（市政工程专业论文）畜禽粪便中几种微量污染物在厌氧消化过程中降解转化行为研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 言蚀和亍 委员：丧缚徐肋姒誊纠娥 弓姥伽地婚函黔旋 导厩仍凸压磊娘砖协参历勿 汊、 峻 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金基曼王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：亏j 无潞签字日期：洲年华月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金g 墨王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：面j 元诌缶 导师签名： 签字日期：p 年牛月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：葫鸯卸臼乐冰逸众勾 通讯地址：角客牵巾幽东路4 勿雩 甑 签字日期：汐年牛月刁日 电话：f 刃刀够够 邮编： 1 0 0 0 0 畜禽粪便中几种微量污染物在厌氧消化过程中 降解转化行为研究 摘要 在规模化畜禽养殖行业中，各种促生长添加剂的使用十分普遍。这些添加 剂在畜禽体内吸收量较少，大部分随粪便排出并通过各种途径进入环境中，变 成污染物，带来了一定的生态风险。本文选取养殖业中常用的四环素类抗生素、 洛克沙砷、磺胺嘧啶和铜离子作为研究对象，通过间歇试验研究其在厌氧消化 过程的相关行为。研究的主要结论如下： ( 1 ) 考察了添加的抗生素和重金属对畜禽粪便厌氧消化过程的影响。试验 结果表明，金霉素对产乙酸过程抑制性较大，而四环素和铜离子的影响则较小； 抗生素和铜离子对产甲烷过程的抑制作用较产酸过程明显；各处理组甲烷总产 量和对照组相比均有所降低，其中铜离子的抑制作用最强。在该厌氧条件下， 四环素的半衰期为1 4 1 8 天，降解率达8 8 5 9 1 6 ；金霉素的半衰期为8 - 9 天， 降解率达9 7 7 9 8 4 。厌氧消化结束后，在对剩余固体残渣的分析中检测到铜 元素的存在。 ( 2 ) 通过响应面分析，研究了抗生素和重金属对厌氧消化的交互作用。金 霉素的添加浓度对甲烷产量的影响显著，而四环素、铜离子对产甲烷量的曲面 效应显著；四环素、金霉素及金霉素、铜离子的交互作用均达显著水平；随着 金霉素浓度的增加，甲烷产量逐渐降低；而甲烷产量随铜离子和四环素浓度的 增加而增大之后又随之减少。各因素单独对挥发性固体( v s ) 降解率的影响均 不显著，但四环素和金霉素的交互作用下影响显著。 ( 3 ) 考察了以蔗糖为底物的颗粒污泥厌氧消化过程中，外源添加的四环素、 洛克沙砷和磺胺嘧啶的对降解的影响及其本身的转化行为。洛克沙砷对产酸和 产甲烷过程均有明显的抑制作用，且抑制性随其浓度的升高而加剧；磺胺嘧啶 对产酸过程的影响最小，四环素次之，两种药物对甲烷总产量影响均较小，但 二者的联合抑制作用较明显。四环素和洛克沙砷在消化前3 天浓度即迅速降低， 直至检测浓度降为零，但在添加洛克沙砷的处理中发现了无机砷的存在；磺胺 嘧啶在厌氧消化过程中较难降解。 关键词：厌氧消化饲料添加剂抗生素重金属响应面 s t u d y o nd e g r a d a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no f s e l e c t e dt r a c ep o l l u t a n t si na n i m a lm a n u r e d u r l n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n l 一 a bs t r a c t v a r i o u s g r o w t h p r o m o t i n g a d d i t i v e sa r ew i d e l yu s e di n l a r g e - s c a l e a n i m a l h u s b a n d r y d u et ob e i n gp o o r l ya d s o r b e di nt h eg u to fa n i m a l s ，t h em a j o r i t yo f a d d e da d d i t i v e si se x c r e t e di n t oe n v i r o n m e n tt h r o u g hf a e c e si nt h e i ro r i g i n a lf o r m s ， r e s u l t i n gi ne c o l o g i c a lr i s k s i nt