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土霉素在土地中迁移研究
四环素类抗生素作为一类动物促生长剂和治疗用药广泛应用于畜禽养殖业。据统计我国每年生产抗生素为2.1×105t,而四环素类抗生素为9.7×104t,占抗生素总量的46.1%[1],其中70%以上的抗生素用于畜禽养殖业。土霉素作为四环素类抗生素中使用最早、应用最广泛的抗生素之一,在养殖业中使用量也最多,仅2003年我国土霉素生产量已达1.0×104t,占当时世界土霉素生产总量的65%[2]。进入动物机体后,大于21%的土霉素添加量以母体的形式随粪便排出体外,在人体中甚至达80%以上[3]。大部分含有土霉素的动物粪便作为一种优良的有机肥料进入土壤中,且因其稳定的化学结构[4],能够在土壤中长期存在。由于土霉素在较低浓度下就可以抑制微生物生长,诱导耐药性微生物的产生,破坏土壤微生态平衡;同时也可以被植物吸收富集[5-6],抑制植物生长[7-8],通过食物链进入到人体内,对农产品质量安全和人体健康[9]构成了威胁。近年来,在河流[10]、食品[11-12]、植物[13]、粪便尿液[14]、土壤[15-16]中土霉素均有不同程度检出。在我国土壤水产养殖场沉积物中甚至可以分别检测到高达200、285mg?kg-1土霉素[17]。如此高浓度的土霉素进入土壤中,为环境安全带来潜在隐患。因此,研究土霉素在土壤中的迁移转化,对评估土霉素的环境安全性具有重要的意义。有关文献报道了土壤类型、土壤有机质[18]、黏粒含量[19]、氧化物[20]等因素对土壤吸附土霉素的影响,但对土霉素在土壤中受降水和灌溉等淋溶迁移行为方面的研究还鲜见报道。本研究采用模拟土柱淋溶法研究了不同土壤类型、淋溶液体积、淋溶液pH值和施药量等因素对土霉素在土壤中迁移的影响,为系统了解土霉素的环境安全性,预测及评价土霉素对地下水的危害影响提供依据。
1材料与方法
1.1仪器与试剂液相-质谱联用仪:1100液相色谱系统(美国Ag-ilent公司);ABI4000QTRAP三级四极杆质谱仪(美国AB公司),配有电喷雾离子源(ESI);XDB-C18(2.1×50mm,5μm)色谱柱;XY-SPE-12A固相萃取仪(上海析友分析仪器有限公司);OasisHLBSPE柱(3.0mL?60mg-1,美国Waters公司);TDL-5离子机(上海安亭科学仪器厂);BT01型蠕动泵(北京友仪四方科技发展有限公司)。土霉素(Oxytetracycline,OTC)购于德国Dr.Ehren-storfer公司,纯度>93.0%,其分子结构式见图1;甲醇、乙腈购于Sigma公司,色谱纯。其他试剂均为分析纯,实验用水为蒸馏水。McIIvaine-EDTA缓冲液配制:柠檬酸12.9g,乙二胺四乙酸二钠37.2g,磷酸氢二钠27.5g,溶于水中并定容到1L,用0.1mol?L-1NaOH调节pH=4.0。3种供试土壤分别采自我国不同地区,土壤风干磨细后过20目筛备用。供试土壤理化性质见表1。人工污染土壤制备:分别称取一定量的土霉素,溶于60mL甲醇中,搅拌混合到200.0g土壤中,制备成不同含量的污染土壤,其中所用土壤类型与土柱内土壤相同,在暗处放置24h,挥发除去甲醇。
