均勻流場水平潛流人工濕地對四環素類抗生素的去除效果

石路路，丁海靜，白少元，，王敦球，王榮華

（1. 桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學 廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004；3. 廣西恒晟水環境治理有限公司，廣西 桂林 541004）

我國每年生產約210 kt抗生素，其中75%用于農業和醫藥行業［1］。抗生素進入人和動物體內難以被完全吸收，30%～90%會通過糞便和尿液排出［2］，由于其較高的水溶性和較低的生物降解性，難以從環境中去除［3-4］。四環素類抗生素（TCs）被廣泛用于治療人類疾病和飼養家畜［5］，其使用后的殘留及環境行為受到了人們的廣泛關注［6-7］。

人工濕地（CW）作為一種生態處理技術具有運行成本低、易維護、處理效果好和環境友好等優點［8］。已有研究證明，CW可有效去除城市和農業廢水中的各種污染物［9-10］，對醫藥廢水的處理效果也很好［11］。目前，關于CW在處理含四環素類廢水過程中產生的代謝產物及植物累積方面的研究還未見報道。

本研究通過構建均勻流場水平潛流CW，研究了其對4種TCs的去除效果及處理后出水中差向代謝產物的含量，探討4種TCs在植物體內的累積情況，為實際工程中CW的合理構建提供理論支持和借鑒。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑和儀器

實驗用水為人工配水，水質如下：TOC為120 mg/L，碳源為無水乙酸鈉；ρ（NH4+-N）為30 mg/L，用NH4Cl 和 NaNO3按質量比1∶1配制；TP為6 mg/L，用 KH2PO4配制；土霉素（Oxytetracycline，OTC）、四環素（Tetracycline，TC）、金霉素（Chlortetracycline，CTC）和強力霉素（Doxycycline，DC）的質量濃度均為200 μg/L，分別由分析純的抗生素藥品配制。

4種TCs（OTC、TC、CTC、DC）的標準液和代謝產物標準品均購自上海麥克林公司，純度大于98%；甲酸、甲醇為色譜純；無水乙酸鈉、NH4Cl、NaNO3、KH2PO4、Na2EDTA均為分析純；超純水。

HP 1260 LC型高效液相色譜儀：美國Agilent公司；6010型紫外分光光度計：惠普公司。

1.2 實驗方法

在運行時間超過6 a的CW系統中進行實驗（圖1）。系統由2.0 m×1.0 m×0.6 m、厚度為3 mm的不銹鋼箱體構成。填充6層不同粒徑的石英砂，每層厚度為0.1 m，從表面到底部，石英砂粒徑分別為≤0.6 mm、0.4～0.6 mm、0.6～0.9 mm、0.9～2.0 mm、2.0～4.0 mm和 4.0～6.0 mm。床體分為 3部分，左右兩端分別為長度0.2 m 的布水區和集水區，中間主體填料區長度為1.6 m，共設置12個沿程取樣口和集水區最終出水口，由于反應器運行時間過長，第8個取樣點已無法取樣（圖1中紅色位點）。濕地植物為美人蕉。

由蠕動泵控制進水，水力停留時間（HRT）為2 d。每隔10 d通過采樣點采集水樣，分析測定各沿程取樣點和最終出水口水樣中4種TCs的濃度、最終出水口水樣中差向代謝產物的含量以及水樣中的TOC、ρ（NH4+-N）和 TP。實驗末期收割濕地植物美人蕉，分析TCs 在美人蕉中的累積情況。

圖1 CW實驗裝置示意

1.3 分析方法

1.3.1 樣品前處理

水樣前處理：量取300 mL水樣，加入150 mg Na2EDTA，過0.45 μm混合濾膜，真空抽濾，調節濾液pH為3。

植物前處理：將植物連根拔起，分別用自來水和去離子水洗滌，分別取美人蕉的根、莖、葉2 g于研缽中搗碎，加入10 mL甲醇和0.2 g Na2EDTA，轉入離心管在40 ℃下振蕩后靜置45 min，在 10 ℃下以10 000 r/min的轉速離心5 min，收集上清液，殘渣用上述方法反復提取3 次，將3次提取液合并，以超純水定容至300 mL，真空抽濾后調節pH為3。

水樣和植物前處理結束后進行固相萃取。分別用6 mL甲醇和5 mL水活化固相萃取小柱。在真空泵的負壓作用下，待測溶液以穩定流速通過小柱，流速為10 mL/min。用3 mL 超純水淋洗固相萃取柱，分別用3 mL甲醇洗脫兩次，洗脫液在氮氣流下吹干，用甲醇定容至1 mL，過 0.22 μm濾膜，待測［12］，所有樣品在上機分析前儲存在-4℃冰箱內。

