抗生素在人工湿地基质上的吸附行为【毕业论文】.doc

1、毕业论文 文客久久网 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 抗生素在人工湿地基质上的吸附行为 学 院： 学生姓名： 专 业： 环境科学 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 文客久久网 目录 摘要 . I Abstract.II 引言 . 1 1研究背景 . 2 1.1 抗生素的使用现状 . 2 1.2 抗生素的主要环境行为 . 2 1.2.1 抗生素在环境中的吸附 . 2 1.2.2 抗生素在环境中的降解 . 3 2实验材料 . 4 2.1 主要仪器 . 4 2.2 实验药品、试剂 . 4 3实验原理及方法 . 5 3.1 实验原理 . 5 3.1.1 抗生素土壤吸附机理 . 5

2、3.1.2 荧光分光光度法测定原理 . 5 3.2 实验方法 . 6 3.2.1 样品土壤预处理 . 6 3.2.2 溶剂的选择 . 6 3.2.3 荧光分光光度计测定条件 . 6 3.2.4 OTC 标准曲线的绘制 . 7 4实验结果与讨论 . 8 4.1 吸附时间对 OTC 吸附的影响 . 8 4.2 温度对 OTC 吸附的影响 . 9 4.3 pH 值对 OTC 吸附的影响 . 11 4.4 离子种类对土霉素吸附的影响 . 13 4.5 离子强度对土霉素吸附的影响 . 14 小结 . 17 参考文献 . 18 致谢 . 20 毕业论文 文客久久网 抗生素在人工湿地基质上的吸附行为 摘要

3、土霉素 （ Oxytetracycllne, OTC） 是环境中几种典型抗生素污染源之一，多用于畜牧业和水产养殖。可随着有机肥的施用，直接进入土壤环境，并会对环境产生潜在的危害。而吸附作用是影响其迁移，转化及归趋的关键之一。同时，人工湿地作为一种新兴的污染物生态处理工艺，在污染物处理方面，具有其明显、独特的优势及潜力。故开展 OTC 在人工湿地基质中的吸附行为的研究具有重要的科学价值和现实意义。本文提取不同浓度的土霉素溶液，用不 同的人工湿地基质材料进行吸附试验，通过荧光光度法分析其吸附行为，并从吸附时间、 pH、阳离子种类、阳离子浓度等方面对可能影响其吸附效果的因素进行探究。结果表明：当振荡

4、 24 小时， pH 在偏酸性环境 (pH=5)，阳离子浓度低，高价阳离子少的情况下， 能得到较好的吸附效果 。同时，基质材料对土霉素的吸附可用Langmuir 及 Freundlich 等温吸附模型拟合，其中用 Langmuir 方程拟合的效果相对较好。 关键词 抗生素 ； 人工湿地基质 ； 吸附；土霉素 毕业论文 文客久久网 Studies on the sorption of Antibiotics to constructed wetland substrates Abstract Oxytetracycline (OTC) is one of the pollution source

5、s of some typical antibiotics in the environment, which is used for animal husbandry and aquaculture. OTC was applied to the environment by the spreading of organic fertilizer. There are concerns of OTC-resistances that may have risks to the natural ecosystems. The adsorption is one of the keys to a

6、ffect their migration, transformation and fates. At the same time, artificial wetlands as an emerging pollutant ecological treatment process, which is full of the obvious, the unique advantages in the treatment of pollutants. Therefore, it is of important scientific value and great significance to s

7、tudy the adsorption behavior of OTC in the constructed wetland substrates. Collected different kinds of artificial wetland substrate materials, extracted different concentrations of oxytetracycline solution and analyzed the adsorption behavior by fluorescence spectrometry. The dosage of adsorption t

8、ime, pH, cation species, cation concentration on decomposition of oxytetracycline from constructed wetland substrates (OTC) were studied. The results showed the adsorption rate of OTC was better, the reaction was under the condition: pH= 5, 24 hours, lower cation concentration and fewer cation amoun

