陽離子強度及類型對生物質炭吸附土霉素的影響

閆聰聰，符博敏，羅吉偉，黃 鵬，葛成軍，俞花美

（海南大學熱帶農林學院 資源與環境學院，海口 570228）

隨著集約化畜禽養殖業的不斷發展，抗生素作為飼料防病添加劑而被廣泛應用于養殖業中。其中四環素類抗生素的生產和使用量占據世界第二，而在中國則排名第一[1]。土霉素（Oxytetracycline，OTC）作為四環素類廣譜抗菌劑，由于價格低廉、副作用小、使用方便、在預防動物疾病和促進生長方面有較好的效果等優點，在水產養殖和畜禽養殖業中得到了廣泛應用。據報道，我國土霉素產量在2003年達到了10 000 t，占到世界土霉素總產量的65%，而且其產量和用量還會保持快速增長的趨勢[2]。抗生素的生產和使用對人類健康的保障和畜牧業的發展起到積極作用[3]。然而，隨著抗生素使用量的逐年增大，抗生素類藥物的污染問題引起了廣泛關注[4－6]。研究表明，人類或動物服用的抗生素只有少部分殘留在體內，而大部分以原有的結構或其代謝產物的形式通過排便進入環境[7]。據報道，在河流、地下水以及地表水中都發現了土霉素的殘留。這些殘留于環境中的土霉素可以通過飲用水、畜禽產品等途徑進入食物鏈，導致人體內產生相應的抗生素耐藥性。每年有大量的土霉素通過各種渠道（如污水灌溉、田間徑流、糞便施肥等）進入土壤和水體環境，由于長期不斷地施入和暴露，土霉素對微生物抗性、動植物毒性以及通過食物鏈生物放大作用對人類健康已產生嚴重威脅[8－10]。

生物質炭（Biochar）是生物質在低溫（＜700℃）、限氧條件下的熱解炭化產物[11]。它是一種化學性質相對穩定的多孔性物質，具有較大的比表面積、發達的孔隙結構和存在芳香族化合物等特性，同時表面含有羧基、羰基、酚羥基等含氧官能團，因此可作為一種高效的吸附功能材料[12－13]。研究表明，生物質炭對抗生素、多環芳烴和殺蟲劑等有機污染物具有較強的吸附能力，并能降低有機污染物在環境中的遷移能力和生物有效性[14－18]。制備生物質炭的原材料可以是農業廢棄物（如甘蔗渣、木薯渣、秸稈），也可以是城市垃圾或畜畜糞便等。目前，國內外關于介質和功能材料對土霉素的去除研究頗多，但以生物質炭為吸附劑，土霉素為目標污染物的文獻較少，尤其是以菠蘿皮渣為原材料制備的生物質炭對土壤中土霉素的去除效應及毒性影響未見報道。筆者前期研究表明，菠蘿皮渣生物質炭對土霉素具有較好的吸附效果[18]。但考慮到在實際環境中各種陽離子與污染物共存，并且許多研究表明外來離子會對土壤等介質吸附有機污染物產生影響，這些離子可能與土霉素的吸附位點結合，從而影響生物質炭對土霉素的吸附行為。另外，由于土霉素分子結構特性，其能夠與陽離子形成2∶1的復合體，也可能會造成土霉素環境行為的變化[19]。鑒于此，本試驗采用OECD Guideline 106批量平衡方法，研究不同Ca2+強度和不同陽離子類型對3種菠蘿皮渣生物質炭吸附土霉素的影響，以期為廢水中抗生素的去除研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試生物質材料

本試驗制備生物質炭的原材料菠蘿皮渣收集自海南省海口市各水果店。

1.1.2 藥品或試劑

土霉素標準品（純度＞98%，分子質量：460.43 g·mol－1）購自德國 DR.Ehrenstofer 公司；KCl、CaCl2、ZnCl2、AlCl3和NaN3均為分析純；其他有機溶劑均為色譜級；試驗用水由優普超純水制造系統提供。

