復(fù)合水平潛流濕地中四環(huán)素類抗生素的去除研究

楊平，王勇，王釗

（1.晉中市水文水資源勘測分局，山西晉中030600；2.海河水利委員會漳河上游管理局，河北邯鄲056006；3.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津300170）

復(fù)合水平潛流濕地中四環(huán)素類抗生素的去除研究

楊平1，王勇2，王釗3

（1.晉中市水文水資源勘測分局，山西晉中030600；2.海河水利委員會漳河上游管理局，河北邯鄲056006；3.海河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，天津300170）

本研究建立了固相萃取-高效液相色譜三重四級桿質(zhì)譜聯(lián)用法，同時測定水中的4種四環(huán)素類抗生素（金霉素、土霉素、四環(huán)素、強(qiáng)力霉素）的殘留。利用復(fù)合水平潛流人工濕地處理生活污水，比較了有植物和無植物組合濕地對四環(huán)素類抗生素的去除效果。結(jié)果表明，有植物組合濕地的去除效率高于無植物組合濕地的去除效率，復(fù)合水平潛流人工濕地能較好地降解強(qiáng)力霉素（去除率達(dá)74.02%），但其對四環(huán)素類抗生素的降解機(jī)理及植物在其中的作用有待進(jìn)一步研究。

固相萃?。桓咝б合嗌V；四環(huán)素；人工濕地

1　引言

抗生素的大量使用，使其在環(huán)境中不斷積累，且在較短時間內(nèi)很難在自然界分解，導(dǎo)致其在一定時期內(nèi)富集于自然界的土壤或水體中，呈現(xiàn)“假性持久性”污染。在許多國家的河流、湖泊、地下水、海水等水源中以及動物體內(nèi)均監(jiān)測出了相當(dāng)濃度的抗生素［1，2］。近些年來，水環(huán)境中抗生素的污染問題已成為環(huán)境科學(xué)界關(guān)注的新興研究熱點［3，4］。

人工濕地（CWs）污水處理系統(tǒng)是一種包含土壤、植被、微生物的生態(tài)工程系統(tǒng)，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化。李麗等研究了垂直流-水平潛流組合濕地對磺胺類抗生素的去除率，有植物組合濕地的去除率為72.31%，無植物組合濕地的去除率為59.71%［5］。鄭加玉、劉琳等研究了人工濕地對四環(huán)素類抗生素的去除，通過濕地處理系統(tǒng)后四環(huán)素類抗生素去除率達(dá)90%以上［6］。

四環(huán)素類抗生素主要的監(jiān)測方法為高效液相色譜法、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法，其中高效液相色譜法是以液體作為流動相并采用顆粒極細(xì)的高效固定相的柱色譜分離技術(shù)、高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法靈敏度更高，以串聯(lián)四級桿技術(shù)準(zhǔn)確性更高。筆者利用固相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜的方法，測定水體中四環(huán)素類抗生素，并研究人工濕地技術(shù)對四環(huán)素類抗生素的去除效果。

2　材料與方法

2.1試驗材料

四環(huán)素（TC）、土霉素（OTC）、金霉素（CTC）、強(qiáng)力霉素（DC）標(biāo)準(zhǔn)品購自Dr.Ehrenstorfer公司，乙腈（色譜純，純度＞99.9%）購自J.T.baker公司，甲酸（色譜純，純度＞98.0%）購自J.T.baker公司，甲醇（色譜純，純度＞99.9%）購自賽默飛世爾公司。

2.2濕地構(gòu)建

本試驗采取穩(wěn)定塘+復(fù)合水平潛流人工濕地組合工藝，如圖1所示。復(fù)合水平潛流人工濕地系統(tǒng)是由2個水平潛流人工濕地組成的，前一級濕地略高于后一級濕地，以便于污水的自流，并且在前一級水平潛流濕地表層設(shè)置厚度為20 cm的硝化帶，使污水中的氨氮得到部分硝化處理。

穩(wěn)定塘中選擇種植多種常見水生植物香蒲、菖蒲、千屈菜、美人蕉，另在近水區(qū)種植一批沉水植物，可選擇馬來眼子菜、黑藻、苦草等。

圖1　穩(wěn)定塘+復(fù)合水平潛流人工濕地組合工藝

（1）一級水平潛流人工濕地。填料粒徑為10～20mm，材料為花崗巖和本地碎石組成，體積比例在1∶1～5∶1?；◢弾r與本地碎石在使用之前，需要用水沖洗干凈。在表層覆蓋150mm本地沙土或者細(xì)沙。

（2）二級水平潛流人工濕地。填料粒徑為15～25mm，材料為花崗巖與本地碎石組成，體積比例在1∶1～5∶1?；◢弾r與本地碎石在使用之前，需要用水沖洗干凈。在表層覆蓋150mm本地沙土或者細(xì)沙。

