土霉素和金霉素在土壤中的吸附–解吸行為

李 鑫，王東升，張 婷

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

doi：10.7515/JEE201505008

土霉素和金霉素在土壤中的吸附–解吸行為

李 鑫，王東升，張 婷

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

選擇黑土和褐土兩種典型東北地區(qū)土壤為吸附體，采用批平衡實(shí)驗(yàn)的方法，研究了四環(huán)素類抗生素（TCs）——土霉素（OTC）和金霉素（CTC）在褐土和黑土的吸附和解吸行為。結(jié)果表明：OTC和CTC都表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附性，且TCs在黑土上的吸附效果優(yōu)于褐土。TCs在褐土和黑土上的吸附等溫線均能較好地與Freundlich和Langmuir吸附方程相擬合，且Freundlich方程（R2=0.994）擬合效果優(yōu)于Langmuir方程（R2=0.989）。四環(huán)素類抗生素的吸附過程是一個(gè)由迅速擴(kuò)散和緩慢擴(kuò)散組成的雙速過程。CTC在褐土和黑土中屬于“L型”等溫吸附線；OTC在褐土和黑土中屬于“S型”等溫吸附線，表現(xiàn)出“協(xié)同吸附”的特點(diǎn)。OTC在黑土中吸附速率最快，解吸性最好，所以在黑土中具有更強(qiáng)的遷移性，對環(huán)境存在著更大的潛在威脅。

四環(huán)素類抗生素；吸附；解吸；褐土；黑土

獸醫(yī)抗生素長期以來一直用于治療和保護(hù)動物的健康，作為飼料添加劑促進(jìn)動物生長?？股夭粌H使用量大，而且體內(nèi)代謝率低（10%～40%），大部分以母體的形式隨糞便和尿液排出體外，并通過不同途徑進(jìn)入土壤水環(huán)境。我國是畜禽養(yǎng)殖的大國，因而畜禽糞便產(chǎn)出量十分巨大。四環(huán)素類抗生素（Tetracycline antibiotics，TCs）在中國獸藥的生產(chǎn)和使用量方面位居首位，其中土霉素（OTC）和金霉素（CTC）應(yīng)用最為廣泛。

已有抗生素的研究，主要集中在對單一抗生素在一種土壤上的檢測、吸附、解吸行為，還有有機(jī)質(zhì)含量，pH值、重金屬、陽離子濃度與類型等對抗生素的吸附、解吸的影響上，缺乏抗生素與土壤之間的對比研究（Thiele-Bruhn and Beck，2005；高鋒等，2013；王東升等，2014）。東北地區(qū)是中國主要的糧食產(chǎn)區(qū)，許多地區(qū)為了保持產(chǎn)量在土壤中施用了大量的有機(jī)肥，抗生素的土壤污染問題不容忽視。土壤對抗生素的吸附、解吸是影響其在土壤環(huán)境中遷移、滯留和轉(zhuǎn)化的主要因素，是控制獸藥進(jìn)入環(huán)境行為的重要過程（薛愛芳，2011）。鑒于此，本文以土霉素（OTC）和金霉素（CTC）為代表，以東北地區(qū)的兩種典型土壤為試驗(yàn)土壤，采用批平衡試驗(yàn)的方法，研究兩種四環(huán)素類抗生素在褐土和黑土中的吸附和解吸特征，以期為系統(tǒng)地研究四環(huán)素類抗生素在土壤中的吸附、解吸機(jī)理，為防止抗生素?cái)U(kuò)散對環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土霉素和金霉素均購自大連容海生物科技有限公司，藥品含量均為99.0%。乙腈為色譜級試劑，其他化學(xué)試劑均使用分析純。本研究所用到的四環(huán)素類抗生素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式和基本性質(zhì)見圖1和表1（梁蘭，2014）。

圖1 四環(huán)素類抗生素（TCs）結(jié)構(gòu)分子式Fig.1 The molecular structure of tetracyclines antibiotic

表1 四環(huán)素類抗生素基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of tetracyclines antibiotic

供試土壤樣品分別為采自黑龍江省齊齊哈爾市的黑土，遼寧省阜新的褐土，取0～20 cm的耕作層土壤作為土壤樣品，經(jīng)檢測土樣中不含有任何TCs，將兩種土樣自然風(fēng)干，過60目篩備用。供試土壤理化性質(zhì)見表2。

