环丙沙星在潮土中吸附-解吸特性及运移规律研究

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近年来,抗生素类药物在环境中的污染问题受到了国内外研究学者的普遍关注。抗生素多被添加进动物饲料中预防动物疾病或促进其生长发育,而约60%~90%的抗生素不能被机体完全吸收,以母体化合物或代谢产物的形式随粪尿排出体外,进入并残留在土壤环境中,导致土壤污染,进而对水环境产生危害。在我国,氟喹诺酮类抗生素(fluoroquinolones,FQNs)被大量生产并广泛应用,然而有关其在土壤中的环境行为研究相对缺乏。白洋淀地区家禽养殖业特别发达,氟喹诺酮类药物使用量较大,畜禽粪便未经处理直接排放至环境中,导致土壤、水体等抗生素污染。因此,本研究选取白洋淀地区为研究区域,以典型氟喹诺酮类抗生素——环丙沙星为研究对象,研究环丙沙星在不同的垂直潮土层中的吸附-解吸特性、吸附机理及迁移规律,为评价环丙沙星在土壤中的环境行为特征提供科学依据。主要的研究内容及结果如下:  (1)通过OECD guideline106批平衡实验方法研究环丙沙星在0~20 cm和20~40cm两个垂直潮土层中吸附-解吸特性。结果表明:环丙沙星可以强烈的被0~20 cm和20~40 cm两个潮土层吸附。吸附与解吸动力学过程均包括快速反应和慢速反应两个阶段,24 h可以作为潮土吸附与解吸环丙沙星的平衡时间。准二级动力学方程及Freundlich方程可以很好的拟合潮土吸附与解吸环丙沙星的过程。解吸行为存在明显滞后现象,0~20 cm土层的解吸滞后系数均大于20~40 cm的解吸滞后系数。  (2)通过改变土壤初始pH、去除土壤有机质及微生物等方式,研究影响吸附过程的主要因素;并采用SEM-EDS、XRD、FT-IR等不同的表征手段,深入探讨环丙沙星在潮土中的吸附机理。结果表明:潮土吸附环丙沙星的过程受到多种因素的影响。土壤初始pH值的大小、土壤中有机质含量以及土壤微生物等都强烈影响吸附过程。在pH值为4~9条件下,环丙沙星的吸附参数lgKd值随pH的增加先增加后降低,当pH值为5时,环丙沙星在两层土中的吸附最强。去除有机质后土壤粘粒矿物上释放了更多的吸附结合位点,进而增加了土壤对环丙沙星的吸附量。未去除微生物的潮土相比于去除微生物的土壤吸附容量(Kf)增加。潮土吸附环丙沙星的过程中存在多种吸附作用。通过SEM-EDS、XRD图谱以及红外光谱表明,环丙沙星在潮土中的吸附主要发生在土壤矿物表面,以静电作用等物理吸附为主,但也发生阳离子交换作用、氢键作用等不同的反应。  (3)采用原状土柱法研究环丙沙星在不同淋溶条件下的迁移情况,并应用HYDRUS-1D软件建立模型,模拟预测环丙沙星在土壤中的迁移规律。结果表明:原状土柱中表层土壤中的环丙沙星能随水流垂直向深层土壤中迁移。污染物的浓度、淋溶水体积以及淋溶速率很大程度上影响了其垂直向下迁移的深度。污染浓度越高,环丙沙星垂直向下迁移的越深;淋溶体积越大,环丙沙星在相同的条件下垂直迁移的深度也越大;高淋溶速率土柱中环丙沙星垂直向下迁移的更远。通过Hydrus-1D软件模拟可知,增加淋溶时长,可以使环丙沙星在土壤中垂直迁移到更深处,但其浓度在降解、吸附等的作用下逐渐降低。环丙沙星在几年内仍不能完全降解,会随着水流向深层迁移。模拟1年时,能迁移到119cm处;5年时,迁移到136cm处;10年时,迁移到156cm处。可以初步推断,环丙沙星能强烈的吸附在土壤中,对土壤环境造成危害;但同时其会在水流的作用下往垂直深层土壤中迁移,存在污染深层土壤及浅层水的风险。
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