泰乐菌素在粘土矿物表面的吸附平衡研究

发布时间：2020-10-11 05:54

　　 随着抗生素药物在人们日常生产和生活中的广泛使用，大量抗生素药物以母体或代谢物的形式进入环境中，给环境造成巨大的负荷，对生态环境带来潜在的威胁。尤其当环境中残留的抗生素通过雨水和渗滤作用从土壤迁移到江河湖泊，甚至是地下水时，其危害更加严重。因此，研究抗生素在土壤/水界面的吸附解吸过程及其作用原理，弄清土壤组分与抗生素的相互作用关系，在此基础上，进一步考察抗生素与其它污染物之间的相互作用，将有助于正确评价抗生素的环境风险，为控制污染物进入食物链及其循环、修复受污染的环境、指导农业尤其是养殖业的科学发展提供理论支持。本论文以常用的兽药抗生素泰乐菌素（TYL）为代表，系统研究了TYL在土壤/矿物-水界面的吸附行为及机理，初步探讨了复合污染条件下TYL对菲在矿物上吸附作用的影响及作用机理。论文取得了以下研究成果： 1.以珠江三角洲地区典型农业土壤为吸附剂，研究了TYL在土壤上的吸附解吸行为。发现，TYL在各土壤上的吸附容量KD值在2.01-12.4L/kg之间，不同浓度下的Koc值在118-15850L/kg-OC之间。进一步分析发现：作为离子型化合物，泰乐菌素在土壤中的吸附与土壤的pH值呈负相关、与比表面积呈正相关。土壤中的粘土成份对吸附的影响是各种矿物综合作用的结果，而有机质与TYL在土壤中的吸附没有明显的相关性。由于泰乐菌素具有分子量大，可电离的特性，其在土壤中的吸附接近线性，解吸滞后不明显，吸附-解吸的主要作用力可能是离子交换和范德华力。泰乐菌素在土壤上具有中等的吸附能力，不容易迁移。同时，由于吸附可逆，泰乐菌素也有可能释放到水环境中造成污染。 2.根据土壤中的矿物组成，考察了TYL在高岭石、蒙脱石、石英、针铁矿和铝土矿上的吸附情况。结果发现：几种矿物吸附TYL的大小顺序为：蒙脱石针铁矿高岭石石英铝土矿，且所有矿物对TYL的吸附均呈明显非线性(n=0.22-0.48)。TYL在矿物上的吸附与矿物的比表面积、等电点、溶液pH值密切相关。在酸性条件下，矿物带负电荷的表面对带正电荷的TYL具有较强的静电作用，而在中性和碱性条件下，矿物表面与不带电的TYL分子之间的分配作用是决定TYL在矿物上吸附的主要因素；几种矿物中，对TYL吸附起主要作用的是蒙脱石、高岭石和针铁矿。进一步对TYL在三种主要矿物上的吸附热力学进行分析发现，TYL在矿物上的吸附是一个放热反应，高温不利于泰乐菌素在矿物上的吸附。静电引力、范德华力及氢键作用可能是TYL在矿物上吸附的主要机理。TYL与矿物的亲和力随温度的减小而加强，吸附能随吸附量增加而减少，表明：TYL在吸附过程中可能首先占据低浓度条件下的高能量位点，然后再与低能量位点发生作用，而且低能吸附位置数较多，吸附位点的异质性明显。 3.为深入探讨TYL在矿物上的吸附机理，对比研究了TYL在蒙脱石上和高岭石上的吸附，着重考察了pH值对吸附的影响。结果表明：TYL在矿物上的吸附能力随pH的增加而减小。从不同pH值条件下的吸附等温线、单点吸附实验结果分析，离子交换和表面吸附是TYL在矿物上吸附的主要机理，溶液中的阳离子可以与正价态的TYL竞争矿物表面带负电荷的吸附位。XRD分析结果发现，除去表面的作用，TYL可以进入蒙脱石层间形成单层吸附。进一步引入经验公式和双元吸附模型（DMM）分别评价了离子交换和表面吸附在整个吸附过程的贡献率，发现离子交换控制了整个吸附过程。同时，随着溶液中TYL浓度的增加，表面吸附的作用越来越强。被吸附的大分子的泰乐菌素之间可能存在疏水性作用。吸附的泰乐菌素可以作为矿物的有机质来影响其它有机污染物在矿物上的吸附。 4.由于TYL在自然条件下所处的离子环境往往存在较大波动，本文还研究了离子强度及离子类型对TYL吸附的影响。发现，TYL在高岭石上的吸附随离子强度的增加而减少。而TYL在蒙脱石上的吸附与溶液中TYL浓度有关。高浓度时，吸附随离子强度的增加而减小。低浓度时，离子强度较低反而有利于TYL的吸附。原因是低浓度条件下，TYL首先占据高能吸附位，以表面吸附为主。此时离子强度增大一方面可能导致盐析作用使TYL在水溶液中的溶解度减小，从而增加TYL的吸附；另一方面，TYL可以与K+周围的水分子形成氢键而加强TYL在矿物表面的吸附。高浓度条件下，吸附主要发生在低能吸附位点，以离子交换为主，溶液中的阳离子与TYL的竞争作用导致了吸附随离子强度增加而减少。