均勻流場(chǎng)水平潛流人工濕地對(duì)四環(huán)素類抗生素的去除效果

石路路，丁海靜，白少元，，王敦球，王榮華

（1. 桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué) 廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；3. 廣西恒晟水環(huán)境治理有限公司，廣西 桂林 541004）

我國每年生產(chǎn)約210 kt抗生素，其中75%用于農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)［1］。抗生素進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)難以被完全吸收，30%～90%會(huì)通過糞便和尿液排出［2］，由于其較高的水溶性和較低的生物降解性，難以從環(huán)境中去除［3-4］。四環(huán)素類抗生素（TCs）被廣泛用于治療人類疾病和飼養(yǎng)家畜［5］，其使用后的殘留及環(huán)境行為受到了人們的廣泛關(guān)注［6-7］。

人工濕地（CW）作為一種生態(tài)處理技術(shù)具有運(yùn)行成本低、易維護(hù)、處理效果好和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)［8］。已有研究證明，CW可有效去除城市和農(nóng)業(yè)廢水中的各種污染物［9-10］，對(duì)醫(yī)藥廢水的處理效果也很好［11］。目前，關(guān)于CW在處理含四環(huán)素類廢水過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物及植物累積方面的研究還未見報(bào)道。

本研究通過構(gòu)建均勻流場(chǎng)水平潛流CW，研究了其對(duì)4種TCs的去除效果及處理后出水中差向代謝產(chǎn)物的含量，探討4種TCs在植物體內(nèi)的累積情況，為實(shí)際工程中CW的合理構(gòu)建提供理論支持和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)用水為人工配水，水質(zhì)如下：TOC為120 mg/L，碳源為無水乙酸鈉；ρ（NH4+-N）為30 mg/L，用NH4Cl 和 NaNO3按質(zhì)量比1∶1配制；TP為6 mg/L，用 KH2PO4配制；土霉素（Oxytetracycline，OTC）、四環(huán)素（Tetracycline，TC）、金霉素（Chlortetracycline，CTC）和強(qiáng)力霉素（Doxycycline，DC）的質(zhì)量濃度均為200 μg/L，分別由分析純的抗生素藥品配制。

4種TCs（OTC、TC、CTC、DC）的標(biāo)準(zhǔn)液和代謝產(chǎn)物標(biāo)準(zhǔn)品均購自上海麥克林公司，純度大于98%；甲酸、甲醇為色譜純；無水乙酸鈉、NH4Cl、NaNO3、KH2PO4、Na2EDTA均為分析純；超純水。

HP 1260 LC型高效液相色譜儀：美國Agilent公司；6010型紫外分光光度計(jì)：惠普公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在運(yùn)行時(shí)間超過6 a的CW系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（圖1）。系統(tǒng)由2.0 m×1.0 m×0.6 m、厚度為3 mm的不銹鋼箱體構(gòu)成。填充6層不同粒徑的石英砂，每層厚度為0.1 m，從表面到底部，石英砂粒徑分別為≤0.6 mm、0.4～0.6 mm、0.6～0.9 mm、0.9～2.0 mm、2.0～4.0 mm和 4.0～6.0 mm。床體分為 3部分，左右兩端分別為長(zhǎng)度0.2 m 的布水區(qū)和集水區(qū)，中間主體填料區(qū)長(zhǎng)度為1.6 m，共設(shè)置12個(gè)沿程取樣口和集水區(qū)最終出水口，由于反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，第8個(gè)取樣點(diǎn)已無法取樣（圖1中紅色位點(diǎn)）。濕地植物為美人蕉。

由蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水，水力停留時(shí)間（HRT）為2 d。每隔10 d通過采樣點(diǎn)采集水樣，分析測(cè)定各沿程取樣點(diǎn)和最終出水口水樣中4種TCs的濃度、最終出水口水樣中差向代謝產(chǎn)物的含量以及水樣中的TOC、ρ（NH4+-N）和 TP。實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谑崭顫竦刂参锩廊私叮治鯰Cs 在美人蕉中的累積情況。

圖1 CW實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.3 分析方法

1.3.1 樣品前處理

水樣前處理：量取300 mL水樣，加入150 mg Na2EDTA，過0.45 μm混合濾膜，真空抽濾，調(diào)節(jié)濾液pH為3。

植物前處理：將植物連根拔起，分別用自來水和去離子水洗滌，分別取美人蕉的根、莖、葉2 g于研缽中搗碎，加入10 mL甲醇和0.2 g Na2EDTA，轉(zhuǎn)入離心管在40 ℃下振蕩后靜置45 min，在 10 ℃下以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心5 min，收集上清液，殘?jiān)蒙鲜龇椒ǚ磸?fù)提取3 次，將3次提取液合并，以超純水定容至300 mL，真空抽濾后調(diào)節(jié)pH為3。

水樣和植物前處理結(jié)束后進(jìn)行固相萃取。分別用6 mL甲醇和5 mL水活化固相萃取小柱。在真空泵的負(fù)壓作用下，待測(cè)溶液以穩(wěn)定流速通過小柱，流速為10 mL/min。用3 mL 超純水淋洗固相萃取柱，分別用3 mL甲醇洗脫兩次，洗脫液在氮?dú)饬飨麓蹈桑眉状级ㄈ葜? mL，過 0.22 μm濾膜，待測(cè)［12］，所有樣品在上機(jī)分析前儲(chǔ)存在-4℃冰箱內(nèi)。

1.3.2 抗生素檢測(cè)

