氧化石墨烯对四环素在土壤中吸附-解吸的影响

夏利亚

(浙江竟成环境咨询有限公司，浙江 杭州 311100)

1 引言

抗生素的发明和使用为人类做出了重大贡献。除临床使用外，抗生素能预防和治疗动物疾病、促进动物生长，常作为饲料添加剂使用[1]。动物对抗生素的吸收能力有限，约30%～90%会随粪尿排出体外[2]，导致环境中的微生物抗性逐年增加，引发严重的生态和环境问题[3～5]。四环素(tetracycline, TC)是一种人畜共用抗生素，价格低廉、抗菌谱广，且在低剂量可以刺激动物生长，被广泛应用于畜禽养殖业[6，7]。含有四环素的畜禽粪便进入农田系统，导致土壤中的微生物抗药性增强，诱发抗性基因，对土壤生态环境的危害不容忽视。

目前，由于吸附法具有应用范围广泛、操作简便、无二次污染、去除效果好等优点，广泛应用于抗生素污染治理。氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是一种蜂窝状二维单层碳基材料，具有较高的比表面积和微孔介孔结构，这些性质使得GO 材料对抗生素物质具有良好的去除效果[8～10]。近年来已经有大量研究对GO对抗生素的吸附性能进行了研究，但是多集中于水环境中，而GO对土壤中抗生素的吸附-解吸行为的影响还需要探索。此外，土壤环境存在多种化学物质，四环素的境行为(如吸附、解吸、降解和淋溶等)将不同于单一污染物存在时的行为[11]，而且土壤自身的理化性质和抗生素的种类都会影响四环素在土壤中的环境行为[12～14]。因此，研究GO对土壤中四环素的吸附-解吸环境行为，具有重要的意义。本文通过批次平衡震荡法研究了四环素在黑土和潮土中的吸附特征，考察了GO对四环素在土壤中吸附解吸特性的影响，以期为石墨烯材料的应用以及抗生素污染治理提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 供试材料

本实验所用GO购自先锋纳米科技有限公司，有关参数如表1所示。所用试剂中，盐酸四环素标准品纯度(>98.0%)，甲醇、乙腈为色谱纯(J.T.baker化学试剂有限公司)，其他试剂均为分析纯。NaCl(分析纯)经600 ℃烘烤备用，盐酸四环素储备液(2000 mg/L)用甲醇配置，避光储存于-20 ℃冰箱中待用。

表1 单层基本参数

试验所用黑土采集自中国科学院东北地理与农业生态研究所生态实验站，潮土采集于开封市河南大学金明校区，供试土壤样品均为表层0～20 cm的耕作土。土壤采集后，去除枯枝落叶及石块后，放置于干燥处自然风干，研磨过2 mm尼龙筛后置于塑料袋中备用。供试土壤理化性质。黑土和潮土的pH值(水土比1∶4)分别为6.5和7.4，土壤有机质含量分别为1.66%和1.11%。

2.2 吸附-解吸试验方法

本试验采用间歇平衡震荡法进行。根据预实验，确定吸附解吸实验采用的水土比为80∶1，吸附和解吸平衡时间为24 h。实验中采用0.01 mol/L NaCl溶液作为背景溶液，用于模拟溶液离子强度。吸附-解吸实验中，四环素取7个浓度，分别是1.0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15 mg/L。为探讨GO对四环素吸附解吸的影响，在供试土壤中添加300、600、900 mg/kg GO后，重新进行吸附-解吸实验。 吸附-解吸实验步骤如下。

(1)在EPA瓶中加入0.25 g的土样，每个土样设置3个平行和3个无土空白。

(2)在离心管中依次加入7个20 mL的不同浓度梯度的污染物使用溶液(采用背景溶液NaCl配置)，用聚四氟乙烯带封口后旋紧塑料盖，再置于恒温旋转摇床于140 r/min震荡24 h，使得土壤中各种物质处于吸附-解吸平衡状态。

