組合人工濕地對(duì)污水處理廠尾水中磺胺類抗生素的去除效果

組合人工濕地對(duì)污水處理廠尾水中磺胺類抗生素的去除效果

0不同基質(zhì)材料人工濕地對(duì)sas的去除效率磺胺類抗生素（sa）是第一種合成抗菌藥物，被廣泛用于預(yù)防、控制人類、鳥類和水生養(yǎng)殖中的各種細(xì)菌感染疾病。但該類藥物在人體和動(dòng)物機(jī)體中不能夠被完全代謝,以原藥和代謝產(chǎn)物的形式排出體外。目前在污水處理廠、農(nóng)田、河流、湖泊,甚至地下水中都能檢測(cè)到SAs。其最主要的代謝物———N4乙酰代謝物也逐漸成為水環(huán)境中的監(jiān)測(cè)目標(biāo)物,質(zhì)量濃度甚至達(dá)2.2μg/L。進(jìn)入環(huán)境中的抗生素會(huì)經(jīng)過吸附、遷移和降解等一系列生物轉(zhuǎn)化過程,但目前的污水處理工藝仍不能完全去除SAs。人工濕地作為水生態(tài)處理工藝,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于污水處理,其對(duì)微量有機(jī)物也具有一定的去除能力;但不同構(gòu)型的人工濕地對(duì)SAs的去除效率差異較大,從0.4%到99%不等。此外,在SAs的生物降解過程中有大量N4乙酰代謝物生成。雖然在污水處理廠中N4乙酰代謝物濃度顯著降低,但母體濃度變化不大甚至有所增加,表面流人工濕地對(duì)磺胺甲彧唑的去除效率甚至為-104%,表明可能存在N4乙酰代謝物生成母體的現(xiàn)象。因此,在研究中需增加對(duì)N4乙酰代謝物的監(jiān)測(cè),以更準(zhǔn)確地估計(jì)對(duì)SAs的去除效率。植物的直接吸收作用是人工濕地污染物的重要去除機(jī)理之一。辛醇水分配系數(shù)0.5<lgKow<3的化合物既具有足夠的親脂性,可以通過膜上的脂質(zhì)雙分子層,又具有足夠的親水性,可以進(jìn)入細(xì)胞液。以往的研究認(rèn)為,lgKow<1即極性太強(qiáng)的化合物不易被植物吸收。但目前的研究發(fā)現(xiàn),SAs可以在植物體內(nèi)富集,但不同植物對(duì)不同抗生素的積累特征存在差異?？股卦谔}卜、油菜、芹菜和香菜各部位的分布由高到低為葉、莖、根,而蘆葦體內(nèi)磺胺二甲基嘧啶的分布由高到低為根、葉、莖。SAs是水溶性的弱螯合劑,容易遷移至水體中,吸附并不被認(rèn)為是其最主要的去除途徑。濕地基質(zhì)表面生物膜的吸附作用也是濕地去除有機(jī)物質(zhì)的重要機(jī)制之一?；前芳走蛟谏锬ど系姆峙湎禂?shù)為(4000±1000)L/kg。有機(jī)物在人工濕地中主要以沉淀或吸附被截留后再進(jìn)行生物降解,且植物的作用可影響有機(jī)物在濕地內(nèi)部的分布。但目前關(guān)于植物吸收及基質(zhì)吸附對(duì)人工濕地去除SAs的影響的研究尚不多見。因此,本文利用固相萃取(SPE)-高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)的方法,同時(shí)測(cè)定水體中的SAs及其N4乙酰代謝物,明確垂直流與水平潛流串聯(lián)的組合人工濕地對(duì)污水處理廠尾水中SAs的去除效率,同時(shí),考察濕地植物組織對(duì)SAs的積累特征及濕地基質(zhì)表面SAs的吸附特征,初步探討人工濕地對(duì)SAs的可能去除途徑。