阳离子型抗生素在生物炭上吸附的阳离子-π机理研究

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抗生素的大量使用所引起的超级细菌问题,受到了科学界的广泛关注。同时,抗生素的使用还可能抑制动植物生长,危害人体健康,因此研究抗生素的生态风险非常必要。吸附解吸是抗生素环境归趋中重要的途径,有机质对抗生素的吸附解吸不仅能影响抗生素的生物转化效率,还能影响其向深层土壤和地下水迁移。生物炭是重要的外源有机质,它对抗生素等环境污染物具有很强的吸附作用,能够减弱抗生素在环境中的暴露风险及生物可利用性。因此,开展生物炭对抗生素吸附机理的研究,有助于深入认识抗生素在环境中的迁移和归趋,对生态风险评价具有重要意义。  阳离子型抗生素是抗生素家族中一类非常重要的成员,对其吸附机理的研究有助于评估此类抗生素的生态环境风险。本文以阳离子型抗生素环丙沙星(CIP)为研究对象,以石墨作为生物炭的代表物,通过两两竞争实验和逐级竞争实验,分别阐明主要吸附作用力及定量不同吸附作用力的贡献。两两竞争实验研究发现苯甲胺与CIP的竞争比正十六烷和菲更强,表明阳离子-π是CIP在石墨表面吸附的主要作用力。通过正十六烷,菲和苯甲胺的逐级竞争实验来代表疏水作用、π-π作用和阳离子-π作用的贡献,研究结果显示初始CIP浓度为0.000015mmol/L时,阳离子-π作用占总吸附量的72.6%。与此同时,还提出并验证了阳离子-π作用诱导的形态转化机理,即:CIP(0)从水中捕获H+形成CIP(+1),再以CIP(+1)吸附到石墨上。传统的以化合物解离平衡为基础建立的分配系数(Kd)预测方程忽略了形态转变吸附的过程,并不能准确预测存在这一过程的有机化合物的吸附分配系数。为完善环境污染物的环境风险评价,必须优化Kd预测理论公式并验证。本论文选用苯甲胺作为模式污染物,在此基础上选用石墨作为模式吸附剂进行了Kd值预测方程验证实验。通过0.001mol/L和0.01mol/L两种离子强度下石墨对苯甲胺在不同pH下的批量吸附实验,阐明不同离子强度对石墨与苯甲胺间阳离子-π作用的影响,确定优化后的分配系数预测理论公式是否具有准确性。实验结果显示,离子强度越低,钠离子与苯甲胺的竞争越小,石墨对苯甲胺的吸附量越高,石墨与苯甲胺间阳离子-π作用越强;且pH越高、污染物初始浓度越低,校正后的公式相比于传统的公式,其Kd曲线更接近于实际Kd值的曲线,证明所优化的分配系数预测方程有一定的准确性。这一结果可为准确评价污染物环境归趋提供理论依据。
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