h i sp a p e r ，t e t r a c y c l i n e s ，r o x a r s o n e ，s u l f a d i a z i n e a n dc o p p e rw h i c ha r ew i d e l yu s e da sg r o w t hp r o m o t e r sw e r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t e t h e i rb e h a v i o ro fd e g r a d a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nd u r i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n t h e m a i nc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： ( 】) f i r s t l y ，a n a e r o b i cd i g e s t i o no fa n i m a lm a n u r es p i k e dw i t ha n t i b i o t i c sa n d h e a v ym e t a l sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei n h i b i t o r ye f f e c to f c h l o n e t r a c y c l i n eo na c e t a t ep r o d u c t i o nw a ss t r o n g e rt h a nt h a to ft e t r a c y c l i n ea n d c o p p e r c o m p a r e dw i t hm e t h a n o g e n e s i s ，a c i d o g e n e s i sp r o c e s sw a sm o r er e s i s t a n tt o a n t i b i o t i c sa n dc o p p e ri n h i b i t o r y c u m u l a t i v em e t h a n ey i e l do fa l lt r e a t m e n tg r o u p s w f t ha n t i b i o t i c sa n dh e a v ym e t a l sw e r el e s st h a nt h ec o n t r o lg r o u p ，i nw h i c hc o p p e r w a st h em a i ni n h i b i t o rf o rm e t h a n o g e n e s i s t h eh a l f - l i f eo ft e t r a c y c l i n ew a s14 18 d a y s a n dt h e d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c y r e a c h e d8 8 5 91 6 w h i l ef o r c h l o r t e t r a c y c l i n e ，t h ec o r r e s p o n d i n g v a l u e sw e r e8 - 9d a y sa n d9 7 7 9 8 4 ， r e s p e c t i v e l y a tt h ee n d o fa n a e r o b i cd i g e s t i o n ，c o p p e rw a sd e t e c t e di nt h e r e m a i n i n gs o l i db ys e m e d sa n a l y s i s ( 2 ) s e c o n d l y , r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g yw a sa p p l i e dt os t u d yt h ee f f e c to f a n t i b i o t i c sa n dh e a v ym e t a l so na n a e r o b i c d i g e s t i o n c h l o r t e t r a c y c l i n eh a d s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nm e t h a n ey i e l d ，w h i l et h es u r f a c ee f f e c to ft e t r a c y c l i n ea n d c o p p e rr e a c h e ds i g n i f i c a n t l e v e l t h e r ew a sas i g n i f i c a n ti n t e r a c t i o nb e t w e e n t e t r a c y c l i n ea n dc h l o r t e t r a c y c l i n eo rc h l o r t e t r a c y c l i n ea n dc o p p e ri nm e t h a n ey i e l d m e t h a n ey i e l dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gc h l o r t e t r a c y c l i n ec o n c e n t r a t i o n w h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fc o p p e ra n dt e t r a c y c l i n ei n c r e a s e d ，m e t h a n ey i e l df i r s t l yi n c r e a s e d a n dt h e nd e c r e a s e dw i t haf u r t h e ri n c r e a s ei n c o p p e r a n d t e t r a c y c l i n e c o n c e n t r a t i o n s a l lf a c t o r sh a dn os i g n i f i c a n ti n d i v i d u a le f f e c to nt h ed e g r a d a t i o n r a t eo fv o l a t i l es o l i d ，b u tt h ei n t e r a c t i o no ft e t r a c y c l i n ea n dc h l o r t e t r a c y c l i n ew a s s i g n i f i c a n t ( 3 ) l a s t l y ，t h ee f f e c t so ft e t r a c y c l i n e ，r o x a r s o n ea n ds u l f a d i a z i n eo na n a e r o b i c d i g e s t i o n a n dt h e i r d e g r a d a t i o nw i t h s u c r o s ea ss u b s t r a t ew e r ei n v e s t i g a t e d r o x a r s o n eh a do b v i o u si n h i b i t o r ye f f e c to nb o t ha c i d o g e n e s i sa n dm e t h a n o g e n e s i s ， a n dt h e i n h i b i t o r y i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fr o x a r s o n ec o n c e n t r a t i o n s u l f a d i a z i n es h o w e dl i t t l ei n f l u e n c eo na c i d o g e n e s i sf o l l o w e db yt e t r a c y c l i n e b o t h t e t r a c y c l i n e a n ds u l f a d i a z i n eh a dl i t t l ee f f e c to nm e t h a n o g e n e s i s ，b u t t h e c o i n h i b i t o r yo ft h e mw a ss i g n i f i c a n t d u r i n gt h ef i r s t3d a y so f a n a e r o b i cd i g e s t i o n ， t h ec o n c e n t r a t i o no ft e t r a c y c l i n ea n dr o x a r s o n ed e c l i n e dr a p i d l ya n dt