張豐松，胡海平，黃澤春，王代懿，王琪，岳波，劉鋒

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京100012

2.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原030024

3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083

天然類固醇激素主要由腎上腺皮質(zhì)、睪丸、卵巢和胎盤分泌，通過居民、畜禽糞便進(jìn)入環(huán)境，包括性激素(雌、雄激素)和皮質(zhì)激素[1-2]。其中，雌激素具有極強(qiáng)的內(nèi)分泌干擾活性，如雌二醇極低濃度下(ng·L-1)可導(dǎo)致雄魚雌性化、誘導(dǎo)卵黃蛋白原[3];與雌激素相比，人體排放的雄激素是雌激素的100～1 000倍[1]，據(jù)調(diào)查，我國部分生活污水處理廠進(jìn)水口類固醇激素濃度高達(dá)5 000 ng·L-1，其中睪酮、雄烯二酮等雄激素約占96%。盡管雄激素的去除率高達(dá)90%以上，出水中睪酮仍高于檢測限(小于2.0 ng·L-1)，雄烯二酮濃度介于 3.3 ～ 15.4 ng·L-1[4]。

更值得關(guān)注的是雄激素通過畜禽糞便農(nóng)用或直接排放進(jìn)入環(huán)境[5-6]，據(jù)估算歐盟每年的排放量為7.1 t，美國也達(dá)到4.4 t[1]。目前，睪酮等雄激素對水生動物(魚和跳蚤)的生殖及免疫系統(tǒng)的損害已被證實[7-8]，還發(fā)現(xiàn)養(yǎng)牛場廢水中雄激素可導(dǎo)致雌性野生黑頭呆魚合成的雌激素/雄激素比例降低[9]。據(jù)報道，美國加利福利亞州中部奶牛場附近的溪流中多次檢測出睪酮和雄烯二酮，最高分別達(dá)2.3 ng·L-1和44 ng·L-1，同時顯示雨季河水中濃度顯著高于旱季[10]。另有研究表明約旦河上游養(yǎng)殖場畜禽糞便排放顯著影響流域內(nèi)河水中激素水平，雨季河水中睪酮濃度高達(dá)6 ng·L-1[11]，地表徑流和農(nóng)田排水是其重要來源[11-12]。

吸附作用是影響性激素在土壤中遷移的重要過程[13]。已有研究表明雌激素能迅速吸附于土壤表面，土壤有機(jī)質(zhì)是吸附的主要組分，疏水分配為吸附作用的主要機(jī)制，吸附特征呈線性[14];然而，另有研究報道雌激素如雌二醇在土壤表面快吸附后，隨之伴隨著一個緩慢吸附過程直至平衡，還出現(xiàn)非線性吸附和競爭吸附現(xiàn)象[15-16]，認(rèn)為除疏水分配外，土壤吸附存在氫鍵結(jié)合等多種機(jī)理參與[17]。同時發(fā)現(xiàn)，牛糞中可溶態(tài)有機(jī)質(zhì)(DOM)顯著影響土壤對雌二醇的吸附能力[14]。直到目前，關(guān)于天然雄激素的吸附機(jī)制研究僅針對睪酮[18-19]，而對雄烯二酮在土壤中吸附作用報道較少。因此，本研究選擇我國黑土、潮土和紅壤3種典型土壤，探討了雄烯二酮在其中的吸附特征;同時探討了牛糞DOM對雄烯二酮吸附的影響，以期為我國類固醇雄激素的污染風(fēng)險控制提供決策依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 供試材料

雄烯二酮(androstenedione)標(biāo)準(zhǔn)品購于德國Ehrenstorfer Quality公司，化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖1，分子式為C19H26O2，分子量為 286.41，溶解度為 50.5 mg·L-1[18]，辛醇水分配系數(shù)(LgKow)為 2.75[24]。供試黑土(半淋溶土)、潮土(半水成土)和紅壤(鐵鋁土)分別采自長春市、北京市和南昌市郊區(qū)農(nóng)田。土壤樣品置于室內(nèi)自然風(fēng)干3個月，過2 mm尼龍篩。粒徑組成經(jīng)激光粒度分析儀(Microtrac S3 500，美國)測定。土壤總有機(jī)碳(TOC)通過元素分析儀(Elemetar/vario TOC，德國)分析獲得。土壤的主要理化性質(zhì)見表1。

1.2 吸附動力學(xué)實驗

通過雄烯二酮儲備液(100 mg·L-1)配制初始濃度400 μg·L-1吸附液，吸附液體積與土壤質(zhì)量比為6 mL﹕0.1000 g。吸附液同時添加NaN3(100 mg·L-1)抑制吸附過程中的雄烯二酮的微生物降解。將吸附液置于8 mL棕色瓶中，并用鋁箔紙包裹避光，搖床連續(xù)振蕩，轉(zhuǎn)速為110 rpm，控制20℃恒溫，不同時間取吸附液于10 000 rpm高速離心機(jī)中離心20 min，取上清液測定。雄烯二酮吸附量通過吸附液初始濃度和平衡濃度的差值確定。

