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土壤中典型抗生素与镉的二元竞争吸附-解吸行为及机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

土壤作为地球生态系统的重要组成部分，是人类赖以生存的物质基础，其质量状况直接关系到生态环境安全和人类健康。然而，随着现代工农业的快速发展，土壤污染问题日益严峻，其中抗生素和镉污染尤为突出。

抗生素作为一类广泛应用于医疗、畜牧和水产养殖等领域的药物，在疾病预防与治疗、促进动物生长等方面发挥着关键作用。但由于其不合理使用和排放，大量抗生素通过畜禽粪便、养殖废水和城市污水污泥等途径进入土壤环境。据相关研究显示，我国部分地区土壤中抗生素残留浓度已达到mg/kg级别，如在一些畜禽养殖场周边土壤中，四环素类抗生素的含量高达5-10mg/kg。抗生素在土壤中的长期积累，不仅会改变土壤微生物群落结构和功能，影响土壤生态系统的物质循环与能量流动，还可能导致耐药基因的传播与扩散，对人类健康构成潜在威胁。例如，土壤中的耐药基因可通过食物链传递，使人类感染耐药菌的风险增加。

镉是一种具有高毒性的重金属元素，其在土壤中的污染来源主要包括工业“三废”排放、矿山开采与冶炼、含镉农药和化肥的使用以及污水灌溉等。我国土壤镉污染形势较为严峻，2014年环境保护部和国土资源部联合公布的全国土壤污染调查公报显示，我国镉点位超标率为7.0%，南方土壤污染较重，西南、中南地区土壤重金属超标范围较大，长江三角洲、珠江三角洲、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题也较为突出。镉在土壤中具有难迁移、易积累的特点，一旦进入土壤，便会长期存在，并通过食物链在生物体内富集。当土壤中镉含量超过一定阈值时，会对植物的生长发育产生抑制作用，降低农作物的产量和品质，同时还可能通过食物链进入人体，损害人体的肾脏、骨骼和免疫系统等，引发如痛痛病等严重疾病。

在实际环境中，抗生素和镉往往同时存在于土壤中，二者之间可能发生复杂的相互作用，进而影响它们在土壤中的吸附-解吸行为、迁移转化规律以及生物有效性。研究表明，抗生素与镉在土壤中的吸附-解吸过程并非孤立进行，而是相互竞争、相互影响。例如，某些抗生素可能与镉发生络合反应，改变镉的化学形态和迁移性，从而影响镉在土壤颗粒表面的吸附；同时，镉的存在也可能改变土壤表面的电荷性质和化学组成，进而影响抗生素在土壤中的吸附位点和吸附强度。因此，深入研究土壤中典型抗生素与镉的二元竞争吸附-解吸行为，对于全面了解它们在土壤环境中的环境行为和归趋，评估其生态风险，以及制定有效的土壤污染防治措施具有重要的理论和现实意义。

从理论角度来看，探究抗生素与镉在土壤中的二元竞争吸附-解吸机制，有助于揭示二者在土壤环境中的相互作用规律，丰富土壤化学和环境科学的理论知识，为进一步研究多污染物共存体系下的土壤环境行为提供理论基础。从现实应用角度出发，明确抗生素与镉在土壤中的竞争吸附-解吸行为，能够为土壤污染的风险评估提供科学依据，有助于筛选和开发高效、绿色的土壤修复技术，从而为保护土壤生态环境、保障农产品质量安全和人类健康提供有力支持。

1.2国内外研究现状

1.2.1土壤中抗生素的吸附解吸研究

在抗生素吸附解吸研究领域，国内外学者已取得了一系列重要成果。在吸附方面，研究表明土壤对不同类型抗生素的吸附能力存在显著差异。如四环素类抗生素，因其结构中含有多个可与土壤颗粒表面发生相互作用的官能团，能被土壤强烈吸附。有研究利用批量平衡实验研究了四环素在黑土、棕壤和红壤中的吸附特性，发现三种土壤对四环素的吸附能力大小顺序为黑土棕壤红壤，这主要归因于土壤有机质含量、阳离子交换容量以及黏土矿物组成的差异。对于磺胺类抗生素，其吸附过程受土壤pH值影响较大，在酸性条件下，磺胺类抗生素的质子化作用增强，与土壤颗粒表面的静电吸引作用增大，从而吸附量增加。而在碱性条件下，磺胺类抗生素的解离程度增大，与土壤颗粒表面的静电排斥作用增强，吸附量减少。

在解吸方面，抗生素从土壤中的解吸过程通常表现出滞后现象，即解吸等温线与吸附等温线不重合。解吸滞后的程度与土壤性质、抗生素种类以及环境条件密切相关。例如，土壤中有机质含量越高，其对某些抗生素的解吸滞后作用越明显，这是因为有机质中的官能团与抗生素形成了较为稳定的结合，阻碍了抗生素的解吸。研究还发现，解吸过程中抗生素的形态变化也会影响其解吸行为，如某些抗生素在解吸过程中可能会发生质子化或解离反应，改变其与土壤颗粒表面的相互作用方式，进而影响解吸量和滞后系数。

此外，众多环境因素被证实会显著影响抗生素在土壤中的吸附解吸行为。土壤pH值通过改变土壤颗粒表面的电荷性质以及抗生素的解离程度，对吸附解吸过程产生重要影响。在酸性土壤中，一些抗生素更容易被吸附，而在碱性土壤中则更易解吸。离子强度的变化会影响土壤颗粒表面的双电层厚