁宇. 離子強(qiáng)度和離子類型對土霉素在草甸土中被吸附的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(5): 870-875.

WANG Dongsheng, ZHANG Ting, CHAO Yu. Influence of different strength and species of cation on adsorption of oxytetracycline in meadow soils [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 870-875.

assessment and pollution control of antibiotics. In this study, ionic strength and type in soil water solution were changed to reveal the influence on the adsorption of OTC in meadow soil, aiming at providing a scientific basis for evaluating the environmental risk of OTC in meadow soil. HPLC was the determination method of OTC, which acetonitrile: NaH2PO4(0.01 mol·L-1) =25∶75 (volume ratio) was as mobile phase at a flow rate of 1 mL·min-1and detection wavelength was 355 nm. On the basis of OECD Guideline 106, bath sorption methods were employed to reveal the effect of cation strength (ranging from 0.01 to 0.10 mol·L-1CaCl2) and different cation (0.01 mol·L-1solution of NaCl, KCl, MgCl2) on OTC sorption process in the meadow soil. Results indicated that the adsorption capacity of OTC in meadow soil gradually decreased with the increasing of concentrations of CaCl2, and the adsorption capacity of different concentrations of OTC in meadow soil was affected by different ionic strength. Compared with higher OTC concentrations, the influence of ionic strength was negligible to the sorption at lower OTC concentrations. The soil adsorption coefficient (Kd) was used to measure the ability of adsorption of OTC in meadow. When ionic strength in soil samples increased, its corresponding Kdwould decreased with a non-linear trend. This result showed that there definitely existed a certain concentration range of Ca2+that had the biggest effect on adsorption than other concentration range. The Kdof the adjacent concentration CaCl2were handled with T-test, showing that the value of Kdexisted a significant difference when the concentration ranges of CaCl2were from 0.01 mol·L-1to 0.03 mol·L-1(p≤0.05), while when the the concentration ranges of CaCl2were 0.03, 0.05, 0.08, 0.10 mol·L-1(p＞0.05)were not. The results suggested that when the concentrations of CaCl2solution were 0.01-0.03 mol·L-1, its adsorption of oxytetracycline in the meadow has greater influence than other ranges of concentrations. Using Freundlich model fitted with the adsorption of oxytetracycline in meadow soils under NaCl, KCl, MgCl2solution conditions, the lgKfvalue order of soil samples was lgKf(Mg2+) ＜lgKf(Na+) ＜lgKf(K+). And the effect of different cations on lgKfdid not reach significant difference (p＞0.05) through analysis of variance. This suggested that different cation adsorption capacity(lgKf) of oxytetracycline on the meadow soil was not significant .