1.1.3 儀器設備

高效液相色譜儀（Waters Alliance 2695）；恒溫培養搖床（NRV－211）；優普系列超純水器（UPH－I－10T）。

1.2 實驗方法

1.2.1 生物質炭的制備

菠蘿皮渣自然風干后，經高速旋轉破碎機碾成粉末備用。將菠蘿渣基粉末填充于瓷坩堝中，加蓋密封置于馬弗爐中，使其在200℃條件下預炭化2 h，再分別升溫至350、500、650℃保持熱解炭化3 h，待自然冷卻至室溫后取出。根據熱解溫度分別標記為BL350、BL500和BL650，并研磨過平均粒徑為0.15 mm篩，置于干燥器中密封貯存備用。供試生物質炭基本理化性質見表1。

表1 供試菠蘿皮渣生物質炭基本理化性質[18]Table 1 Physiochemical properties of the tested pineapple residue biochars[18]

1.2.2 不同離子強度的影響

參照OECD Guideline106批平衡方法[20]，分別稱取0.100 0 g BL350、BL500和BL650于50 mL聚丙烯塑料離心管中，按照統一固液比（1∶100）加入10 mL含不同濃度的CaCl2（0.01、0.03、0.05、0.08、0.10 mol·L－1）的不同濃度的土霉素溶液（土霉素的濃度梯度為2、5、10、15、20 mg·L－1，其中加入 0.01 mol·L－1NaN3以抑制細菌活動）。在恒溫25℃下于200 r·min－1恒溫培養搖床振蕩24 h，取樣并經0.45 μm水系濾膜過濾后，采用高效液相色譜儀（HPLC）檢測濾液中殘留的土霉素濃度。以上處理均3個重復。由吸附前后溶液中土霉素濃度之差計算得到生物質炭的吸附量。

1.2.3 陽離子類型的影響

將上述試驗中的 CaCl2更換為 0.01 mol·L－1的KCl、ZnCl2或 AlCl3溶液（含 0.01 mol·L－1NaN3），分別于恒溫25℃和200 r·min－1條件下振蕩24 h后，測定土霉素在生物質炭上的吸附量。

1.2.4 土霉素的測定

土霉素測定的高效液相色譜（HPLC）操作條件：配置2487紫外檢測器，Gemini C18色譜柱（150 mm×4.6 mm I.D.，5 μm），Gemini C18 保護柱（4.0 mm×3.0 mm I.D.）；流速 1 mL·min－1；柱溫 30 ℃；檢測波長 355 nm；流動相A為乙腈，B為0.5%磷酸水溶液，A∶B=15∶85；進樣量為20 μL。該色譜條件下土霉素的保留時間為3.5 min。

1.2.5 數據分析

采用SPSS 20.0、Excel 2010和Origin 8.0軟件對試驗數據進行分析和圖表繪制，并利用Freundlich模型和Langmuir模型對吸附過程進行擬合[21]。

式中：qe是土霉素在單位質量生物質炭上的吸附量，mg·kg－1；Ce為平衡液中吸附質的濃度，mg·L－1；Kf為生物質炭吸附強度和容量常數，與土霉素吸附速率呈正相關；n為Freundlich方程常數，表征吸附質與吸附劑之間的親和力。

式中：qe為生物質炭對土霉素吸附量，mg·kg－1；KL為平衡液中土霉素的濃度，mg·L－1；Qm是土霉素的最大吸附量，mg·kg－1；KL為吸附常數。

2 結果與討論

2.1 不同離子強度對生物質炭吸附土霉素的影響

平衡溶液中土霉素的濃度隨CaCl2濃度的變化趨勢如圖1所示。隨著平衡溶液中CaCl2濃度的增大，土霉素殘留濃度也增加。對數據分別進行線性、對數、平方、三次方以及指數函數擬合。結果表明，在不同土霉素濃度以及不同生物質炭情況下，離子強度與平衡溶液中土霉素濃度均以對數擬合效果為最佳，這說明在土霉素的吸附過程中，隨著CaCl2濃度的升高，吸附過程是非線性變化的，而對數擬合效果最佳的結果表明，隨著離子強度的增大，其對吸附的影響逐漸趨于緩和。并且可能在某一范圍內，CaCl2濃度的變化對土霉素的吸附影響較其他范圍大。

圖1 不同CaCl2濃度下3種生物質炭中土霉素吸附平衡溶液濃度Figure 1 Oxytetracycline concentration of adsorption solution in the three biochars on different CaCl2concentration

