平衡透析：土壤颗粒对磺胺药物分子的pH依赖性吸附
1. 简介
药用有机化合物进土壤，与土壤颗粒结合形成残留是重要的环境问题之一。目前，虽已有多种方法用于有机化合物与土壤的结合研究，但都有一定局限，包括对特定化合物状态及实验条件的要求，以及在样品的分离过程中，游离与结合外源化合物之间平衡的破坏。
土壤pH值是影响可电离化合物与土壤结合的因素之一，但要研究该过程非常困难，因为土壤中有机碳含量及矿物组成等都会改变化合物的整体吸附过程。
平衡透析可用于环境样品中土壤/水的分布实验，也可用于研究有机化合物在生物基质上的结合特性，包括土壤中溶解的有机物质。平衡透析的实验设计相对简单，可形成一个由有机化合物、土壤、土壤溶解成分组成的三相系统，结合对测试数据的公式演算，即可用于研究复杂的交互反应。
本文旨在使用平衡透析研究土壤pH对磺胺类化合物在土壤黏土成分中吸附过程的影响。之前已有初步实验显示，在较低pH条件下，化合物与土壤颗粒的结合能力高于高pH条件下的结果，但尚无确定结论。此外，实验使用了不同尺寸的黏土颗粒，因为降低颗粒尺寸可增加吸附位点，相比土壤原料，其吸附结果被放大，方便计量观察。
2. 实验
实验测试化合物磺胺氯哒嗪（SCA）、磺乙酰胺（SCA）及磺胺多辛（SDO），土壤样品使用Jyndevad及Rothamsted地区表层土，后者土壤本身具有独特的天然连续pH梯度（pH 4.3 – 7.6）。土壤样品用2mm滤网均质筛分并冻干后，加入缓冲液或纯水形成泥浆，再透析去除12kD以下成分，过滤去除2μm以上成分，最后滤液离心获得0.1-2μm黏土成分，或过0.45μm过滤器获得< 0.45μm成分。称量确定黏土终含量为0.2-0.5g L-1。
平衡透析实验使用如图所示自制设备，设备由两个20ml半室组成，中间由12-14kD Spectra/Por® 2半透膜隔开（产品编号：132680；扁平宽度：45mm；直径：29mm），可允许特定尺寸化合物通过。实验也可直接使用仕必纯多量透析器（产品编号：132377或132379；半室容量：10ml或50ml）。实验分测试组和对照组。在测试组中，一个半室加入含黏土颗粒的缓冲液，另一个半室加入已知浓度的化合物溶液（100-200μg L-1），而对照组的该半室只加入纯缓冲液。对于无天然酸碱度的Jyndevad土壤样品，使用柠檬酸钾、硼酸等缓冲液调节特定pH值，而Rothamsted样品无需调节pH值。
设备加样后密封，在室温条件下于暗处震荡72h以上，直至结合平衡。从设备的无黏土半室取样，加入内标后，使用LC-MS/MS对化合物做定量分析。此外，实验使用已有明确参考数据的3,5-二氯苯酚对实验设置进行验证。
土壤/水系统中的分布系数Kd定义为化合物吸附相Csoil和溶液相Caq中的平衡浓度比：
，Kd可使用平衡透析测试进一步与吸附实验相关联：
，其中Cref为平衡时，对照组中的化合物浓度，Cw为平衡时测试组中无黏土半室内的化合物浓度，m为测试组中黏土溶液内的粘土含量。计算结果可进一步用于计算化合物的状态依赖性分布，即视Kd为中性及离子化化合物的吸附总和：
，其中
和
分别为中性及离子化合物的土壤/水分布系数，
和
分别为以中性或离子形式存在的化合物数量，可计算为
及
，HA与A-分别为以中性或离子形式存在的化合物的量。
3. 结果
实验使用3,5-二氯苯酚为实验设置的可行性和可靠性进行了确认，测试结果与先前的报道结果一致，说明本实验设置可用于进行透析实验。实际测试前进行了172h的预实验，发现不同样品在72h内均可达到平衡，故后续实验时间均采用72h。
实验使用有机缓冲液调节pH的Jyndevad和具有天然pH梯度的Rothamsted土壤样品测试SDZ的吸附行为，结果获得相似的吸附行为，说明在实验过程中，使用缓冲液调节获得特定pH值，不会显著影响有机化合物在土壤样品中的pH依赖性吸附行为。
在pH4.0条件下，SDZ在<0.45μm和0.1-2μm黏土成分中的Kd值分别为43及129L kg-1，而在pH9.0条件下，该值分别为1.3及4.6 L kg-1。SCA和SDO的吸附行为同样随pH升高而降低，在较低pH条件下，SCA和SDO的最大Kd值分别为83及211 L kg-1，而在高pH条件下，为4.8及1.2 L kg-1。结果表明，由于pH值不同而导致的化合物状态差异会显著影响化合物在土壤中的吸附行为。
4. 讨论
平衡透析实验设置简单，可用于土壤环境中化合物吸附行为的研究，除pH外，还可用于评估溶解有机质、盐度等影响因素。结合简单的计算模型，可获得中性及离子化化合物的总吸附指数。实验取样过程也不会破坏平衡状态。
当然，化合物吸附实验的结果会受到诸多因素的影响，如溶液中的土壤含量、土壤颗粒的尺寸、缓冲液的状态以及化合物本身的分子大小及结构等，这些都需要进一步的综合实验测试。
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