(3)震荡完成后将EPA瓶取出，2500 r/min离心15 min，取出后测pH值，取10 mL上清液过0.22 μm滤膜，弃去前3 mL后，滤液用于四环素浓度分析。

(4)补充10 mL新配置的NaCl背景溶液，充分混匀后，用于解吸实验；解吸实验平衡周期为24 h。

(5)重复步骤(3)，完成解吸实验。

2.3 污染物检测方法

采用超高效液相色谱分析仪(Waters H-Class)对四环素进行定量分析，采用色谱柱(ACQUITY® BEH C18 1.7 μm；2.1×50 mm)分析，流动相采用乙腈：甲酸(0.4 %)：甲醇=12∶80∶8，流速为0.20 mL/min，检测波长为350 nm。

2.4 数据分析与处理

采用Spss20.0和Origin 8.0软件进行数据分析。采用linear模型(公式1)，Freundlich模型(公式2)和Langmuir模型(公式3)分析四环素吸附等温线，模型公式如下：

Linear：Cs=Kd×Ce

(1)

(2)

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Ce(mg/kg)为土壤吸附浓度，Cs为土壤吸附浓度，Kd(mL/g)为分配系数，Kf(mg1-n·Ln/kg)和KL(L/mg)分别为Freundlich模型以及Langmuir吸附-解吸常数；1/n是吸附的经验常数，表征偏离线性吸附的程度；Cmax(mg/L)是土壤的饱和吸附量。

同时，抗生素在土壤中的解吸过程可能发生滞后现象，对于这种现象，Huang等[17,18]定义了滞后系数(Hysteresis Index, HI)：

(4)

式(4)中，CSDS(mg/kg)为解吸后污染物在土壤中的吸附量，CSAS(mg/kg)为解吸前污染物在土壤中的吸附量。

AS-吸附等温线(adsorption isotherm) DS-解吸等温线 (desorption isotherm)图1 四环素在两种土壤中的吸附-解吸等温线

3 结果与讨论

3.1 四环素在土壤中的吸附-解吸特征

四环素在黑土和潮土中的吸附解吸等温线如图1所示。两种供试土壤对四环素都有较强的吸附能力，且两种土壤的吸附解吸特征具有一些相同点。两种土壤的吸附等温线呈线性，而解吸过程则同为非线性的L型等温线。四环素在土壤中的吸附性能随浓度升高而有所减弱，黑土的吸附性能要比潮土较强，其解吸的等温线的非线性程度亦大于潮土。四环素在黑土和潮土两种土壤中的吸附解吸性能存在差异，黑土对四环素的吸附能力大于潮土，这与抗生素的分子结构及其基本理化性质和土壤的理化性质有关[7]。有机质是土壤中主要的吸附活性组分，其提供的大量去质子化官能团为带正电的四环素提供可能的吸附位点[14]。黑土中的有机质含量明显高于潮土，因此黑土对四环素的吸附能力比潮土大。pH值影响四环素的存在形式，由于潮土为碱性土壤，胶体表面的羟基解离的负电荷对阳离子具有较强的吸引能力，四环素上的阳离子基团可以通过阳离子交换的方式与土壤表面的负电荷相互结合，因此增加了土壤对四环素的吸附。而黑土的pH值稍低，溶液中的四环素存在形态也会有所变化，其负电荷所占比例也随之增加。因此，四环素在土壤中的吸附行为是受多重因素的共同影响的结果。

为了更好地研究四环素在黑土和潮土两种供试土壤中吸附解吸性能的异同，分别用Linear，Freundlich和Langmuir模型进行拟合，得到拟合参数如表2所示。四环素在两种供试土壤中的吸附等温线都可以用Freundlich和Langmuir很好的拟合，R2均大于0.90。Linear模型也能很好的拟合黑土和潮土的吸附过程，而对其解吸过程则拟合程度较差。吸附过程中，黑土和潮土中的1/n均在1附近，这说明四环素在两种土壤中吸附的线性较好；解吸过程中，1/n值略小于潮土，这说明四环素在黑土中的吸附性能更强。黑土和潮土对四环素的吸附中，Kf分别为3699.45、3366.91，两种供试土壤对四环素都有较好的吸附能力。

