?平衡透析：土壤顆粒對磺胺藥物分子的pH依賴性吸附
1. 簡介
藥用有機(jī)化合物進(jìn)土壤，與土壤顆粒結(jié)合形成殘留是重要的環(huán)境問題之一。目前，雖已有多種方法用于有機(jī)化合物與土壤的結(jié)合研究，但都有一定局限，包括對特定化合物狀態(tài)及實(shí)驗(yàn)條件的要求，以及在樣品的分離過程中，游離與結(jié)合外源化合物之間平衡的破壞。
土壤pH值是影響可電離化合物與土壤結(jié)合的因素之一，但要研究該過程非常困難，因?yàn)橥寥乐杏袡C(jī)碳含量及礦物組成等都會(huì)改變化合物的整體吸附過程。
平衡透析可用于環(huán)境樣品中土壤/水的分布實(shí)驗(yàn)，也可用于研究有機(jī)化合物在生物基質(zhì)上的結(jié)合特性，包括土壤中溶解的有機(jī)物質(zhì)。平衡透析的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對簡單，可形成一個(gè)由有機(jī)化合物、土壤、土壤溶解成分組成的三相系統(tǒng)，結(jié)合對測試數(shù)據(jù)的公式演算，即可用于研究復(fù)雜的交互反應(yīng)。
本文旨在使用平衡透析研究土壤pH對磺胺類化合物在土壤黏土成分中吸附過程的影響。之前已有初步實(shí)驗(yàn)顯示，在較低pH條件下，化合物與土壤顆粒的結(jié)合能力高于高pH條件下的結(jié)果，但尚無確定結(jié)論。此外，實(shí)驗(yàn)使用了不同尺寸的黏土顆粒，因?yàn)榻档皖w粒尺寸可增加吸附位點(diǎn)，相比土壤原料，其吸附結(jié)果被放大，方便計(jì)量觀察。
2. 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)測試化合物磺胺氯噠嗪（SCA）、磺乙酰胺（SCA）及磺胺多辛（SDO），土壤樣品使用Jyndevad及Rothamsted地區(qū)表層土，后者土壤本身具有獨(dú)特的天然連續(xù)pH梯度（pH 4.3 – 7.6）。土壤樣品用2mm濾網(wǎng)均質(zhì)篩分并凍干后，加入緩沖液或純水形成泥漿，再透析去除12kD以下成分，過濾去除2μm以上成分，最后濾液離心獲得0.1-2μm黏土成分，或過0.45μm過濾器獲得< 0.45μm成分。稱量確定黏土終含量為0.2-0.5g L-1。
平衡透析實(shí)驗(yàn)使用如圖所示自制設(shè)備，設(shè)備由兩個(gè)20ml半室組成，中間由12-14kD Spectra/Por? 2半透膜隔開（產(chǎn)品編號：132680；扁平寬度：45mm；直徑：29mm），可允許特定尺寸化合物通過。實(shí)驗(yàn)也可直接使用仕必純多量透析器（產(chǎn)品編號：132377或132379；半室容量：10ml或50ml）。實(shí)驗(yàn)分測試組和對照組。在測試組中，一個(gè)半室加入含黏土顆粒的緩沖液，另一個(gè)半室加入已知濃度的化合物溶液（100-200μg L-1），而對照組的該半室只加入純緩沖液。對于無天然酸堿度的Jyndevad土壤樣品，使用檸檬酸鉀、硼酸等緩沖液調(diào)節(jié)特定pH值，而Rothamsted樣品無需調(diào)節(jié)pH值。
設(shè)備加樣后密封，在室溫條件下于暗處震蕩72h以上，直至結(jié)合平衡。從設(shè)備的無黏土半室取樣，加入內(nèi)標(biāo)后，使用LC-MS/MS對化合物做定量分析。此外，實(shí)驗(yàn)使用已有明確參考數(shù)據(jù)的3,5-二氯苯酚對實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行驗(yàn)證。
土壤/水系統(tǒng)中的分布系數(shù)Kd定義為化合物吸附相Csoil和溶液相Caq中的平衡濃度比：
，Kd可使用平衡透析測試進(jìn)一步與吸附實(shí)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)：
，其中Cref為平衡時(shí)，對照組中的化合物濃度，Cw為平衡時(shí)測試組中無黏土半室內(nèi)的化合物濃度，m為測試組中黏土溶液內(nèi)的粘土含量。計(jì)算結(jié)果可進(jìn)一步用于計(jì)算化合物的狀態(tài)依賴性分布，即視Kd為中性及離子化化合物的吸附總和：
，其中
和
分別為中性及離子化合物的土壤/水分布系數(shù)，
和
分別為以中性或離子形式存在的化合物數(shù)量，可計(jì)算為
及
，HA與A-分別為以中性或離子形式存在的化合物的量。
?
?
3. 結(jié)果
實(shí)驗(yàn)使用3,5-二氯苯酚為實(shí)驗(yàn)設(shè)置的可行性和可靠性進(jìn)行了確認(rèn)，測試結(jié)果與先前的報(bào)道結(jié)果一致，說明本實(shí)驗(yàn)設(shè)置可用于進(jìn)行透析實(shí)驗(yàn)。實(shí)際測試前進(jìn)行了172h的預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同樣品在72h內(nèi)均可達(dá)到平衡，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間均采用72h。
實(shí)驗(yàn)使用有機(jī)緩沖液調(diào)節(jié)pH的Jyndevad和具有天然pH梯度的Rothamsted土壤樣品測試SDZ的吸附行為，結(jié)果獲得相似的吸附行為，說明在實(shí)驗(yàn)過程中，使用緩沖液調(diào)節(jié)獲得特定pH值，不會(huì)顯著影響有機(jī)化合物在土壤樣品中的pH依賴性吸附行為。
?在pH4.0條件下，SDZ在<0.45μm和0.1-2μm黏土成分中的Kd值分別為43及129L kg-1，而在pH9.0條件下，該值分別為1.3及4.6 L kg-1。SCA和SDO的吸附行為同樣隨pH升高而降低，在較低pH條件下，SCA和SDO的最大Kd值分別為83及211 L kg-1，而在高pH條件下，為4.8及1.2 L kg-1。結(jié)果表明，由于pH值不同而導(dǎo)致的化合物狀態(tài)差異會(huì)顯著影響化合物在土壤中的吸附行為。
4. 討論
?平衡透析實(shí)驗(yàn)設(shè)置簡單，可用于土壤環(huán)境中化合物吸附行為的研究，除pH外，還可用于評估溶解有機(jī)質(zhì)、鹽度等影響因素。結(jié)合簡單的計(jì)算模型，可獲得中性及離子化化合物的總吸附指數(shù)。實(shí)驗(yàn)取樣過程也不會(huì)破壞平衡狀態(tài)。
當(dāng)然，化合物吸附實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)受到諸多因素的影響，如溶液中的土壤含量、土壤顆粒的尺寸、緩沖液的狀態(tài)以及化合物本身的分子大小及結(jié)構(gòu)等，這些都需要進(jìn)一步的綜合實(shí)驗(yàn)測試。
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