多溶质体系中药物活性化合物在有机质-水界面作用机制及定量关系

Pharmaceutically active compounds (PhACs) can migrate to soil and groundwater during groundwater recharge with reclaimed water through surface infiltration. Interactions of PhACs on organic matter-water interface are key factors controlling the transport of PhACs in soil and groundwater. The coexistence of other PhACs and dissolved organic matter in the actual environment can make the interactions of PhACs on organic matter-water interface complicated. In this study, several representative PhACs (such as ketoprofen, sulpiride, estriol, carbamazepine and sulfamethoxazole) detected in reclaimed water and groundwater were selected as sorbates. Sorption of these PhACs with different structures and species to typical organic matter (such as the condensed organic matter from soil and sediment, humic acid and biochar) as affected by other coexisting PhACs and dissolved organic matter will be investigated by batch experiments, dialysis experiments and microscopic characterization. According to the experimental results, regression equations to forecast the sorption behaviors of PhACs to organic matter will be built. The achievement of this work will be of significance in the risk evaluation and prevention of groundwater contamination during groundwater recharge with reclaimed water.

药物活性化合物（PhACs）会随着再生水地表入渗补给地下水过程进入到地下水土中。PhACs在有机质-水界面的作用是控制其在地下水土中迁移的重要因素。实际环境中不同种类的PhACs和水溶性有机物往往共存，共溶质的影响使得PhACs在有机质-水界面的作用比较复杂。本研究将以再生水和地下水中检出的代表性PhACs（如酮洛芬、舒必利、雌三醇、卡马西平、磺胺甲恶唑等）为对象，拟采用批实验、透析实验并辅助以微观表征等方法研究不同结构和价态的PhACs在典型有机质（如土壤和沉积物中的凝聚态有机质、腐殖酸等有机质成分、生物炭等外源有机质）上的吸附机理，并探究共存PhACs和水溶性有机物对目标PhACs在有机质-水界面作用的影响机制，建立可用于预测PhACs在有机质上吸附行为的回归方程，为评价和防控再生水地表入渗补给地下水过程中PhACs引起的地下水污染风险提供科学依据。

再生水入渗补给地下水过程中药物活性化合物（PhACs）引起的环境风险已成为国内外科学界关注的热点问题。有机质吸附是控制PhACs在地下水土中运移和归宿的重要过程。该项目研究了地下水回补过程中典型PhACs与有机质的相互作用，识别了影响PhACs在有机质上吸附的主控因子，揭示了多溶质体系中PhACs在有机质-水界面作用机制及定量关系。主要成果如下：（1）天然pH条件（7.27-8.77）下，土霉素、四环素、环丙沙星、磺胺甲恶唑等抗生素主要通过特定吸附与沉积物有机质和无机矿物作用，其在有机质-水界面作用过程受到共存药物、全氟化合物和微塑料的影响。（2）环丙沙星在外源有机质生物炭上的吸附行为明显受分子质子化/去质子化过程和吸附剂炭化程度影响，阳离子态、兼性离子态和阴离子态的吸附机理，如氢键、静电作用、π-π作用和孔隙填充等在不同pH条件下呈现出动态变化特征。（3）随着热解温度（200-700℃）的升高，生物炭与卡马西平的主要结合机理由分配作用演变为表面吸附，两种不同机理对总吸附的贡献分别由生物炭的未碳化和碳化有机质组分控制。表面吸附受低温（200-300℃）生物炭极性和高温（400-700℃）生物炭孔隙尺寸选择性调控。（4）溶解性腐殖酸和单宁酸可以通过累积吸附作用促进土壤对苯并三唑的锁定。腐殖酸大分子量组分（>3200 Da）优先被吸附在土壤上，其对苯并三唑吸附的促进作用比小分子量组分更加明显。溶解性腐殖酸通过同时抑制表面吸附和促进分配作用影响生物炭对苯并三唑的吸附，这种差异与溶解性腐殖酸-苯并三唑作用机制及溶解性腐殖酸吸附引起的介质表面和孔隙特征变异密切相关。（5）提出了包含PhACs不同形态比例、吸附剂芳香度指数、溶解性有机质浓度参数的改进Freundlich和双模式模型，可定量预测多溶质体系中PhACs在有机质上的吸附系数。研究成果深化了对地下复杂环境条件下PhACs吸附行为的科学认识，同时为评价和防控地下水回补过程中PhACs引起的水质安全风险提供理论依据。