典型抗生素污染土壤的锰氧化物强化修复机理研究

As emerging contaminants, antibiotics have caused environmental issues which cannot be overlooked. They continue to enter the soil through different approaches and may pose potential risks to the stability of the soil ecosystem. Therefore, research on the remediation of antibiotic-contaminated soils is realistically significant and necessary. Manganese oxide is the natural soil mineral with the strongest oxidizing ability known so far, the potential and mechanism of the remediation of antibiotic-contaminated soil via manganese oxide remain to be further deeply studied. With tetracycline and ciprofloxacin as the target antibiotics, and cinnamon soil as the test soil, this project is aimed at studying the kinetics of the degradation of antibiotics in the soil and the main transformation products of antibiotics in the presence of manganese oxide, and researching on the effect of antibiotic phenolic hydroxyl group and natural phenolic substances on the degradation process and the mechanisms therein; secondly, by using stable isotopes and nuclear magnetic resonance techniques, the chemical structure of the bound residues of antibiotic with the soil in the presence of manganese oxides will be inferred; finally, with the soil respiration and enzymatic activity as the indicators of soil microbial activity, the microbially ecological effects of the manganese oxide induced degradation of antibiotics will be preliminarily elucidated. The results will help to understand the pathway and mechanism of the transformation of antibiotics in the soil in the presence of manganese oxides, and provide a scientific basis for the enhanced remediation of ionic organics contaminated soils via metal oxides.

作为新型污染物，抗生素所造成的环境问题不容忽视。其通过不同的途径持续进入土壤中，可对土壤生态系统的稳定构成潜在的风险。因此，开展抗生素污染土壤的修复研究具有较强的现实意义和必要性。锰氧化物是已知氧化能力最强的天然土壤矿物，其对抗生素污染土壤的修复潜力及机制有待深入研究。本项目拟以四环素和环丙沙星为研究对象，黄棕壤为供试土壤，通过锰氧化物存在下土壤中抗生素的降解试验，研究抗生素的降解动力学和主要产物，并研究抗生素酚羟基、天然酚类物质对该降解过程的影响及机制；其次，以稳定同位素技术和核磁共振技术为核心，推测锰氧化物存在下土壤中抗生素结合态残留的化学结构；最后，通过土壤呼吸作用和土壤酶活等微生物活性指示，初步阐明锰氧化物降解土壤抗生素的微生物生态效应。研究结果将有助于弄清锰氧化物存在下抗生素在土壤中的转化路径及机制，为离子型有机物污染土壤的金属氧化物强化修复实践提供一定的科学依据。

抗生素、微塑料和重金属在环境中的的污染会产生诸多生态风险，并且对人类健康产生了威胁。微塑料可以作为抗生素、重金属的载体，从而形成复合污染，影响抗生素和重金属在环境中的分布。微塑料与土壤中的抗生素、重金属相互作用，可能会影响土壤中抗生素的迁移。因此，在开展锰氧化物修复抗生素污染土壤的研究中，考虑微塑料对修复的影响及机理十分重要。为此，我们首先研究了土壤中典型抗生素（四环素和环丙沙星）在两种微塑料（聚酰胺和聚氯乙烯）表面的吸附行为，并重点考察了重金属离子（Cu和Cd）对吸附行为的影响。后续将在此基础上，继续完成锰氧化物修复抗生素污染土壤的机理研究，并将微塑料作为重要的影响因素考虑进去。. 研究选取了四环素(Tetracycline， TC)、环丙沙星( Chlortetracycline，CTC)作为目标抗生素, 以Cu、Cd为重金属代表，研究了抗生素在微塑料聚酰胺（Polyamide，PA）、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)表面的吸附行为以及各种影响因素(抗生素的初始浓度、pH值、重金属、富里酸等)对吸附行为的影响，并通过扫描电镜分析、傅里叶红外分析、Zeta电位测定，结合吸附动力学、吸附等温线模型拟合进一步阐述了吸附机制。选取红壤、黑土、黄棕壤三种土壤，研究了重金属（Cu、Cd）存在下，抗生素在土壤中的吸附行为以及微塑料对吸附行为的影响。. 结果表明，微塑料（PA和PVC）对抗生素（TC和CIP）的吸附均符合拟二级动力学方程和Langmuir方程, PVC对抗生素的吸附能力强于PA；吸附量随介质中环境因素如pH、重金属、富里酸和土壤类型等的变化而有所改变；PVC对TC、CIP的吸附以物理吸附为主导，PA吸附TC、CIP的过程中有氢键的产生，此外两种微塑料吸附环丙沙星的过程受极性作用、静电作用等影响。. 本研究将为下一步微塑料存在下锰氧化物修复典型抗生素污染土壤的机制研究提供一定的借鉴。