1材料和方法1.1n4乙酰衍生物及其衍生物的合成6種SAs標(biāo)準(zhǔn)品(德國Dr.Ehrensorfer公司,純度>98%)分別為:磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)、磺胺吡啶(Sulfapyridine,SPD)、磺胺醋酰(Sulfacetamide,SCM)、磺胺甲基嘧啶(Sulfamerazine,SMZ1)、磺胺二甲基嘧啶(Sulfamethazine,SMZ2)、磺胺甲彧唑(Sulfamethoxazole,SMX)。4種N4乙酰代謝物標(biāo)準(zhǔn)品(TRC,純度>98%)分別為:Ac-SDZ(N4-acetylsulfadiazine)、Ac-SMX(N4-acetylsulfamethoxazole)、AcSMZ1(N4-acetylsulfamerazine)、Ac-SMZ2(N4-acetylsulfamethazine)。以上化合物的結(jié)構(gòu)及特性見表1。配制質(zhì)量濃度為100mg/L的標(biāo)準(zhǔn)品儲(chǔ)備液,在4℃下避光保存,使用期為6個(gè)月。1.2濕地公園樣品采集構(gòu)建以垂直流濕地(長(zhǎng)6.0m×寬4.0m×高1.5m)串聯(lián)水平潛流濕地(長(zhǎng)6.0m×寬4.5m×高0.8m)的組合人工濕地(圖1),包括有植物和無植物兩套組合濕地系統(tǒng),用于處理廣東惠州H4污水處理廠尾水(主要處理工藝為活性污泥法)。濕地系統(tǒng)以礫石為填料,在布水區(qū)和集水區(qū)填充大粒徑(3~5cm)礫石,其他區(qū)域填充小粒徑(1~3cm)礫石。其中濕地植物選用耐污性好、去污能力強(qiáng)的美人蕉(Cannaindica),花葉蘆竹(Arundodonax)和風(fēng)車草(Cyperusalternifolius)等混合種植。組合濕地自2013年改建后一直處于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(水力負(fù)荷為0.5m/d)。于2013年12月天氣晴朗的3d分別進(jìn)行水樣采集,包括濕地進(jìn)水(污水處理廠出水)、有植物和無植物系統(tǒng)的垂直潛流濕地出水、水平潛流濕地出水。采樣后立即用4mol/LH2SO4調(diào)節(jié)其pH值至3左右,冷凍保存并及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,處理前(48h內(nèi))置于4℃冷庫中保存。并于2013年4月、8月和10月分別對(duì)濕地植物進(jìn)行部分收割,主要收割植物地上的莖葉部分。同時(shí),以梅花布點(diǎn)對(duì)濕地表層(20~35cm)和底層(60~80cm)的基質(zhì)進(jìn)行采集。1.3回收率的測(cè)定將所采水樣過GF/F膜(孔徑為0.7μm,直徑為47mm,英國Whatman公司),以除去水樣中的懸浮物。固相萃取時(shí),依次用5mL(×2次)甲醇和5mL(×2次)超純水活化固相萃取(SPE)的OasisHLB小柱(6mL/500mg,Waters公司),然后將水樣以10mL/min的速度過小柱。待水樣處理完成后,用5%甲醇清洗小柱,以去除與小柱結(jié)合疏松的雜質(zhì)。然后抽真空干燥2h,以去除殘留的水分。再用3mL(×4次)甲醇洗脫小柱上保留的抗生素,將洗脫液氮吹至近干,最后將樣品重新溶解于1mL甲醇中。將所得溶液過0.22μm有機(jī)相濾膜(Waters公司)以去除雜質(zhì),保存在2mL棕色進(jìn)樣瓶(美國AgilentTechnologies)中,在-18℃下保存,待測(cè)。將收獲的植物在24h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室處理,用自來水沖洗表面雜質(zhì),隨后用超純水沖洗;瀝干水分后分為根、莖和葉各部分,冷凍干燥。利用植物粉碎機(jī)粉碎已干燥植物樣品,過孔徑150μm篩。