不同土壤環境因素對微塑料吸附四環素的影響

楊 杰，倉 龍，邱 煒，楊江俐，周東美

（1.中國科學院南京土壤研究所土壤環境與污染修復重點實驗室，南京210008；2.中國科學院大學，北京100049）

抗生素是一類近些年來被大量報道的新興污染物，其可在低濃度下有效地殺滅病原菌，被廣泛用于臨床醫療、水產養殖和畜禽飼養中。常見抗生素包括磺胺類（SAs）、四環素類（TCs）、喹諾酮類（QNs）、大環內酯類（MLs）等[1]，其中四環素類抗生素因其價格低廉而在世界范圍內被大量使用，且在農田、園地以及飼養場附近土壤中TCs 的檢出率和含量均較高[2-3]。這些抗生素通過各種途徑進入到土壤環境中并在其中積累，對環境造成一系列危害并最終威脅到人體健康[4]。

塑料制品被廣泛應用于人類的生產和生活中，據報道2017年全球塑料的生產量達到了3.48億t·a-1[5]。然而，越來越多的塑料垃圾被排放到環境中，由于難降解導致其在環境中長期殘留，并進一步被風化裂解成比表面積更大且不易觀察的微塑料顆粒（＜5 mm）。常見的微塑料類型包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等，這些微塑料分布在空氣[6]、土壤[7]、水體[8]和飲用水[9]中。目前微塑料在水體環境中的研究已得到普遍的關注，而土壤中微塑料污染的研究和風險防范才剛剛起步[10]。有學者指出，陸地中微塑料豐度可能是海洋中的4～23 倍，農田每年輸入的微塑料的量遠超過全球海洋[11]。

微塑料在環境中不僅會釋放自身的添加劑（如塑化劑等），而且還可能會吸附污染物。Van Sebille等[12]通過調查美國加利福尼亞圣迭戈沙灘上的塑料碎片發現發泡型聚苯乙烯中多環芳烴濃度達到300～1900 ng·g-1，而另一項針對葡萄牙海岸沙灘上收集的樹脂顆粒的研究在樹脂顆粒上檢測到了多環芳烴（53～44 800 ng·g-1）、多氯聯苯（2～223 ng·g-1）等有機污染物[13]。進一步的研究也表明微塑料可作為污染物和致病菌的載體而使污染物更容易進入到動物和人體中造成危害[14]。Laganà 等[15]曾研究發現微塑料可作為多種抗生素耐藥性傳播的載體，微塑料的表面會定殖很多耐藥細菌。微塑料對污染物的吸附行為是影響其環境行為和生物毒性的關鍵因素。當前對于微塑料吸附抗生素的研究以TCs為主，包括四環素（TC）和土霉素（OTC）[16-17]，但主要是針對海水環境，而海水與土壤或土壤溶液在化學組成上存在很大差異。Xu等[16]在研究不同環境因素對微塑料吸附抗生素的影響研究中設置的溶解性有機碳最高濃度僅為20 mg·L-1，這一濃度明顯低于實際土壤溶液中80 mg·L-1的濃度[18-19]。此外在海水環境的研究中一般僅考慮了鈉離子不同濃度的影響，而未研究土壤環境中常見的鈣鎂離子對微塑料吸附抗生素的影響[16-17]。因此，有必要對不同土壤環境因素（pH、Ca2+、Mg2+和可溶性有機物等）影響下微塑料對抗生素的吸附行為開展研究。

本研究選用三種在環境中常見[5]并在吸附試驗中廣泛應用的塑料[聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚酰胺（PA）][20-21]為供試材料。以四環素（TC）為目標抗生素，通過批平衡試驗研究不同pH、不同濃度的鈣鎂離子和可溶性有機物對微塑料吸附TC的影響。該研究有助于更好地了解微塑料對TC 的吸附行為，為進一步研究微塑料作為抗生素載體對土壤環境和生物可能帶來的潛在危害奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用3 種不同類型的微塑料顆粒，分別是聚酰胺（PA）、聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS），其中PA 購買自阿拉丁生化科技股份有限公司，PE 和PS 購買自蘇州程鑫喆塑化有限公司。四環素鹽酸鹽（Sigma公司）純度98%，-20 ℃保存。試驗中所使用的疊氮化鈉為分析純，乙腈是色譜純，其他化學試劑都是優級純且都使用Milli-Q 純水機（Millipore Ltd.，USA）制備的超純水配制溶液。為去除微塑料表面可能存在的雜質，使用前將微塑料放入燒杯中，加入超純水攪拌并超聲10 mins，重復3 次，50 ℃烘干待用。所有的容器在10%的硝酸中浸泡24 h 后用去離子水洗凈烘干備用。

