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近年来,抗生素的大量使用导致环境中残留量日益增多,给生态环境带来潜在的危害,目前己引起世界范围的广泛关注。四环素是我国目前畜禽饲养业中用量最大的抗生素之一。四环素为两性分子,分子结构中含有多个羟基、胺基等极性官能团,在土壤中的迁移行为受环境因素影响较大。为阐明四环素在土壤环境中的吸附行为,揭示土壤组分及各种环境因素对吸附行为的影响,本研究系统调查了四环素在典型土壤矿物组分(高岭石、蒙脱石、针铁矿)上的吸附行为,以及各种环境因素(如pH值、离子强度、吸附质浓度、土壤中各种常见阴、阳离子、重金属离子及土壤有机质)对吸附的影响。在此基础上,从四环素在土壤及矿物表面的微观吸附反应机制入手,采用表面配合模型(Surface ComplexationModel),描述四环素在典型土壤矿物表面的吸附反应及形态,获得表面吸附反应平衡常数K值,从表面分子反应的角度阐释吸附机理。同时探讨了四环素在我国三种典型土壤(红壤、黄棕壤和黑土)中的吸附行为。为理解抗生素在环境中的迁移转化规律及生态毒性的风险评价提供理论支持和参考依据。主要研究结论如下: (1)土壤层状硅酸盐黏土矿物和氧化物矿物对四环素的吸附热力学过程可通过Langmuir等温吸附模型来描述。3种典型土壤矿物对四环素的吸附能力为:蒙脱土>高岭土>针铁矿,最大吸附容量分别为250、68.9和14.7mg g-1。 (2)四环素在土壤矿物表面的的吸附过程受环境因素影响。溶液pH值、重金属离子和土壤有机质对四环素在三种典型土壤矿物表面的吸附过程影响较大。低pH值有利于四环素在高岭土和蒙脱土表面的吸附,氧化物矿物针铁矿表面吸附量则随pH值升高先增大至pH8出现最大值再减小;重金属离子Cu(Ⅱ)和腐殖质HA均可以通过“桥键”作用增强四环素在三种矿物表面的吸附,减弱其移动性。离子强度、电解质金属阳离子对层状硅酸盐黏土矿物表面的吸附过程影响较大,对氧化物矿物表面的吸附几乎无影响。低离子强度有利于高岭土和蒙脱土表面四环素的吸附;低阳离子半径和化合价有利于高岭土对四环素的吸附,二价金属阳离子Mg2+和Ca可通过碱性条件下的桥键作用增强蒙脱土对四环素的吸附。与NO3-、SO42-、PO43-相比,Cl-抑制高岭土和针铁矿对四环素的吸附。 (3)运用三电层模型(Triple Layer Model,TLM)描述了不同离子强度和pH值条件下三种矿物对四环素的吸附过程。高岭土表面,氢键作用外层吸附为主要作用机制,阳离子交换作用贡献较小,主要吸附形态为≡SOH·H3TC+、≡SOH·H2TC0和≡X-·H3TC+;蒙脱土表面的主要吸附机制为阳离子交换作用和氢键作用,主要吸附形态为≡X-·H3TC+、≡X-·H2TC0和≡SOH·HTC-;针铁矿表面的主要作用机制为共价键内层吸附和氢键外层吸附,主要吸附形态为≡(Fe)2HTC+和≡FeOH·HTC-。 (4)XRD分析结果证明四环素在蒙脱土中发生了倾斜态“插层”吸附;FTIR表征结果表明四环素在三种矿物表面的氢键作用和针铁矿表面的共价键作用,主要发生在四环素分子的酰胺基C≡O及C10-12上的-OH基团,阳离子交换作用发生在二甲基胺基正电荷基团;吸附模型结合FTIR结果发现,酸性条件下四环素通过形成双齿配合物“平躺”于针铁矿表面,碱性条件下“站立”于表面。 (5)四环素与溶液中重金属离子的络合能力与金属离子的化合价和水解常数有关。化合价越高,络合能力越强;相同化合价的重金属离子,水解平衡常数越大,络合能力越强。Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)与四环素的络合能力为:Cu(Ⅱ)> Pb(Ⅱ)> Zn(Ⅱ)> Cd(Ⅱ)。 (6)我国三种典型土壤对四环素的吸附能力为:黑土>红壤>黄棕壤,主要源于各土壤阳离子交换容量(CEC)的不同。低pH值和离子强度有利于吸附,阳离子交换作用为主要吸附机制之一。土壤中四环素和重金属共存时,对各自的吸附行为有影响。Cu(Ⅱ)可以明显促进酸性条件下四环素的吸附;Pb(Ⅱ)在碱性条件下可略微增强吸附;Cd(Ⅱ)对吸附无影响。四环素促进酸性条件下Cu(Ⅱ)在土壤中的吸附而抑制其碱性条件下的吸附;对Pb(Ⅱ)吸附无影响;促进Cd(Ⅱ)在土壤中的吸附。三种重金属分别与四环素共存于土壤中时,吸附过程的不同主要源于三种重金属与四环素及与土壤之间络合能力的差异。