对矿物表面电荷的测定结果显示，表面负电荷随溶液离子强度的增加呈减小趋势，进一步验证了TYL在矿物表面的离子交换作用。TYL在不同盐溶液中的吸附结果显示：在一定的浓度范围内（低浓度），TYL在蒙脱石上的吸附随不同离子类型的背景溶液的变化趋势是，Mg~(2+)≧Ca~(2+) K~+ Na~+。在溶液浓度较高的条件下，TYL在一价盐溶液中的吸附比二价盐溶液中的吸附要强，大小顺序为：K~+ Na+ Ca~(2+)≧Mg~(2+)。TYL在高岭石上的吸附在整个浓度范围内均表现为K~+ Na~+ Ca~(2+)≌Mg~(2+)。低浓度条件下的表面吸附促使TYL与阳离子离子周围的水分发生氢键作用，导致了水化能大的阳离子溶液中TYL的吸附量变大。高浓度条件下，离子交换是主要的吸附机理。溶液中带正电荷离子与正价态的TYL竞争表面负电荷，因此高价态的阳离子溶液中，TYL吸附量较小。由于蒙脱石的层间作用，不同类型的蒙脱石表现出不同的吸附能力。TYL在K-蒙脱石上的吸附量小于Na-蒙脱石，其次小于Ca-蒙脱石。分析发现，蒙脱石层间域的水和状态是一个非常重要的影响因素。它不仅影响了层间离子的交换作用，而且其与有机化合物的氢键作用可能取代离子交换的主导地位。高价态的Ca2+因其较大的水化能，能与周围更对的水分子结合。水分子的-OH基团可以通过氢键与TYL相互作用，从而吸附更多的泰乐菌素。 5.为了解TYL对其它有机污染物在矿物上吸附的影响，选择菲为代表，分别考察了菲在原粘土矿物和吸附泰乐菌素后的粘土矿物上的吸附行为。实验发现，蒙脱石和高岭石纯矿物对菲均有一定的吸附能力，吸附容量较小。菲在蒙脱石上的吸附比高岭石要大。用线性模型和Freundlich模型均能较好的拟合吸附数据，相关系数大于0.98。菲在蒙脱石和高岭石上的吸附容量KD值分别为0.012和0.0035L/g。菲在纯矿物上的吸附主要是在矿物表层水膜上的分配。矿物的比表面积尤其是内比表面极大的影响了菲的吸附。吸附泰乐菌素之后，菲在两种矿物上的吸附均明显提高。菲在矿物上的吸附容量随着泰乐菌素的初始浓度的增加而明显增大，非线性随着泰乐菌素的初始浓度的增加而明显减小。在蒙脱石上的吸附容量参数logKF值从初始浓度为0mg/L时的-4.047增加到初始浓度为100mg/L时的0.591，非线性因子n值从初始浓度为0mg/L时的1.692减小到初始浓度为100mg/L时的0.596。在高岭石上的吸附容量参数logKF值从初始浓度为0mg/L时的-3.621增加到初始浓度为100mg/L时的-0.711，非线性因子n值从初始浓度为0mg/L时的1.372减小到初始浓度为100mg/L时的0.658。粘土矿物吸附泰乐菌素后，泰乐菌素与粘土矿物构成一个有机粘土矿物复合体。泰乐菌素在矿物上以有机质的形式存在。随着泰乐菌素初始浓度的增加，矿物上有机碳含量也随之增加。菲在矿物上的吸附分配系数与矿物体系中有机碳含量呈正相关，n值与有机碳含量是显著性负相关，呈现很好的线性关系。疏水性分配是菲在有机矿物上吸附的主要作用方式。且随着矿物上有机碳含量的增加，吸附的非线性逐渐增加。说明，TYL可显著促进菲在矿物上的吸附作用。在同时存在抗生素和多环芳烃污染的环境中，抗生素的存在可促进多环芳烃在土壤上的吸附，从而减小多环芳烃的生物可利用性和迁移能力。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X592
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1 抗生素
        1.1 抗生素简介
        1.2 泰乐菌素
        1.3 兽药抗生素的使用和消费情况
        1.4 兽药抗生素使用存在的问题和危害
        1.5 兽药抗生素进入环境的途径
        1.6 环境中抗生素含量
    2 吸附
        2.1 有机污染物在土壤中的吸附作用
            2.1.1 主要的有机污染物吸附理论
            2.1.2 土壤中吸附的主要组分
            2.1.3 可离子化有机污染物的吸附
            2.1.4 矿物对抗生素的吸附
        2.2 抗生素吸附行为研究
