外源溶解性有机质对兽药土霉素在黄壤中吸附—解吸行为的影响

范菲菲　朱健　韦时宏

摘要：为了探讨外源溶解性有机质对兽药土霉素在黄壤中吸附-解吸行为的影响，采用批量平衡方法，研究了不同浓度的外源溶解性有机质对黄壤中土霉素吸附与解吸的影响及机制。结果表明，线性模型、Freundlich模型和Langmuir模型均可较好地拟合不同浓度外源溶解性有机质对含有土霉素的黄壤的吸附与解吸曲线，决定系数（R2）为0.946 8～0.999 8；无论添加哪种外源溶解性有机物质，黄壤对土霉素的吸附量均随液相中土霉素浓度的升高而增加，并且不存在解吸迟滞行为。

关键词：外源溶解性有机质；土霉素；黄壤；吸附-解吸

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）01-0053-06

溶解性有机质[1]又叫水溶性有机质（Dissolved organic matter，DOM）是指有机物料用水浸提后，能通过0.45 μm滤膜，具有不同结构及分子大小的有机物（如小分子的游离氨基酸、碳水化合物、有机酸及大分子的酶、氨基糖、多酚和腐殖质等）。它不仅影响氮（N）、硫（S）和磷（P）等营养元素的生物有效性及污染物（重金属、持久性有机物、农药等）的迁移能力[2-4]，而且还是矿物风化、成土过程以及微生物代谢、土壤有机质分解和转化等过程的重要影响因素。有研究[5，6]表明，DOM进入土壤后，可以通过静电吸附、配位体交换、络合作用、疏水作用、熵值效应、氢键作用和阳离子键桥作用等方式与土壤胶体结合，从而被土壤吸附和固定、并在一定的条件下又重新释放出来，因而对有机污染物在土壤中的吸附、迁移、生物有效性等环境行为有着重要的影响。

土霉素[7，8]是20世纪40年代发现的，是广泛应用于畜禽养殖生产中的四环素类抗生素之一。由于其在畜禽体内利用率低，大多以药物原型排出体外，再随畜禽粪便的施用进入耕作土壤，影响土壤微生物生态链并诱发耐药菌，对土壤环境及人类健康产生严重危害，成为环境污染的潜在隐患。吸附-解吸行为是兽药土霉素在土壤环境中迁移和转化的重要过程，对减少土霉素对土壤环境的危害起着重要的作用。目前，对土霉素在土壤中吸附-解吸行为的研究主要集中在土霉素在土壤参考黏粒、铁铝氧化物、腐殖质、黏粒-腐殖质复合体上的吸附和解吸行为，以及pH、阳离子交换量（CEC）对吸附、解吸的影响[9-13]，而关于溶解性有机物质对土霉素在土壤上的吸附与解吸的作用方面还鲜见报道。

黄壤是中国南方山区的主要土壤类型，主要分布于贵州、四川等省。贵州省黄壤面积703.8万hm2，占全国黄壤总面积的30.27%，其中旱耕地黄壤464.8万hm2，占全省旱耕地面积的46.2%，是贵州主要旱粮和多种经营用地，农作物主产玉米、马铃薯、小麦以及茶叶，是农民收入的主要来源。有资料[14]表明，目前贵州省有很多养殖场，仅贵阳市就有大型养殖场1 000家，这些畜禽养殖场为了减少牲畜的发病率，大量使用金霉素、恩诺沙星、土霉素、庆大霉素、环丙沙星等抗生素，这些抗生素未经过处理直接通过畜禽排泄物进入环境中，会对生态环境、动植物以及人体健康造成潜在的危害。因此，本研究选用四环素类抗生素中的一种——土霉素为研究对象，研究不同来源的外源溶解性有机物质（腐殖酸、有机肥、柠檬酸）对黄壤中土霉素吸附与解吸的影响，以期为准确有效评估土霉素对黄壤地区的环境及其人体健康危害的风险提供理论依据，为保障农业生产安全提供技术支撑和保障，进而推进贵州省农产品安全生产和农业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 主要仪器 安捷伦1100型高效液相色谱仪；Speedisk Column H2O-Philic DVB萃取小柱：3 mL，100 mg填料；色谱柱：Aglient ZORBAX SB-C18 （3.5 μm，4.6 mm×150 mm）；