圖1 雄烯二酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemical structure of androstenedione

表1 典型土壤主要理化性質(zhì)Table 1 Major physicochemical characteristicof the typical soils

1.3 吸附熱力學(xué)及DOM影響實驗

通過儲備液配制系列濃度梯度吸附液，濃度介于100～600 μg·L-1。吸附液體積與土壤質(zhì)量比等吸附條件同動力學(xué)實驗。24 h后基本達(dá)到吸附平衡后，取樣測定。各濃度設(shè)置3個重復(fù)。

實驗中研究牛糞DOM對吸附能力的影響，在各吸附液中加入牛糞DOM濃度分別為20和40 mg·L-1。牛糞可溶態(tài)有機(jī)質(zhì)DOM的制取方法參照張豐松等[20]研究方法，準(zhǔn)確稱取10 g風(fēng)干牛糞樣品，置于250 mL具塞三角瓶中，加入200 mL超純水，常溫震蕩24 h，15 000 rpm離心10 min后過0.45 μm濾膜(Whatman，GF/F，直徑 50 mm)，濾膜預(yù)先 450 ℃ 灼燒5 h，每個樣品設(shè)置3個重復(fù)，總有機(jī)碳分析儀測定DOM濃度。

1.4 樣品測定

采用高效液相色譜(Agilent 1 200，美國)聯(lián)用紫外檢測器檢測吸附液中雄烯二酮濃度，色譜柱為Inertsil ODS-3(250 mm × 4.6 mm，5 μm)。儀器參數(shù)如下:流動相為乙腈:水 =70%:30%;流速 =1 mL·min-1;等度洗脫，柱溫25℃，進(jìn)樣量20 μL，檢測波長 =244 nm，樣品最低檢測限為 20 μg·L-1，誤差為±2 μg·L-1。測試過程中，每測30個樣品檢測一次標(biāo)樣，誤差小于5%。

2 結(jié)果(Results)

2.1 吸附動力學(xué)

圖2 土壤吸附雄烯二酮的Elovch動力學(xué)方程擬合曲線Fig.2 Fitting curve of Elovch equation for and rostenedionesorption to soils

表2 Elovch動力學(xué)方程參數(shù)Table 2 Parameters of Elovch equation for androstenedione sorption to soils

雄烯二酮在黑土、潮土和紅壤中的吸附過程見圖2。由圖2可見，3種土壤在2 h之內(nèi)吸附量迅速上升，繼而緩慢上升直至達(dá)到吸附平衡。應(yīng)用Elovch方程(1)擬合黑土、潮土和紅壤對雄烯二酮的吸附動力學(xué)過程(見表2)，R2介于0.89 ～ 0.96，表明該方程能很好描述雄烯二酮在土壤表面的吸附過程。b是反應(yīng)活化能常數(shù)，b越大，吸附活化能越低，吸附速率越快，雄烯二酮最易被黑土中吸附。Elovich方程假設(shè)固體表面吸附能的非均質(zhì)分布，存在不同活性吸附點位。雄烯二酮在土壤中吸附符合該方程，表明其在土壤中吸附過程經(jīng)歷從一種類型的吸附點位轉(zhuǎn)移到另一類型的吸附點位的過程。

式中，y 是吸附量，mg·kg-1;t，吸附時間，單位是h;a，b吸附速率常數(shù)。

2.2 吸附熱力學(xué)

雄烯二酮在黑土、潮土和紅壤表面等溫吸附結(jié)果見圖3。分別應(yīng)用Freundlich等溫吸附方程(2)和線性分配方程(3)描述其在土壤表面的吸附特征，方程擬合參數(shù)見表3。

表3 Freundlich方程和線性方程擬合雄烯二酮在土壤中的吸附參數(shù)Table 3 Parameters of Freundlich and linear equation for androstenedione sorption to soils

式中，Cs是吸附量，mg·kg-1;Ce是平衡濃度，mg·L-1;Kf是吸附系數(shù)，mg1-nLn·kg-1。

式中，Cs是吸附量，mg·kg-1;Ce是平衡濃度，mg·L-1;Kd是分配系數(shù)，L·kg-1。應(yīng)用 Freundlich 方程擬合吸附結(jié)果時R2介于0.83～0.92，而線性方程的R2最高僅為0.63，表明Freundlich方程能更準(zhǔn)確地描述雄烯二酮吸附熱力學(xué)特征，方程參數(shù)n介于0.37～0.52，均呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性。就吸附系數(shù)Kf而言，黑土吸附能力最強(qiáng)，近乎潮土和紅壤的三倍。秩相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雄烯二酮吸附系數(shù)與土壤總有機(jī)碳(TOC)呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(n=3，r=1，p ＜0.01)。應(yīng)用公式(4)進(jìn)一步將吸附系數(shù)經(jīng)過有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化(lgKoc)，其中黑土、潮土和紅壤的lgKoc分別為2.9、3.1和3.5，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3。