TCs測定的高效液相色譜儀器（HPLC）條件：Waters Alliance高效液相色譜儀，配置2996紫外檢測器。流動相A為色譜純乙腈，B為0.01 mol·L-1草酸水溶液，比例為A：B=25：75，每個(gè)樣品運(yùn)行10 min。該色譜條件下，CTC為4.40 min，OTC為5.36 min。

表2 供試土壤理化性質(zhì)Tab.2 Physiochemical properties of the two tested soils

1.2 研究方法

1.2.1 接觸時(shí)間對抗生素吸附的影響

吸附實(shí)驗(yàn)采用OECD Guideline（GB/T 21851—2008）批量平衡法。分別稱取褐土和黑土的土壤各1.0 g（精確至0.9995～1.0005 g）于50 mL離心管中，在離心管中加入25 mL濃度為20.0 mg·L-1的抗生素溶液（用 0.01 mol·L-1CaCl2溶液配制），分別在第 5 min、10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、7 h、12 h、24 h、36 h取樣，3800 r·min-1下離心10 min，取上清液，用0.45 μm水系濾膜過濾雜質(zhì)。避免TCs在水相中降解，再滴入一滴6 mol·L-1鹽酸，用液相色譜測定抗生素含量。1.2.2 抗生素的吸附、解吸試驗(yàn)

參照上述方法進(jìn)行吸附試驗(yàn)，抗生素濃度設(shè)5個(gè)梯度，分別為5 mg·L-1、8 mg·L-1、10 mg·L-1、15 mg·L-1和20 mg·L-1，其中不含抗生素的土壤作為一個(gè)空白對照。用吸附前后溶液中四環(huán)素類抗生素濃度之差作為褐土和黑土對抗生素的吸附量，以上操作均做3個(gè)重復(fù)。

將上述試驗(yàn)樣品離心后，棄去上清液，之后加入25 mL的0.01 mg·L-1CaCl2溶液，繼續(xù)振蕩24 h至解吸平衡后，同上操作。用解吸前后溶液中土霉素和金霉素的濃度之差作為抗生素在褐土和黑土中的解吸量。利用三種典型的等溫吸附模型將土霉素和金霉素在褐土和黑土中的吸附、解吸進(jìn)行擬合分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 TCs在土壤中的吸附過程

四環(huán)素類抗生素在褐土和黑土上的吸附過程如圖2和圖3所示。由圖可知，四環(huán)素類抗生素吸附分為兩個(gè)過程，即快速反應(yīng)過程和慢速平衡過程。在抗生素被吸附的整個(gè)過程中，開始時(shí)溶液中四環(huán)素類抗生素被土壤大量吸附，為抗生素吸附的快速擴(kuò)散過程，可在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)完成，達(dá)到吸附總量的90.0%以上，之后溶液中抗生素的比例變化趨于平緩，一定時(shí)間吸附達(dá)到飽和，抗生素的總吸附量不再增加。當(dāng)吸附時(shí)間為24 h時(shí)，抗生素的吸附已基本維持平衡，所以將四環(huán)素類抗生素吸附時(shí)間定為24 h。快速擴(kuò)散過程可以認(rèn)為是溶質(zhì)分子首先附著在土壤細(xì)小顆粒表面，沿著擴(kuò)散阻力最小的徑向方向運(yùn)動，之后受到狹窄孔徑的巨大阻力，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槁傥剑执髢x，2000；Juttar and Davida，2007；齊會勉等，2009）。隨著抗生素吸附時(shí)間的不斷增加，四環(huán)素類抗生素分子逐漸占據(jù)大量土壤顆粒表面，逐漸減弱的顆粒表面剩余力使得抗生素吸附行為的進(jìn)行推力逐漸減弱，致使吸附趨于平衡。當(dāng)土粒的全部吸附點(diǎn)位都被四環(huán)素類抗生素占據(jù)時(shí)，抗生素的吸附就達(dá)到了飽和。