1.1.2 主要试剂 土霉素（Oxytetracycline Hydrochloride，OTC），分子式：C22H24N2O9，相对分子质量：496.90，纯度≥98%，购于德国默克公司；甲醇、乙腈均为色谱纯（美国Fisher公司）；其他试剂均为分析纯；试验用水为Millipore超纯水。

1.1.3 供试土壤 黄壤采自贵州黄壤土壤肥力与肥料效益监测基地，该土壤为未受土霉素等抗生素污染的农田耕层（0～20 cm）土壤，土壤采集后，风干，过2 mm筛备用。土壤基本理化性状见表1。

1.2 方法

1.2.1 腐殖酸以及有机肥中可溶性有机质的提取制备方法 分别称取一定量的商品有机肥、腐殖酸若干份，按水物比5∶1（V∶m）混合，在200 r/min 的水平振荡机上振荡12 h后，在12 500 r/min 的高速离心机上低温（4 ℃）离心30 min，上清液立即用0.45 μm无菌微孔滤膜过滤，滤液于4 ℃低温保存，备用（不超过1周）[15，16]。

1.2.2 试验方法

1﹚土壤中土霉素含量的检测方法。采用Na2EDTA-Mcllvaine作为提取液，在2 g土壤中加入提取液15 mL，超声提取3次，每次加入提取液5 mL，超声时间为8 min，提取液采用DVB固相萃取小柱纯化、无水甲醇洗脱和氮气流浓缩。待测液中的土霉素采用HPLC进行测定，测定条件为：流动相为乙腈和0.01 mol/L磷酸二氢钠（pH为2.5，体积比10∶90），柱温为25 ℃，流速为1.2 mL/min，检测波长350 nm[17]。

2）等温吸附与解吸试验。吸附过程为：等温吸附试验参照OECD guideline 106 批平衡方法（OECD， 2 000）进行，称取过2 mm筛的土壤0.200 0 g，放入50 mL棕色玻璃离心管，按照水土比100∶1加入20 mL以1.5 mmol/L的NaN3 、0.01 mol/L CaCl2溶液和不同浓度的外源溶解性物质的溶液配制的土霉素溶液，土霉素含量分别为1.0、2.0、10、20、40、80、100 mg/L，溶液中外源溶解性有机质浓度分别为200、400、800 mg/L。在25 ℃恒温条件下200 r/min振荡24 h，以4 000 r/min离心10 min，取上清液，过0.45 μm有机滤膜，按上述方法测定滤液中土霉素的浓度，以上处理均做3个重复，以未含土霉素的处理作为空白，未含土壤的处理作为对照。解吸过程为：在吸附试验结束后，离心倒出上清液，加入20 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液，在25 ℃恒温条件下200 r/min振荡24 h，以4 000 r/min离心10 min，取上清液，过0.45 μm有机滤膜，按上述方法测定滤液中土霉素的浓度，以上处理均做3个重复，未含土壤的20 mL的0.01 mol/L的CaCl2溶液为空白[18，19]。endprint

1.2.3 数据处理与分析 试验数据采用Origin 8.0软件进行统计分析，使用Sigmaplot 9.0进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸源溶解性有机质对土霉素在黄壤中的吸附与解吸的影响

如图1A所示，无论是否添加腐殖酸源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量均随液相中土霉素浓度的升高而增加，但是添加腐殖酸源溶解性有机质的浓度不同，其对土霉素的吸附程度有很大差异，吸附量大小顺序为腐殖酸源溶解性有机质添加浓度为200 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质添加浓度为800 mg/L、未添加腐殖酸源溶解性有机质、腐殖酸源溶解性有机质添加浓度为400 mg/L，这可能是当腐殖酸源溶解性有机质浓度较低时，其与土霉素的共吸附促进吸附介质对土霉素的吸持，当腐殖酸源溶解性有机质浓度增加，其对土霉素的增溶作用显著，有利于土霉素从吸附介质上解吸下来，从而使黄壤对土霉素的吸附量减少，此结论与Kulshrestha等[20]关于不同来源的DOM对OTC在黏土矿物表面吸附影响的结论是一致的。