表2 四环素吸附解吸等温线参数

污染物的解吸影响着土壤环境中污染物向外释放过程，对其环境行为有较大影响。如表3所示，四环素在供试土壤中的解吸滞后系数均高于0，说明其在土壤中的吸附存在一定的滞后性。潮土中的滞后系数比黑土大，说明其吸附解吸可逆性较差。这可能是因为黑土中含有较多的有机质，由于分配作用使得其可逆性较好。在解吸过程中，土壤吸附的四环素难解吸部分滞留在土壤中，在长期的影响下会诱发耐药性细菌的产生，从而会对土壤环境和人体健康造成一定的潜在风险。

表3 四环素解吸滞后系数

3.2 GO对四环素在土壤中吸附解吸的影响

不同GO浓度下四环素在两种土壤中的吸附等温线如图2所示。采用线性模型，Freundlich模型和Langmuir模型的拟合结果如表4所示。

图2 GO影响下四环素在潮土中吸附等温线表4 不同GO浓度下四环素吸附-解吸等温线参数

GO的添加对四环素在土壤中的吸附影响不大。但不同浓度的GO对四环素在不同土壤中的吸附解吸的影响呈现出不同的变化趋势，GO对四环素在潮土中的吸附影响高于黑土。随着GO浓度升高，吸附量变化增加。较低浓度的GO抑制了四环素在土壤中的吸附，当GO浓度为600 mg/L时，对四环素的吸附有增强作用，而900 mg/L的GO对土壤对四环素的吸附没有明显影响。GO影响下四环素在两种土壤中的吸附等温线用Freundlich和Langmuir模型拟合的较好。运用Langmuir模型时，R2在0.97～0.99之间，略高于Freundlich模型中的R2(0.88～0.99)。

土壤类型GO浓度/(mg/L)Liner模型Freundlich模型Langmuir模型KdR2KfnR2CmaxKLR2黑土3002398.270.971851.761.330.992377.081.600.996005084.640.852708.431.610.981873.115.860.999004280.570.994125.871.030.9963204.410.070.99潮土300298.070.58518.062.560.95809.893.340.986001659.670.291248.742.560.881200.599.690.979002345.060.992237.291.050.99333794.80.010.99

由于GO和四环素污染物存在共同的吸附位点，在土壤中可能会产生竞争吸附，降低土壤的吸附量；同时桥键连作用的存在则可能增加其吸附量。最终吸附量变化是两者共同作用的结果，与污染物本身性质和土壤理化性质等因素有关。

在不同GO浓度影响下，四环素在两种供试土壤中的解吸滞后系数如表5所示。当GO浓度较低时，四环素在供试土壤中的吸附解吸可逆性较好；当GO浓度为900 mg/kg时，四环素的解吸表现出一定的滞后性，其中潮土的滞后系数要高于黑土。GO浓度越大，土壤对四环素吸附解吸的可逆性越差，但均优于原土，表明GO的添加增强了吸附解吸可逆性。

表5 不同GO浓度下四环素解吸滞后系数(Ce=0.1)

4 结论

(1)两种供试土壤对四环素均有较强的吸附能力，Freundlich模型和Langmuir模型都可以较好的模拟四环素在土壤中的解吸过程，且黑土对四环素的吸附能力比潮土稍强。两种土壤的吸附等温线呈线性，而解吸过程则为非线性的L型等温线。

(2)四环素在两种土壤中的解吸过程均存在滞后现象，在黑土中的可逆性较好，对土壤环境和人体健康存在一定的潜在风险。

(3)土壤溶液中GO的存在会改变土壤中四环素的吸附解吸特性，对潮土影响较为明显。

(4)GO添加下的四环素吸附等温线可以用Freundlich模型模拟，GO的添加增强了四环素在土壤中吸附解吸的可逆性。