1.3.2 抗生素檢測

采用帶有紫外線檢測器的高效液相色譜儀測定水樣中4種TCs及3種差向產物的質量濃度。Waters C18 色譜柱（250 mm×4.6 mm×5 μm），柱溫30 ℃，進樣量20 μL，流量0.8 mL/min，檢測波長265 nm。流動相為體積分數為0.1%的甲酸和甲醇，體積比為 65∶35。

1.3.3 水質檢測

采用納氏試劑紫外分光光度法測定ρ（NH4+-N）［13］；采用鉬酸銨分光光度法測定TP［13］；采用紫外吸收光譜法測定TOC［13］。

1.4 數據分析

數據均用Excel 2010計算，用sigmaplot 12.5、surfer 9.0作圖。

2 結果與討論

2.1 TCs在CW中的去除及沿程變化情況

在HRT為2 d的條件下，CW對OTC、CTC、TC和DC的平均去除率分別為98.62%、93.06%、99.13%和92.25%，去除效果顯著優于相關報道的結果［14］。其原因可能是因為系統中的水以水平方式推進，兼性厭氧微生物比較活躍［15］。比較而言，4種TCs中TC和OTC的去除效果比CTC和DC更好。

CW系統中4種TCs的沿程變化情況見圖2。由圖2可見：在CW系統中，在0～40 cm之間，OTC、CTC、DC的質量濃度均快速降至60 μg/L以下；40～160 cm之間，TC、CTC、DC的質量濃度均小于32 μg/L；以上3種TCs在垂直方向濃度變化無明顯規律，這主要是由于OTC、CTC、DC受垂直方向ORP變化影響不大，僅體現出水平推流降解特征。TC的沿程變化情況呈現出與此不同的規律，在0～80 cm之間，TC的質量濃度速降至60 μg/L以下；80～160 cm之間，出現點狀高濃度區，以第3個取樣點為核心，濃度呈輻射式下降；垂直方向上僅在100～140 cm之間TC的質量濃度由高至低變化規律較為明顯。

圖2 4種TCs的沿程變化情況

2.2 出水中代謝產物的含量

CW最終出水口水樣中4種TCs及3種差向代謝產物的質量濃度見圖3。由圖3可見：出水中OTC、CTC、TC和DC的質量濃度分別為（13.88±1.53）μg/L、（2.75±1.53） μg/L、（1.72±1.76） μg/L和（15.50±1.53） μg/L，3種代謝產物差向土霉素（EOTC）、差向金霉素（ECTC）和差向四環素（ETC）的質量濃度分別為（3.69±0.23） μg/L、（13.81±0.47） μg/L和（19.00±0.63） μg/L。

美人蕉各部位的TCs含量見圖4。由圖4可見：在美人蕉的根、莖、葉中只檢出了OTC和TC，TC的含量高于OTC；在植物的根和莖部位TC含量分別為38.71 μg/kg和43.16 μg/kg，明顯高于葉中的TC含量。植物通過主動吸收和被動運輸來吸收和轉移抗生素，其對抗生素的主動吸收取決于pKa值和pH分配，而植物體內抗生素的累積又與辛醇-水平衡系數的對數（lgKow）密切相關［16-17］。HERKLOTZ等［18］研究發現，植物可以有效吸收具有最佳疏水性的抗生素。本研究中，OTC和TC的 lgKow＜1，使它們可以進入植物的根部，并被輸送到植物的各個組織，通過糖基化或與大分子結合達到最終降解［19］。植物對抗生素的吸收主要是隨水分轉移以及植物的被動運輸。

圖3 出水中4種TCs及3種差向代謝產物的質量濃度

圖4 美人蕉各部位的TCs含量

2.3 常規污染物去除效果

3 結論

a）利用均勻流場水平潛流CW系統對TCs進行處理，在HRT為2 d，OTC、CTC、TC和DC的進水質量濃度均為200 μg/L的條件下，CW對上述4種TCs的平均去除率分別為98.62%、93.06%、99.13%和92.25%，對TC和OTC的去除效果好于CTC和DC。

b）出水中OTC、CTC、TC和DC的質量濃度分別為（13.88±1.53） μg/L、（2.75±1.53） μg/L、（1.72±1.76） μg/L和（15.50±1.53） μg/L，3種代謝產物差向土霉素（EOTC）、差向金霉素（ECTC）和差向四環素（ETC）的質量濃度分別為（3.69±0.23）μg/L、（13.81±0.47） μg/L和（19.00±0.63） μg/L。

c）濕地植物美人蕉的根、莖和葉中只檢出了TC和OTC，TC的含量高于OTC；在植物的根和莖部位TC含量分別為38.71 μg/kg和43.16 μg/kg，明顯高于葉中的TC含量。

d）出水中TOC、NH4+-N和TP的平均去除率分別為98.45%、79.67%和76.74%。