2.3水樣采集和樣品前處理

按圖1布設(shè)的采樣點采集水樣，將水樣置于棕色玻璃瓶中，冷藏運(yùn)回實驗室。水樣預(yù)處理固相萃取條件為：HLB固相萃取小柱依次用10 m L甲醇、10mL純水以3mL/min流速活化，取400mL水樣，調(diào)節(jié)pH值，以10mL/L的流速上樣，用5mL甲醇分3次洗脫小柱，洗脫液在40℃由氮吹至濃縮，用乙腈/水（2∶8體積比）定容至1mL，待測。

2.4色譜-質(zhì)譜條件

（1）液相條件。柱溫35℃，流動相為乙腈和0.01%甲酸/水，流動梯度見表1。

表1　梯度洗脫程序

（2）質(zhì)譜條件。離子源為電噴霧離子源（ESI），監(jiān)測方式為多反應(yīng)監(jiān)測，干燥氣為氮氣，干燥氣溫度為350℃，干燥氣流速為10 L/min。四環(huán)素類抗生素質(zhì)譜分析的條件參數(shù)，見表2。

表2　質(zhì)譜分析條件參數(shù)

3　結(jié)果與分析

3.1高效液相色譜質(zhì)譜檢測結(jié)果

根據(jù)色譜-質(zhì)譜條件，四環(huán)素類抗生素的色譜質(zhì)譜如圖2—5所示。

圖2　金霉素色譜質(zhì)譜

圖3　土霉素色譜質(zhì)譜

圖4　四環(huán)素色譜質(zhì)譜

以乙腈/水（2∶8體積比）逐級（0.1、1、10、50、75、100μg/L）稀釋標(biāo)準(zhǔn)工作液，在2.4試驗條件下進(jìn)樣，得到不同標(biāo)準(zhǔn)液濃度所對應(yīng)的峰面積。根據(jù)試驗結(jié)果，以峰面積（y）為縱坐標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)液濃度（x）為橫坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。4種四環(huán)素類抗生素的線性范圍、檢出限、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程、相關(guān)系數(shù)及回收率，見表3。

圖5　強(qiáng)力霉素色譜質(zhì)譜

表3　4種四環(huán)素類抗生素的線性范圍、檢出限、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程、相關(guān)系數(shù)及回收率（n=3）

3.2濕地基質(zhì)對四環(huán)素類抗生素的去除

表4為四環(huán)素類抗生素在灤河和人工濕地系統(tǒng)中的濃度。從表4可以看出，在灤河水質(zhì)中監(jiān)測出四環(huán)素類抗生素，其濃度在9.715 ng/L；在濕地系統(tǒng)污水進(jìn)水口水質(zhì)中監(jiān)測出四環(huán)素和強(qiáng)力霉素，其濃度分別在12.205、23.566ng/L，未監(jiān)測出金霉素和土霉素。

表4　四環(huán)素類抗生素在灤河和人工濕地系統(tǒng)中的濃度（n=3）ng/L

在有植物的人工濕地系統(tǒng)中，強(qiáng)力霉素在污水口處的濃度為23.56 ng/L，四環(huán)素濃度為12.02 ng/L。通過有植物的人工濕地系統(tǒng)處理后，強(qiáng)力霉素和四環(huán)素濃度均呈下降趨勢，強(qiáng)力霉素的去除率為74.02%，四環(huán)素的去除率僅為34.41%。有植物人工濕地系統(tǒng)中四環(huán)素類抗生素的去除效果，如圖6所示。

通過無植物人工濕地系統(tǒng)處理后，強(qiáng)力霉素和四環(huán)素的濃度變低，說明無植物人工濕地對四環(huán)素類抗生素仍有一定的去除效果，且強(qiáng)力霉素的去除率達(dá)66.24%。強(qiáng)力霉素在通過無植物人工濕地系統(tǒng)各單元時濃度都有所降低，這表明濕地介質(zhì)對強(qiáng)力霉素有一定的去除效果。四環(huán)素在通過無植物人工濕地系統(tǒng)各單元時濃度變化不定，在有植物氧化塘處較進(jìn)水口低，在一級空白濕地中較氧化塘高，在二級空白濕地出水處與氧化塘持平。無植物人工濕地系統(tǒng)中四環(huán)素類抗生素的去除效果，如圖7所示。

X171.5；X52

A

1004-7328（2016）05-0021-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.05.007

2016—07—25

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07203-002）；國家國際科技合作專項資助（2013DFA71340）；海河流域水質(zhì)監(jiān)測項目（1261520411631）

楊平（1965—），男，高級工程師，主要從事水文水資源勘測工作。