9、ts. The absorption both accord with Langmuir and Freundlich absorption isotherms, but the Langmuir equation could fit much better. Key words antibiotics； constructed wetland substrates； sorption； Oxytetracyeline (OTC) 毕业论文 文客久久网 引言 土霉素是一种四环素类广谱性的抗生素，是环境中几种典型抗生素的污染源之一 1。土霉素，也被称为地霉素和氧四环素，广泛用作畜牧业的动物治疗

10、/预防疾病的抗菌剂和生长因子，同时也作为饲料用于食用动物的养殖和水产品有机体，用于促进动物生长。每天都有大量的土霉素通过人体或动物排泄等方式被释放到环境中。据统计，在我国，土霉素在土壤中可检测到的含量高达200mg/kg2，在水产养殖场沉积物中含量高达 285mg/kg1。如此高浓度的土霉素，是造成环境污染的一个极大的隐患。土霉素在土壤环境中生态风险势必与其在土壤中吸 附行为有关，因此，开展土霉素在土壤中的吸附及其影响因素的研究很有必要。 而人工湿地作为一种新兴的污染物生态处理工艺，在污染物处理方面，具有其明显、独特的优势及潜力。人工湿地最初出现在 20 世纪 70 年代的德国 3。但目前，对

11、于人工湿地，尚未得出一个统一、明确的定义，国内普遍认为人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统 4。美国著名湿地学家 Hammer5将其定义：人工湿地是通过模拟自然湿地，人为地设计与建造出的，由基质、植物、微生物和水体共同组成的复合体，通过利用生态系统中基质 水生植物 微生物的 物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化效果。 基质作为整个人工湿地生态系统的核心部分之一，对污染物的去除发挥了不可估量的作用。基质，又叫填料、滤料，一般由土壤、沙石、沸石等介质中的一种或几种构成 6。基质是人工湿地系统中决大部分物理、化学和生物反应的发生地。它在自身通过物理化学吸附、沉降络合等作用有效

12、去除污染物质的同时，另一方面也为植物生长、微生物附着提供适宜的环境条件 7。因此，若将可以将其推广，运用于抗生素污染的治理，这将会带来极大的环境效益。 本文选择以土霉素作为目标化合物探讨其在人工湿 地基质上的吸附行为，以荧光光度法为检测手段，揭示其机理，以期为抗生素在人工湿地基质中吸附行为规律的探明等提供一定的参考依据。 毕业论文 文客久久网 1研究背景 1.1抗生素的使用现状 抗生素是指由细菌、真菌及放线菌等微生物经过培养获得的产物，或者为化学半合成方法制造生成与之相同或相似的物质。低浓度的抗生素对细菌、真菌 等特异性微生物具有抑制生长甚至杀灭的作用 8。 自 20 世纪 40 年代以来 ，

13、抗生素在作为药物用于动物疾病治疗的同时，更多的是作为饲料添加剂广泛地用于动物疾病预防及促进动物生长。据统计，全球每年至少有 50%的抗生素被用 于畜牧业和水产养殖 l。我国是最大的抗生素消费国，并且滥用抗生素的情况十分严重。 据估计， 在中国兽用抗生素的平均使用量已达到约 6000 吨 9。 抗生素不能被活体完全吸收代谢，其中 30-90%的抗生素是通过粪便排泄的方式以原形或者代谢物的形式进入到环境中 2。目前在畜禽粪便中已经检测到了高含量的抗生素残留，张树清等 10 分析了我国某些地区典型规模化的养殖场畜禽粪便的主要成分，其结果表明，猪粪中土霉素平均含量为 9.09 mg/kg，最高达 13

14、4.75 mg/kg，四环素平均含量为 5.22 mg/kg，最高 达 78.57 mg/kg，金霉素平均含量为 3.57 mg/kg，最高达 121.78 mg/kg。由于畜禽粪便的生成量很大， 80 %以上的畜禽粪在未经过综合处理的情况下直接被用于农田，然而一些抗生素进入环境后，甚至是经过废水处理后，仍然具有生物活性 11。尽管如此，如今抗生素的生产和使用量仍在增长。 1.2抗生素的主要环境行为 土壤是抗生素的高浓度聚集地之一。土壤环境中，抗生素会发生一系列的反应包括：物理、化学和生物反应。 通过这一系列的反应使得其中一部分抗生素降解或转化为无害物质 ；而另一部分则被土壤吸附，长 期积累在