稱取1.00g樣品置于50mL離心管中,加入100ngSMZ1作為內(nèi)標(biāo),平衡12h后,加入0.1g無水硫酸鈉、0.02g無水乙酸鈉、0.01g乙二胺四乙酸二鈉、0.015g無水氯化鈣及3mL乙腈,振蕩后超聲提取20min,在10℃下離心(16000r/min)5min,收集上清液,殘?jiān)蒙鲜龇椒ǚ磸?fù)提取3次,合并上清液。將上清液轉(zhuǎn)移到50mL具塞離心管中,加入9mL正己烷進(jìn)行液-液萃取2次,以去除脂類物質(zhì),提高回收率。收集下層液體于雞心瓶中,于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上減壓蒸發(fā)至1mL左右,在超聲波清洗器中用20mLEDTA-Mcllvaine緩沖液(檸檬酸12.9g、磷酸氫二鈉27.5g、乙二胺四乙酸二鈉37.2g,溶于水中并定容到1L)清洗雞心瓶,待過柱凈化富集。用HLB柱萃取富集,萃取步驟如上所述,定容至1mL,待測(cè)。稱取一定量冷凍干燥的基質(zhì)樣品置于100mL三角錐瓶中,加入100ngSMZ1作為內(nèi)標(biāo),平衡12h后,加入V(甲醇)∶V(EDTA-Mcllvaine緩沖液)=1∶1混合液,振蕩、超聲提取各10min,收集上清液。再用上述方法反復(fù)提取2次,合并提取液。提取液經(jīng)GF/F過濾后,用超純水稀釋至甲醇體積分?jǐn)?shù)低于2%,用HLB柱萃取富集,萃取步驟如上所述,定容至1mL,待測(cè)。1.4流動(dòng)相的制備高效液相色譜儀HP1100LC(美國AgilentTechnologies),AgilentZORBAXSB-C8色譜柱(2.1mm×150mm,3.5μm);柱溫25℃;進(jìn)樣量5μL,流速為0.3mL/min。流動(dòng)相包括體積分?jǐn)?shù)為0.1%的甲酸水溶液(A)和乙腈(B),使用梯度洗脫來優(yōu)化分離,設(shè)置V(A)∶V(B)為88%∶12%(0min)、65%∶35%(8min)、25%∶75%(11.6min)、88%∶12%(11.7min)、88%∶12%(20min)。AB4000QTRAP質(zhì)譜儀(美國ABSCIEX),離子源為ESI源正離子模式,氣簾氣壓力為172.38kPa,離子源電壓為5500V,干燥氣溫度為500℃,霧化氣壓力為413.70kPa,干燥器氣壓力為344.75kPa。1.5方法的線性回歸分析采用樣品基質(zhì)加標(biāo)法,可有效減輕基質(zhì)干擾,使定量分析更加準(zhǔn)確。將水樣空白樣品進(jìn)行上述的提取、濃縮,定容至2mL,獲得基質(zhì)溶液。用基質(zhì)溶液將標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋成1~100μg/L的系列溶液,分別以各種物質(zhì)的質(zhì)量濃度ρ(μg/L)對(duì)峰面積A進(jìn)行線性回歸分析。在1~100μg/L范圍內(nèi),本方法線性關(guān)系良好,決定系數(shù)R2均大于0.994(表2)。在樣品基質(zhì)稀釋標(biāo)準(zhǔn)曲線上的最低質(zhì)量濃度出峰時(shí),分別取信噪比S/N=3和S/N=10對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度為方法檢出限(LOD)和定量限(LOQ)。目標(biāo)物的檢出限為0.022~0.411μg/L,定量限為0.075~1.370μg/L(表2)。因污水處理廠尾水中未檢出SMZ1,植物組織和基質(zhì)樣品以SMZ1作為內(nèi)標(biāo)。