            2.2.1 四环素类抗生素的吸附研究
            2.2.2 磺胺类抗生素的吸附研究
            2.2.3 喹诺酮类抗生素的吸附研究
            2.2.4 大环内酯类抗生素（泰乐菌素）的吸附研究
        2.3 研究存在的问题
    3 本研究的目的、意义
    4 研究思路
第二章 材料与方法
    1 实验材料
        1.1 化学试剂
        1.2 供试土壤及其性质
        1.3 供试矿物及其性质
    2 实验方法
        2.1 泰乐菌素在土壤中的吸附
            2.1.1 吸附动力学实验
            2.1.2 吸附热力学实验
            2.1.3 吸附等温线
            2.1.4 解吸实验
            2.1.5 pH的影响
        2.2 泰乐菌素在矿物上的吸附
        2.3 环境因素的影响（pH和离子强度）
            2.3.1 pH的影响
            2.3.2 XRD分析
            2.3.3 离子强度的影响
            2.3.4 离子类型的影响
            2.3.5 不同类型蒙脱石的影响
        2.4 泰乐菌素和菲的竞争吸附
            2.4.1 菲在粘土矿物上的吸附
            2.4.2 泰乐菌素对菲在矿物上吸附的影响
    3 检测方法
        3.1 泰乐菌素的检测
        3.2 菲的检测
        3.3 固相上的浓度
第三章 泰乐菌素在土壤中吸附
    1 数据分析
        1.1 吸附动力学模型
        1.2 吸附热力学模型
        1.3 吸附等温线模型
        1.4 吸附解吸平衡
    2 结果与讨论
        2.1 吸附动力学
        2.2 吸附热力学
        2.3 TYL在土壤中的吸附
        2.4 TYL在土壤上的解吸
        2.5 TYL的迁移
    3 本章小结
第四章 泰乐菌素在矿物上的吸附
    1 数据分析
        1.1 吸附等温线
        1.2 温度对吸附的影响
        1.3 吸附位能分布（site energy distribution）
    2 结果与讨论
        2.1 TYL在矿物上的吸附等温线
        2.2 吸附热力学分析
    3 本章小结
第五章 PH值和离子强度对泰乐菌素在矿物上吸附的影响
    1 数据分析
    2 结果与讨论
        2.1 pH值的影响
            2.1.1 吸附等温线
            2.1.2 pH对吸附的影响
            2.1.3 吸附机理
        2.2 离子强度的影响
            2.2.1 不同离子强度的影响
            2.2.2 不同离子类型的影响
            2.2.3 TYL在不同类型蒙脱石上的吸附
    3. 本章小结
第六章 泰乐菌素对菲在矿物上吸附的影响
    1 数据分析
    2 结果与讨论
        2.1 菲在粘土矿物上的吸附
        2.2 泰乐菌素对菲在矿物上吸附的影响
    3 本章小结
研究结论、创新点及研究展望
    1 研究结论
        1.1 泰乐菌素在土壤上的吸附行为及其与土壤性质的关系
        1.2 泰乐菌素在矿物上的吸附行为
        1.3 pH对泰乐菌素在粘土矿物上吸附的影响
        1.4 离子对泰乐菌素在粘土矿物上吸附的影响
        1.5 泰乐菌素对菲吸附的影响
    2 创新点
    3 不足与展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

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本文编号：2836171