復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、強力霉素）的殘留。利用復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，復合水平潛流人工濕地能較好地降解強力霉素（去除率達74.02%），但其對四環(huán)素類抗生素的降解機理及植物在其中的作用有待進一步研究。

固相萃取；高效液相色譜；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，且在較短時間內很難在自然界分解，導致其在一定時期內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均監(jiān)測出了相當濃度的抗生素［1，2］。近些年來，水環(huán)境中抗生素的污染問題已成為環(huán)境科學界關注的新興研究熱點［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的高效固定相的柱色譜分離技術、高效液相色譜-串聯(lián)質譜法靈敏度更高，以串聯(lián)四級桿技術準確性更高。筆者利用固相萃取-高效液相色譜-串聯(lián)質譜的方法，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）、強力霉素（DC）標準品購自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濕地構建

本試驗采取穩(wěn)定塘+復合水平潛流人工濕地組合工藝，如圖1所示。復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。花崗巖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。花崗巖與本地碎石在使用之前，需要用水沖洗干凈。在表層覆蓋150mm本地沙土或者細沙。

2.3水樣采集和樣品前處理

按圖1布設的采樣點采集水樣，將水樣置于棕色玻璃瓶中，冷藏運回實驗室。水樣預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）質譜條件。離子源為電噴霧離子源（ESI），監(jiān)測方式為多反應監(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)素類抗生素質譜分析的條件參數(shù)，見表2。

表2　質譜分析條件參數(shù)

3　結果與分析

3.1高效液相色譜質譜檢測結果

根據色譜-質譜條件，四環(huán)素類抗生素的色譜質譜如圖2—5所示。

圖2　金霉素色譜質譜

圖3　土霉素色譜質譜

圖4　四環(huán)素色譜質譜

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

圖5　強力霉素色譜質譜

表3　4種四環(huán)素類抗生素的線性范圍、檢出限、標準曲線方程、相關系數(shù)及回收率（n=3）

3.2濕地基質對四環(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)污水進水口水質中監(jiān)測出四環(huán)素和強力霉素，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，強力霉素和四環(huán)素濃度均呈下降趨勢，強力霉素的去除率為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，且強力霉素的去除率達66.24%。強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，這表明濕地介質對強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。