h e nd e c r e a s e d t o z e r o i n o r g a n i c a r s e n i cw a sd e t e c t e di ng r o u p sa d d e d w i t hr o x a r s o n e s u l f a d i a z i n ew a sd i f f i c u l tt od e g r a d ed u r i n gt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；f e e da d d i t i v e s ；a n t i b i o t i c s ；h e a v ym e t a l ； r e s p o n s es u r f a c e 致谢 本论文是在导师胡真虎副教授和徐得潜教授的悉心指导和关怀下完成的。 从论文选题、试验设计、具体操作、结果分析到最终论文的成稿，都得到了导 师的大力帮助和支持。在硕士研究生期间，恩师渊博的知识，严谨、踏实的科 研作风，创造性的思维以及平易近人的人格魅力对我影响深远，在此谨向导师 表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的实验过程中，同时得到了实验室苏馈足老师、袁守军老师和颜存 奎老师的大力帮助和支持，使得竞验得以顺利完成，在此向各位老师表示衷心 的感谢! 同时感谢李珂、胡江林、阚辰达、叶小贝、茆峰、王畅和吴磊等师弟师妹 们在课题进行中给予的建议和帮助。和他们一起在实验室共同学习和工作，相 互鼓励和支持，为实验的开展营造了良好的环境。 在此，向所有给予我关心和帮助的老师、同学和亲友表示诚挚的感谢! 作者：刘元璐 2 0 t1 年3 月2 1 日 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外相关研究现状2 1 2 1 相关生长促进剂简介及其在养殖业中的应用2 1 2 2 畜禽粪便中兽药及重金属的环境行为2 1 2 3 生物降解的研究进展6 1 3 课题研究目的、意义与研究内容7 1 3 1 研究目的及意义7 1 3 2 研究内容7 第二章厌氧消化过程中四环素、金霉素和铜离子的影响9 2 1 材料与方法9 2 1 1 原料9 2 1 2 药品及试剂9 2 1 3 试验设计9 2 1 4 仪器与分析1 0 2 2 结果与讨论1l 2 2 1 挥发性脂肪酸( v f a ) 的生成1 1 2 2 2 甲烷( c h 4 ) 的生成1 2 2 2 3 挥发性固体( v s ) 的降解一1 4 2 2 4 抗生素的降解15 2 2 。5 剩余污泥的电镜分析16 2 3 本章小结1 9 第三章响应面法分析抗生素和铜对厌氧消化的影响2 1 3 1 材料与方法2 1 3 1 1 试验材料2 1 3 1 2 试验设计2 1 3 1 3 仪器与分析：2 3 3 2 结果与讨论2 3 3 2 1 四环素、金霉素及铜离子浓度对产甲烷量的影响2 3 3 2 2 四环素、金霉素及铜离子浓度对v s 降解率的影响2 6 3 3 本章小结2 9 第四章厌氧消化过程中抗生素和洛克沙砷的影响3 0 4 1 材料与方法3 o 4 1 1 厌氧颗粒污泥3 0 4 1 2 药品及试剂3 0 4 1 3 试验设计3 0 4 1 4 仪器与分析3 1 4 2 结果与讨论3 2 4 2 1 挥发性脂肪酸( v f a ) 的生成3 2 4 2 2 甲烷的生成3 4 4 2 3 抗生素和洛克沙砷含量的变化3 5 4 3 本章小结3 7 第五章结论与展望3 9 5 1 结论3 9 5 2 创新点3 岁 5 3 展望4 0 参考文献4 1 发表论文5 0 插图清单 1 1 兽药和重金属在环境中的迁移3 2 1t c 和c t c 混合标准液的h p l c 色谱图11 2 2 厌氧消化过程中挥发性脂肪酸的生成1 2 2 3 厌氧消化过程中甲烷的生成14 2 4 厌氧消化过程中t c 和c t c 的降解1 5 2 5 剩余污泥的扫描电镜图像l7 2 - 6 定点能谱分析谱图18 3 1 四环素与金霉素对甲烷产量的交互影响2 5 3 2 四环素与铜离子对甲烷产量的交互影响2 5 3 3 金霉素与铜离子对甲烷产量的交互影响2 6 3 4 四环素与金霉素对v s 降解率的交互影响2 8 3 5 四环素与铜离子对v s 降解率的交互影响2 8 4 it c 、s d 和r o x 混合标准液的h p l c 色谱图3 2 4 2 厌氧消化过程中挥发性脂肪酸的生成3 4 4 3 厌氧消化过程中甲烷的生成3 5 4 4 厌氧消化过程中四环素、洛克沙砷和磺胺嘧啶的含量变化3 7图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 2 1 猪粪的基本特征9 2 2 抗生素和铜离子的添加水平1 o 2 3v s 含量的变化1 4 2 4t c 和c t c 的降解速率常数( k ) 及半衰期( t 。) 