基于离心模拟技术的土壤抗生素迁移及生物有效性研究

Soil and groundwater pollution, caused by the abuse of antibiotics in medical and breeding industry, and the emissions without criterion of pharmaceutical industry, have greatly aroused worldwide attention. Antibiotic pollution problems for China, as a large consuming country of antibiotics, need to be solved. Centrifugal modeling is advantageous for experimental studies of contamination migration in the geotechnical engineering laboratory because the level of stress identical to that for the prototype can be attained and the experimental duration can be shortened greatly. The research about the application of centrifugal modeling to the environmental behavior and bioavailability of antibiotics in soil or groundwater was not published. Evaluation of bioavailability of organic contamination in the environment has important significance on the bioremediation practice, ecotoxicity and environmental risk assessment. This proposed research will present the several migratory scenarios of the typical antibiotics (tetracycline, sulfa antibiotics, etc.) in different soil mediums under the different hydrological and physico-chemical conditions with centrifugal modeling testing. The flowing and transport processes of the typical antibiotics in different soil mediums will be revealed according to the scaling laws of centrifuge modeling, and the bioavailability of antibiotic in soil mediums under the different conditions will be explored with the analysis of chemical speciation and biomarkers. The study will provide the contributions of numerical simulation and bioavailability methods for the ecological risk assessment of antibiotics in soil or groundwater.

由于抗生素在医疗和养殖业的滥用及在制药业的无标排放等引发的土壤及地下水环境污染问题已引起全球的广泛关注。中国是抗生素的消费大国，其抗生素污染问题亟待解决。离心模拟技术以其可以获得与原型一致的应力水平并且能够大大缩短原型历时而被应用于岩土工程中污染物迁移研究，将该技术应用于抗生素在土壤/地下水中的环境行为及生物有效性研究还未见报道，而揭示环境中有机污染物的生物有效性对生物修复、生态毒性和环境风险评价研究具有重要意义。因此，本项目以典型抗生素（四环素、磺胺类抗生素等）为研究对象，采用离心模拟试验呈现不同水文及理化条件下抗生素在不同土壤介质中的迁移情境，利用离心相似理论模型表征抗生素在土壤介质中的迁移过程，并通过化学形态分析及生物标记物等来表征不同条件下土壤介质中抗生素的生物有效性，为正确评价土壤/地下水中抗生素的生态风险提供数值模型及生物有效性方法学支持。

本项目系统研究了典型抗生素等污染物在土壤/地下水介质中的迁移过程，构建相关解析模型，并通过不同生物标记物来表征抗生素的生物有效性，利用纳米材料、生物炭等对有机污染进行消解，取得了一些创新性成果：（1）总结归纳了基于LXJ-4-450平台的土工离心模型试验研究的相关研究进展；（2）联合利用两种机器分类和筛选方法，通过耦合非线性源解析和人工智能机器筛选模型，对城市河流及其周边农田土壤中重金属的污染源特征进行解析，提出了适用于农田土壤重金属源解析的新方法；并在对东北污染场地评估调查的基础之上，构建了针对地方污染场地的风险规划筛选框架；（3）考察并评估了东北地区水源地地下水中磺胺类抗生素（磺胺甲恶唑、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲氧嗪）在包气带含水层中的迁移潜力；（4）对近年来改性生物炭的相关研究进行了系统分析，总结了生物炭的改性方法，简要阐述改性生物炭在环境（土壤和水体）污染修复中的应用，并深入探讨了磁性生物炭作为吸附剂和催化剂在水污染处理中的应用现状，展望了改性生物炭的未来研究方向；（5）利用一种简便的方法在水溶液中制备了富氧空位的二氧化锡量子点材料并发展其对石油等有机污染的光催化性能。