目標(biāo)物質(zhì)量濃度計(jì)算式為式中Ae和Aestd分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)品中目標(biāo)物的峰面積;Ai和Aistd分別為樣品和標(biāo)準(zhǔn)品中內(nèi)標(biāo)的峰面積;ρstd為標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量濃度,μg/L。同時(shí),選用空白樣品,添加100μg/L的目標(biāo)物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,按上述方法進(jìn)行分析,獲得各化合物的加標(biāo)回收率,見表2。2結(jié)果與分析2.1組合濕地的污染能力污水處理廠尾水中檢出4種SAs和4種N4乙酰代謝物。其中,SMX質(zhì)量濃度占SAs總量的70.8%,Ac-SMX質(zhì)量濃度占N4乙酰代謝物總量的93.2%,且N4乙酰代謝物質(zhì)量濃度是母體質(zhì)量濃度的1.76~6.55倍(表3)。按照母體和代謝物總量為198.035ng/L計(jì)算組合濕地平均污染負(fù)荷,為99.02μg/(m2·d)。結(jié)合母體和代謝物綜合考察濕地的去除效率,有植物組合濕地的去除效率(72.31%)高于無植物組合濕地(59.71%)。其中,有植物和無植物垂直潛流濕地的去除效率無顯著差異(p>0.05),均值分別為67.06%和64.80%;而有植物水平潛流濕地的去除效率顯著高于無植物水平潛流(p<0.05),均值分別為15.95%和-14.46%。此外,組合濕地對(duì)4種Ac-SAs的去除效率顯著高于SAs(p<0.05),且后者基本為負(fù)值(表3)。這表明存在N4乙酰代謝物形成母體的現(xiàn)象。2.2采用sa和蘆竹生長(zhǎng)在3種濕地植物的根、莖、葉中均有檢出SAs,其質(zhì)量比為地下組織(根)大于地上組織(葉和莖);富集量最大的抗生素種類為SMX和SPD,占總量的50%以上,與水體中的含量規(guī)律基本一致;且美人蕉組織中SAs質(zhì)量比最高,其次為風(fēng)車草,花葉蘆竹較低(圖2)。對(duì)植物地上部分(莖葉)進(jìn)行收割,美人蕉、風(fēng)車草和花葉蘆竹生物量分別為(0.56±0.14)kgdw/(m2·a)、(3.79±0.81)kgdw/(m2·a)和(2.63±0.74)kgdw/(m2·a);以此計(jì)算收割植物對(duì)SAs的去除負(fù)荷,均值分別為8.47μg/(m2·a)、33.54μg/(m2·a)和8.67μg/(m2·a),合計(jì)50.68μg/(m2·a)。2.3基質(zhì)吸附量對(duì)比濕地基質(zhì)對(duì)SAs的吸附質(zhì)量比范圍為0.34~1.59ng/gdw;其中,有植物垂直流濕地表層基質(zhì)吸附量顯著高于底層基質(zhì)(p<0.05),有植物水平潛流濕地進(jìn)水端吸附量稍高于出水端;而無植物垂直流濕地底層基質(zhì)吸附量顯著高于表層吸附量(p<0.05),無植物水平潛流濕地進(jìn)水端和出水端基質(zhì)吸附量則無顯著性差異(p>0.05)(圖3(a))。各化合物比例也與污水中的規(guī)律一致(圖3(b))。以各濕地的平均質(zhì)量比計(jì)算基質(zhì)吸附SAs的去除負(fù)荷,有植物垂直流濕地和水平潛流濕地分別為1.17mg/m2和0.25mg/m2,高于無植物濕地的0.69mg/m2和0.18mg/m2。3人工濕地固結(jié)前后sas的變化盡管污水處理廠對(duì)有機(jī)物有較好的去除效率,但由于缺乏針對(duì)SAs去除的工藝,尾水中仍有SAs和Ac-SAs檢出。