共存Cu2+影响下土霉素在黑土上的吸附行为

陈薇薇+陈涛+杨平+郭平+张文卿+张馨元

摘要：采用批量平衡吸附法研究了重金属Cu2+对四环素类抗生素土霉素（OTC）在东北地区典型黑土上吸附热力学的影响，以及Cu2+共存时溶液初始pH值和OTC添加顺序对OTC吸附的影响。结果表明，Freundlich吸附模型对不同浓度Cu2+影响下OTC在黑土上的吸附热力学过程能够进行较好地描述（R≥0.990，P<0.01），共存Cu2+能够促进黑土对OTC的吸附，且促进作用随着Cu2+浓度的增加而增大，OTC吸附量大小顺序符合100 mg/L Cu2++OTC>50 mg/L Cu2++OTC>OTC。pH值可以通过改变OTC的电荷状态显著影响OTC在黑土上的吸附，OTC的吸附量随着pH值的升高而降低，当pH值≤6.90时OTC的吸附量下降趋势不显著，当pH值>6.90时其吸附量显著下降，尤其当pH值>9.56时，OTC的吸附量急剧下降。共存Cu2+并未改变OTC在不同pH值条件下的吸附规律，但促进了OTC在黑土上的吸附，且促进作用与Cu2+浓度成正比。Freundlich吸附模型对Cu2+共存时OTC添加顺序对黑土吸附OTC的热力学过程也能进行较好地描述（R≥0.936，P<0.01），黑土对OTC的吸附能力随着OTC添加顺序的不同而改变，OTC吸附量大小顺序符合TOTC+Cu（二者同时加入）>TOTC（先加入OTC）>TCu（先加入Cu2+）。

關键词：土霉素（OTC）；共有Cu2+；吸附；黑土；热力学模型

中图分类号：X53 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0240-04

收稿日期：2017-03-16

基金项目：国家自然科学基金（编号：40971248）。

作者简介：陈薇薇（1982—），女，吉林长春人，博士，工程师，从事环境污染修复技术与机理研究。E-mail：chenvv@jlu.edu.cn。 四环素类抗生素是由放线菌产生的一类广谱抗生素，用作预防人类和动物的微生物感染而在世界范围内被广泛应用[1-2]。土霉素（oxytetracycline，OTC）作为四环素类抗生素的典型代表，因具有效果好、成本低、副作用相对较小和使用方便等优点，主要作为兽药和饲料添加剂而被大量用于水产与畜禽养殖业中[3-4]。因为抗生素是亲水性物质，所以在畜禽体内不能完全代谢，而绝大多数是残留在畜禽粪便中以原药形态直接排出体外[5]。畜禽粪便作为有机肥被施用于耕作土壤中，伴随载体进入土壤中的抗生素能够改变土壤微生物菌群的结构和功能，影响微生物生态链并诱发耐药菌[6-7]，对土壤生态安全产生严重危害，并对人类健康存在巨大威胁。因此，当我国畜禽养殖业迅速发展所带来可观经济效益的同时，由此造成的抗生素环境污染问题也不容忽视[8]。

抗生素在土壤中的迁移、转化、分布及最终归趋等关键过程都会受到土壤吸附作用的强烈影响，因此，开展吸附研究对于了解抗生素在土壤中的环境行为十分重要[3]。目前，国内外关于四环素类抗生素在土壤中环境行为的研究主要集中在不同类型的土壤中的有机质、矿物质及金属氧化物等组分对抗生素的吸附-解吸作用[3，9-12]。关于吸附体系的pH值、离子强度以及共存重金属等因素对抗生素吸附的影响近年来也开始受到关注[13-15]，但关于共存重金属存在条件下pH值对抗生素吸附的影响，抗生素与共存重金属在吸附体系中添加顺序对抗生素吸附的影响等方面的研究尚鲜见报道[16]。因为重金属离子和抗生素在吸附过程中能够形成络合物，所以重金属离子的存在能够影响抗生素在土壤或其矿物质组分上的吸附行为[17]，这就意味着自然环境中的重金属能够影响抗生素在土壤中的迁移和归趋。由于使用含有高浓度Cu2+的动物粪便作为有机肥施用于农业耕作、污水灌溉以及工业污染物倾倒等，在我国很多地区农耕土壤中能检出的Cu2+浓度日益增加[6]。由此可见，开展共存重金属对抗生素在土壤中吸附行为的影响研究具有一定的现实意义和科学价值。

东北地区是我国的粮食主产区，为提高粮食产量在土壤中施用了大量有机肥，同时畜禽养殖在东北地区蓬勃发展，这些都加大了抗生素土壤污染的程度和速度。因此，本试验选择OTC作为目标污染物，东北地区典型黑土作为吸附介质，对Cu2+对OTC在黑土上吸附的影响、共存Cu2+存在条件下溶液初始pH值及OTC添加顺序对OTC吸附的影响进行了一系列研究。