1.2检测分析方法检测条件:检测波长365nm,柱温25℃,进样量5.0μL,流速200μL?min-1,流动相A为0.2%甲酸水溶液,流动相B为乙腈,流动相组分A∶B=85∶15,出峰时间为2.61min。质谱条件:电喷雾ESI离子源;雾化气(GAS1)为0.31MPa;气帘气为0.10MPa;加热辅助气(GAS2)为0.38MPa;碰撞气CAD为Medium;喷雾电压IS为-4500V;雾化温度为500℃;检测方式为负离子多离子反应检测(MRM)。OTC用于定性和定量分析的离子对为m/z=445.2/410.2。
1.3试验方法根据GB5084—1992《农田灌溉水质标准》[23]中水稻的灌溉定额800m3?667m-2?a-1和供试土柱的横截面积计算,其相应的年灌溉量为9.6L。水稻生长周期为4个月左右,因此设计土柱的最大淋溶量为4.5L,土壤厚度为30cm。用医用纱布封住有机玻璃柱(高50cm,内径9.5cm)底口,铺垫30g沙子作为承接层,装入3000.0g风干供试土壤。将装好土壤后的柱子浸入装有蒸馏水的塑料桶中,使土壤完全润湿。在土柱上端铺垫少量玻璃棉,然后铺入200.0g污染土壤,再均匀铺上适量石英砂,盖上一层滤纸。淋溶液为蒸馏水,并在淋溶液中加入浓度为0.01mol?L-1的NaN3和CaCl2,以抑制土柱内土本文作者:赵 玲、刘玉芳、尹平河、肖娟宜 单位: 暨南大学环境科学系
霉素的生物降解和土壤离子平衡。用蠕动泵控制淋溶液速度为0.3mL?min-1,直至达到设计淋溶量后停止,再将填装土柱放置3d,使土壤水分排至自然干状态,对半拆开土柱,按要求分层取样,分析土霉素含量。具体试验设计如下:(1)取样方法:将土柱拆开后,以玻璃棉为界限去除上层制备的污染土壤,以紧接玻璃棉的下层土壤为0cm,即表层土壤样品,距玻璃棉5cm的下层土壤为5cm处土壤样品,并依此类推。(2)土霉素在不同土壤中的淋溶迁移特性:按上述填装步骤分别装入红壤土(水稻土)、黑钙土(黑土)、赤红壤(草地土);设定淋溶量为4.5L蒸馏水。(3)淋溶液体积对土霉素在土壤中的迁移影响:以红壤土为供试土壤,设定淋溶量为1.5、3.0、4.5L蒸馏水,换算成相应的降雨量分别为300、600、900mm。(4)淋溶液pH对土霉素在土壤中的迁移影响:以红壤土为供试土壤,淋溶液体积为4.5L,用0.1mol?L-1的NaOH或HCl调节蒸馏水的pH值分别为5、7、9。(5)施药量对土霉素在土壤中淋溶的迁移影响:以红壤土为供试土壤,配制浓度分别为1、10、20mg?kg-1的污染土壤加于不同的土柱上层,用4.5L的蒸馏水淋溶。(6)土霉素溶液在土柱中的迁移特性:土柱中装填60cm供试土壤,直接用4.0L浓度为1.0mg?L-1土霉素溶液淋溶。以上实验每个处理均设3个平行和3次重复实验。
1.4样品处理准确称取风干研磨过60目筛的土壤2.0g于离心管中,加入10.0mLMcIIvaine-EDTA缓冲液,旋转振荡5min,于60kHz、300W下常温超声30min,在10000r?min-1下离心10min,吸取5.0mL上清液,弃去所剩上清液。再次加入10.0mL缓冲液于离心管中,重复以上操作3次,合并提取液,混均,置于避光处。用HLB柱对样品进行富集净化,依次用5.0mL甲醇、5.0mLMcIIlvaine-EDTA缓冲液活化HLB柱,再将提取液通过小柱自然流下,过样完毕后用5.0mL5%甲醇水溶液淋洗,干燥20min,以10.0mL体积比为甲醇∶乙腈∶草酸=3∶3∶4的溶液洗脱。氮气吹至近干,以20%的乙腈水溶液定容到1.0mL,待测。