式中，Koc是有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化吸附系數(shù);TOC是土壤總有機(jī)碳含量，%。

2.3DOM對吸附的影響

添加牛糞DOM后，雄烯二酮在各土壤中吸附結(jié)果見圖4。當(dāng)添加牛糞 DOM(以 C計)為20 mg·L-1時，黑土、潮土和紅壤在濃度0.1 mg·L-1的雄烯二酮濃度吸附液中，吸附量分別下降8.4%、44.0%和43.5%;隨著吸附液中雄烯二酮濃度增加，牛糞DOM對其在土壤中吸附的抑制作用逐漸減弱。當(dāng)雄烯二酮增至0.6 mg·L-1時，與對照相比，紅壤的吸附量僅下降9.3%，黑土和潮土甚至增加了4.9%和2.5%。同樣，牛糞DOM增至40 mg·L-1，牛糞DOM對其在黑土和潮土表面的吸附存在先抑制后促進(jìn)的趨勢，而紅壤吸附量均低于對照，表明牛糞DOM對于紅壤吸附雄烯二酮具有明顯的抑制作用。

圖3 雄烯二酮在土壤中Freundlich等溫吸附曲線Fig.3 Adsorption curve of androstenedione to soils

圖4 牛糞DOM存在下雄烯二酮在土壤中Freundlich吸附曲線Fig.4 Freundlich adsorption curve of androstenedione to soils with cattle manure DOM

從Freundlich方程吸附系數(shù)來看(圖5)，當(dāng)共存牛糞DOM濃度為20 mg·L-1時，與對照組相比，雄烯二酮在黑土、潮土和紅壤表面的吸附系數(shù)(Kf)分別增加了27.2%、30.4%和10.0%，整體上表現(xiàn)為增強(qiáng)了土壤對雄烯二酮的吸附能力。另一方面，n值相對于對照土壤分別增加了28.8%、125.0%和69.2%，表明吸附的線性程度增強(qiáng)(圖6)。DOM濃度增至40 mg·L-1時，黑土和潮土吸附能力略微增加，而紅壤中吸附能力反而下降;n值得變化在3種土壤中也表現(xiàn)不一致，黑土吸附雄烯二酮的n值繼續(xù)增加，而其它兩種土壤呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖5 牛糞DOM存在下雄烯二酮在土壤表面的吸附系數(shù)(Kf)Fig.5 Sorption coefficient(Kf)for androstenedione to soils with cattle manure DOM

圖6 圖6牛糞DOM存在下雄烯二酮在土壤表面的吸附參數(shù)nFig.6 Parameter n of Freundlich equation for androstenedione sorption to soils with cattle manure DOM

3 討論(Discussion)

3.1 雄烯二酮的吸附作用

類固醇激素易被土壤和沉積物中有機(jī)質(zhì)吸附。研究報道雌酮(E1)、17β -雌二醇(E2)和雌三醇(E3)在河流沉積物中吸附在1 h內(nèi)基本達(dá)到平衡[15]。研究發(fā)現(xiàn)17β-雌二醇、17α-乙炔基雌二醇和睪酮在土壤和沉積物中的吸附熱力學(xué)特征符合線性分配方程，且分配系數(shù)與其辛醇水系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，從而認(rèn)為3種類固醇激素吸附作用機(jī)制主要是疏水分配作用[16]。然而，隨后研究發(fā)現(xiàn)17β-雌二醇(E2)等在土壤和沉積物中吸附平衡需要48 h甚至170 h[21]。另外，17β-雌二醇在某些土壤中呈現(xiàn)非線性吸附特征，甚至出現(xiàn)競爭吸附現(xiàn)象[17]，這些都無法運用疏水分配機(jī)制加以解釋。因此除疏水分配作用外，研究認(rèn)為[17]17β-雌二醇(E2)中羥基可能與土壤/沉積物中有機(jī)質(zhì)中的羧基形成氫鍵或共價鍵。