從圖 1 中可見，在低濃度下（≤5 mg·L－1）土霉素的生物質炭吸附受CaCl2濃度的影響不大，而當土霉素濃度較高時（＞5 mg·L－1），CaCl2濃度的變化對生物質炭吸附土霉素的影響較大。這一點從土霉素的生物質炭吸附系數Kd值的變化可以體現出來（表2）。由于平衡溶液中土霉素的殘留濃度和生物質炭的吸附量能直接體現土霉素的吸附變化，因此Kd值更能直觀地表現出其吸附變化趨勢。

Kd為生物質炭吸附系數，表示生物質炭對土霉素的吸附量與平衡溶液中土霉素濃度之比。由表2可知，在同一離子強度下，隨著土霉素濃度的增加，其在3種生物質炭的Kd值逐漸減小，但這一趨勢是非線性的，這與之前得到的土霉素吸附是非線性過程的結論一致[18]。同樣地，當土霉素濃度一定時，Kd值隨CaCl2濃度的升高也逐漸減小，且減小的趨勢也呈非線性。對3種生物質炭中各相鄰CaCl2濃度處理間的Kd值進行配對樣本T檢驗，結果顯示，BL350和BL500 在 CaCl2濃度為 0.01 mol·L－1和 0.03 mol·L－1間存在顯著差異（0.01＜P＜0.05），BL650 在 CaCl2濃度為 0.03 mol·L－1和 0.05 mol·L－1間存在顯著差異（0.01＜P＜0.05），再對比 0.08 mol·L－1和 0.10 mol·L－1范圍，Kd值不存在顯著差異，這表明隨著CaCl2濃度的增加，離子濃度對土霉素吸附的影響逐步減小，與之前結論一致。另外BL650在0.01 mol·L－1和0.03 mol·L－1之間不存在顯著差異，可能原因是BL650的比表面積較其他兩種生物質炭大，從而對土霉素的吸附能力較強，低濃度的CaCl2對其吸附的影響與其吸附能力相比較可以忽略。

2.2 吸附模型參數

不同離子強度下，采用Freundlich模型和Langmuir模型均能較好地擬合3種生物質炭對土霉素的吸附過程。兩種吸附模型參數lgKf、1/n、Qm的值見表3。

lgKf表示生物質炭對土霉素的吸附容量。通過相關性分析可知，生物質炭的lgKf值與CaCl2濃度之間呈顯著負相關（P＜0.05）。由表3可知，3種生物質炭吸附土霉素的1/n值均有差別，說明其吸附機理略有差異，且當離子強度一定時，BL500的1/n值最大，說明BL500相較于其他兩種生物質炭的非線性程度弱。當離子強度增大時，1/n值都有不同程度的減少，說明CaCl2濃度的增加對生物質炭的吸附機理存在影響。3種生物質炭的最大吸附量Qm值均有變化，且隨著CaCl2濃度的增加最終趨于穩定。

表2 不同CaCl2濃度下土霉素（OTC）在3種生物質炭中的Kd值（L·kg－1）Table 2 Kdvalues of OTC in three biochars on different CaCl2concentration（L·kg－1）

表3 不同CaCl2濃度下的吸附模型參數Table 3 Adsorption parameters for two models on different CaCl2concentration

2.3 陽離子類型對土霉素吸附的影響

圖 2 為 4 種 0.01 mol·L－1不同陽離子（KCl、ZnCl2、CaCl2和AlCl3）條件下土霉素在3種生物質炭中的吸附等溫線。由圖可知，不同陽離子對土霉素在生物質炭上的吸附影響存在差異。

通常情況下，污染物的吸附過程可以通過不同的吸附等溫線進行描述，本研究采用Freundlich和Langmuir模型對其吸附等溫線進行定量描述。按上述兩種方程進行計算，分別得到了土霉素在4種不同介質條件下和3種生物質炭中的吸附相關參數，擬合參數見表4。根據得到的等溫吸附方程的擬合相關系數可知Freundlich方程和Langmuir方程均能較好地擬合吸附過程，其平均R2值分別為0.922 1和0.946 3，表明生物質炭對土霉素的吸附包括單分子層吸附和多分子層吸附作用。其中Freundlich方程的擬合參數lgKf值表征吸附劑的吸附能力，lgKf值越大表明吸附能力越強。本研究中，土霉素在3種生物質炭中的lgKf在2.367 5～3.173 2之間，這說明在4種不同介質條件下，3種生物質炭對土霉素的吸附容量較大。另外，在同一陽離子介質中，3種生物質炭對土霉素的lgKf值表現為 BL650＞BL500＞BL350，這與前人研究結果一致，主要是生物質炭比表面積增大和芳香性增強造成的[15]。