1 6 2 5 抗生素的实际降解率1 6 2 6 各组定点的元素含量19 3 1 旋转中心组合设计试验的因素水平及其编码2 2 3 2 中心组合实验设计2 2 3 3 旋转中心组合设计甲烷实际产量及预测结果2 3 3 4 甲烷产量回归模型方差分析结果2 4 3 5 旋转中心组合设计v s 降解率实测值及预测结果2 7 3 - 6v s 降解率回归模型及其方差分析2 7 4 1 药剂的添加水平3 1 表表表表表表表表表表表表表 第一章绪论 1 1研究背景 改革开放以来，随着人们生活水平的提高和对肉食品需求的增加，国内的 畜禽养殖业得到了飞速发展，各种生长促进剂和添加剂的使用量也随之增加， 种类日益复杂多样。目前，我国批准作为饲料添加剂用于畜禽养殖业中的兽药 包括1 1 种抗菌剂、1 7 种抗生素、抗氧化剂和激素类药物；此外，大量重( 类) 金属添加剂也被广泛使用口1 3 3 。研究表明，兽药和重金属进入动物体内后，大部 分以药物原形或代谢产物的形式随动物粪便排出体外h 。73 ，并通过农田施用、淋 溶、渗滤等方式进入环境中，进而对环境系统及人类的健康构成潜在危害。近 年来，畜禽排泄物中的各种添加剂的残留污染所引发的生态风险己逐渐成为社 会关注的焦点。 在所有批准用于畜牧业的兽药中，兽用抗生素是应用范围较广，使用量较 多的一类。从广义上讲，“抗生素”这一术语通常是指具有杀灭或抑制微生物 ( 如细菌、真菌及原生动物等) 生长作用的一类化学物质隅3 ，可通过从微生物 培养液中提取或经人工半合成、合成得到。自从上世纪5 0 年代以来，抗生素 被广泛用于动物感染性疾病的防治，并以亚治疗剂量添加于动物饲料中，作为 抗菌生长促进剂( a n t i m i c r o b i a lg r o w t hp r o m o t e r ，a g p ) 促进动物生长，以达到 增产的目的。在全球范围内，抗生素总产量的7 0 左右被用于畜牧业聃1 。美国 动物健康研究所( a n i m a lh e a l t hi n s t i t u t e ) 于2 0 0 2 年进行的调查显示，1 9 5 0 年美国用于畜牧业的抗生素用量仅为9 1 吨，l9 9 9 年则上升到9 3 0 0 吨。在我国， 抗生素污染也同样不容忽视n 叫。我们曾对安徽省合肥市周边养殖场进行了相关 调查，结果显示，鸡粪和猪粪中普遍存在四环素、金霉素等四环素类抗生素污 染，浓度最高达1 1 3 m g k g n ，可见抗生素残留污染已达到非常严重的程度。 另外，一些重( 类) 金属也被广泛应用于畜禽规模化养殖中，以调节动物 生长。自19 4 5 年b r a u d e 首次发现高剂量铜对畜禽的促生长作用以来u2 1 ，铜即 作为一种高效、低廉的促生长剂，被广泛用于养殖业中。铜是动物生长发育所 必需的微量元素之一，高铜具有抑制胃肠病原菌繁殖，促进动物生长，提高机 体免疫力等功效n 鲥。铜与抗生素的促生长作用具有可加性，故而二者常联合用 于畜禽养殖中n 副。然而，由于人们的片面认识及对经济利益的盲目追求，致使 生产过程中滥用超量铜的现象比比皆是。陈丽娜等n 引对保定市郊养殖场的调查 显示，各养殖场畜禽粪便中铜、锌含量均偏高，超标率分别为8 3 3 和2 0 8 ， 其中猪粪中铜含量最高竞达8 3 8 2 5 m g k g 。这些重金属随畜禽粪便进入土壤及 水域中，进而对环境造成严重危害。 近年来有机砷制剂作为重金属添加剂在畜禽养殖业中也得到了普遍的应 用。目前经批准使用的砷制剂主要有洛克沙砷和阿散酸两种，以洛克沙砷更为 经济，在抗菌及促生长方面应用更为广泛。据统计，在美国有将近7 0 的肉鸡 均喂食含洛克沙砷添加剂的饲料，且大部分洛克沙砷以原形排出体外6 】。相关 调查表明，畜禽排泄物中的砷含量高达1 4 4 8 m g k g n 卜1 9 1 。大量含砷制剂随畜禽 废弃物进入环境后对环境造成了严重的污染。在生态曰益恶化的今天，砷制剂 的环境归宿及其潜在危险己成为国际上的研究热点。 1 2国内外相关研究现状 1 2 1 相关生长促进剂简介及其在养殖业中的应用 在畜禽规模化养殖中，生长促进剂是指以提高饲料利用率，增强动物生产 性能及促进动物生长为主要目的的各种饲料添加剂。目前，常见的兽用生长促 进剂包括各类抗生素、抗菌剂、缓冲剂、酶制剂及微量元素等，其中以抗菌生 长促进剂的使用最为普遍。本课题中选取了四环素、金霉素、磺胺嘧啶和洛克 沙砷几种典型的促生长剂，研究其在厌氧条件下的降解转化。其理化特性下： 四环素( t e t r a c y c l i n e ) 与金霉素( c h l o r t e t r a c y c l i n e ，别名氯四环素) 同属 于四环素类抗生素。