解吸结果见图1B，随着溶液中土霉素浓度的增加，黄壤对土霉素的解吸量大小顺序为腐殖酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、未添加腐殖酸源溶解性有机质。这与黄壤对土霉素吸附量大小的顺序大致相似，从而说明添加腐殖酸源溶解性有机质，其对土霉素在黄壤中的吸附解吸行为有抑制作用。

由表2可知，线性模型、Freundlich模型和Langmuir模型都可以较好地拟合腐殖酸源溶解性有机质不同添加水平对土霉素在黄壤上的吸附和解吸曲线，决定系数（R2）为0.963 36～0.999 18。

在吸附过程中，不同浓度腐殖酸源溶解性有机质存在下，n值均小于1，属于“S”形等温吸附线，表明了土霉素在黄壤上的吸附是发生在非均质吸附剂表面和致密有机质上的吸附，溶质分子先占据能量最高的点位，然后再依次占据能量较低的点位[21]。且最大吸附量Qm值的大小顺序为腐殖酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L、没有添加腐殖酸源溶解性有机质；吸附强度Kf值的大小顺序为腐殖酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L、腐殖酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、没有添加腐殖酸源溶解性有机质、腐殖酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L，这表明加入不同浓度的腐殖酸源溶解性有机质后，黄壤对土霉素的吸附量和吸附强度均有所增加，因此，可以通过加入腐殖酸源溶解性有机质的方式加大土霉素在黄壤中的吸附量，减少土霉素在土壤环境中的残留量，从而减小土霉素对环境的污染程度。

2.2 有机肥源溶解性有机质对土霉素在黄壤上吸附与解吸的影响

由图2A吸附结果所示，无论是否添加有机肥源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量均随液相中土霉素浓度的升高而增加，在低浓度时无论是否添加有机肥源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量差异不大，这是由于土壤的表面吸附点位足够吸附溶液中的土霉素，但是，随着溶液中土霉素浓度的增加，黄壤对土霉素的吸附量大小顺序为没有添加有机肥源溶解性有机质、有机肥源溶解性有机质添加浓度为200 mg/L、有机肥源溶解性有机质添加浓度为400 mg/L、有机肥源溶解性有机质添加浓度为800 mg/L。

解吸结果见图2B，随着溶液中土霉素浓度的增加，黄壤对土霉素的解吸量大小顺序为有机肥源溶解性有机质添加浓度为200 mg/L、有机肥溶解性有机质添加浓度为400 mg/L、有机肥源溶解性有机质添加浓度为800 mg/L、未添加有机肥源溶解性有机质，以上结果表明，没有添加有机肥源溶解性有机质的黄壤对土霉素的吸附量最大，解吸量却最小，因此，添加有机肥源溶解性有机质能够在一定程度上减少土壤中土霉素的含量，有利于降低其生态环境风险。

由表3可知，线性模型、Freundlich模型和Langmuir模型都可以较好地拟合不同浓度有机肥源溶解性有机质对土霉素在红壤上吸附和解吸的曲线，决定系数（R2）为0.936 4～0.999 8。

在吸附过程中，有机肥源溶解性有机质浓度为200 mg/L时，n值大于1，属于“L”形等温吸附线，表明了开始时土霉素很快地被大量吸附，当吸附剂上大部分活性吸附位点被土霉素占据后，就趋于缓慢；有机肥源溶解性有机质浓度分别为400 mg/L和800 mg/L时，n值小于1，属于“S”形等温吸附线，意味着固体（即吸附剂）对溶剂中土霉素具有较强的亲和性，随着土霉素浓度的增加，愈易被吸附[22]。最大吸附量Qm值的大小顺序为有机肥源溶解性有机质浓度为200 mg/L、有机肥源溶解性有机质浓度为400 mg/L、有机肥源溶解性有机质浓度为800 mg/L、没有添加有机肥源溶解性有机质；吸附强度Kf值的大小顺序为有机肥源溶解性有机质浓度为800 mg/L、有机肥源溶解性有机质浓度为400 mg/L、有机肥源溶解性有机质浓度为200 mg/L、没有添加有机肥源溶解性有机质，这表明加入不同浓度的有机肥源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量和吸附强度均有所增加，溶解性有机质浓度低时吸附量大，而有机肥源溶解性有机质浓度高时对土霉素吸附强度高，均比没有添加的吸附效果好，从而说明加入有机肥源溶解性有机质有利于黄壤对土霉素的吸附。