1.2 吸附試驗方法

1.2.1 吸附等溫線

稱取適量的四環素鹽酸鹽溶于超純水中，配制成100 mg·L-1的四環素儲備液，避光放入4 ℃冰箱保存現配現用，儲備液和稀釋液中同時含有10 mmol·L-1的氯化鈉作為電解質以及0.02%的疊氮化鈉（消除微生物對TC 降解的干擾）。添加不同體積的儲備液和稀釋液配制成不同濃度的四環素溶液，調節pH 值到6，試驗設置6 個四環素濃度梯度（0.2、0.5、0.8、1、2、5 mg·L-1）。準確稱取0.100 g 微塑料，置于棕色玻璃瓶中，加入不同處理的四環素溶液25 mL。將玻璃瓶置于避光的振蕩箱中，在25 ℃下設定轉速200 r·min-1，往復振蕩24 h[16-17]。振蕩后用0.22 μm 濾膜過濾待測。試驗設置對照組和空白組，對照組只含有四環素溶液而不含微塑料；空白組只含有微塑料，加入等量的超純水，每處理3個平行。

1.2.2 不同環境因素對微塑料吸附抗生素的影響

（1）不同pH值條件下微塑料對四環素的吸附：設置的pH 值分別為4、5、6、7、8、9。溶液分別用HCl 和NaOH 調節pH，四環素濃度為1 mg·L-1，其他操作同1.2.1。

（2）不同濃度陽離子對微塑料吸附四環素的影響：選用Ca2+和Mg2+這兩種常見的陽離子，參照土壤溶液中Ca2+和Mg2+的實際濃度[22]，分別用CaCl2和MgCl2配制成濃度為0.1、1、10 mmol·L-1的含1 mg·L-1四環素溶液。試驗前將pH 值都調節到6，其他操作同1.2.1。

（3）不同濃度富里酸對微塑料吸附四環素的影響：試驗參照真實土壤中可溶性有機物的含量[18-19]，設置了6 個不同濃度的富里酸溶液（0、0.1、1、10、50、100 mg·L-1）。試驗前將pH 值都調節到6，其他操作同1.2.1。

1.3 分析方法

采用掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi S-4800，Japan）對微塑料的形貌進行觀測；使用全自動氣體吸附分析儀Autosorb-iQ（Quantachrome Instruments，USA）對微塑料的比表面積進行測定（氮氣吸附-脫附法）；微塑料的ζ 電位（pH=6）通過納米粒度電位儀（Zetasizer Nano ZS90，Malvern Instruments Ltd.，UK）來進行測定。溶液中抗生素的濃度使用高效液相色譜（Agilent HPLC 1260，USA）測定，分析條件為流動相A（20%乙腈），流動相B（80% 10 mmol·L-1草酸），進樣量20 μL，柱溫20 ℃，流速為0.8 mL·min-1，檢測波長365 nm。

數據的整理分析和作圖使用Excel 2010（Microsoft，USA）和Origin 2017（OriginLab，USA）。

2 結果與討論

2.1 微塑料形貌及表征

微塑料的微觀形貌和基本性質如圖1 和表1 所示。選用的微塑料粒徑均小于250 μm 的塑料微粒。從微塑料的形貌來看，PA 與其他塑料顆粒相比具有更多的微孔，而PE 表面有很多褶皺，PS 表面僅有少量裂紋和凹陷。化學結構式顯示出PA 含有酰胺基，PS具有苯環結構。