利用垂直流串聯(lián)水平潛流的組合濕地對(duì)其進(jìn)行處理,有植物和無植物濕地對(duì)母體和代謝物的總?cè)コ史謩e為72.31%和59.71%(表3),表明垂直流-水平潛流組合濕地可作為有效的SAs處理工藝,用于城市污水深度處理。進(jìn)入到生物體內(nèi)的SAs將近43%以N4乙酰代謝物排出,僅有15%~25%以母體排出;且經(jīng)污水處理工藝的生物轉(zhuǎn)化后,尾水中的Ac-SAs質(zhì)量濃度是母體的1.76~6.55倍(表3)。瑞士某污水處理廠的檢測(cè)也發(fā)現(xiàn),Ac-SMX的濃度是SMX的2.5~3.5倍。因此,有必要對(duì)抗生素代謝物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文組合濕地對(duì)Ac-SAs的去除效率普遍高于SAs(表3),這與Xu等在河流底泥-水系統(tǒng)中的研究結(jié)果一致。但本文對(duì)SAs的去除效率僅為-41.97%~25.21%(表3)。Radke等指出,在存在大量水土界面時(shí)會(huì)發(fā)生Ac-SMX生成母體SMX的現(xiàn)象;而人工濕地內(nèi)部基質(zhì)-水體相互作用的界面也導(dǎo)致少量代謝物向母體轉(zhuǎn)化。因此,結(jié)合母體和代謝物可更準(zhǔn)確估計(jì)人工濕地的去除效率。Dettenmaier等指出,親水性更好的化合物更可能被根系吸收和轉(zhuǎn)移。本文3種濕地植物的根和莖葉組織中均有檢出SAs,表明植物的直接吸收作用對(duì)濕地去除SAs具有一定貢獻(xiàn)。與Liu等的研究結(jié)果一致,SAs在植物體各部位的分布由高到低為根、葉、莖,且組織中的質(zhì)量比與水體質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系。一旦進(jìn)入植物組織,有機(jī)物可能經(jīng)氧化、還原、水解或與谷胱甘肽、糖和氨基酸形成共軛物等途徑代謝,因此,植物組織剩余積累量?jī)H占系統(tǒng)去除總量的很小部分。濕地植物發(fā)達(dá)的根系可保持并提高礫石的孔隙度,也有利于有機(jī)質(zhì)的積累。Tanner等研究發(fā)現(xiàn),有植物濕地中基質(zhì)表面有機(jī)質(zhì)含量顯著高于無植物濕地。SAs含有苯胺基和酰胺基兩個(gè)離子型官能團(tuán),有機(jī)質(zhì)中的極性基團(tuán)(酚羥基和羧基等)和三維孔隙能夠與SAs通過氫鍵作用和范德華作用鍵合,使它們更容易吸附在有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤中。因此,本文有植物濕地基質(zhì)對(duì)SAs的吸附量要大于無植物濕地基質(zhì)(圖3(a))。有植物濕地基質(zhì)吸附規(guī)律也與無植物濕地存在差異:有植物垂直流濕地因表層密集根系的攔截,基質(zhì)SAs吸附量大于底層,而無植物垂直流濕地則因水力沖刷作用,更多的SAs被吸附在底層基質(zhì)中;無植物水平潛流濕地因水平推流作用,進(jìn)水端和出水端基質(zhì)SAs吸附量無差異,而有植物水平潛流進(jìn)水端基質(zhì)吸附量稍高于出水端。濕地植物的直接和間接作用引起的濕地對(duì)SAs的截留,更有利于抗生素在濕地內(nèi)部發(fā)生充分的物理、化學(xué)或生物過程。濕地植物可通過根系泌氧,改變根際界面微生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)根際微生物對(duì)有機(jī)物的降解和轉(zhuǎn)化。本文有植物水平潛流的去除效率高于無植物水平潛流(表3),與Hijosa-Valsero等關(guān)于水平潛流濕地的研究