沉积物各组分对四环素吸附解析作用与机理研究文献综述

1.四环素类抗生素综述

抗生素是由于动物、植物以及微生物在其生长活动和生活过程中所产生的，具有抗病原体以及其它活性，能够以很低的浓度水平就造成其它生物功能受到影响和抑制，并且干扰其生活细胞发育功能的有机化合物。近年来，随着医药行业的发展以及众多抗生素滥用情形的发生，抗生素类药物越来越多的进入河流、土壤等自然环境中，对其原有的生态环境造成影响甚至破坏，越来越引起各国政府、学术界以及公众的关注和重视。其中，四环素类抗生素占抗生素总量的46％以上，其生产量以及使用量非常可观。四环素类抗生素主要包括天然四环素和半合成四环素，其中以四环素（Tetracycline，TC）、土霉素（Oxytetracycline，OTC）、金霉素（Chlortetracycline，CTC）应用最为广泛。

四环素类抗生素由于具有价格低廉、广谱抗菌等特点，被广泛应用。杨晓芳等认为其根据用途可分为三类：医用四环素、养殖用四环素和农用四环素。四环素向环境中排放的主要途径有：医院过期丢弃以及医用废弃物中残留的的四环素类抗生素、注射或服用过四环素类抗生素的患者或禽类体内排出进入环境、生产抗生素类药企在生产过程中流失进入环境等。四环素类抗生素进入河流、土壤等自然环境后，发生一系列物理、化学、生物反应，一部分可被降解或转化为小分子物质或无害物质；一部分可随河流等迁移被土壤或沉积物吸附而长期存在于自然环境中，对环境产生长期而深远的影响。

吸附和解析是四环素类抗生素在环境中迁移的主要过程。四环素类抗生素在自然环境中的吸附主要与四环素本身理化性质、沉积物组分以及环境因素等有关。其中，沉积物对四环素的吸附作用主要与锰氧化物、铁氧化物、有机质含量等有关。李宗宸等的研究表明沉积物各组分对四环素吸附能力大小：锰氧化物gt;有机质gt;铁氧化物gt;残渣态；沉积物各组分对四环素绝对吸附吸附贡献量大小：锰氧化物gt;残渣态gt;铁氧化物gt;有机质，由此可以看出虽然锰氧化物在沉积物组分中所占比例较小，但其对四环素的吸附贡献最为突出。研究表明，沉积物中的矿物组分和有机质组分抗生素的主要吸附位点，与此同时疏水分配作用、氢键作用、阳离子交换作用、表面配位螯合作用、阳离子键桥作用等都有可能会在吸附过程中起到重要的作用。另外，四环素类抗生素在自然环境中还会发生光降解、水解、生物降解的降解作用，从而降低其生物有效性或者转化为比原来化合物活性更高、毒性更大的物质。随自然环境的不同，四环素类抗生素的迁移转化过程亦不同。

2.研究意义及设计思路

沉积物对于进入河流的四环素具有吸附作用，从而能影响四环素在河流中的迁移转化，能够降低自然环境中四环素的浓度，同时又会产生解析作用，致使一部分被吸附的四环素重新释放回到河流中。由于沉积物的组分复杂多样，且其不同组分对四环素的吸附作用大小也不尽相同，因此本实验就沉积物各组分对四环素的吸附解析作用与机理进行研究分析，从而比较沉积物不同组分对四环素吸附性能的高低。目前的研究中，并未发现可以从沉积物中分离提取不同组分的方法，多数采用选择性萃取方法对沉积物各组分进行分离去除，再比较各组分去除后沉积物对四环素的吸附特征、吸附能力、吸附贡献量。李宗宸等利用不同的提取方法对沉积物进行选择性萃取，最终铁氧化物的萃取率约为95％，锰氧化物的萃取率约为86％，有机质的萃取率约为86％，部分去除效果不是很好，且利用不同的提取方法各组分的萃取率也不尽相同。因此，本实验采用外源添加的方法，通过添加铁氧化物、锰氧化物、腐殖质、黑炭来比较沉积物对四环素的吸附，同时选取了对四环素吸附量影响较大的pH和离子浓度，多种因素同时对四环素吸附的影响。目前关于沉积物吸附四环素的研究主要着眼于单一组分的影响，所得结果较理想化，而自然河流是由多种因素共同构成的复杂体系，实际环境中基本不存在单因素的情况，单因素实验所得结果与实际应用中存在较大偏差，因此探讨四环素在复合污染状况下沉积物组分对其吸附作用及其环境行为更加具有现实意义。本研究采用中心复合实验设计（Central Composite Design，CCD）综合考察4种沉积物组分Fe₂O₃、MnO₂、HM、BC以及2种环境因素pH和Ca^₂ 对四环素吸附解析作用与机理研究，实验中采用吸附解析单循环的方法。

3.拟研究或解决的问题

（1）测量沉积物各基础指标（pH、干湿含水率、有机质含量、阳离子交换量、粒径分布）。

（2）在响应面分析软件Design Expert 8.0.6中采用CCD进行实验设计，综合考察Fe₂O₃、MnO₂、HM、BC、pH和Ca² 对四环素吸附的影响，确定各因素的浓度水平设置，获得86组实验设置。各因素的取值范围和大小如下表所示：