川西平原还田秸秆腐解DOM对磺胺甲噁唑吸附行为的影响机制

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磺胺类抗生素因其化学结构稳定、易于生产和广谱抗菌效果,被广泛用于治疗人类与动物的疾病,但其容易在自然环境中积累,对生态环境构成潜在危害。农作物秸秆来源的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)是环境中极为活跃的有机组分,在一定程度上控制了农田土壤中有机污染物(OCs)的环境地球化学行为。本论文以磺胺甲噁唑(sulfamethoxazole,SMX)为研究对象,研究了其在川西平原水稻土中的吸附过程,分析了还田油菜秸秆和水稻秸秆在腐解过程中释放DOM的特征,探讨了还田秸秆及其腐解过程DOM对SMX在土壤中吸附行为的影响机制,对准确评估川西平原SMX的环境风险具有重要意义。其主要结论如下:(1)SMX在川西平原水稻土中的吸附动力学特征适合双室一级动力学模型,而热力学过程不仅符合Langmuir模型,也与Freundlish模型描述相符,并表现出一定的非线性特征,但以分配作用为主。锦江水稻土对SMX吸附能力随温度改变发生不规则变化,而隆兴水稻土的吸附是一个自发的、吸热的过程。(2)水稻秸秆初始释放DOM芳香性高于油菜,随着腐解过程的进行,其芳香化程度均提高。通过红外光谱技术分析证实了2种秸秆DOM含有氨基酸、脂质、糖类、纤维素等,腐解后转化为腐殖类物质、无机碳酸盐或铵盐。利用三维荧光光谱技术表征,发现油菜和水稻秸秆初始释放DOM各荧光成分含量差异明显,但长期腐殖化后,种间差异减弱。(3)秸秆DOM在一定浓度范围内促进了土壤对SMX的吸附,其浓度与促进程度呈正相关。这与DOM在土壤中的吸附能力有关,可能是增加了土壤有机质的量,从而增强了分配作用,或者是累积吸附和共吸附的效应。(4)腐解的和未腐解的秸秆DOM对土壤吸附SMX均表现为显著的促进作用。随着腐解时间的延长,促进作用逐渐减弱,在腐解90d后,DOM的影响趋于稳定。腐解后所提取DOM对SMX吸附增量较腐解前少,这可能与其疏水组分比例有关。(5)腐解和未腐解秸秆DOM对土壤吸附SMX的影响相似,使得土壤对SMX吸附初始阶段速率快速上升,但平衡时间延长,吸附总量增大。DOM降低了初始阶段快速单元吸附贡献比例,也降低了后续阶段慢速吸附贡献的比例,减弱了双室吸附特征。吸附初始阶段,SMX在土壤上的吸附速率快速上升,这与DOM-SMX共吸附有关。吸附平衡时间的延长,则可能是累积吸附现象所致。平衡吸附总量的上升,与外源秸秆DOM为土壤固相所提供的总有机含量和吸附位点的增加相关。(6)腐解和未腐解秸秆DOM对土壤吸附SMX的热力学变化规律类似,其吸附过程不符合Langmuir模型描述,而较适合Freundlish模型,吸附过程仍以分配作用为主,仍然是自发的吸热过程。腐解和未腐解秸秆DOM对吸附过程吉布斯自由能的影响差异性不明显。腐解的油菜秸秆DOM对土壤吸附SMX过程的熵变和焓变较未腐解油菜秸秆DOM发生的改变,可能产生于吸附初始阶段,其本质是腐解后油菜秸秆DOM组分和官能团发生了变化。
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