此外，不同陽離子存在下，土霉素在BL350上的吸附 lgKf值變化趨勢為 Zn2+＞K+＞Al3+＞Ca2+；在 BL500和 BL650 中，lgKf值的變化趨勢為 Zn2+＞Ca2+＞K+＞Al3+。經過方差分析顯示，K+與Al3+之間存在顯著差異（P＜0.05），而 Zn2+與 K+、Al3+之間存在極顯著差異（P＜0.01），其余均未達到顯著性差異水平（P＞0.05），這可能跟陽離子在與土霉素競爭生物質炭上吸附位點時的差異有關。研究表明，Ca2+與抗生素的吸附位點可能不重疊[22]，因此以Ca2+介質為對照，在3種生物質炭中，Zn2+對生物質炭的吸附能力都有不同程度的增強，而Al3+對BL350吸附土霉素的能力有所增強，這可能是由于金屬離子的水解作用造成的。有研究報道，Al3+在pH=6時大部分以Al（OH）－4存在，只有少部分以Al（OH）3的形式存在[23]，Al3+可作為“橋”為土霉素增加吸附位點。Freundlich方程的擬合參數1/n代表生物質炭對土霉素的吸附強度，由表4可知，1/n在0.484 1～1.0011之間，除了土霉素在BL650的AlCl3介質中1/n趨近于1外，其他條件下1/n＜1，屬于“L型”等溫線。土霉素在BL650的AlCl3介質中1/n接近1，表明土霉素在其上的吸附趨于線性。4種陽離子介質中，KCl存在下的1/n值最小，說明以KCl為介質使得土霉素吸附等溫線的“L型”更加明顯。

圖2 不同陽離子對生物質炭吸附土霉素的影響Figure 2 Effects of different cations on adsorption of OTC to biochars

表4 不同陽離子影響下土霉素在3種生物質炭中的吸附參數Table 4 Adsorption parameters of OTC in three biochars under the existence of different cations

3 結論

（1）在土霉素低濃度范圍內，生物質炭對土霉素的吸附受離子強度變化的影響不大，而隨著土霉素濃度升高，其受離子強度變化影響增大。

（2）不同Ca2+濃度條件下，3種生物質炭對土霉素的吸附過程均符合Freundlich和Langmuir模型。隨平衡溶液中CaCl2濃度的升高，生物質炭對土霉素的吸附容量（lgKf）逐漸減小，且lgKf值與CaCl2濃度之間呈顯著負相關（P＜0.05）。

（3）4種不同陽離子條件下，土霉素在3種生物質炭中的吸附過程均符合Freundlich和Langmuir模型。3種生物質炭對土霉素具有強烈的吸附作用，lgKf值范圍為2.367 5～3.173 2，其吸附機制屬于物理吸附。

（4）不同陽離子間的競爭吸附能力存在差異，Zn2+的存在對3種生物質炭的吸附能力都有不同程度的增強，而Al3+對BL350吸附土霉素的能力有所增強。與其他陽離子相比，K+的存在更能降低溶液中土霉素在生物質炭上的吸附強度（1/n）。

參考文獻：

[1]Cheng G.Interaction of tetracycline with aluminum and iron hydrous oxides[J].Environment Science&Technology,2005,39（8）：2660－2667.

[2]Richardson B J,Lam P K,Martin M.Emerging chemicals of concern：Pharmaceuticals and personal care products（PPCPs）in Asia,with particular reference to Southern China[J].Marine Pollution Bulletin,2005,50（9）：913.

[3]Sun J T,Zeng Q T,Tsang D,et al.Antibiotics in the agricultural soils fromthe Yangtze River Delta,China[J].Chemosphere,2017,189：301－308.

[4]Wang F H,Qiao M,Lv Z E,et al.Impact of reclaimed water irrigation on antibiotic resistance in public parks,Beijing,China[J].Environment Pollution,2014,184（1）：247－253.

[5]Wang F H,Qiao M,Su J Q,et al.High throughput profiling of antibiotic resistance genes in urban park soils with reclaimed water irrigation[J].Environment Science&Technology,2014,48（16）：9079－9085.

