复合水平潜流湿地中四环素类抗生素的去除研究

杨平，王勇，王钊

（1.晋中市水文水资源勘测分局，山西晋中030600；2.海河水利委员会漳河上游管理局，河北邯郸056006；3.海河流域水环境监测中心，天津300170）

复合水平潜流湿地中四环素类抗生素的去除研究

杨平1，王勇2，王钊3

（1.晋中市水文水资源勘测分局，山西晋中030600；2.海河水利委员会漳河上游管理局，河北邯郸056006；3.海河流域水环境监测中心，天津300170）

本研究建立了固相萃取-高效液相色谱三重四级杆质谱联用法，同时测定水中的4种四环素类抗生素（金霉素、土霉素、四环素、强力霉素）的残留。利用复合水平潜流人工湿地处理生活污水，比较了有植物和无植物组合湿地对四环素类抗生素的去除效果。结果表明，有植物组合湿地的去除效率高于无植物组合湿地的去除效率，复合水平潜流人工湿地能较好地降解强力霉素（去除率达74.02%），但其对四环素类抗生素的降解机理及植物在其中的作用有待进一步研究。

固相萃取；高效液相色谱；四环素；人工湿地

1　引言

抗生素的大量使用，使其在环境中不断积累，且在较短时间内很难在自然界分解，导致其在一定时期内富集于自然界的土壤或水体中，呈现“假性持久性”污染。在许多国家的河流、湖泊、地下水、海水等水源中以及动物体内均监测出了相当浓度的抗生素［1，2］。近些年来，水环境中抗生素的污染问题已成为环境科学界关注的新兴研究热点［3，4］。

人工湿地（CWs）污水处理系统是一种包含土壤、植被、微生物的生态工程系统，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。李丽等研究了垂直流-水平潜流组合湿地对磺胺类抗生素的去除率，有植物组合湿地的去除率为72.31%，无植物组合湿地的去除率为59.71%［5］。郑加玉、刘琳等研究了人工湿地对四环素类抗生素的去除，通过湿地处理系统后四环素类抗生素去除率达90%以上［6］。

四环素类抗生素主要的监测方法为高效液相色谱法、高效液相色谱-串联质谱法，其中高效液相色谱法是以液体作为流动相并采用颗粒极细的高效固定相的柱色谱分离技术、高效液相色谱-串联质谱法灵敏度更高，以串联四级杆技术准确性更高。笔者利用固相萃取-高效液相色谱-串联质谱的方法，测定水体中四环素类抗生素，并研究人工湿地技术对四环素类抗生素的去除效果。

2　材料与方法

2.1试验材料

四环素（TC）、土霉素（OTC）、金霉素（CTC）、强力霉素（DC）标准品购自Dr.Ehrenstorfer公司，乙腈（色谱纯，纯度＞99.9%）购自J.T.baker公司，甲酸（色谱纯，纯度＞98.0%）购自J.T.baker公司，甲醇（色谱纯，纯度＞99.9%）购自赛默飞世尔公司。

2.2湿地构建

本试验采取稳定塘+复合水平潜流人工湿地组合工艺，如图1所示。复合水平潜流人工湿地系统是由2个水平潜流人工湿地组成的，前一级湿地略高于后一级湿地，以便于污水的自流，并且在前一级水平潜流湿地表层设置厚度为20 cm的硝化带，使污水中的氨氮得到部分硝化处理。

稳定塘中选择种植多种常见水生植物香蒲、菖蒲、千屈菜、美人蕉，另在近水区种植一批沉水植物，可选择马来眼子菜、黑藻、苦草等。

图1　稳定塘+复合水平潜流人工湿地组合工艺

（1）一级水平潜流人工湿地。填料粒径为10～20mm，材料为花岗岩和本地碎石组成，体积比例在1∶1～5∶1。花岗岩与本地碎石在使用之前，需要用水冲洗干净。在表层覆盖150mm本地沙土或者细沙。