1 材料与方法

1.1 材料

供试土壤采自吉林大学前卫南区校园内表层（0～20 cm）黑土，按照土壤农业化学分析标准方法进行土壤样品采集、预处理和理化性质分析[18]。经处理后的土壤样品过 2 mm 筛，混合均匀后储存于玻璃广口瓶中备用。

土壤的基本理化性质：pH值为6.80（土水质量体积比为1 ∶ 2.5），氧化还原电位（Eh）为259 mV，阳离子交换量（CEC）为30.78 cmol/kg，有机质含量为20.50 g/kg，电导率（EC）为0.43 mS/cm。

1.2 样品制备

采用张辉等的试验方法[19]进行灭菌土壤样品的制备。

1.3 吸附试验

采用批量平衡吸附试验法，研究不同浓度的共存Cu2+对OTC在黑土上的吸附热力学影响，不同浓度Cu2+条件下溶液初始pH值以及OTC在吸附体系中的添加顺序对OTC吸附的影响。

1.3.1 Cu2+浓度影响 称取0.1 g灭菌黑土于50 mL离心管中，分别加入25 mL由0.01 mol/L NaCl溶液配制的系列浓度为1～40 mg/L的OTC溶液，吸附体系中同时含有浓度为0、50、100 mg/L的Cu2+，加盖后在25 ℃下以170 r/min的速度避光振荡达到吸附平衡，在3 800 r/min速度下离心 10 min，上清液过0.45 μm滤膜，HPLC测定OTC的含量。采用差减法[20]计算出黑土上OTC的吸附量，试验设置3组平行，1组空白。HPLC分析条件：Waters Alliance高效液相色谱仪，配置2487紫外检测器，717自动进样器，色谱柱为250 mm×4.6 mm 的ODS HyperSid（不锈钢柱），进样量为50 μL，柱温25 ℃，采用乙腈 ∶ 0.01 mol/L草酸=20 ∶ 80（体积比）作为流动相，流速为1 mL/min，检测波长为360 nm，溶液中OTC的检出限为0.01 mg/L。endprint

1.3.2 pH值影响 称取0.1 g灭菌黑土于50 mL离心管中，分别加入25 mL由0.01 mol/L的NaCl溶液配制的系列濃度为1～40 mg/L的OTC溶液，吸附体系中同时含有浓度为5、100 mg/L的Cu2+，使用0.01 mol/L HCl或NaOH将吸附溶液的初始pH值分别调节为3.13、5.25、6.90、9.56、1101，研究不同浓度Cu2+条件下pH值对OTC吸附的影响。其他操作同“1.3.1”节。

1.3.3 OTC添加顺序影响 确定吸附溶液中Cu2+的浓度为10 mg/L，OTC的浓度为1～40 mg/L。称取0.1 g灭菌黑土于50 mL离心管中，在TOTC组离心管中先加入一系列不同浓度的OTC，在25 ℃、170 r/min的条件避光振荡达到吸附平衡，再加入Cu2+溶液继续在相同试验条件下振荡至吸附平衡；在TCu组离心管中先加入Cu2+溶液，在25 ℃、170 r/min的条件下避光振荡达到吸附平衡，再加入不同浓度的OTC溶液继续振荡至吸附平衡；在TOTC-Cu组离心管中同时加入Cu2+和系列浓度的OTC溶液进行振荡吸附。其他操作同“1.3.1”节。

1.4 热力学模型

式中：Ce为吸附平衡时OTC的浓度，mg/L；Qe为吸附平衡时OTC的吸附量，mg/kg；Kf和n为常数，Kf是土壤样品对OTC相对吸附量的常数，n是土壤对OTC吸附作用的强度系数。

1.5 OTC结合常数Kd

污染物在土壤中吸附能力的大小通常用土壤-水分配系数Kd表示，Kd值越大，吸附作用越强[22]。

式中：C0代表OTC初始浓度，mg/L；Cs代表平衡状态下吸附剂上OTC浓度，mg/L；Cw代表平衡状态下溶液中游离态OTC浓度，mg/L；Vw代表吸附体系总体积，L；Ms代表体系中吸附剂的质量，kg；Qe为平衡状态下OTC在土壤中的吸附量，mg/kg。