土霉素在黄壤的解吸过程中，解吸的Kf值均小于吸附的Kf值，这表明在解吸平衡后，已没有土霉素残留在土壤中，即在不同浓度的有机肥源溶解性有机质存在下，土霉素在黄壤上的解吸过程不存在滞后现象。

2.3 柠檬酸源溶解性有机质对土霉素在黄壤上的吸附与解吸的影响

由图3A吸附结果可知，无论是否添加柠檬酸源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量均随液相中土霉素浓度的升高而增加，但当土霉素浓度相同时，无论是否添加柠檬酸源溶解性有机质，其对黄壤中土霉素的吸附程度差异不大。这表明，柠檬酸源溶解性有机质通过化学、物理作用改变原来土壤有机质性质，并形成一种新的有机质，这种新形成的有机质结合位点活性较低，能通过其具有的特殊结构在更深层次上“锁住”土壤的活性位点，从而阻止土壤对土霉素的吸附。这与Drori等[23]研究的阿特拉津在回收废水灌溉的土壤中的吸附与解吸行为中所得的结论相似。endprint

解吸结果见图3B，随着溶液中土霉素浓度的增加，黄壤对土霉素的解吸量大小顺序为柠檬酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、柠檬酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L、柠檬酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L、未添加柠檬酸源溶解性有机质，以上结果表明，添加柠檬酸源溶解性有机质的黄壤对土霉素的解吸量却比未添加柠檬酸的黄壤解吸量大，这意味着添加柠檬酸源溶解性有机质有利于减少黄壤中土霉素的含量。

由表4可知，线性模型、Freundlich模型和Langmuir模型都可以较好地拟合不同浓度柠檬酸源溶解性有机质对土霉素在红壤上的吸附和解吸曲线，决定系数（R2）为0.950 3～0.999 5。

在吸附过程中，不同浓度柠檬酸源溶解性有机质存在下，n值均小于1，属于“S”形等温吸附线，表明了土霉素在黄壤上的吸附是发生在非均质吸附剂表面和致密有机质上的吸附，溶质分子先占据能量最高的点位，然后再依次占据能量较低的点位。且最大吸附量Qm值的大小顺序为柠檬酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、柠檬酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L、没有添加柠檬酸源溶解性有机质、柠檬酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L；吸附强度Kf值的大小顺序为柠檬酸源溶解性有机质浓度为800 mg/L、柠檬酸源溶解性有机质浓度为200 mg/L、柠檬酸源溶解性有机质浓度为400 mg/L、没有添加柠檬酸源溶解性有机质，这表明加入不同浓度的柠檬酸源溶解性有机质后，黄壤对土霉素的吸附量和吸附强度均有所增加，说明加入柠檬酸源溶解性有机质有利于黄壤对土霉素的吸附。

土霉素在黄壤的解吸过程中，解吸的Kf值均小于吸附的Kf值，这表明土霉素在不同浓度的柠檬酸源溶解性有机质作用下土霉素在黄壤上的解吸过程不存在滞后现象，这可能是加入柠檬酸源溶解性有机质后其自身能提供大量的活性吸附位点，可以把被吸附剂包裹住的土霉素分子“解放”出来，从而降低解吸迟滞程度。

3 小结

本研究结果表明，线性模型、Freundlich模型和Langmuir模型均可较好地拟合不同浓度外源溶解性有机物质对含有土霉素的黄壤的吸附与解吸曲线，并且决定系数（R2）均较高。

同时，由于土壤的表面吸附点位足够吸附溶液中的土霉素，因此，无论添加哪种外源溶解性有机质，黄壤对土霉素的吸附量均随液相中土霉素浓度的升高而增加。加入不同浓度外源溶解性有机质后，增加了黄壤中土霉素的增溶作用，有利于土霉素从吸附介质上解吸下来，使土霉素在黄壤中不存在解吸迟滞行为，从而减少了土霉素对土壤环境的危害，降低了土霉素对环境中生物产生的毒害效应，对准确有效评估土霉素对环境及人类健康危害的风险有重要意义。

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