典型兽用抗生素浅表层土壤光降解机理研究

In recent years, the veterinary antibiotics ecological risk assessment in the soil haves increasingly become an attention problem in China and even in the world. A deep understanding of transformation of antibiotics on shallow surface soils, especially the photochemical transformation of antibiotics on the micro-zones of shallow surface soils, is imperative for the further development of elimination technology of antibiotics in the soil remediation. Typical veterinary antibiotics will be selected as in this research. Based on the field investigation and laboratory simulation, the major objectives of this research were to investigate the photodegradation kinetics of typical veterinary antibiotics on the shallow surface of agricultural soils and the influence and microcosmic reaction mechanism of the soil organic constituents and inorganic mineral components and even the coupling of both on the photodegradation of typical veterinary antibiotics. Subsequently the photodegradation mechanisms of antibiotics on the shallow surface soils would be illuminated, and the quantitatively predictive models would be constituted to assess the antibiotics photoreaction on the shallow surface soils based on the descriptors physicochemical properties of soils and antibiotics. The results of this project should have important theoretical and practical significance for the agriculture ecological environment safety and the food safety.

近年来，兽用抗生素土壤生态环境风险逐渐成为全国乃至全球关注的热点问题之一。浅表层土壤抗生素转化行为，特别是浅表层土壤微域抗生素光解研究对于进一步揭示抗生素在土壤中的迁移转化机理，研发农田土壤抗生素消减控制技术具有重要意义。鉴于此，本项目以典型兽用抗生素为研究对象，采用现场调查和实验室模拟相结合的研究方法，着重开展典型抗生素在农田浅表层土壤的光解动力学；土壤有机组分和无机矿物组分对抗生素光解规律特征的影响及微观反应机理；土壤无机和有机组分复配对抗生素光解规律特征的影响及微观反应机理。在揭示典型兽药抗生素农田浅表层土壤光解机理的基础上，构建基于农田土壤理化性质和有机组分结构特征以及抗生素理化性质等的农田浅表层土壤抗生素光解行为的定量化预测模型。研究结果对于实现农业生态环境安全和食物安全具有重要的理论和实践意义。

兽用抗生素的长期大量使用造成了环境污染、细菌耐药性增强和农产品安全风险增高，已成为全球关注的热点环境问题之一。土壤是承载抗生素的重要介质，而光降解是降解土壤表层抗生素的一种非常重要的非生物转化途径。本项目以土壤含量和检出频率高的典型兽用抗生素为研究对象，开展典型土壤抗生素类污染物界面光解反应动力学及光解机理的深入研究。四环素类抗生素（TCs）土壤表层的光降解遵循准一级反应动力学规律。四环素、土霉素和金霉素在表层土壤中的光解速率常数（Kobs）变化范围为（2.30-4.02）×10-2 h-1，且3者在潮土浅表层中降解最快，黑土次之，而红壤最慢。淬灭实验表明，湿润土壤中有机质光辐照产生的·OH、1O2和3DOM*参与了四环素类抗生素的光解，特别是3DOM*起着非常重要的作用。与干燥土壤（5%）相比，湿润土壤更有利于3种TCs的光解，特别是土壤湿度在45-65%之间时光解效果最好。随着pH升高，TCs光解反应速率呈现先加快后变慢的规律，且中性土壤中光解反应速率最快。最后，复配土壤中随着腐殖质含量的不断增加，TCs的光解受到不同程度的抑制。氟喹诺酮类抗生素（FQs）在小粒径胶体颗粒组分（CFs，1 kDa - 1 μm）上的吸附能力明显优于粗颗粒组分（PFs，> 1 μm）。不同粒径的天然CFs对FQs光降解有明显不同的效果。一方面，CFs的光屏蔽抑制了FQs的直接光解，特别是相对较大颗粒比小颗粒内滤效应更强；另一方面，FQs的光化学反应也经历了光敏作用下的间接光解。此外，胶体有机质可大大促进FQs的光化学转化。与有机残体分解源胶体有机质组分相比，腐殖质源胶体有机质组分对活性物种产生的贡献更大，并在FQs的间接光解过程中发挥重要作用。这也是FQs间接光解过程中产生主要活性物质3COM*的源。研究土壤浅表层抗生素的光降解对认识污染物土壤环境行为有非常重要的意义。