土壤中磺胺甲口惡唑吸附-解吸反應

藍志鵬, 童 鑫, 黃 宇, 楊杰文

(仲愷農業工程學院資源與環境學院,廣東 廣州 510225)

磺胺甲口惡唑(SMX)具有療效顯著、成本低廉、廣譜性強等優點,被廣泛應用于畜禽疾病治療中[1],在中國的使用量高達313 t[2]。SMX在畜禽體內無法完全代謝,30%～90%以母體分子或代謝物的形式隨糞尿排出體外[3]。未經處理的畜禽糞便用作肥料還田時,將導致其中殘留的SMX進入土壤,有研究結果表明,中國農田土壤中SMX的檢出率和殘留量均較高[4-6]。進入土壤中的SMX存在潛在風險,如:誘導產生抗性基因[7-10]、影響土壤微生物群落正常功能[11-12]、毒害非目標生物[13]以及通過作物或地下水進入食物鏈[14-15],這將威脅生態環境和人體健康[16-17]。

吸附-解吸反應對SMX在土壤中的環境行為和生物風險效應有決定性影響,因為該反應控制著SMX在土壤固-液兩相中分配的相對數量[18]。SMX的辛醇水分配系數僅為0.89,因而在雨水沖刷、浸泡和滲濾的作用下容易在土壤中向下垂直遷移至地下水。一般而言,土壤中SMX吸附-解吸反應與土壤pH值、共存離子和有機質等因素密切相關。有研究結果表明,SMX的吸附系數與土壤pH值呈負相關,與土壤有機碳含量、水解性酸度和交換性酸度呈正相關[19-20]。隨著離子強度的增加,SMX在土壤中的吸附量先增大后減小。反應熱力學試驗和傅里葉變換紅外光譜分析結果證實土壤中SMX的吸附反應為自發的物理、化學吸附過程,主要通過氫鍵、靜電相互作用等方式與固體表面結合[21]。類似研究結果還表明,土壤有機質含量越高,對同屬磺胺類抗生素的磺胺氯噠嗪和磺胺甲嘧啶的吸附量越大,而磺胺甲嘧啶被解吸的數量則越低[22],總體上看,土壤組分的復雜性導致直接探測SMX與土壤表面相互作用的機制十分困難,但通過比較組分和性質差異較大的土壤對SMX的吸附結果,并借助有機探針分子的競爭吸附作用,仍可得到一些相對微觀的機理。此外,現有研究側重于吸附反應,對土壤表面吸附態SMX的解吸特性了解相對較少。

基于以上分析,本研究擬以菜園土和磚紅壤(這2種土壤的有機質含量差異較大,有利于探明有機質對土壤中SMX吸附-解吸反應的影響)為試驗對象,研究上述土壤中SMX的吸附動力學與吸附量,探究pH值、離子強度、陪伴離子的影響,在此基礎上,研究2種土壤中SMX的解吸差異,揭示土壤對SMX的吸附機制,以期為了解SMX的環境行為和生態風險提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

SMX標準品購自西格瑪奧德里奇(上海)貿易有限公司。試驗用水為電阻率大于18 MΩ·cm的超純水。乙腈和甲醇為色譜純,其他化學試劑均為分析純。試驗土壤為菜園土和磚紅壤0～20 cm土層樣品,分別采自廣東省韶關市曲江區馬壩鎮石堡村和廣東省湛江市徐聞縣曲界鎮紅星農場十七隊。所有土樣經風干、去除植物殘體和石礫后研磨過100目篩,充分混勻,密封避光保存。為排除微生物對試驗結果的影響,土樣經高壓滅菌消毒。此外,用H2O2氧化法去除土壤有機質。用超純水將滅菌土壤潤濕,加入30% H2O2,攪拌混勻狀態下,75 ℃水浴加熱氧化,若泡沫消失,則繼續加入30%H2O2直至無泡沫產生,煮沸去除殘余H2O2后,冷凍干燥后備用。滅菌原狀土和去除有機質后土壤的理化性質見表1。