比表面積數據表明，PA 的比表面積（8.71 m2·g-1）遠大于另外兩種微塑料，這可能與其粒徑較小、表面有很多的微孔有關；PE 比表面積為2.11 m2·g-1，PS 的比表面積最小（＜0.001 m2·g-1）。盡管PE 和PS 的粒徑差異不大，但PE 的比表面積明顯大于PS，這可能與PE 表面存在明顯的褶皺和孔洞有關。Wang 等[23]研究了PE、PS 和PVC 這三種微塑料對芘的吸附，所使用的塑料微粒的比表面積分別是6.91、2.35、1.87 m2·g-1。Xu 等[16]在研究三種不同微塑料對四環素吸附時選擇了PE、PS 和PP，它們的比表面積分別是0.234、0.059、0.036 m2·g-1。不同文獻使用的塑料顆粒比表面積差別很大，這可能與塑料的生產過程及用途有密切關系。這些微塑料的理化性質會影響其吸附行為[24]。不同微塑料在pH 為6 時的ζ 電位也存在明顯差異，其中PA 的ζ 電位絕對值要小于PE 和PS，僅為7.59 mV。Xu等[16]在研究3種不同微塑料對四環素吸附時選擇了PE、PS 和PP，ζ 電位隨著pH 的升高不斷降低，且在pH 為6 時，三種塑料微粒的ζ 電位均低于-30 mV。

圖1 三種微塑料的掃描電鏡圖（a、b：PA；c、d：PE；e、f：PS）Figure 1 Scanning electron microscopy（SEM）of three types of microplastics（a，b：PA；c，d：PE；e，f：PS）

表1 不同種類微塑料的基本性質Table 1 Basic properties of different types of microplastics

玻璃化轉變溫度（Tg）反映的是聚合物分子從凍結到運動的一個轉變溫度，在該溫度以下聚合物屬于玻璃態，而在該溫度以上分子鏈開始運動，表現出像橡膠一樣的高彈性。表1數據表明PE的Tg值為-125 ℃，而PA 和PS 分別為50 ℃和100 ℃[25]。PE 屬于橡膠態聚合物，而PS、PA都屬于玻璃態聚合物。

2.2 不同微塑料對四環素的吸附

三種微塑料對四環素的吸附等溫線如圖2 所示。從圖中可以看出，隨著濃度的增加，吸附逐漸達到飽和，使用Langmuir 和Freundlich 吸附等溫方程進行擬合（表2），在這三種微塑料中，PE的吸附能力最強，由Langmuir 方程擬合出的最大吸附量達到了0.154 mg·g-1。PA 和PS 的最大吸附量相近，分別為0.075、0.086 mg·g-1。三種微塑料對TC 的吸附更符合Langmuir 吸附等溫線，表明這三種微塑料對極性有機分子四環素的吸附以單層飽和吸附為主。這也與Xu 等[16]關于PE、PS、PP對四環素吸附的研究相一致。

微塑料的吸附行為與很多因素有關，微塑料本身的性質和吸附質的性質等都會影響其吸附行為。PE的玻璃化轉變溫度較低，在常溫下呈橡膠態。而PA、PS 的玻璃化轉變溫度較高，常溫下呈玻璃態，有機物容易以分配作用吸附在PE 上[26]。吸附質的親疏水性和極性會影響微塑料的吸附[27]。四環素含有多個極性官能團，包括氨基、羧基、苯環等，有三個水解常數，分別為pKa1=3.3、pKa2=7.7、pKa3=9.3，通過pKa值可以模擬出其在不同pH 溶液中的存在狀態。Xu 等[16]研究了在pH為6.8條件下，微塑料對四環素的吸附能力由強到弱依次是PS、PP 和PE。這與本研究發現的規律不同，可能的原因是在pH 為6.8 時，有部分四環素為陰離子，此時微塑料的ζ 電位也比pH 為6 的時候低，兩者間的靜電斥力會影響PE 的吸附，PE 的表面會存在范德華力，而PS 不僅有范德華力還有π-π 鍵的相互作用。微塑料的極性也會影響其吸附，Wang等[28]在之前的研究中發現，對于非極性有機污染物全氟辛基磺酰胺（FOSA）的吸附，微塑料吸附能力強弱的順序為PE＞PVC＞PS。這和微塑料的固有結構有關，PE 為非極性塑料，PVC 和PS 因含有氯離子和苯環而造成極性的改變。由此可見，微塑料在環境中對有機污染物的吸附是復雜的過程，受到很多因素的影響。