15、土壤环境中，并对环境产生深远的影响。 1.2.1 抗生素在环境中的吸附 吸附过程将直接或间接地影响抗生素在环境中的迁移，降解过程，所以抗生素在土壤中的吸附 迁移成为了其环境行为的研究热点之一。 吸附作用是抗生素在环境中迁移和转化的重要过程，反映了污染物与土壤相互作用的规律，可以预测抗生素对环境影响的大小。吸附能力强的抗生素，在环境中较稳定，容易蓄积。吸附一般分为物理吸附和化学吸附分为两种类型。抗生素通过范德华力、氢键等分子间作用力吸附土壤中有机质及颗粒物表面吸附位点，或是抗生素分子的某些官能团，如羧 酸，醛，胺类跟环境中有机质或化毕业论文 文客久久网 学物质络合或螯合，生成相应的络合物或鳌合物

16、，被吸附在环境中 12。 一般认为，抗生素在土壤中的吸附作用在很大程度上取决于抗生素及土壤的特性。有研究表明13：土壤矿物和有机质组分可能是抗生素药物的最主要吸附点，同时阳离子交换、阳离子键桥、疏水分配、表面配位螯合及氢键等作用机制都很可能在吸附过程中发挥极其重要的作用。而四环素类抗生素的化学性质决定其在土壤、沉积物、粘粒中的吸附机理主要是离子交换 14。 土壤对抗生素的吸附作用很可能会延长抗生素在土壤中的停留时间，使得其对环境 的危害性增加。因为抗生素被吸附后，在环境中的生物和非生物降解能力会有所降低。结果就是：正常情况下，抗生素在环境中的持久性是远远大于在生物体内的。此外，抗生素在土壤中的

17、吸附作用，将决定其向地表水和地下水迁移的能力。 1.2.2抗生素在环境中的降解 抗生素在环境中可能发生光解、水解及微生物降解等一系列降解反应。在不同的环境条件下，抗生素会发生一种或多种降解反应。通常，降解过程大都会降低抗生素的药效，但是部分抗生素的代谢物具有与抗生素本身相当的甚至更毒的毒性，并可能会在粪便中转化为抗生素母体形态。生物降解和非生物 降解 (主要是水解和光解 )是抗生素在环境中主要的降解形式 18。抗生素的水解对抗生素在环境中的分布和消除起着重要的作用，是抗生素在环境中的重要转化过程之一。光降解是抗生素降解的另一途径，例如四环素类药物和哇诺酮类药物对光降解作用都较为敏感，高俊敏等

18、15以太阳光和汞灯为光源，研究了 TiO2/ZnO 对水体中土霉素光解的催化作用，结果表明：在 TiO2/ZnO 的催化下，土霉素去除率高达 80%以上。也有研究 16发现，鸡粪中的恩诺沙星在自然光照条件下降解速率较快，而在避光条件下，则很难发生降解。 毕业论文 文客久久网 2实验材料 2.1 主要仪器 日立 F 4500 荧光分光光度计； SHZ 82 气浴恒温振荡器； TGL 16B 高速台式离心机； pH 8414 便携式数显酸度计； FA2140N 分析天平； DHG 9240A 型 电热恒温鼓风干燥箱； 真空抽滤泵； 冰箱以及其他实验室常规器材。 2.2 实验药品、试剂 兽用土霉素（

19、纯度为 95%）； 乙醇试剂为分析纯； 氯化铵（ NH4Cl）； 氯化钠（ NaCl）； 氯化钾（ KCl）； 氯化钙（ CaCl2）； 氯化镁晶体（ MgCl2 6H2O）； 蒸馏水。毕业论文 文客久久网 3实验原理及方法 3.1实验原理 3.1.1抗生素土壤吸附机理 对一定的土壤等吸附介质而言，污染物的吸附性主要与它们自身的憎水性、极性及其空间构型等有关 17。同时，这些特性又是由物质本身的结构决定的。由于各种抗生素的结构各不相同，各自含有一些特殊的官能团和取代基等，这就造成了它们在土壤中的吸附行为存在着一定的差异性。 四环素类抗生素在土壤中的吸附能力相比其他抗生素要略强，因为它们的分子中