對比四環(huán)素類抗生素在褐土和黑土上的吸附，OTC和CTC都表現(xiàn)出較好的吸附效果。其中，對于同一種土壤而言，OTC的吸附效果要高于CTC，可能與OTC自身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異有關(guān)。對于同一種抗生素而言，黑土的吸附效果要優(yōu)于褐土。因?yàn)镃TC和OTC土壤吸附與土壤粘粒含量有關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH值等也是影響CTC和OTC土壤吸附的重要因素。黑土和褐土的pH相近，但是黑土豐富的有機(jī)質(zhì)和粘粒含量為土霉素和金霉素提供了更多的吸附點(diǎn)位，促進(jìn)了抗生素的吸附。CTC在黑土中最終平衡量為477.75 mg·kg-1、褐土中為469.18 mg·kg-1；OTC在黑土中最終平衡量為486.30 mg·kg-1，褐土中為476.88 mg·kg-1。

圖2 CTC吸附過程Fig.2 The adsorption process of CTC

圖3 OTC吸附過程Fig.3 The adsorption process of OTC

2.2 TCs在土壤中的等溫吸附行為

抗生素在褐土和黑土中的吸附如圖4和圖5所示。由圖可見，隨著CTC和OTC加入濃度的增加，褐土和黑土對抗生素的吸附量也不斷增加，采用Freundlich模型、Langmuir模型和線性模型分別對CTC和OTC在褐土和黑土中的吸附等溫線進(jìn)行定量描述，結(jié)果見表3。

模型中，Cs為單位質(zhì)量土壤對CTC/OTC吸附量（mg·kg-1），Ce為平衡溶液中CTC/OTC的濃度（mg·L-1）， Freundlich方程中Kf為吸附常數(shù)，代表吸附容量。在解吸方程式中，以Kdes代替Kf；1/n反映吸附的非線性程度以及吸附機(jī)理的差異。Langmuir模型中，qe等同于Freundlich的Cs，KL是表示吸附表面強(qiáng)度的常數(shù)，Qm則為CTC/ OTC的單分子層吸附時(shí)的最大吸附量（mg·kg-1）。式（3）中，Kd為線性吸附模型的吸附參數(shù)（L·kg-1）（鮑艷宇，2008）。

圖4 CTC吸附等溫線Fig.4 The adsorption isotherm of CTC

圖5 OTC吸附等溫線Fig.5 The adsorption isotherm of OTC

表3 TCs吸附模型參數(shù)Tab.3 Parameters of the TCs adsorption models f tted

從試驗(yàn)得到的等溫吸附方程擬合（表3中R2值）可以看出，以Freundlich方程的擬合效果最佳，平均擬合系數(shù)為0.994，其次是Langmuir模型，平均為0.989，擬合效果均達(dá)到了極顯著相關(guān)。線性模型擬合系數(shù)為0.955，為顯著相關(guān)。對比褐土和黑土對兩種抗生素吸附常數(shù)lgKf可以發(fā)現(xiàn)，CTC和OTC在黑土中的吸附系數(shù)最大，分別為2.737和3.076。在褐土中的吸附系數(shù)較低，分別為2.597和2.740。由Langmuir方程中最大吸附量Qm可見，兩種抗生素均在黑土中達(dá)到最大的理論飽和吸附量，和Freundlich方程中Kf所得結(jié)論一致。

吸附等溫線的形狀能定性地描述污染物的吸附過程。褐土和黑土對抗生素的吸附強(qiáng)度（1/n）在0.903～1.327，同一種土壤對兩種四環(huán)素類抗生素的吸附強(qiáng)度（1/n）經(jīng)方差分析顯示，達(dá)到了顯著差異水平（P＜0.05）。根據(jù)吸附強(qiáng)度（1/n）與吸附等溫線形狀的關(guān)系可知（Tang et al，2004；Cheng et al，2007），CTC在褐土和黑土中的1/n＜1，屬于“L型”等溫吸附線，即在一定濃度范圍內(nèi)，土壤對抗生素的吸附比例隨著抗生素濃度的增加而減少。OTC在褐土和黑土中的1/n＞1，屬于“S型”等溫吸附線，表現(xiàn)出“協(xié)同吸附”的特點(diǎn)，即在一定濃度范圍內(nèi)，抗生素被吸附的比例會隨著抗生素濃度的增加而增大。