表1 原狀及去除有機質處理后土壤理化性質

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附動力學 吸附動力學反應在用鋁箔包裹的玻璃瓶中進行,體系總體積為200 ml,內含20 g土壤樣品、2.00 mg/L SMX和0.01 mol/L NaCl背景電解質。首先,將土壤樣品與已知體積超純水在120 r/min轉速條件下預先平衡24 h,在此期間添加預定體積的稀HCl或NaOH使懸浮液pH值維持在5.00±0.05。隨后,向上述體系加入一定體積SMX與NaCl混合工作液以啟動反應(體系pH值同樣保持在5.00)。用注射器分別在0.25 h、1.00 h、4.00 h、12.00 h、24.00 h、48.00 h、72.00 h、96.00 h抽取約2 ml懸浮液,經0.22 μm聚醚砜過濾器過濾后,測定濾液中SMX的質量濃度。

1.2.2 等溫吸附反應與溶液因素影響 等溫吸附反應在用鋁箔包裹的玻璃離心管中以室溫條件進行。分別向玻璃離心管內加入2.0 g土壤、20.0 ml工作液(內含0.01 mol/L NaCl和0.5 mg/L、1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、8.0 mg/L、10.0 mg/L SMX),通過添加預定體積的稀HCl或NaOH調整pH。反應體系用旋轉混勻儀在30 r/min轉速下混勻72 h后達到吸附平衡,再在3 000 r/min轉速下離心10 min以分離固-液兩相。小心將離心管中的上清液傾倒完全,經0.22 μm聚醚砜濾膜過濾后,測定其pH值和SMX的質量濃度。

本研究還進一步考察了pH值、離子強度、Cu2+濃度、芳香胺濃度等溶液因素以及去除有機質對土壤吸附SMX的影響。在研究pH值和離子強度的影響時,pH值范圍為3.5～7.0,3種NaCl背景電解質濃度分別為0.01 mol/L、0.10 mol/L、0.50 mol/L。具體步驟是:稱取2.0 g土壤樣品于離心管中,加入20.0 ml內含某種濃度NaCl和2 mg/L SMX的工作液,再用稀HCl或NaOH將體系pH值控制在預定范圍,吸附平衡時間及固-液兩相分離方法按等溫吸附反應的方法進行。在研究Cu2+、芳香胺等陪伴離子濃度的影響時,Cu2+的濃度設定為2.0 mmol/L或5.0 mmol/L,苯胺、4-苯胺磺酸這2種芳香胺的質量濃度均設定為5 mg/L,試驗步驟與研究pH值和離子強度的試驗步驟基本相同,不同的是所加工作溶液還含有設定濃度的陪伴離子。按相同固液比和SMX質量濃度,參考上述步驟研究不同pH值條件下,去除有機質的土壤對SMX的吸附。

1.2.3 等溫解吸反應 等溫吸附反應結束后,小心去除離心管內上清液,向土壤殘渣中加入20.0 ml 0.01 mol/L CaCl2進行解吸試驗。反應體系在25 ℃下用旋轉混勻儀平衡72 h后,3 000 r/min離心10 min,上清液用0.22 μm聚醚砜過濾器過濾,用于測定SMX的質量濃度。

1.3 分析方法

用1260 Infinity II HPLC系統[安捷倫科技(中國)有限公司產品]測定SMX的質量濃度,該系統配備ThermoFisher Scientific反相C18柱(150.0 mm×4.6 mm,5 μm,Hypersil GOLDTM)和紫外線檢測器。流動相由30%乙腈和70% 0.01 mol/L乙酸組成。流速1.0 ml/min,柱溫為30 ℃,進樣量為10 μl,波長為265 nm。

1.4 數據處理

SMX的吸附量按公式(1)計算:

(1)

式中:q為土壤對SMX的吸附量(mg/kg);C0為體系中SMX的初始質量濃度(mg/L);Ct為反應時間t時刻溶液中SMX的質量濃度(mg/L);V為體系溶液的體積(L);m為體系中土壤的質量(kg)。

SMX的解吸量按公式(2)計算:

(2)

式中:qdes為解吸達到平衡時SMX的解吸量(mg/kg);qe(des)為解吸平衡時溶液中SMX的質量濃度(mg/L);qe(ads)為吸附達到平衡時溶液中SMX的質量濃度(mg/L);V1為解吸達到平衡時溶液的體積(L);V2為解吸試驗前土壤保留的溶液體積(L);m為體系中土壤的質量(kg)。

采用擬二級動力學方程對土壤吸附SMX的反應動力學進行擬合,方程如下:

(3)

式中:t為吸附反應時間(h);qt為反應時間t時刻土壤對SMX的吸附量(mg/kg);qe為吸附平衡時土壤對SMX吸附量(mg/kg);K2為擬二級速率常數[g/(mg·min)]。