1.5数据分析本文用SPSS17.0进行数据平均值、标准差、回归及方差(SNK)的统计分析,统计性显着性假设为P<0.05;数据图形采用Origin8.0制作,化学分子式采用Chem-Office2006绘制。2结果与讨论2.1不同土壤类型对土霉素的垂直迁移影响土霉素(OTC)在土壤中有一定的迁移能力,在不同类型的土壤中其迁移能力也有不同,图2为土霉素在红壤土、黑钙土和赤红壤3种土壤中迁移情况。由图2可知,土霉素在3种土壤中的迁移深度为红壤土>赤红壤>黑钙土。在表层土壤中黑钙土中土霉素含量最高,其次为红壤土,赤红壤;但在5~30cm土层,相同深度取样点中的土霉素含量为赤红壤>红壤土>黑钙土,即土霉素在赤红壤中的迁移能力最强,在黑钙土中的迁移能力最弱。方差分析表明,不同土壤类型对土霉素在土壤中的迁移深度影响达到显着差异水平(P<0.05)。土霉素在土壤中的吸附行为与土壤组成有密切的关系[24],尤其以土壤中的有机质、黏粒、铁铝氧化物等因素影响最大,且以上因素含量越高的土壤,对土霉素的吸附量也越大。对照表1中3种供试土壤的理化性质,3种土壤的有机含量依次为黑钙土>红壤土>赤红壤,即有机质含量越高的土壤,土霉素受淋溶迁移的深度越小。因为土壤有机质中带有许多极性官能团,使土壤表面带有大量的负电荷,通过不同的键合作用与土霉素结合,增大了土壤对土霉素的吸附,减缓了土霉素的向下迁移。此外,土壤的pH值、阳离子交换量也有可能对土霉素在土壤中的迁移产生影响。
2.2淋溶液体积对土霉素的垂直迁移影响淋溶液体积会影响土霉素在土柱中的纵向迁移和分布,结果见图3。由图3可知,在表层土壤中,土霉素的含量随淋溶体积的增大而减小;在5~30cm中,土霉素的含量随淋溶液体积的增大而增大,但增大淋溶量,土霉素解吸量增加不明显,说明土壤对TCs的吸附能力较强,不易被淋溶液解吸下来。随着土壤剖面深度的增加,土霉素在土壤中含量迅速降低;在5cm处土壤中土霉素含量为0.16~0.27mg?kg-1,而10cm处土壤中土霉素含量在0.023~0.065mg?kg-1,浓度相差4~7倍,变化较大;在10~30cm,土壤中各样点的浓度变化相对较小,总体为减小趋势。方差分析显示,同一土壤中,淋溶体积对土霉素在土壤中的迁移深度影响达到显着差异水平(P<0.05)。收集各填装土柱底部的淋出液,测其浓度,根据所用淋溶液的体积计算随水流出的土霉素的总质量,得出淋溶体积为1.5、3.0、4.5L的淋溶液浓度分别为1.29、2.89、2.05μg?L-1,所含的土霉素总质量为1.94、5.78、9.20μg,即淋溶液中土霉素的总质量随淋溶液体积增大而增大,可能会对下层土壤继续产生污染。
2.3淋溶液pH对土霉素垂直迁移的影响淋溶液pH值会影响土霉素在填装土柱中的垂直分布,结果如图4。由图4可知,同一深度取样点中,土壤中土霉素的含量随着pH的增大而逐渐减小。在垂直方向,土霉素的含量随土壤剖面深度的增加而迅速减小。方差分析显示,同一土壤中,淋溶pH值对土霉素在土壤中的迁移深度影响达到显着差异水平(P<0.05)。收集土柱底端出口的淋出液,并测定其溶液浓度,pH为3、5、9的淋出液浓度分别为2.34、2.77、2.88μg?L-1,即随着淋溶液pH值的增大,淋出液中土霉素的浓度也增大。其原因是土霉素分子的阳离子基团通过离子交换方式[19]与黏土表面的负电荷相互结合;随着土壤pH值的增加,土霉素中负电荷所占比例不断增加,土壤与土霉