2.3 TCs在土壤中上的等溫解吸行為

金霉素和土霉素在褐土和黑土中的解吸等溫線如圖6和圖7所示。結(jié)合表4可以發(fā)現(xiàn)，CTC和OTC在土壤中的吸附還是以Freundlich模型擬合效果最好（平均R2=0.995），其次是Langmuir模型（平均R2=0.990），而線性模型擬合效果最差（平均R2=0.968）。CTC和OTC在黑土和褐土上的解吸行為的擬合效果與吸附模型一致。

圖6 CTC解吸過程等溫線Fig.6 The desorption isotherms of CTC

圖7 OTC解吸過程等溫線Fig.7 The desorption isotherms of OTC

表4 TCs在三種質(zhì)地土壤中的解吸參數(shù)模型Tab.4 Parameters of the TCs desorption models f tted in three different texture soil

對于抗生素在不同土壤中的解吸行為均存在明顯的滯后現(xiàn)象，Pusino et al（2004）定義了滯后系數(shù)（H）：

H=Nads/Ndes

Nads和Ndes分別為吸附和解吸Freundlich方程中的指數(shù)，當(dāng)H=1時(shí)，說明吸附和解吸基本上是可逆的。

由表5可知，CTC、OTC在褐土和黑土中的解吸滯后系數(shù)均大于1，表明四環(huán)素類抗生素在褐土和黑土中有部分是不可逆的，其中抗生素在黑土中的滯后系數(shù)要大于褐土，OTC比CTC具有更高的滯后系數(shù)，所以O(shè)TC在黑土中會有更長久的滯留，因而對土壤環(huán)境存在著更大的威脅。

表5 TCs在三種質(zhì)地土壤中的解吸滯后常數(shù)（HI）Tab.5 Desorption hysteresis constant（HI）for TCs in three different texture soil

3 結(jié)論

TCs在褐土和黑土上的吸附為雙速率過程，即快速反應(yīng)過程和慢速平衡過程。CTC和OTC在黑土上的吸附效果均要優(yōu)于褐土。兩種抗生素在同種土壤條件下，吸附量大小均為：OTC＞CTC，其中

OTC在黑土上的吸附量最大，為486.3 mg·kg-1。TCs在褐土和黑土上的等溫吸附在Freundlich模型、Langmuir模型和線性模型中均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，其中以Freundlich模型對TCs吸附、解吸的擬合效果最佳。TCs在褐土和黑土上的吸附強(qiáng)度（1/n）

具有顯著差異，CTC在褐土和黑土中屬于“L型”等溫吸附線；OTC在褐土和黑土中的屬于“S型”等溫吸附線，表現(xiàn)出“協(xié)同吸附”的特點(diǎn)。OTC在黑土中吸附速率最快，解吸性最好，所以在黑土中具有更強(qiáng)的遷移性，對環(huán)境存在著更大的潛在威脅。

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Adsorption-desorption behavior of oxytetracycline（OTC）and chlortetracycline（CTC）

LI Xin，WANG Dong-sheng，ZHANG Ting
（College of Environmental Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

Choosing two typical northeast soil — cinnamon soil and black soil as tetracycline antibiotics adsorbents，using OECD Guideline batch equilibrium method to study adsorption-desorption behavior and thermodynamics behavior of two kinds of tetracycline antibiotics（OTC and CTC）in cinnamon soil and black soil.The results show that OTC and CTC exhibited high adsorption rates.By comparing the size of adsorption quantity，TCs in black soil is better than that of in cinnamon soil.Tetracycline antibiotics adsorption isotherms in cinnamon soil and black soil are consistent with the Freundlich equation model and Langmuir equation model.The Freundlich equation is superior to the Langmuir equation.The adsorption process of antibiotics is a double speed process that has fast diffusion and slow diffusion.Tetracycline antibiotics adsorption isotherms resemble the linear curves according to adsorption strength（1/n）.Oxytetracycline in soil belongs to "S" type，isothermal adsorption and adsorption of chlortetracycline "L" isothermal adsorption.OTC has the bigger adsorption in the two soils and the faster desorption rate.Along with the antibiotic substances gradually accumulated in the soil environment，the harm of soil ecological to environment would grow.

tetracycline antibiotics; adsorption; desorption; cinnamon soil; black soil

X53

A

1674-9901（2015）05-0317-06

2015-06-28

李 鑫，E-mail： lixin366@qq.com