表2 菜園土和磚紅壤吸附SMX的擬二級動力學方程擬合結果

采用Freundlich模型擬合SMX在土壤中的吸附解吸等溫線,方程如下:

(4)

式中:Qe為平衡時土壤對SMX的吸附量(mg/kg);Ce為平衡時溶液中SMX的質量濃度(mg/L);Kf為Freundlich模型中代表吸附容量的常數(L/mg);n為Freundlich模型中代表吸附強度的常數。

2 結果與分析

2.1 吸附反應動力學

圖1顯示,菜園土和磚紅壤對SMX的吸附速率在初始反應時較高(1 h內的吸附量分別達到平衡吸附量的69.4%和84.3%),隨后逐漸降低。在反應初始階段,土壤表面活性吸附位點比較充裕,SMX可被快速吸附至土壤表面。隨著反應進行,吸附位點逐漸飽和,且吸附阻力增加,SMX吸附速率逐漸降低,最終在72 h基本達到吸附平衡。上述菜園土和磚紅壤中的SMX吸附動力學特征與黃土、紅土體系中的相同[23]。同時,菜園土和磚紅壤這2種土壤中的SMX吸附動力學均可用擬二級動力學方程進行擬合(R2>0.920)(表2)。

圖1 菜園土和磚紅壤中磺胺甲口惡唑(SMX)的吸附反應動力學Fig.1 Adsorption kinetics of sulfamethoxazole (SMX) in vegetable soil and latosol

2.2 吸附等溫線

吸附等溫線有助于了解吸附反應平衡后污染物在土壤固-液兩相中的分配比例。圖2顯示,在本研究設定的SMX質量濃度范圍內,2種土壤對SMX的吸附量整體隨平衡質量濃度的增加而增加,且未達到土壤飽和吸附量。表3顯示,本研究所得吸附等溫線符合Freundlich模型(R2>0.970),2種土壤的Kf(Freundlich模型中代表吸附容量的常數)值均較低(菜園土為3.821～10.134 L/mg;磚紅壤為1.083～2.674 L/mg),這表明SMX與土壤表面結合位點的相互作用較弱。一般而言,1/n(n為Freundlich模型中代表吸附強度的常數)值小于1意味著土壤表面SMX吸附位點是非均勻的,即:SMX先占據土壤中的易吸附位點,并隨著吸附位點數量減少而逐漸降低吸附速率。同時,SMX辛醇水分配系數較低,且不具有強有機絡合劑所特有的五環或六環結構[24],這將導致土壤對SMX的結合能力較弱。此外,由于磚紅壤和菜園土在理化性質尤其是有機質含量方面的差異,也使得SMX的Kf值在2種土壤中明顯不同。有研究結果表明,有機質和蒙脫石均對磺胺類抗生素吸附過程有貢獻,但在質量相同的情況下有機質對磺胺類抗生素的親和力高于蒙脫石[25]。菜園土和磚紅壤對SMX的最大吸附量分別為31.7 mg/kg和9.3 mg/kg,菜園土對SMX的最大吸附量是磚紅壤的3.41倍,這意味著有機質是土壤吸附SMX的重要載體。

圖2 菜園土(a)和磚紅壤(b)在不同pH值條件下對SMX的吸附等溫線Fig.2 Adsorption isotherm for SMX under various pH by the vegetable soil (a) and latosol (b)

表3 SMX的吸附-解吸等溫線擬合參數

2.3 pH值對土壤吸附SMX的影響

圖3顯示,pH值為3.5～7.0時,菜園土和磚紅壤對SMX的吸附率隨pH值增大而降低。在吸附等溫試驗中,SMX在菜園土中的吸附Kf值亦從pH值為4.1條件下的10.134 L/mg大幅度下降到pH值為5.9條件下的3.821 L/mg。一般而言,土壤吸附SMX機制主要有:①靜電引力;②氫鍵;③SMX結構中的苯環與土壤有機質結構中的苯環之間的π-π共軛作用;④疏水性分布;⑤范德華力。其中,靜電引力和氫鍵的作用強度易受pH值的影響,這是因為溶液pH主要改變SMX離子形態和土壤表面電荷性質。首先,在pH值為3.5～5.0時,SMX以中性形態為主(占總量的90%以上),而在pH值為6.0～7.0時,中性形態SMX百分比降至10%,陰離子形態(SMX-)增加到90%左右[21]。其次,隨著pH值升高,2種土壤表面負電荷數量將逐漸增加。由此可見,pH值越高,土壤表面對SMX的靜電斥力越強,SMX與土壤組分尤其是有機質之間也越不易形成氫鍵,從而表現出土壤對SMX的吸附量隨pH值升高而降低的趨勢[19]。