據(jù)Kim等報道，雄烯二酮在土壤和沉積物中經(jīng)過吸附快速吸附后，隨后吸附速率迅速降低，兩周后才逐漸達(dá)到平衡[18];本研究中發(fā)現(xiàn)雄烯二酮在土壤中的吸附動力學(xué)很好符合Elovich方程，表明雄烯二酮在土壤中的化學(xué)吸附過程至少存在兩種機(jī)制。同時，等溫吸附特征呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性。Pignatello等提出了雙模式吸附模型，將土壤有機(jī)質(zhì)分為溶解相和孔隙填充相，疏水有機(jī)物在溶解相上的吸附是一個分配過程，吸附與解吸的速率都很快;而孔隙填充相中吸附和接吸速率總體較慢，吸附服非線性吸附[22]。由于孔隙填充相存在特殊吸附位，導(dǎo)致吸附速率的差異以及競爭吸附的產(chǎn)生[23]。就吸附能力而言，在黑土和潮土中，雌二醇的有機(jī)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化吸附系數(shù)(lgKoc)介于3.3～3.4[24]，與之相比雄烯二酮的吸附能力較弱。雄烯二酮的辛醇水系數(shù)較低，在土壤有機(jī)質(zhì)中的疏水分配作用較弱;而其四元環(huán)結(jié)構(gòu)中含有酮基，可能與腐殖酸中的羧基官能團(tuán)形成氫鍵，從而導(dǎo)致吸附的非線性。

3.2 共存DOM的作用機(jī)制

牛糞DOM隨農(nóng)用進(jìn)入土壤中，分布于土壤固-液兩相。當(dāng)雄烯二酮濃度較低時，首先與土壤溶液中的牛糞DOM結(jié)合，從而降低了土壤對雄烯二酮的吸附量。然而，由于另一部分牛糞DOM吸附于土壤顆粒表面，增加了雄烯二酮的吸附位，土壤對雄烯二酮的吸附能力增強(qiáng)，當(dāng)雄烯二酮濃度增加時，土壤顆粒對雄烯二酮的吸附量隨之增加。同時，3種土壤對雄烯二酮吸附的線性程度增強(qiáng)。已有研究表明腐殖酸在濃度較低的情況下，可完全溶解于水中。當(dāng)濃度較高、共存礦物作用下，DOM分子發(fā)生聚合[25]。通過原子力顯微鏡(AFM)觀測，天然DOM聚合體呈現(xiàn)球狀、線狀、海綿狀不同空間構(gòu)型，在這些聚合體之間或內(nèi)部形成疏水區(qū)[26]。疏水有機(jī)污染物(如菲、芘)在疏水作用下進(jìn)入DOM的疏水區(qū)[27]。因此，雄烯二酮可能部分進(jìn)入牛糞DOM的疏水區(qū)而隨DOM吸附于土壤表面，使得土壤吸附雄烯二酮的線性程度增強(qiáng)。

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)[28]，17β -雌二醇(E2)在天然DOM主要組分(胡敏酸、富里酸、褐藻酸、葡聚糖)上吸附系數(shù)與辛醇水分配系數(shù)沒有顯著相關(guān)性，表明疏水反應(yīng)不是DOM與雌激素結(jié)合的主要作用機(jī)理，這也被隨后的研究所證實[29]。實際上，17β-雌二醇(E2)在DOM上的吸附與其特定官能團(tuán)有關(guān)，研究結(jié)果表明DOM吸附系數(shù)與表征芳香性的272 nm處的吸光值以及酚類官能團(tuán)數(shù)量成顯著正相關(guān)關(guān)系，而與羧基沒有相關(guān)性，據(jù)此認(rèn)為17β-雌二醇(E2)與DOM結(jié)合是通過氫健和π-π之間相互作用[28]。三維熒光光譜(3DEEM)顯示畜牛糞DOM中腐殖酸組分相對較少，卻含有大量的類色氨酸和類酪氨酸組分，并存在著大量芳香性氨基酸[30]，因此，雄烯二酮與牛糞DOM之間也可能存在類似的作用機(jī)理。吸附于土壤表面的DOM可能隨著濃度的增加而進(jìn)一步聚合，形成孔隙填充相有機(jī)質(zhì)，伴隨疏水區(qū)減小，吸附能力的降低，而非線性增強(qiáng)。

綜上所述，雄烯二酮在黑土、潮土和紅壤表面吸附動力學(xué)過程均符合Elovch方程，而吸附熱力學(xué)呈現(xiàn)較強(qiáng)非線性，可Freundlich等溫方程描述。就吸附能力而言，順序依次為:黑土＞潮土＞紅壤，這主要與其有機(jī)質(zhì)含量最高有關(guān)。共存牛糞DOM顯著影響雄烯二酮在土壤表面的吸附能力。雄烯二酮濃度較低時，牛糞DOM顯著抑制其在土壤中的表面吸附。因此，牛糞農(nóng)用時可能增大了雄烯二酮向地下水和地表水的遷移能力。

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