[6]Hou J,Wan W,Mao D,et al.Occurrence and distribution of sulfonamides,tetracyclines,quinolones,macrolides,and nitrofurans in livestock manure and amended soils of Northern China[J].Environmental Science&Pollution Research International,2015,22（6）：4545－4554.

[7]Hu X G,Zhou Q X,Luo Y.Occurrence and source analysis of typical veterinary antibiotics in manure,soil,vegetables and groundwater from organic vegetable bases,Northern China[J].Environmental Pollution,2010,158（9）：2992－2998.

[8]姚建華,牛德奎,李兆君,等.抗生素土霉素對小麥根際土壤酶活性和微生物生物量的影響[J].中國農業科學,2010,43（4）：721－728.YAO Jian－hua,NIU De－kui,LI Zhao－jun,et al.Effects of antibiotics oxytetracycline on soil enzyme activities and microbial biomass in wheat rhizosphere[J].Scientia Agricultua Sinica,2010,43（4）：721－728.

[9]Campbell D A,Pantazis P,Kelly M S.Impact and residence time of oxytetracycline in the sea urchin,Psammechinus miliaris,a potential aquaculture species[J].Aquaculture,2001,202（1/2）：73－87.

[10]馬瑞陽,閆聰聰,符博敏,等.生物質炭對土霉素脅迫下小白菜種子萌發的影響[J].生態毒理學報,2017,12（3）：564－571.MA Rui－yang,YAN Cong－cong,FU Bo－min,et al.Effects of biochar on seed germination of cabbage under the stress of oxytetracycline[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2017,12（3）：564－571.

[11]Wu W X,Yang M,Feng Q B,et al.Chemical characterization of rice straw－derived biochar for soil amendment[J].Biomass&Bioenergy,2012,47（4）:268-276.

[12]Liang B,Lehnann J,Solomon D,et al.Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J].Soil Science Society of America Journal,2006,70（5）：1719-1730.

[13]Rebecca R.Rethinking biochar[J].Environmental Science&Technology,2007,41（17）：5932-5933.

[14]Karakoyun N,Kubilay S,Aktas N,et al.Hydrogel-biochar composites for effective organic contaminant removal from aqueous media[J].Desalination,2011,280（1）：319-325.

[15]Oleszczuk P,Hale S E,Lehmann J,et al.Activated carbon and biochar amendments decrease pore-water concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons（PAHs） in sewage sludge[J].Bioresource Technology,2012,111：84-91.

[16]Yu X Y,Mu C L,Gu C,et al.Impact of woodchip biochar amendment on the sorption and dissipation of pesticide acetamiprid in agricultural soils[J].Chemosphere,2011,85（8）：1284-1289.

[17]Ji L L,Liu F L,Xu Z Y,et al.Adsorption of pharmaceutical antibiotics on template-synthesized ordered micro-and mesoporous carbons[J].Environmental Science&Technology,2010,44（8）：3116-3122.

[18]Fu B M,Ge C J,Yue L,et al.Characterization of biochar derived from pineapple peel waste and its application for sorption of oxytetracycline from aqueous solution[J].Bioresources,2016,11（4）：9017-9035.

[19]Oka H,Ito Y,Matsumoto H.Chromatographic analysis of tetracycline antibioticsinfoods[J].JournalofChromatographyA,2000,882（2）：109-133.

[20]OECD.OECD guidelines for testing of chemicals,Test guideline106：Adsorption/desorption using a batch equilibrium method[M].Revised draft document.Paris：OECD,2000：1-45.

[21]劉新程,董元華,劉惠君.陽離子與金霉素在土壤中競爭吸附的研究[J].土壤學報,2010,47（4）：781-785.LIU Xin-cheng,DONG Yuan-hua,LIU Hui-jun.Competitive absorption of chlortrtracycline by cation in typical soils of China[J].Acta Pedologica Sinica,2010,47（4）：781-785.

[22]Zhang D,Pan B,Wu M,et al.Adsorption of sulfamethoxazole on functionalized carbon nanotubes as affected by cations and anions[J].Environmental Pollution,2011,159（10）：2616-2621.

[23]Pei Z G,Yang S,Li L Y,et al.Effects of copper and aluminum on the adsorption of sulfathiazole and tylosin on peat and soil[J].Environmental Pollution,2014,184（1）：579-585.