（2）二级水平潜流人工湿地。填料粒径为15～25mm，材料为花岗岩与本地碎石组成，体积比例在1∶1～5∶1。花岗岩与本地碎石在使用之前，需要用水冲洗干净。在表层覆盖150mm本地沙土或者细沙。

2.3水样采集和样品前处理

按图1布设的采样点采集水样，将水样置于棕色玻璃瓶中，冷藏运回实验室。水样预处理固相萃取条件为：HLB固相萃取小柱依次用10 m L甲醇、10mL纯水以3mL/min流速活化，取400mL水样，调节pH值，以10mL/L的流速上样，用5mL甲醇分3次洗脱小柱，洗脱液在40℃由氮吹至浓缩，用乙腈/水（2∶8体积比）定容至1mL，待测。

2.4色谱-质谱条件

（1）液相条件。柱温35℃，流动相为乙腈和0.01%甲酸/水，流动梯度见表1。

表1　梯度洗脱程序

（2）质谱条件。离子源为电喷雾离子源（ESI），监测方式为多反应监测，干燥气为氮气，干燥气温度为350℃，干燥气流速为10 L/min。四环素类抗生素质谱分析的条件参数，见表2。

表2　质谱分析条件参数

3　结果与分析

3.1高效液相色谱质谱检测结果

根据色谱-质谱条件，四环素类抗生素的色谱质谱如图2—5所示。

图2　金霉素色谱质谱

图3　土霉素色谱质谱

图4　四环素色谱质谱

以乙腈/水（2∶8体积比）逐级（0.1、1、10、50、75、100μg/L）稀释标准工作液，在2.4试验条件下进样，得到不同标准液浓度所对应的峰面积。根据试验结果，以峰面积（y）为纵坐标，以标准液浓度（x）为横坐标，建立标准曲线方程。4种四环素类抗生素的线性范围、检出限、标准曲线方程、相关系数及回收率，见表3。

图5　强力霉素色谱质谱

表3　4种四环素类抗生素的线性范围、检出限、标准曲线方程、相关系数及回收率（n=3）

3.2湿地基质对四环素类抗生素的去除

表4为四环素类抗生素在滦河和人工湿地系统中的浓度。从表4可以看出，在滦河水质中监测出四环素类抗生素，其浓度在9.715 ng/L；在湿地系统污水进水口水质中监测出四环素和强力霉素，其浓度分别在12.205、23.566ng/L，未监测出金霉素和土霉素。

表4　四环素类抗生素在滦河和人工湿地系统中的浓度（n=3）ng/L

在有植物的人工湿地系统中，强力霉素在污水口处的浓度为23.56 ng/L，四环素浓度为12.02 ng/L。通过有植物的人工湿地系统处理后，强力霉素和四环素浓度均呈下降趋势，强力霉素的去除率为74.02%，四环素的去除率仅为34.41%。有植物人工湿地系统中四环素类抗生素的去除效果，如图6所示。

通过无植物人工湿地系统处理后，强力霉素和四环素的浓度变低，说明无植物人工湿地对四环素类抗生素仍有一定的去除效果，且强力霉素的去除率达66.24%。强力霉素在通过无植物人工湿地系统各单元时浓度都有所降低，这表明湿地介质对强力霉素有一定的去除效果。四环素在通过无植物人工湿地系统各单元时浓度变化不定，在有植物氧化塘处较进水口低，在一级空白湿地中较氧化塘高，在二级空白湿地出水处与氧化塘持平。无植物人工湿地系统中四环素类抗生素的去除效果，如图7所示。

X171.5；X52

A

1004-7328（2016）05-0021-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.007

2016—07—25

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2012ZX07203-002）；国家国际科技合作专项资助（2013DFA71340）；海河流域水质监测项目（1261520411631）

杨平（1965—），男，高级工程师，主要从事水文水资源勘测工作。