一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法

2023-07-23 04:53:26

專利名稱：一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法
技術領域：
本發明屬於環境保護技術領域，涉及一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法。
背景技術：
抗生素是由微生物或高等動植物所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物，能干擾其他生活細胞正常發育功能的化學物質。自從1929年發現青黴素以來，已經上百種抗生素被開發利用，它們在治療疾病、水產養殖業和畜牧業生產實踐中起到了不可忽視的作用。然而，隨著抗生素藥物產量和用量的快速增長，抗生素汙染問題日益嚴重，由此產生的生態環境汙染和環境負效應加劇。在畜禽糞便、廢水和土壤等環境基質中經常可檢出抗生素殘留，其中土黴素(oxytetracycline，0TC)是檢出率很高的一種四環素類獸用抗生素。這種獸用抗生素在動物體內的代謝率很低，大多數以原形通過糞便和尿液排出體外並隨有機肥的施用進入土壤。而且研究表明，排出體外後的土黴素原形及其主要體內代謝產物仍然具有生物活性，同時代謝產物還能夠在環境中進一步形成其原形。此外，由於土黴素是一種廣譜性的抗生素，可殺滅多種細菌，因此很難被生物降解，在土壤中的半衰期較長，導致其在土壤環境中的累積。同時，在地表徑流或者淋溶滲透等作用下，土壤中的土黴素又可遷移進入地表水或地下水中，汙染水生生態環境。吸附作用是土黴素在環境中遷移和轉化的重要途徑，吸附過程反映了土黴素與土壤的相互作用，並可用於預測其對環境的影響程度。土黴素在不同土壤中的吸附係數(Kd)變化很大，其值範圍從417 (沙壤土)到1026(黏土)。為了得知土黴素在不同土壤中的分配係數需要對每種土壤進行重複的吸附實驗，但是實驗過程費時又費力。因此，有必要建立能夠方便準確的預測土黴素分配係數的模型。目前，國外有少數關於抗生素土水分配係數預測模型的研究。如Ficueroa (2004)研究了四環素類抗生素在粘土礦物上的吸附行為，建立了一個根據陽離子形式和兩性離子形式的分配係數之和來計算總的分配係數的模型。由於抗生素在土壤中的吸附行為，受到多種因素的影響，如PH，粘粒含量，陽離子交換能力，金屬離子等，該模型只考慮到PH這個影響因素，因此不能準確的預測四環素類抗生素的吸附行為。如上所述，土水分配係數是反應土黴素吸附行為的一個重要參數，對於深入了解土黴素在土壤和水之間的遷移行為和歸宿，有效進行環境風險評估和制定減災戰略十分重要。目前，有關土黴素分配係數預測模型的研究還只是停留在簡單的單因素研究階段，不能準確的預測其吸附行為。因此有必要建立一種既綜合考慮各種土壤的理化性質對土水分配 係數的影響，又具有較好的穩健性和預測能力的土黴素土水分配係數定量預測方法。