2.3 不同pH條件下微塑料對四環素的吸附

pH 對微塑料吸附四環素的影響如圖3 所示。隨著pH 增加，PE 的吸附量也在增加，在pH 為7 時吸附量最大，達到0.084±0.014 mg·g-1；PS 的吸附量隨著pH 的增加而降低，在pH 為4 時最大，達到0.064±0.011 mg·g-1。pH 的變化對PA 吸附TC 影響不大，中性條件更有利于其吸附。在不同pH 值條件下，四環素的存在狀態也不相同（如圖4），pH為3.3時，溶液中四環素中性離子和陽離子各占一半，隨著pH 值的升高，以陽離子存在的四環素所占比例漸漸減少，在pH為6 附近完全轉變為中性離子并開始出現陰離子；當pH 在4～7 時，四環素以中性離子為主；當pH＞7.7 時，四環素主要以陰離子形式存在。

圖2 四環素在三種微塑料上的吸附等溫線（pH=6，溫度298 K）Figure 2 The adsorption isotherms of tetracycline on three types of microplastics（pH=6，temperature 298 K）

表2 Langmuir和Freundlich吸附擬合參數Table 2 Langmuir and Freundlich adsorption fitting parameters

pH 同時會對四環素和微塑料的表面電荷產生影響。前人的研究發現，微塑料的PZC（零電荷點）在pH 4～5，在pH 為4 時微塑料表面帶正電荷，而當pH為5 時，表面帶負電荷，且會隨著pH 的增加而帶有更多的負電荷[16，29]。靜電吸附和橡膠態聚合物的特征可能是PE 吸附四環素的主要原因。在酸性條件下，部分四環素是陽離子形態，會與溶液中的H+競爭PE表面的吸附位點；在pH 為7時，沒有H+對吸附產生影響而使PE 吸附量達到最大；而當pH 在7～9 的時候，四環素中性離子變少，隨著pH值的增大，陰離子狀態的四環素逐漸增多，此時PE也是表面帶負電荷，相互之間產生靜電斥力而減小吸附。而PS微塑料對四環素的吸附可能是疏水性作用力、分子間作用力和靜電力共同作用的結果，在pH 為4 時，H+和部分四環素帶有的正電荷會產生排斥力而阻止四環素在微塑料上的吸附，微塑料對四環素的吸附以疏水性作用力和分子間作用力為主（如范德華力和氫鍵等）。此時由于PS 具有苯環結構，π-π 鍵的相互作用會使PS 與其他微塑料相比吸附更多的四環素。當pH 為5～6 時微塑料表面帶負電荷并且會隨著pH 值的增大負電荷越多，此時的四環素絕大部分是中性離子，表面的基團隨著pH 的增加接受質子的能力減弱，使吸附量降低[30]。當pH 在7～9 時，此時的溶液中只有中性和陰離子型四環素，靜電斥力會影響PS 吸附四環素。Xu等[16]研究發現PS對四環素的吸附在pH 為6時吸附量最大，說明在其研究的微塑料吸附過程中疏水性作用占主導，這可能與材料本身的性質有關系，比表面積較小，ζ電位較大。PA 由于含有酰胺基鍵，pH 值變化時，分子鏈端基上的酰胺基會中和掉一部分的H+或者OH-，從而減小pH 對其吸附的影響，也可能是因為PA 的ζ 電位較小，分子間作用力和疏水性作用力大于靜電作用力。此外，微塑料表面極性官能團濃度也會影響其吸附作用。Zhang等[31]在研究微塑料對土霉素的吸附時發現，對于原始EPS 微塑料，pH 對其吸附的影響不大，氫鍵的作用可能在吸附中占主導，而表面風化后的塑料表面含有更多的極性官能團，而導致在pH為5～6時吸附量最大。

2.4 不同濃度鈣鎂離子對微塑料吸附四環素的影響

圖3 不同pH條件下微塑料對TC的吸附Figure 3 Adsorption of TC on microplastics at different pH values