该类抗生素是由放线菌属产生的一类广谱抗菌物质，对立 克次体、支原体、衣原体及革兰氏阴性菌和阳性菌均具有很好的抑制作用。这 类药物为并四苯衍生物，具有十二氢化并四苯基本结构，有共同的a 、b 、c 、 d 四个环的母核。四环素和金霉素具有相似的理化性质。从结构上分析，四位 的二甲氨基显碱性，c 3 ，c 一5 ，c 6 ，c 1 0 ，c 1 2 ，c 1 2 a 含有酚羟基和烯醇基， 显酸性，故为酸碱两性化合物，在酸碱条件下均不稳定。四环素族易溶于水， 遇光易变色，在干燥状态下较为稳定。 磺胺嘧啶( s u l f a d i a z i n e ) 属于中效磺胺类抗生素，该类药物是由人工合成 的氨苯磺胺衍生物，具有广谱抗菌作用，对许多革兰氏阳性菌和一些阴性菌、 诺卡氏菌属和衣原体均有抑制效果。磺胺类抗生素基本化学结构为对氨基苯磺 酰胺，多为两性化合物，磺酰胺基上的氢可被不同杂环取代，形成不同种类的 磺胺药。磺胺嘧啶的n 4 上无取代基，为芳伯氨基，其n 1 上的含氮杂环具有碱 性。 洛克沙砷( r o x a r s o n e ) 化学名为：3 硝基4 羟基苯胂酸，是一种多功能 有机砷制剂，具有促生长、治痢疾、抗球虫等功效，可与多种抗生素配合使用。 纯物质为白色或淡黄色柱状结晶，易溶于甲醇、乙醇、乙酸、丙酮和碱溶液， 冷水中溶解度1 ，热水中约1 0 ，熔点大于3 0 0 。 1 2 2 畜禽粪便中兽药及重金属的环境行为 1 2 2 1 在环境中的暴露途径 自从上个世纪开始，兽药和重金属经由畜禽粪便进入环境的可能性已经引 起了人们的关注。相关研究表明，常用的大部分兽药在动物体内残留很少，约 2 有3 0 9 0 以药物原形排出体外h 1 ，造成了畜禽排泄物中大量兽药的残留，其 含量在g g k g m g k g 之间不等心0 | 。m e y e r 幢等对美国六个州的大型养殖场进行 的相关调查发现，金霉素、磺胺二甲基嘧啶和林可霉素是畜禽粪便中最常检出 的兽药，各自检出浓度在1 10 0 0 9 9 l 范围内。c a n g 等心纠在对江苏省大型养殖 场畜禽粪便的调查中发现，3 0 的粪便样本中c u 含量超过10 0m g k g ，而将近 9 5 的样本中z n 含量超过1 0 0m g k g 。目前，养殖业中常用的畜禽粪便处置方 法即为将其简单加工成有机肥料，直接施用于农田，而残留于粪便中的兽药便 由此进入到土壤环境中，并进一步通过淋溶、沥滤、地表径流等途径对周边地 下水、河流及湖泊水环境造成污染。相关调查研究结果表明，目前在土壤、地 表水、地下水甚至于饮用水中都有各种兽药和重金属残留检出心3 。2 7 | 。 1 2 2 2 迁移与转归 经由畜禽排泄物进入环境后，兽药可以通过各种迁移途径进行散播( 如图 1 1 所示) ；其中，吸附、迁移和降解是土壤一水环境系统所涉及的三个重要过 程。这三个过程因受到不同兽药的物化特性( 如分子结构，溶解性及疏水性等) 及外界环境因素的影响而表现出显著的差异。 图1 1 兽药和重金属在环境中的迁移 f i g 1 一lt r a n s p o r to fv e t e r i n a r yp h a r m a c e u t i c a l sa n dh e a v ym e t a l si nt h ee n v i r o n m e n t 兽药进入环境后，会与土壤、粘土矿物、沉积物等环境介质发生吸附作用。 这一过程对兽药的迁移转化具有重要影响，并在很大程度上取决于兽药的理化 特性及外部条件。研究表明，介质对不同兽药的吸附能力大不相同；而对于某 一特定化合物，环境介质的不同也会导致其在吸附程度上的显著差异埋旷圳。例 如，兽药在土壤及沉积物中的分配系数值在0 2 l k g ( 氯霉素在粪便沉积物中的 吸附) 到5 6 l0 l k g ( 恩诺沙星在土壤中的吸附) 之间。四环素类抗生素与表 层土壤、沉积物间的吸附作用较强，其k d 值范围为2 9 0 - 16 2 0 l k g ；土壤对磺 胺类物质的吸附能力则相对较弱，k d 值为0 6 4 9 l k g 2 | 。t o l l s 列关于土壤吸 附的研究表明，阳离子交换、表面络合、粘土表面的阳离子键桥、氢键作用及 疏水分配等机制均对土壤的吸附过程起到重要作用。 兽药的迁移性对确定环境中的兽药含量具有重要的指导意义。近年来，已 有研究就环境中兽药的主要迁移途径进行了相关论述口3 ，3 引。兽药的迁移性与吸 附性能密切相关，一般来说，吸附能力越强的化合物与环境介质的结合越紧密， 其迁移性则越差b 引，而具有较高迁移性的化合物则通过土壤淋溶、渗滤等方式 进入到水环境中。r a b m l e 口们等对四种抗生素在不同土壤中的吸附和迁移过程进 行了研究，结果表明，灭滴灵和奥拉喹多的吸附性能较差，在其施用后的土壤 淋滤水中，均检测出这两种药物；而对于土霉素和泰乐菌素等吸附性较强的物 质，淋滤水中则未有检出。