土壤有机质的分解是药物滞留的关键因素

《Journal of Environmental Management》：Soil organic matter decomposition as a key driver of pharmaceutical retention

　　土壤有机质动态变化对药物活性成分吸附的影响研究。Mollisol模拟植被期实验显示微生物群落通过分解有机质（SOM）减少其含量和数量，导致PhACs吸附能力下降，解吸增加。初始阶段疏水性、van der Waals表面积及氢键供体/受体比是主因；后期静电作用主导，疏水性PhACs活性可能升高。需考虑SOM时空动态变化对PhACs环境行为的影响。

　　这是一项关于农业土壤中药效活性化合物（PhACs）吸附行为的研究，研究团队由来自匈牙利和国外的多名科学家组成，包括Lili Szabó、Zoltán Szalai、Attila Csaba Kondor、Anna Vancsik、Balázs Vajna、Csaba László Maller、Csilla Király、Zoltán Dévény、Bruna Silva、Colin A. Booth和László Bauer。研究背景聚焦于全球农业土壤中PhACs的积累及其对生态环境的影响，尤其是在土壤微生物群落（SMC）作用下，土壤有机质（SOM）随时间发生的动态变化。

PhACs是指那些在环境中具有实际药效的化合物，包括药物及其代谢产物。这些化合物通过农业活动进入土壤，例如灌溉用水中含有处理过的废水，而这些废水中可能残留有PhACs。此外，粪肥和动物粪便作为土壤养分补充物，也可能含有这些化合物。PhACs的持久性和生物累积性使得它们在土壤中具有潜在的生态和健康风险，可能会导致物种灭绝、破坏食物链、并在农作物中积累，进而影响食品安全和人类健康。因此，研究PhACs在土壤中的行为，尤其是其吸附与解吸过程，对于评估土壤污染和制定相应的管理策略具有重要意义。

土壤有机质是土壤中最重要的吸附介质之一，其组成和数量直接影响PhACs的吸附能力。SOM通常来源于植物残体、微生物分解产物和有机废弃物的输入。然而，农业实践中，如收割活动，通常会去除大部分植物残体，导致SOM的输入受限。与此同时，土壤微生物群落通过分解SOM，使其从复杂的有机大分子逐渐转化为简单的有机小分子，这一过程不仅改变了SOM的组成，还影响了其吸附能力。例如，随着SOM的分解，芳香族化合物的比例可能增加，而脂肪族化合物的比例可能减少，这些变化会进一步影响PhACs的吸附行为。

在研究过程中，团队使用了一种模拟植被周期的实验方法，通过在Mollisol（一种富含有机质的土壤类型）中进行吸附实验，来观察PhACs在不同阶段的吸附行为。实验中，研究人员选择了具有不同理化性质的PhACs，包括Carbamazepine（CBZ）、17α-ethynylestradiol（EE2）和Diclofenac-sodium（DFC）及其代谢产物，如trans-10,11-Dihydro-10,11-dihydroxy Carbamazepine（TCBZ）、Estrone（E1）、Estriol（E3）、17β-Estradiol（BE2）、17α-Estradiol（LE2）和5-Hydroxydiclofenac（5HODFC）。这些化合物在环境中广泛存在，因此具有代表性。

实验采用了15个固定床柱，分别在植被周期的不同阶段（初始、中期和末期）测量PhACs的吸附特性。同时，研究人员监测了SOM的理化性质变化，包括土壤有机碳（SOC）含量、溶解有机碳（DOC）与SOC的比例，以及土壤脂肪族和芳香族化合物的组成。此外，SMC的活性也被评估，例如酸性磷酸酶（ACP）和脱氢酶（DHA）的活性，这些指标反映了微生物对SOM的分解能力。通过这些数据，研究团队能够分析SOM随时间的变化趋势及其对PhACs吸附行为的影响。

研究结果表明，PhACs的吸附行为在植被周期的不同阶段受到不同的理化性质影响。在初始阶段，PhACs的吸附主要由其H供体/受体数量和范德华表面积决定。随着植被周期的推进，SOM的分解导致其数量减少，同时其功能基团发生变化，使得吸附行为发生转变。在实验的后期，由于SOM的减少和功能基团的改变，PhACs的吸附能力下降，而解吸能力增强，这主要是因为静电相互作用开始主导吸附过程。这一发现表明，PhACs在土壤中的迁移能力可能在植被周期结束时显著增加，尤其是在具有较高疏水性的化合物中。

此外，研究还发现，PhACs之间可能存在竞争或协同效应，这会影响它们在土壤中的吸附和解吸行为。例如，某些PhACs可能通过竞争吸附位点，减少其他化合物的吸附能力，而另一些则可能通过协同作用，增强彼此的吸附能力。这种复杂的相互作用使得预测PhACs在土壤中的行为变得更加困难，也突显了研究SOM动态变化的重要性。

研究团队采用化学计量建模方法，对PhACs的理化性质与吸附行为之间的关系进行了可视化分析。这种多变量方法能够有效模拟和解释土壤、SMC和吸附参数之间的复杂相互作用，从而提供关于PhACs在土壤中时间依赖性行为的新见解。通过这一研究，团队不仅揭示了PhACs在农业土壤中的行为特征，还为农业环境中PhACs的长期迁移和生物可利用性提供了理论依据。

本研究的成果对于理解PhACs在动态土壤系统中的行为具有重要意义。它强调了在评估土壤污染和制定管理策略时，需要考虑SOM的时空变化，而不能仅依赖于单一时间点的观察。此外，研究还为农业环境中PhACs的迁移模拟提供了新的视角，有助于优化土壤养分补充方案，减少污染物的积累和扩散。通过深入探讨SOM分解过程中PhACs的吸附行为变化，本研究为农业可持续发展和环境保护提供了重要的科学依据。