土壤对恩诺沙星的吸附和解吸特性研究

吴银宝等：土壤对恩诺沙星的吸附和解吸特性研究 649土壤对恩诺沙星的吸附和解吸特性研究吴银宝1，汪植三1，廖新俤1，陈杖榴21. 华南农业大学动物科学学院，广东 广州 510642；2. 广东省兽药研制与安全评价重点实验室，广东 广州 510642摘要：恩诺沙星是第一个动物专用的氟喹诺酮类药物，在畜禽养殖业中应用非常广泛。恩诺沙星进入畜禽体后，其原形及活性代谢物会随畜禽的排泄物进入环境，对环境生物产生影响。文章研究了恩诺沙星在土壤中的吸附和解吸规律，为恩诺沙星的生态风险评价提供依据。试验分3组，各组土壤分别采自菜园、水稻田和果园。在离心管中称取1 g土壤样品，加入恩诺沙星系列标准溶液，在250.5 条件下机械振摇，用高效液相色谱（HPLC）法测定水相中恩诺沙星的含量，分别求出土壤对恩诺沙星的吸附和解吸平衡时间及其对恩诺沙星的吸附和解吸量。结果表明，土壤对恩诺沙星的吸附和解吸平衡时间分别为34 h和44 h；土壤对恩诺沙星的吸附性很强，对恩诺沙星的吸附量占水相中恩诺沙星总量99%以上，其吸附机理符合Freundlich平衡吸附方程wS=kfe1/n；土壤对恩诺沙星的解吸具有浓度依赖性，其解吸量仅为吸附量的1左右，表明恩诺沙星在土壤中的迁移能力弱，不易污染地下水。关键词：恩诺沙星；土壤；吸附；解吸中图分类号：X131.3 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）05-0645-05化合物的环境行为主要指化合物从排放源进入到环境、在环境中数量和浓度分布的时空变化及其在环境中的迁移、转化、降解和富集等行为。化合物的理化参数与化合物进入环境后的行为及生态效应密切相关，不同种类的化合物因其吸附性、移动性、挥发性、光解、水解、生物降解等特性的不同而具有不同的环境行为，因此这些指标的测定对化合物的生态风险评价具有重要意义1, 2。恩诺沙星（enrofloxacin），是第一个动物专用的氟喹诺酮类药物（fluoroquinolones，FQNs），1987年由德国拜尔公司研制成功并投入使用，目前恩诺沙星已被广泛应用于畜禽养殖业。有研究表明恩诺沙星进入动物体后，其原形及活性代谢产物会随排泄物排出体外3。由于恩诺沙星是一种广谱抗生素，因此它进入到土壤环境后，可能对生态系统的结构和功能产生影响。目前对恩诺沙星的研究主要集中在畜禽的临床应用、畜禽体内的代谢动力学及其在畜禽产品中的残留等方面47，较少从生态安全角度研究恩诺沙星进入环境后的行为及其效应。因此本文研究了3种不同来源的土壤对恩诺沙星的吸附以及解吸规律，旨在为恩诺沙星的生态风险评价提供数据，对恩诺沙星在畜牧业的合理使用将起到重要作用。1 材料与方法1.1 材料1.1.1 药品和试剂恩诺沙星对照品：质量分数100%，批号H051200，中国兽药监测所；恩诺沙星原料药：质量分数99.4%，批号20010515，浙江国邦制药厂；四丁基溴化铵：北京兴福精细化学研究所，分析纯；乙腈：Fisher scientific worldwide company，色谱纯；其余药品和试剂均为国产分析纯。流动相：称取4.8845 g四丁基溴化铵溶于850 mL双蒸水中，加乙腈150 mL，混匀后用=85%的磷酸调pH至3.0，过滤脱气后待用。1.1.2 仪器高效液相色谱仪（HPLC）：Waters 600 Controller，Waters 717 plus Autosampler，Waters TM 474 Scanning Fluorescence Detector（美国）；SR2000色谱数据工作站：上海三锐科技1.1.3 材料土壤：采自华南农业大学附近的菜园、稻田和果园，基本性质如表1。1.2 试验方法1.2.1 恩诺沙星在土壤中吸附平衡时间的确定8称取1.00 g土壤样品于10 mL的玻璃离心管中，加10 mL一定质量浓度(i0)的恩诺沙星标准溶液，在250.5 环境中机械振摇，于不同时间取出离心管，以3500 r/min离心20 min，取上层清液过0.22 m滤膜，进样20 L进行HPLC测定，得到质量浓度为i1，吸附量（msi/g，恩诺沙星）按下式计算：msi = (i0i1)10 /1.00 （1）式中：i为起始质量浓度代号。当土壤对恩诺沙星的吸附量趋于稳定时，即可将此时间作为土壤对恩诺沙星的吸附平衡时间。1.2.2 恩诺沙星在土壤中解吸平衡时间的确定8取一定浓度已达吸附平衡时间的离心管，按式3.1求得土壤对恩诺沙星的吸附量（msi）。将去除上清液后的离心管避光倒置24 h，加入双蒸水5 mL，在250.5 环境中机械振摇，于不同时间取出离心管，离心分离，上层清液过0.22 m滤膜，进样20 L进行HPLC测定，得其质量浓度为i2，解吸量（mdi/g，恩诺沙星）按下式计算：mdi =（i25）/（msi1.00）/1.00 （2）式中：i为起始质量浓度代号。当土壤对恩诺沙星的解吸量趋于稳定时，即可将此时间作为土壤对恩诺沙星的解吸平衡时间。1.2.3 恩诺沙星在土壤中的吸附和解吸试验1.2.3.1 试验分组第1组：1#土，设7.5、10、20、30、40、50、60、70、80 mg/L 等9种质量浓度，每种质量浓度3个重复；第2组：2#土，设7.5、10、20、30、40、50、60、70、80 mg/L 等9种质量浓度，每种质量浓度3个重复；t/minV/mV图1 吸附和解吸试验样品色谱图Fig. 