然而，即使是具有强吸附性的物质，一旦施用后， 也仍可能经由土壤颗粒随地表径流的迁移而进入地表水中口引。 存在于土壤和水环境中的兽药可以通过非生物( 光解、水解、热解等) 及 生物方式进行降解，其降解率因化合物种类的不同而存在显著差异，半衰期从 几天到数年不等。例如，在土壤中，埃玛菌素、奥拉喹多和泰乐菌素等可以快 速的降解 3 7 - 3 9 1 ；伊维菌素、头孢噻呋和灭滴灵降解相对较为缓慢7 4 0 1 ；而沙氟 沙星则可以持久地存在于土壤中1 。外界温度、介质类型和p h 等环境条件会 对兽药的降解产生一定的影响。研究发现h 利，夏季时，存在于土壤粪便混合物 中的伊维菌素半衰期较短，为7 1 4 天；而到了冬季，其降解则十分缓慢，半衰 期需9 1 2 1 7 天。虽然降解过程在一定程度上减少了环境中兽药的含量，但一些 降解产物具有与其母体化合物相似的毒性，且在一定条件下可重新转变成活性 母体药物h 3 4 i 。因此，兽药的代谢及二次合成所引发的环境风险同样不容忽视。 重金属在环境中的分布和迁移与各元素的性质以及环境因素有密切的关 系。在土壤系统中，重金属的吸附效应是影响其迁移和转归的重要过程。重金 属离子进入土壤环境后会产生不同形式的吸附现象，如与土壤腐殖质之间发生 离子交换，土壤胶体的吸附，或与腐殖酸的螯合等，从而导致了不同重金属吸 附量的不同h 引。通常情况下，大部分重金属的吸附量随土壤中有机质含量的增 加而增加，随着土壤p h 值的增加而减少h 引。余国营等h 7 1 对土壤环境中c d ，p b ， c u ，z n ，a s 五种重金属元素的吸附行为进行了考察，结果表明，c d 、c u 、a s 的吸附中物理吸附所占比例较大，易被解吸。因此这三种元素进入土壤后，迁 移性较强，生态风险也相对较大。重金属的迁移转化过程错综复杂，且受到多 种因素的综合作用。在土壤环境中，迁移过程包括物理化学迁移和生物迁移。 4 k a l b i t z 等印的研究发现，h g ，c r ，c u 和a s 的迁移能力与土壤中有机质( d o m ) 的含量密切相关，有机质含量高的土壤对重金属的吸附性强，其迁移的可能性 相对降低；而c d 和z n 的迁移性则更大程度上取决于土壤的p h 值以及土壤的性 质，如粘土含量，离子交换能力等。此外，关于重金属在水环境中的迁移转化， 相关综述也对其作出了详细的阐述h9 5 叫。 1 2 2 3 生态毒性 兽用药物是以抑制动物体内病原菌生长为主要目的而进行研发生产的。因 此，使得这些药物对存在于环境中的其他微生物同样具有潜在危害。近年来， 关于兽药和重金属对土壤和水环境中微生物及植物影响的研究均有开展拍卜5 6 。 兽药随畜禽粪便进入土壤后会对土壤中微生物群落结构、种群以及植物的 生长造成影响。刁晓平等畸7 1 采用安普霉素对不同地区的土壤进行了处理，结果 显示，该种兽用抗生素对土壤细菌的生长具有明显的抑制作用，在2 4 h 内细菌 的受抑制率几乎达到1 0 0 。存在于土壤中的兽药可以被植物吸收，并在其根、 茎中富集，从而对植物的营养吸收和正常生长产生不良效应陆8 ，5 9 1 。此外，兽药 通过地表径流、淋滤等途径进入水环境后还会影响水生动植物及微生物的正常 生理活动。s a n d e r s o n 等印叫对2 2 6 种抗生素的水生态毒理性进行了相关研究， 结果表明大部分抗生素对水生物均有不同程度的毒害作用：其中约有2 0 的抗 生素对藻类极毒；而将近1 3 的抗生素对鱼类极毒，超过一半的抗生素对鱼类 有毒性( e c 5 0 9 9 ，南京奥多福尼生物科技有限公司) ；甲醇、 乙腈( 色谱纯，美国天地试剂公司) ；草酸( 分析纯，开封试剂厂) ；c u s 0 4 - 5 h 2 0 ( 国药集团化学试剂有限公司) 。 2 1 3 试验设计 厌氧消化试验在容积为2 5 0 m l 的盐水瓶中进行，共设8 组处理，每组重复 2 次，各处理中均加入2 0 m l 接种污泥和13 0 m l 蒸馏水。分别向各组瓶内添加 干重1 5 9 的新鲜猪粪作为消化原料，各组抗生素和铜离子的添加水平如表2 2 所示，其中未添加试剂的处理为对照组( c k ) 。加入接种污泥和猪粪后，向各 瓶内持续通入氮气约3 m i n 以驱除氧气，并用橡皮塞塞紧，之后置于恒温气浴 振荡器中进行培养，培养温度为3 5 ，转速1 3 0r p m ，厌氧消化的持续时间为 4 5 天。试验过程中，分别于第o ，3 ，6 ，9 ，1 2 ，15 ，18 ，2 2 ，2 6 ，3 0 ，3 5 ， 9 4 0 ，4 5 天取样，测定气体成份及含量，并分析消化液内挥发性脂肪酸( v f a ) 的产生和各添加试剂的变化。 