發明內容
本發明的目的就是提供一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法。本發明的技術方案如下—種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法，其包括以下步驟(I)測定對土黴素在土壤中吸附特性有影響的一般理化性質參數；(2)通過批量吸附試驗得到土黴素對應於各種不同土壤的實測土水分配係數；
(3)以步驟⑴中的一般理化性質參數為自變量，計算出所有理化性質參數和土黴素實測土水分配係數之間的函數關係，剔除對土黴素土水分配係數影響最小的一個理化性質參數，計算剩餘參數和土黴素實測土水分配係數之間的函數關係，重複此步驟，直到最終得到主要理化性質參數及最優化的土黴素土水分配係數定量預測模型 lgKd(0TC) = 3. 67-1. 39 X lO'H+l. 32 X l(T2Clay+7. 07 X KT4DCB Fe+5. 91 X KT3DCB Al+2. 84X 10_2A1+1. 37X 10_2Ca(4)利用上述定量預測模型來預測土黴素在不同土壤中的土水分配係數。本發明說要測定的一般理化性質參數為pH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有機質含量、溶解有機質含量、游離氧化鐵含量、游離氧化鋁含量、鋁含量、鉀含量、鈉含量、鈣含量、鎂含量和陽離子交換能力。本發明最終得到的主要理化性質參數為pH值、粘粒含量、游離氧化鐵含量、游離氧化鋁含量、鋁含量和鈣含量。與現有技術相比本發明具有以下優點I.能夠直觀反映出土黴素土水分配係數和土壤理化性質之間的相互關係，得知控制土黴素在土壤環境中遷移的關鍵因子，量化土黴素在土壤中的遷移能力以滿足環境風險評價的需要2.計算方法簡單易行，對數據資料的要求低，且具有很好的穩健性和預測能力。測定少數幾種重要的土壤理化性質即可滿足計算土黴素土水分配係數對數據的要求，便於在實際中推廣應用。
具體實施例方式I. 土壤理化性質分析採集全國19個省市的23個土壤樣品，選取14個對土黴素在土壤中吸附特性影響較大的理化性質參數進行測定PH值、粘粒含量(Clay(% ))、粉粒含量(Silt(% ))、沙粒含量(Sand(% ))、有機質(OM)、溶解有機質(DOM)、游離氧化鐵(DCB-Fe)、游離氧化鋁(DCB-Al)、鋁(Al)、鉀(K)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鎂(Mg)和陽離子交換能力(CEC)。2. 土黴素土水分配係數計算在每個50ml的聚丙烯塑料離心管中裝入一定量的土壤樣品，加入利用0. OlMCaCl2和0. OlM NaN3(作為抗菌劑)配製的不同濃度的土黴素溶液。經過36小時(吸附平衡時間)的充分振蕩後，將樣品在2000g的條件下尚心10分鐘,上清液使用0. 2 ii m玻璃纖維濾膜過濾，而後利用高效液相色譜測定土黴素的液相濃度。土壤中的土黴素濃度(Cstjil)和分配係數Kd利用下面的公式進行計算。^soil =唚⑴
^soil
Kd = Csoil/Caq (2)其中，C0為土黴素的初始濃度，Vaq為液體體積，Msoil為土壤樣品的質量，Csoil為土壤中的土黴素濃度，Caq為液相中的土黴素濃度。3.構建土壤理化性質和土黴素土水分配係數的函數關係。以14種土壤理化性質為自變量，應用SMCA軟體中的PLS模塊在預設設置條件下對土黴素的土分配係數的進行建模。模型運算採取軟體中的默認參數。由交叉驗證來確定主成分個數A。模型預測能力精度的評價指標為主成分個數A，累計交叉驗證係數Q2_，擬合值和實測值的相關係數R，模型顯著性水平P，標準偏差SD等。除SD外，其餘參數均由PLS分析直接給出結果。SD計算公式如下
權利要求
1.一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法，其包括以下步驟 (1)測定對土黴素在土壤中吸附特性有影響的一般理化性質參數； (2)通過批量吸附試驗得到土黴素對應於各種不同土壤的實測土水分配係數； (3)以步驟(I)中的一般理化性質參數為自變量，計算出所有理化性質參數和土黴素實測土水分配係數之間的函數關係，剔除對土黴素土水分配係數影響最小的一個理化性質參數，計算剩餘參數和土黴素實測土水分配係數之間的函數關係，重複此步驟，直到最終得到主要理化性質參數及最優化的土黴素土水分配係數定量預測模型lgKd(0TC) = 3. 67-1. 39X10_1pH+l. 32 X l(T2Clay+7. 07 X ICT4DCB Fe+5. 91X10_3DCB Al+2. 84X10_2A1+1. 37X10_2Ca (4)利用上述定量預測模型來預測土黴素在不同土壤中的土水分配係數。
2.如權利要求I所述的土黴素土水分配係數定量預測方法，其特徵在於步驟(I)所述一般理化性質參數為PH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有機質含量、溶解有機質含量、游離氧化鐵含量、游離氧化鋁含量、鋁含量、鉀含量、鈉含量、鈣含量、鎂含量和陽離子交換能力。
3.如權利要求I所述的土黴素土水分配係數定量預測方法，其特徵在於步驟(3)所述主要理化性質參數為pH值、粘粒含量、游離氧化鐵含量、游離氧化鋁含量、鋁含量和鈣含量。
全文摘要
一種基於土壤理化性質的土黴素土水分配係數定量預測方法。首先測定多種對土黴素在土壤中吸附特性影響較大的理化性質參數。然後通過批量吸附試驗得到土黴素對應於每種土壤的土水分配係數。最後以土壤理化性質為自變量，計算出所有理化性質和土黴素土水分配係數的函數關係，在自變量篩選過程中，剔除對土黴素土水分配係數影響最小的一個理化性質參數，計算剩餘參數和土黴素實測土水分配係數之間的函數關係，重複此步驟，直到最終得到主要理化性質參數及最優化的土黴素土水分配係數定量預測模型。該模型包含6種土壤理化性質參數pH值、粘粒含量、游離氧化鐵含量、游離氧化鋁含量、鋁含量和鈣含量。該發明能夠提供一種既綜合考慮各種土壤的理化性質對土水分配係數的影響，又具有較好的穩健性和預測能力的土黴素土水分配係數定量預測方法。
文檔編號G01N33/15GK102636629SQ201210111469
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者付文君, 劉冠男, 劉新會, 鞏文雯, 成登苗, 陶莉, 韓磊 申請人:北京師範大學