1 Chromatography graph of the samples in absorption and desorption experiment第3组：3#土，设7.5、10、20、30、40、50、60、70、80 mg/L 等9种质量浓度，每种质量浓度3个重复。1.2.3.2 试验方法在10 mL的具塞玻璃离心管中称取1.00 g土壤样品，按分组要求加入10 mL的恩诺沙星系列标准溶液，盖上塞子，在250.5 环境中机械振摇，当吸附平衡时间后，离心分离，测定水相中恩诺沙星的质量浓度，并按式3.1计算不同类型的土壤对恩诺沙星的吸附量。将已达吸附平衡时间的离心管，离心去除上清液后避光倒置24 h，加入双蒸水5 mL，在250.5 环境中机械振摇，达到土壤对恩诺沙星的解吸平衡时间后，离心分离，测定水相中恩诺沙星的质量浓度。1.3 检测方法与标准曲线1.3.1 色谱条件及工作指标表1 土壤样品的基本性质Table 1 Fundamental properties of soils土壤编号1#2#3#采集地点菜园水稻田果园pH值5.385.974.70有机质/(gkg-1)32.1229.2628.08阳离子交换总量/(cmolkg-1)53.9749.0733.70不同粒径的土壤质量分数/%10.05 mm40.0042.4059.950.050.01 mm16.308.106.550.01 mm43.7049.5033.50检测器：荧光检测器，激发波长（ex）278 nm，发射波长（em）465 nm，衰减10，增益64；色谱柱：Hypersil BDS C18（5 m，4.6250 mm），大连依利特科学仪器有限公司填装；柱温：室温；流速：1.0 mL/min；检测限：恩诺沙星和环丙沙星均为0.005 mgL-1。在上述的检测条件下，能将恩诺沙星、环丙沙星与水体中的其它组分分开，测得环丙沙星和恩诺沙星色谱峰保留时间分别为4.2和4.8 min（如图1所示）。1.3.2 标准曲线和线性范围取7支微量离心管，第1管加入10 L双蒸水作为空白对照，其余6支管依次加入10 L恩诺沙星系列浓度标准液，再加入990 L的双蒸水，使各管中制得的恩诺沙星质量浓度分别为0.0021 mgL-1。混匀后，取样500 L于进样瓶中，自动进样50 L进行HPLC分析。采用外标法，将恩诺沙星的质量浓度/(mgL-1)与对应的色谱峰面积（A）作回归，求得标准曲线的回归方程和相关系数分别为：=6.244110-7A0.0009（r =0.9992）。1.4 统计分析方法对试验所取得的数据用SPSS10.0 for Windows进行统计分析。2 结果与分析2.1 土壤对恩诺沙星吸附和解吸平衡时间的确定图4 3#土壤对恩诺沙星的吸附曲线Fig. 4 Absorption curve of soil 3# to enrofloxacin通过土壤对恩诺沙星吸附时间和吸附量的试验表明，经过34 h的恒温振荡，土壤对恩诺沙星的吸附量已趋于稳定，可将此时间作为土壤对恩诺沙星的吸附平衡时间。同时，经过44 h的恒温振荡，土壤对恩诺沙星的解吸量趋于稳定，因此将此时间作为土壤对恩诺沙星的解吸平衡时间。2.2 土壤对恩诺沙星的吸附图2 1#土壤对恩诺沙星的吸附曲线Fig. 2 Absorption curve of soil 1# to enrofloxacin表2 不同土壤对恩诺沙星的Freundlich平衡吸附方程及检验Table 2 Freundlich equations of soil to enrofloxacin and their F test土壤编号Freundlich平衡吸附方程F值F0.051#2#3#y = 5.4142 x0.9464y = 19.357 x1.1035y = 2.2671 x0.6001385.51148.7291.495.595.595.59经过34 h的恒温振荡，可得1#土壤（采自菜园）、2#土壤（采自稻田）和3#土壤（采自果园）对恩诺沙星的吸附曲线如图2、图3和图4所示。吸附试验结果表明，3种土壤对恩诺沙星的吸附量与土壤达到吸附平衡时水相恩诺沙星的质量浓度符合曲线y=axb，说明土壤对恩诺沙星的吸附能用Freundlich平衡吸附方程wS=kfe1/n 其中：wS为土壤对化合物的吸附量/(mgg-1)；e为平衡时水相中化合物的质量浓度；kf和n是常数 来解释，并求得3种土壤对恩诺沙星的吸附方程如表2所示。图5 1#土壤对恩诺沙星的解吸曲线Fig. 5 Desorption curve of soil 1# to enrofloxacin图3 2#土壤对恩诺沙星的吸附曲线Fig. 3 Absorption curve of soil 2# to enrofloxacin由图可知，不同来源的土壤对恩诺沙星的吸附量不同，差异显著（P0.05）。其中以2#土壤对恩诺沙星的吸附性最强，1#土壤次之，3#土壤吸附性最弱。但3种土壤对恩诺沙星的吸附量均占水相中恩诺沙星总量99%以上。水相中恩诺沙星质量浓度小于7.5 mgL-1时，土壤对恩诺沙星的吸附率达到100%，这表明土壤对恩诺沙星吸附性非常强。2.3 土壤对恩诺沙星的解吸3种土壤对恩诺沙星的解吸试验结果如图5、图6、图7所示。由解吸曲线可以看出，土壤对恩诺沙星的解吸量与土壤中恩诺沙星的质量分数呈线性关系，相关性显著（P0.05）。图6 2#土壤对恩诺沙星的解吸曲线Fig. 6 Desorption curve of soil 2# to enrofloxacin土壤不同，对恩诺沙星的解吸能力不同，3者间差异显著（P0.05）。