表2 2 抗生素和铜离子的添加水平 t a b l e2 - 2a d d i t i o nl e v e l so fa n t i b i o t i c sa n dc o p p e r ( i i ) 注：t c 一四环素，c t c 一金霉素，c k 一对照组 2 1 4 仪器与分析 高效液相色谱仪( l c 2 0 a d ，日本岛津公司) ；气相色谱仪( s p - 6 8 9 0 型， 山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司) ；扫描电子显微镜( j s w 6 4 9 0 l v ，日本电子 制造) ；空气浴振荡器( h z q c 型，哈尔滨市东明医疗仪器厂) ；台式离心机 ( t g l 1 6 c 型，上海安亭科学仪器厂) ；旋涡混合器( q l 8 6 1 型，海门市其 林贝尔仪器制造有限公司) ；超声波清洗器( k q 2 2 0 0 ，昆山市超声仪器有限公 司) ；电子天平( a l 2 0 4 型，梅特勒一托利多仪器有限公司) 。 抗生素的测定：试验过程中的液体样品，在1 0 0 0 0 r p m 下离心1 0 m i n ，上清 液经o 4 5 9 m 微孔滤膜过滤后供液相色谱仪测定。消化后剩余固体中吸附的抗 生素含量的测定如文献所述3 。液相色谱仪的工作条件如下： s h i m p a c k v p o d s 色谱柱( 5 9 m ，1 5 0 x 4 6 m m ，日本岛津) ；紫外检测器，检 测波长为3 5 5 n m ；流速1 0 m l m i n ；流动相为草酸溶液( 0 0 l m o l - l 。) 、乙腈 及甲醇的混合液( v ：v ：v = 7 6 ：1 6 ：8 ，p h = 2 5 ) 。测得两种抗生素色谱峰保留 时间分别为4 7 m i n 和1 1 3 m i n ，如图2 1 所示。 产气量采用标有刻度的玻璃针筒定期测定，并利用气相色谱仪分析产气中 的甲烷含量，仪器工作条件如下：t c d 检测器，检测器温度6 0 ，汽化室6 0 ，柱室温度4 0 ，桥流9 0 m a ，高纯氩作载气。厌氧消化液在1 0 0 0 0 r p m 下 离心1o m i n 后，取上清液经0 4 5 9 m 微孔滤膜过滤后加入甲酸酸化，用于测定 挥发性脂肪酸，仪器工作条件如下：f i d 检测器，检测器和汽化室温度均为2 5 0 ，柱室采用程序升温，初始温度为1 2 0 ，停留3 m i n 后以1 0 m i n 的速度 1 0 升至1 8 0 。c ，并在该温度下停留2 m i n ，载气使用空气、氮气和氢气。其余指标， 包括总氮、总磷和挥发性固体等均采用常规方法进行测定阳钊。 2 2 结果与讨论 图2 1t c 和c t c 混合标准液的h p l c 色谱图 f i g 2 1 h p l cs p e c t r u mo ft ca n dc t cs o l u t i o n 2 2 1 挥发性脂肪酸( v f a ) 的生成 猪粪厌氧消化产生的挥发性脂肪酸以乙酸、丙酸为主，另外还包括少量的 异丁酸、丁酸及戊酸。图2 2 为猪粪厌氧消化过程中乙酸、丙酸的浓度变化曲 线。由图2 - 2 ( a ) 可知，乙酸的产生分为0 - 9 天和1 4 3 5 天两个阶段，第一阶段主 要为易降解有机物的水解酸化，第二阶段则为不易降解有机物的水解。通过比 较可以看出，除c t c 组外，其余添加单一试剂的试验组，其乙酸含量明显高于 添加混合试剂的各组处理。三种试剂中，金霉素对第一阶段降解的抑制作用最 强，四环素次之，所以含金霉素的四组处理，包括c t c 组、t c + c t c 组、 c t c + c u 2 + 组和t c + c t c + c u 2 + 组的乙酸含量均较低，而t c 组的乙酸产量也同 样低于对照组( c k 组) 。试验过程中，重金属铜离子对厌氧消化的产乙酸过程 影响不大，因此c u 2 + 组的乙酸产量与对照组相比无明显差异。8 个处理组的丙 酸浓度均相差不大，如图2 2 ( b ) 所示。在整个消化周期内，各组丙酸的含量相 对较高，最高浓度均超过1 0 9 l ，而乙酸浓度相对较低，这可能由于产生的乙 酸能被产甲烷微生物直接利用。厌氧消化后期，各处理的乙酸、丙酸含量逐渐 减少，且在3 5 天后，各组浓度均降至零。由此可见，消化中无显著的挥发性 脂肪酸积累的现象，因此在该试验浓度下，抗生素和重金属铜离子的添加没有 对整个厌氧消化体系的正常运行造成明显的影响旧川。 图2 - 2厌氧消化过程中挥发性脂肪酸的生成：( a ) 乙酸，( b ) 丙酸 f i g 2 - 2 v f ap r o d u c t i o nd u r i n ga n a e r o b i cd i g e s t i o n ：( a ) a c e t a t e ，( b ) p r o p