圖4 不同pH條件下TC的存在狀態Figure 4 The existence of TC under different pH conditions

由于pH 在6 時四環素主要以兩性離子形式存在，因此環境中的陽離子也會影響到微塑料對四環素的吸附行為。Ca2+和Mg2+是土壤環境中最常見的兩種陽離子，它們對微塑料吸附四環素的影響如圖5 所示。Ca2+和Mg2+的濃度越高，三種微塑料對四環素的吸附量則越低，且Ca2+和Mg2+兩者之間的差異不明顯。這結果和以往的研究類似，Zhang 等[31]在研究Ca2+和Na+對發泡聚苯乙烯（EPS）吸附土霉素的影響時，發現隨著Ca2+濃度的增加，EPS對土霉素的吸附逐漸減少。通常情況下，金屬陽離子會直接競爭微塑料表面的吸附位點從而減弱四環素在微塑料表面的吸附。此外二價金屬陽離子會通過陽離子架橋作用，形成四環素-金屬離子-微塑料的復合物，間接將四環素和微塑料連接[32]。但由于Ca2+和Mg2+水化離子半徑較大，陽離子架橋作用較弱[33]，并不會增加微塑料對四環素的吸附，因此主要以鈣鎂離子和四環素在微塑料表面的競爭吸附為主。二價金屬陽離子和一價金屬陽離子的競爭吸附也存在明顯差異。Shen 等[34]和Xu 等[16]在研究不同濃度NaCl溶液對微塑料吸附四環素影響時發現，隨著濃度增大，微塑料的吸附能力基本沒有改變，這可能是因為Na+是一價陽離子，靜電力較弱而對吸附影響較小。

2.5 不同濃度富里酸對微塑料吸附四環素的影響

圖5 不同鈣鎂離子對微塑料吸附四環素的影響Figure 5 Effects of different concentrations of calcium and magnesium ions on microplastics adsorption of tetracycline

富里酸是一種既可溶于酸又可溶于堿的復合有機物質，屬于可溶性有機物一種，是土壤腐殖質的核心成分，其結構中含有大量酚羥基、羰基等基團，研究其微塑料吸附四環素的影響將有助于了解土壤環境中存在的復雜可溶性有機物質對微塑料吸附污染物的影響。如圖6 所示，隨著富里酸濃度的增加，PE 對四環素的吸附量在逐漸減少，而PA 和PS 對四環素的吸附先增加后減少。在pH 為6 時，四環素都是中性離子，少量的富里酸（＜1 mg·L-1）可能會先通過PA 和PS所產生的分子間作用力（氫鍵和π-π 鍵的作用）吸附在微塑料表面，同時富里酸也會吸附四環素，起到橋梁的作用[35]。隨著富里酸的不斷增多，四環素和溶液中的富里酸通過羧基絡合以及氫鍵作用與微塑料競爭，從而減少四環素吸附在微塑料上[36]。Xu等[16]的研究也表明PE對四環素的吸附量會隨著富里酸濃度（0～20 mg·L-1）的增大而減小。而土壤環境中存在更高濃度的富里酸，這將會進一步減少吸附于微塑料表面的抗生素。Zhao 等[33]研究發現隨著胡敏酸濃度的增加，微塑料對四環素的吸附不斷降低，這可能是因為胡敏酸含有大量的官能團，這些官能團覆蓋在微塑料表面改變其親疏水性和比表面積，從而影響吸附。

圖6 不同濃度富里酸對微塑料吸附四環素的影響Figure 6 Effects of fulvic acid at different concentrations on adsorption of tetracycline on microplastics

3 結論

（1）在pH 為6 時，對四環素的吸附量最大的微塑料是PE，其次是PS 和PA。PA、PE 和PS 都可以用Langmuir吸附方程擬合，擬合出的最大吸附量分別為0.075、0.154、0.086 mg·g-1，表明這三種微塑料對四環素的吸附都是以單層飽和吸附為主。同時微塑料本身的性質也會造成吸附作用力（疏水作用力、分子間作用力、靜電作用力等）的不同，從而影響其吸附四環素。

（2）pH 值對微塑料吸附四環素的影響較為復雜，PE 在pH 為7 時吸附量最大，達到0.084±0.014 mg·g-1，酸堿條件下都會減少其對四環素的吸附；PS在pH為4時吸附量最大，隨著pH值的增大吸附量降低；pH的變化對PA吸附四環素影響較小。

（3）Ca2+和Mg2+的存在會減少這三種微塑料對四環素的吸附，并隨著離子濃度增大而使吸附量降低。

（4）富里酸的存在會阻礙PE吸附四環素，且富里酸濃度與四環素的吸附量呈反比。隨著富里酸濃度的增加，PA 和PS 對四環素的吸附先增加后減少。當富里酸濃度為0～1 mg·L-1時會促進微塑料對四環素的吸附。