2 结果与分析

2.1 共存Cu2+对OTC吸附热力学的影响

从图1可以看出，OTC在黑土中的吸附量随着OTC平衡浓度的增加而增加。与OTC单独吸附相比，当Cu2+的浓度为在50 mg/L时，OTC的吸附量增加了2.67%～21.62%，当Cu2+的浓度为100 mg/L时，OTC的吸附量增加了5.91%～28.69%。表明共存Cu2+促进了OTC在黑土上的吸附，且促进作用随着Cu2+浓度的增加而增大。共存Cu2+影响OTC在土壤中的吸附主要通过2种途径：一是Cu2+与OTC形成带有正电荷的络合物，有利于OTC吸附到黑土表面的负电荷吸附位，同时可通过“键桥”作用（“键桥”作用指重金属既与土壤表面结合又与抗生素结合，在二者之间起桥梁作用）进一步增强OTC在土壤上的吸附[23-24]；另一方面，Cu2+与OTC能形成一部分可溶性的络合物，通过增加OTC的溶解度降低其在土壤上的吸附，或Cu2+与OTC形成竞争作用从而抑制其吸附[25]。表明共存Cu2+最终能够促进还是抑制OTC的吸附是几种作用的综合结果。在本试验条件下，共存Cu2+促进了OTC的吸附，可能是以下2种作用占了主导：一是Cu2+通过与OTC发生表面络合反应形成带有正电荷的络合物，从而有利于OTC吸附到黑土表面的负电荷吸附位；二是溶液中的Cu2+通过静电吸附和阳离子交换的方式吸附于土壤表面，并通过键桥作用与OTC形成黑土-Cu2+-OTC三重络合结构，这种反应也能够增加OTC在土壤上的吸附[24-26]。

土壤表面对抗生素的吸附形式更偏向于多层吸附，Freundlich吸附模型更适合描述四环素类抗生素在土壤上的吸附等温线[27-28]。因此，将OTC在不同浓度Cu2+影响下的吸附热力学数据用Freundlich吸附模型进行拟合，拟合结果见表1。从表1可以看出，Freundlich吸附模型对OTC在不同浓度Cu2+影响下的吸附热力学过程能够进行较好地描述（R≥0.990，P<0.01）。Cu2+加入后，Kf和n值都明显增大，且Cu2+浓度越高，Kf和n值越大，说明Cu2+的存在促进了OTC在黑土上的吸附，而且促进作用与Cu2+浓度成正比。由Kf值可知，不同浓度Cu2+影响下黑土对OTC的吸附量大小顺序为100 mg/L Cu2++OTC>50 mg/L Cu2++OTC>OTC。

从图2可以看出，随着OTC平衡浓度的增加，Kd值呈现出先急剧下降再逐渐趋于平衡的趋势，可见当Cu2+浓度较大时，分配作用是黑土吸附OTC的主要作用机制[29]。Cu2+浓度越大，Kd值越大，进一步证明了共存Cu2+促进了黑土对OTC的吸附作用，促进作用随着Cu2+浓度的增加而增大。

2.2 Cu2+共存时pH值对OTC吸附的影响

从图3可以看出，当OTC单独吸附时，OTC的吸附量随着pH值的增加而降低，大致分为2个阶段：当pH值≤6.90，OTC的吸附量变化较小，下降趋势不显著；当pH值>6.90时，OTC的吸附量明显下降，尤其当pH值>9.56时，OTC的吸附量急剧下降，这可能与OTC的形态变化密切相关。相关研究结果表明，OTC在不同pH值条件下以不同形态存在，当pH值<3.3时，OTC可看作是阳离子，主要以OTC+的形态存在；当pH值介于3.3～7.7之间时，OTC可看作是兼性离子，OTC+、OTC0和OTC-同时存在；随着pH值的升高，OTC的负电荷比例不断增加，主要以OTC-、OTC2-和OTC3-形式存在[3]。不同形态OTC的Kd值差异较大，顺序符合OTC+>OTC0>OTC->OTC2->OTC3-[30-31]。由此可推断，当本试验中的溶液初始pH值≤6.90时，溶液中OTC的主要存在形态由阳离子逐渐过渡为兼性离子，而且OTC0和OTC-比例随着pH值的增加而逐渐增加，使原本在黑土与OTC之间起主导吸附作用的静电吸附和阳离子交换作用减弱，从而导致OTC在黑土上的吸附量有所下降；但OTC在此pH值范围内的吸附量下降不显著也可能说明了该pH值范围内OTC0仍是其主要存在形态。当pH值>6.90时，具有较低Kd值的OTC-、OTC2-和OTC3-的比例随着pH值的增加而增加，是导致OTC吸附量降低的主要原因；另外，OTC的负电荷比例不断增加导致其与带大量负电荷的黑土之间的静电斥力增强，同时阳离子交换作用进一步减弱，也是OTC吸附量迅速降低的主要原因[16]。由此可见，pH值可以通过改变OTC的电荷状态显著影响其在黑土上的吸附。endprint

从图3还可以看出，随着pH值的增加，Cu2+共存时OTC在黑土上的吸附趋势与OTC单独吸附时基本一致，但Cu2+的存在能够促进黑土对OTC的吸附，而且促进作用随着Cu2+浓度的增加而增加。其原因可能是pH值的增加有利于Cu2+与OTC之间形成络合物，这些络合物与OTC相比具有更高的Kd值，有利于OTC在黑土上的吸附；Cu2+在黑土表面和OTC之间的键桥作用使Cu2+能够与土壤和OTC形成三重络合物，