圖3 離子強度和Cu2+對SMX在菜園土(a和b)和磚紅壤(c和d)中吸附的影響Fig.3 The influences of ionic strength and Cu2+ on the adsorption of SMX by the vegetable soil (a, b) and latosol (c, d)

2.4 陪伴離子對土壤吸附SMX的影響

除溶液pH值外,陪伴離子可通過以下機制對土壤中SMX的吸附反應產生影響:①競爭吸附位點;②與SMX發生絡合反應而改變后者形態;③改變表面電荷性質。首先,從圖3可以看出,隨著背景電解質NaCl濃度的升高,在所研究的pH值范圍內,2種土壤對SMX的吸附率均未發生較大變化。這間接說明靜電引力在SMX吸附反應中所起的作用較小,其理由是Cl-是典型的靜電吸附陰離子,如果靜電引力在SMX吸附反應中所起的作用較大,那么隨著NaCl濃度的增加,土壤對SMX的吸附率應該降低,但試驗結果卻非如此。與此同時,提高背景電解質濃度,將對固體表面的靜電場和庫倫勢能產生屏蔽效應,理論上也將導致SMX吸附量降低,但這也未被研究證實。

其次,加入Cu2+后,2種土壤對SMX的吸附率總體均有所上升,這個規律隨著pH值和Cu2+濃度的升高越發明顯。導致這種結果的原因主要是:①帶正電荷的Cu2+可與SMX形成離子對,由此使得溶液中SMX陰離子的比例降低,進而使得土壤表面對SMX的靜電斥力作用降低,有利于SMX向土壤表面接近;②Cu2+與土壤表面可發生專性吸附反應,并導致土壤表面正電荷數量增加,這也將有利于SMX與土壤表面結合;③借助于土壤表面吸附態Cu2+的橋梁作用,可形成土壤-Cu2+-SMX表面三元絡合物,也可使得SMX的吸附量增加[26]。基于以上論述,可較好地解釋當pH值較低時,Cu2+對SMX吸附反應的促進作用為何不明顯。在低pH值條件下,一方面,土壤對Cu2+的吸附作用較弱;另一方面,SMX主要以中性形態存在,與Cu2+的絡合程度較低,所受到的來自土壤表面的靜電斥力作用也不強。在上述2種因素的綜合作用下,Cu2+對SMX吸附反應的促進作用較小[27]。與之相反,隨著pH值上升,土壤對Cu2+的吸附作用逐漸增強,會促進SMX吸附反應。

此外,加入苯胺和4-苯胺磺酸后,菜園土對SMX吸附量的下降較磚紅壤明顯(圖4),且在低pH值條件下苯胺的抑制作用更強。通過上述試驗結果可進一步推測土壤對SMX的吸附機理。苯胺中胺基N有孤對電子,可與H+結合。當pH值<4.6時,SMX以帶+1價電荷的陽離子形態為主[28]。因此,在低pH值條件下,當土壤表面正電荷數量較多時,其對苯胺的吸附將不是以靜電吸附、氫鍵和電子供體-受體復合等幾種方式為主,這就意味著苯胺與SMX之間不可能發生對土壤表面正電荷吸附位點的競爭作用。與此同時,苯胺更多是通過π-π共軛作用或者疏水性作用與土壤表面結合[29],這說明SMX與土壤表面存在類似作用。與苯胺相比,4-苯胺磺酸的抑制作用較小,這是因為磺酸基團有較強的吸電子效應[30],降低了胺基和整個苯環的電子密度,從而降低了4-苯胺磺酸與土壤的相互作用及其對SMX吸附的抑制作用。

圖4 苯胺、4-苯胺磺酸對SMX在菜園土(a)和磚紅壤(b)中吸附的影響Fig.4 The influences of aniline and 4-aniline sulfonic acid on the adsorption of SMX by the vegetable soil (a) and latosol (b)