但与吸附性能不同的是，1#土壤对恩诺沙星的解吸能力最强，2#土壤次之，3#土壤最弱，但3种土壤对恩诺沙星的解吸量均仅为其吸附量的110-3左右，这表明土壤对恩诺沙星解吸能力弱。3 讨论图7 3#土壤对恩诺沙星的解吸曲线Fig. 7 Desorption curve of soil 3# to enrofloxacin陆生生态系统是化合物进入环境后的归宿之一。化合物在土壤中的吸附与解吸特性是化合物一个重要的环境化学参数，直接影响化合物在土壤环境中降解、迁移和转化等行为，可用于预测化合物在陆生生态系统中的潜在危害9, 10。通常有3种吸附公式来描述化合物在土壤中的吸附行为，分别是Langmuir吸附等温方程，Freundlich吸附等温方程和Linear吸附等温方程。其中，Freundlich吸附等温方程可以解释大多数化合物在土壤中的吸附行为8。本研究也表明，不同来源的土壤对恩诺沙星的吸附均能用Freundlich平衡吸附方程wS= kfe1/n来解释，而且土壤对恩诺沙星吸附性非常强。这说明当恩诺沙星进入土壤环境中时，会很快被土壤吸附，而且浓度分布不均匀，这将加大其潜在的危害性，而且恩诺沙星一旦被土壤吸附，很难被洗脱出来。由此可知，进入土壤中的恩诺沙星，在土壤中的迁移能力弱，不易污染地下水，但由于其生物富集性较强3，而且恩诺沙星对土壤的呼吸作用、氨化作用和硝化作用均有不同程度的抑制作用，可能会影响到土壤的特性和土壤中的一些生态过程11，因此可能会对陆生环境产生一定的危害效应。参考文献：1 王连生. 有机污染化学M. 北京: 科学出版社, 1990: 365. 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After application, enrofloxacin and its active metabolite would not only remain in animal products, but also enter soil with the excrement. So it would have bad effect on environment organisms. The absorption and desorption of soil to enrofloxacin were studied in this paper, in order to provide evidence for the ecological risk assessment of enrofloxacin. Three groups were divided, experimental soil of each group was picked from vegetable pardon, rice field and fruit pardon respectively. One gram of soil sample was weighed out and filled in centrifugal tube. Then the series of standard solution of enrofloxacin was joined. The centrifugal tubes were shaking automatically at 25 . The concentration of enrofloxacin in aquatic phase was determined by high-performance liquid chromatography (HPLC) with fluorescence detection. The balanceable time and the quantity of the absorption and desorption of soil to enrofloxacin were educed. The results indicated: The balanceable time of absorption and desorption of soil to enrofloxacin was 34 h and 44 h respectively. Enrofloxacin could be absorbed by soil strongly and the proportion of soil absorption was 99% to total enrofloxacin in aquatic phase. The absorption regulation data were fitted to the Freundlich equation wS=kfe1/n. The desorption of soil to enrofloxacin depended on the concentration and the quantity of desorption was only 1 of the absorption. According to the characteristics of strong absorption and feeble desorption, enrofloxacin was difficult to transfer in soil.Key words: enrofloxacin; soil; absorption; desorption