自然水体生物膜对典型抗生素在水环境中迁移转化行为的影响及作用机制

The project studies the role of natural biofilms in the transport and transformation of typical antibiotics in the aquatic environment. Firstly, based on the study on the sorption and biodegradation of antibiotics with various physicochemical properties onto biofilms with different components, we will deduce the mechanism of sorption and biodegradation combining with the findings in the field of environmental multi-medium and micro-interface effect. Secondly, based on the study on the effects of biofilms on the sorption and degradation of antibiotics by other mediums, including sediments, particles, water and sunlight, we will find out the role of biofilms in these processes. Finally, based on the study on the distribution of antibiotics in an aquatic mesocosm with different biofilms and modeling for related behaviors, we will reveal the effect mechanism of biofilms in the transport and transformation of antibiotics in the aquatic environment. The project will be beneficial to accumulate basic data about antibiotics and understand their transport and transformation behaviors in the aquatic environment.

本项目以自然水体生物膜对典型抗生素在水环境中迁移转化行为的影响及作用机制为研究对象。拟通过对不同组分特征生物膜吸附和降解不同理化性质抗生素的特征差异研究，结合多介质过程和微界面分子作用等领域的最新研究成果，分析生物膜对抗生素的吸附和降解作用机制；通过研究生物膜对其他介质（沉积物和颗粒物）吸附和非生物降解（水相中的光解和水解）抗生素的影响，确定生物膜对抗生素在水环境中其他迁移转化行为的影响；通过设计生物膜相为变量的中型模拟水环境多相体系，确定抗生素在各相间的分布特征差异，结合水环境多介质模型及上述研究结果，最终揭示生物膜对抗生素在水环境中迁移转化行为影响的作用机制。本项目将积累抗生素研究领域的基础数据，并有助于揭示典型抗生素在水环境中的迁移转化规律。

本项目以自然水体生物膜对典型抗生素在水环境中迁移转化行为的影响及作用机制为研究对象。完成的研究工作包括：通过采集不同季节不同地表水体的水样，在实验室内培养不同批次的生物膜，结合固相13C核磁等技术，分析了生物膜碳组分对其吸附典型抗生素的影响作用机制；通过构建原始沉积物和生物膜/沉积物共存固相的模拟实验体系，研究了典型抗生素在水-生物膜/沉积物体系中的吸附及降解特征；通过对比腐殖化的溶解性有机质（DOM）与生物膜新陈代谢产生的DOM对典型抗生素光降解作用的影响，探究了生物膜产DOM对抗生素光降解的影响作用机制；通过构建固相物质共存以及污染物共存的水环境模拟体系，研究了生物膜在复杂体系中对典型抗生素迁移转化行为的影响。研究结果表明，自然水体生物膜是富含脂肪碳的天然无定型固相物质，其中的脂肪碳和表面极性对其吸附抗生素起重要作用。生物膜的存在改变了抗生素在沉积物中的线性分配以及离子交换等非线性吸附作用方式。由于抗生素具有显著的抗生性，生物膜对其的生物降解量仅占其从水相中减少总量的2.5%-10%，吸附作用起主导作用，光降解作用次之。生物膜产DOM促进典型抗生素在水中的间接光降解。多固相物质共存时，由于体系中DOM的改变影响生物膜等固相对抗生素的吸附。不同形态的共存重金属主要通过影响库伦作用力进而影响生物膜对可离子化的抗生素的吸附。本项目研究揭示了自然水体生物膜对典型抗生素在水环境中迁移转化的影响作用机制，积累了抗生素在环境科学研究领域的基础数据。研究结果可为该类新兴污染物的相关环境保护标准的制定提供技术支持。