这些络合物比Cu2+与OTC之间形成的络合物具有更强的吸附性，可进一步提高OTC在黑土上的吸附量[16，30]。然而，当pH值=9.56时，50 mg/L Cu2+降低了OTC的吸附量，这可能与pH值较高时CuOH+和Cu（OH）2的形成有关[16]，但具体原因还有待于进一步探究。

从图4可以看出，OTC的Kd值均随着溶液初始pH值的增加而下降，Kd值对应pH值的大小顺序为3.13>5.25>690>9.56>11.01，该顺序与前人总结的在不同pH值范围内不同形态OTC的Kd值大小顺序基本一致[30-31]。Cu2+浓度越高，OTC吸附的Kd值越大，进一步证明了在不同pH值条件共存Cu2+始终能促进OTC在黑土上的吸附。

2.3 Cu2+共存时OTC添加顺序对OTC吸附的影响

从图5可以看出，无论以何种顺序向吸附体系中加入OTC，OTC在黑土上的吸附量均随着OTC平衡浓度的增加而急剧增加，OTC吸附量大小顺序为TOTC-Cu>TOTC>TCu。TOTC的吸附量小于TOTC-Cu，可能是因为后加入的Cu2+与OTC竞争黑土表面的吸附位点，也可能是因为率先与黑土发生吸附反应的OTC与后加入的Cu2+形成了一部分可溶性络合物，导致OTC在黑土上的吸附量下降；TCu的吸附量小于TOTC-Cu，主要可能是因为后加入的OTC与Cu2+发生了竞争吸附[25]，TCu的吸附量小于TOTC，可能是由于黑土与Cu2+的结合能力强于黑土与OTC的结合能力[28]；TOTC-Cu的吸附量最大，可能是由于2种污染物主要以二者络合的形态存在，或者通过键桥作用形成“黑土-Cu2+-OTC”三重络合结构，使OTC在黑土上能够产生强烈吸附。将不同OTC添加顺序影响下OTC的吸附热力学数据用Freundlich吸附模型进行拟合，拟合结果见表2。从表2可以看出，Freundlich吸附模型对不同OTC添加顺序影响下OTC的吸附热力学能够进行较好地描述（R≥0.936，P<0.01）。OTC的添加顺序不同导致Kf值的范

围变化很大，Cu2+与OTC同时加入时OTC的吸附量最大且吸附强度最大，OTC吸附量大小顺序符合TOTC-Cu>TOTC>TCu。

OTC的添加顺序不同导致OTC的Kd值也发生改变，从图6可以看出，OTC吸附的Kd值随着其平衡浓度的增加而增大，TOTC-Cu、TOTC和TCu的Kd最大值分别为16 060、11 032、6 062 L/kg，顺序为TOTC-Cu>TOTC>TCu，这与OTC吸附量大小的顺序一致，进一步证明了当2种污染物同时加入吸附体系时，OTC与黑土的结合能力最强。

3 结论

通过研究不同浓度的共存Cu2+对OTC在黑土上的吸附热力学影響，以及Cu2+共存时溶液初始pH值和OTC在吸附体系中的添加顺序对OTC吸附的影响，得出如下结论。

Freundlich吸附模型对不同浓度共存Cu2+影响下OTC在黑土上的吸附热力学过程能够进行较好地描述（R≥0.990，P<0.01）。共存Cu2+能够促进OTC在黑土上的吸附，而且促进作用随着Cu2+浓度的增加而增大，当Cu2+浓度为 100 mg/L 时，OTC在黑土上的吸附量最大，当OTC单独吸附时其吸附量最小。

吸附溶液的pH值可以通过改变OTC的电荷状态显著影响OTC在黑土上的吸附。OTC的吸附量随着pH值的升高而降低，当pH值≤6.90时，OTC的吸附量下降趋势不显著；当pH值>6.90时，OTC的吸附量明显下降，尤其当pH值>9.56 时，OTC的吸附量急剧下降。共存Cu2+没有改变OTC在不同pH值条件下的吸附规律，但促进了OTC在黑土上的吸附，且促进作用随着Cu2+浓度的增加而增大。

Freundlich吸附模型对Cu2+共存时OTC添加顺序对OTC的吸附热力学过程能进行较好描述。OTC与Cu2+共同添加时OTC的吸附量最大，先添加Cu2+时OTC的吸附量最小。

研究结论可以为有效评估Cu2+与OTC复合污染对土壤环境及人体健康危害的风险，为保障农业生产安全和农业可持续发展提供一定的理论依据和技术支持。

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