采用帶有紫外線檢測(cè)器的高效液相色譜儀測(cè)定水樣中4種TCs及3種差向產(chǎn)物的質(zhì)量濃度。Waters C18 色譜柱（250 mm×4.6 mm×5 μm），柱溫30 ℃，進(jìn)樣量20 μL，流量0.8 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)265 nm。流動(dòng)相為體積分?jǐn)?shù)為0.1%的甲酸和甲醇，體積比為 65∶35。

1.3.3 水質(zhì)檢測(cè)

采用納氏試劑紫外分光光度法測(cè)定ρ（NH4+-N）［13］；采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP［13］；采用紫外吸收光譜法測(cè)定TOC［13］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均用Excel 2010計(jì)算，用sigmaplot 12.5、surfer 9.0作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 TCs在CW中的去除及沿程變化情況

在HRT為2 d的條件下，CW對(duì)OTC、CTC、TC和DC的平均去除率分別為98.62%、93.06%、99.13%和92.25%，去除效果顯著優(yōu)于相關(guān)報(bào)道的結(jié)果［14］。其原因可能是因?yàn)橄到y(tǒng)中的水以水平方式推進(jìn)，兼性厭氧微生物比較活躍［15］。比較而言，4種TCs中TC和OTC的去除效果比CTC和DC更好。

CW系統(tǒng)中4種TCs的沿程變化情況見圖2。由圖2可見：在CW系統(tǒng)中，在0～40 cm之間，OTC、CTC、DC的質(zhì)量濃度均快速降至60 μg/L以下；40～160 cm之間，TC、CTC、DC的質(zhì)量濃度均小于32 μg/L；以上3種TCs在垂直方向濃度變化無明顯規(guī)律，這主要是由于OTC、CTC、DC受垂直方向ORP變化影響不大，僅體現(xiàn)出水平推流降解特征。TC的沿程變化情況呈現(xiàn)出與此不同的規(guī)律，在0～80 cm之間，TC的質(zhì)量濃度速降至60 μg/L以下；80～160 cm之間，出現(xiàn)點(diǎn)狀高濃度區(qū)，以第3個(gè)取樣點(diǎn)為核心，濃度呈輻射式下降；垂直方向上僅在100～140 cm之間TC的質(zhì)量濃度由高至低變化規(guī)律較為明顯。

圖2 4種TCs的沿程變化情況

2.2 出水中代謝產(chǎn)物的含量

CW最終出水口水樣中4種TCs及3種差向代謝產(chǎn)物的質(zhì)量濃度見圖3。由圖3可見：出水中OTC、CTC、TC和DC的質(zhì)量濃度分別為（13.88±1.53）μg/L、（2.75±1.53） μg/L、（1.72±1.76） μg/L和（15.50±1.53） μg/L，3種代謝產(chǎn)物差向土霉素（EOTC）、差向金霉素（ECTC）和差向四環(huán)素（ETC）的質(zhì)量濃度分別為（3.69±0.23） μg/L、（13.81±0.47） μg/L和（19.00±0.63） μg/L。

美人蕉各部位的TCs含量見圖4。由圖4可見：在美人蕉的根、莖、葉中只檢出了OTC和TC，TC的含量高于OTC；在植物的根和莖部位TC含量分別為38.71 μg/kg和43.16 μg/kg，明顯高于葉中的TC含量。植物通過主動(dòng)吸收和被動(dòng)運(yùn)輸來吸收和轉(zhuǎn)移抗生素，其對(duì)抗生素的主動(dòng)吸收取決于pKa值和pH分配，而植物體內(nèi)抗生素的累積又與辛醇-水平衡系數(shù)的對(duì)數(shù)（lgKow）密切相關(guān)［16-17］。HERKLOTZ等［18］研究發(fā)現(xiàn)，植物可以有效吸收具有最佳疏水性的抗生素。本研究中，OTC和TC的 lgKow＜1，使它們可以進(jìn)入植物的根部，并被輸送到植物的各個(gè)組織，通過糖基化或與大分子結(jié)合達(dá)到最終降解［19］。植物對(duì)抗生素的吸收主要是隨水分轉(zhuǎn)移以及植物的被動(dòng)運(yùn)輸。

圖3 出水中4種TCs及3種差向代謝產(chǎn)物的質(zhì)量濃度

圖4 美人蕉各部位的TCs含量

2.3 常規(guī)污染物去除效果

3 結(jié)論

a）利用均勻流場(chǎng)水平潛流CW系統(tǒng)對(duì)TCs進(jìn)行處理，在HRT為2 d，OTC、CTC、TC和DC的進(jìn)水質(zhì)量濃度均為200 μg/L的條件下，CW對(duì)上述4種TCs的平均去除率分別為98.62%、93.06%、99.13%和92.25%，對(duì)TC和OTC的去除效果好于CTC和DC。

b）出水中OTC、CTC、TC和DC的質(zhì)量濃度分別為（13.88±1.53） μg/L、（2.75±1.53） μg/L、（1.72±1.76） μg/L和（15.50±1.53） μg/L，3種代謝產(chǎn)物差向土霉素（EOTC）、差向金霉素（ECTC）和差向四環(huán)素（ETC）的質(zhì)量濃度分別為（3.69±0.23）μg/L、（13.81±0.47） μg/L和（19.00±0.63） μg/L。

c）濕地植物美人蕉的根、莖和葉中只檢出了TC和OTC，TC的含量高于OTC；在植物的根和莖部位TC含量分別為38.71 μg/kg和43.16 μg/kg，明顯高于葉中的TC含量。

d）出水中TOC、NH4+-N和TP的平均去除率分別為98.45%、79.67%和76.74%。