20、均含有较多的极性 /离子型官能团有关。以土霉素为例 (Fig 3.1)，每一个分子的土霉素包含 6 个 -OH 基、 3 个 -CH3基、 2 个 -C=O 基和 1 个 -CONH2 基，构成了烯醇轻基、酚二酮和二甲胺 3 个极性官能团。其中，带正电的 NH(CH3)部分，可通过静电与土壤中带负电的吸附位点作用，或着通过与土壤表面附着的阳离子发生交换而被吸附 17。分子中的 OH 和 CONH 等功能基团，可在多价态金属离子键桥的作用 17下吸附到土壤负电荷吸附位，还可通过与金属离子的表面络合作用吸附到金属氧化物表面。 图 3.1 土霉素的分子结构及解离常数 19 Fig3.1 The mo

21、lecular structure and pKa value of oxytetracycline 3.1.2荧光分光光度法测定原理 在检测技术方面，抗生素最早采用的检测方法是生物学方法，但是这种方法耗时长，灵敏度低，所以渐渐被高效液相色谱法替代。随着技术的进步，液相色谱 质谱联用 (LC Ms)由于其高灵敏度和定性能力，近年来也逐渐被越来越多的机构和科研人员接受，应用于抗生素的分析。在抗生素残留分析领域，其中应用最多的是高效液相色谱法，同时荧光分光光度法由于其具有的灵敏度高、专属性强的特点，在兽药残留分析中也有着广泛的应用。 毕业论文 文客久久网 文献资料表明，荧光分析法应用于药物分析最早

22、开始于十九世纪六十年代。近几十年 来，荧光分析法已经被广泛应用于抗菌素药物、止痛药、镇静剂、止血药等药物的分析 20。范围己涉及天然药物、生物药物和合成药物各个领域。由于自身具有发射荧光特性的物质相对较少，而且常规的荧光分光光度法由于会受到拉曼峰和散射光等背景的干扰，使其在药物分析方面的应用受到了限制21。直接荧光分析法更适用于自身能产生荧光的物质的检测，这些药物分子的特点是具有大的共扼键结构和刚性平面结构。由于土霉素满足这一条件，故可直接用于荧光测定。 3.2实验方法 3.2.1样品土壤预处理 将采集的煤渣、沙石等人工湿地基质土样 首先去除杂物，待自然风干后，研磨粉碎，过筛 40目，即土壤粒

23、径约为 0.42nm，收集贴上标签备用。 3.2.2 溶剂的选择 文献资料 22表明：土霉素微溶于水，易溶于乙醇、丙酮、乙二醇，不溶于氯仿、乙醚等。微溶指物质在 20时在 100g 溶剂中达到饱和状态时所溶解的质量在 0.01g-1g。但实际操作过程中发现，以 0.1g 土霉素标准样品溶解在 1000ml 水中，溶液浑浊，静置后，溶液底部产生大量沉淀。而以乙醇为溶剂时，溶液呈淡黄色，溶解情况较好。但考虑到湿地基质是处于水环境条件下，为使实验环境尽可能地接近实际环境 ，故选择将土霉素先溶解在一部分乙醇中，凭借乙醇与水的相容的特点，配置土霉素 -乙醇 -水溶液。 3.2.3 荧光分光光度计测定条件

24、 荧光液池厚度 1cm，入射狭缝光谱通带出射狭缝光谱通带均为 5nm。通过发射波长 /激发波长的光谱扫描，得出土霉素 -乙醇 -水溶液在激发波长 267nm，发射波长 525nm 时，峰值较大。为进一步确定最佳的测定条件，选择测定 267nm/525nm（实验得出）与 395nm/512nm 等条件下（文献资料22），土霉素空白溶液与一定浓度的土霉素溶液的吸光度。 结果表明在实际测定出的激发波长 267nm，发射波长 525nm 条件下，虽土霉素溶液峰形较好，但与空白溶剂吸光度差异，不及文献资料上的激发波长 395nm，发射波长 512nm 条件下明显，如表3.1 所示。故选择以文献资料上的激发波长 395nm，发射波长 512nm 为最终的实验条件。