2.5 去除有機質對土壤吸附SMX的影響

H2O2氧化處理后土壤有機質含量明顯下降,菜園土與磚紅壤有機質含量分別下降67.6%和68.1%。圖5顯示,pH值為3.5～7.0時,2種土壤去除有機質后對SMX的吸附率均有所降低,且在低pH值條件下較為明顯,最大吸附率下降約40.0%,這充分表明有機質是影響土壤吸附SMX能力的重要因素,進而也解釋了為何菜園土對SMX的吸附量大于磚紅壤。H2O2氧化法主要去除土壤中易氧化的有機質,剩余部分為難氧化有機質,如:胡敏素以及與土壤礦物質緊密結合的有機質。土壤經氧化處理后含有較多的長鏈烷烴化合物,而含氧、氮的有機物略微減少[31]。大量研究結果表明,有機質在土壤吸附SMX反應中有重要作用[32-33]。通過對比吸附SMX前后土壤的紅外光譜,可知土壤有機質中C-H鍵發生拉伸振動,這表明有機質中烷烴或烯烴基團參與了土壤吸附SMX反應[21]。類似地,去除有機質后,土壤對磺胺甲氧嗪的吸附能力降低,吸附等溫線Kf最高降低99%[34]。

圖5 去除有機質對磺胺甲口惡唑在菜園土(a)和磚紅壤(b)中吸附的影響Fig.5 The influences of organic matter removal on the adsorption of SMX by the vegetable soil (a) and latosol (b)

2.6 解吸等溫線

圖6顯示,解吸反應后,2種土壤中仍有SMX未被解吸。解吸等溫線可以用來表示解吸試驗結束后,單位質量土壤表面仍然吸持的吸附質數量與解吸液中吸附質平衡質量濃度的關系[22],表面吸持量越多,說明該吸附質越難被解吸。在本試驗條件下,SMX解吸等溫線可用Freundlich模型進行擬合(R2>0.950),具體擬合結果見表3。擬合參數1/n值均小于1.000,表明SMX在土壤中的解吸等溫線是非線性關系。同時,如果土壤對有機污染物的解吸等溫線Kf值越高于吸附等溫線,則說明解吸過程結束后仍有相當多的有機污染物保留在土壤表面,兩者越接近則表明有機污染物更易被解吸[35],且Kf值越大,土壤中有機污染物越不容易被解吸,解吸量越少。從本研究擬合結果來看,菜園土和磚紅壤的解吸等溫線Kf值均高于吸附等溫線Kf值,這說明部分SMX與土壤表面之間存在緊密結合,因而導致土壤中SMX的吸附反應非完全可逆。菜園土Kf值高于磚紅壤,表明有機質含量較高的土壤中SMX不容易被解吸,這與前人的研究結果一致[36]。此外,解吸等溫線Kf值隨pH值上升而逐漸降低,尤其以菜園土最為明顯,即:pH值越低,SMX越不容易被解吸,反之則越容易被解吸,這與前述pH值越低土壤對SMX吸附量越大的研究結果一致。說明不同pH值條件下,土壤中存在SMX強吸附位點和弱吸附位點。也就是說,pH值越低,土壤與SMX之間可能越易產生氫鍵以及π-π共軛作用[37],結合越緊密,從而導致SMX難以被解吸。相比之下,pH值越高,土壤對SMX的靜電斥力作用越大,阻礙了上述作用的產生,導致兩者結合不牢固以及SMX易被解吸。

SMX:磺胺甲口惡唑。圖6 菜園土(a)和磚紅壤(b)對SMX的解吸等溫線Fig.6 Desorption isotherm for SMX under various pH by the vegetable soil (a) and latosol (b)

3 結 論

本研究中,菜園土和磚紅壤對SMX的吸附反應動力學符合擬二級動力學方程。Freundlich模型能較好地擬合這2種土壤對SMX的吸附等溫線(R2>0.970)。有機質含量較高的菜園土對SMX的最大吸附量是磚紅壤的3.41倍。土壤對SMX的吸附能力與pH值、陪伴離子(類型、質量濃度或濃度)以及土壤有機質含量有關。當pH值為3.5～7.0時,2種土壤對SMX的吸附能力隨著pH值的升高而明顯降低。Cu2+可促進SMX吸附,苯胺和4-苯胺磺酸等芳香胺類化合物均能與SMX競爭吸附,且苯胺的抑制作用較大。去除有機質后,土壤對SMX最大吸附率下降約40%,這說明土壤有機質是SMX的重要吸附載體。有機質含量較高的菜園土中,SMX的解吸率較低且SMX解吸過程中存在滯留現象,這表明其在土壤中存在不可逆吸附。