模拟农业土壤中有机微污染物的命运：实验室参数化及其在田间尺度上的意义

《Journal of Contaminant Hydrology》：Modeling the fate of organic micropollutants in agricultural soils: Laboratory parameterization and field-scale implications

有机微污染物（OMP）在农业土壤中的命运及其场尺度模拟的简化可能性。研究通过实验室批处理实验和模型整合，分析10种OMP的吸附和降解动力学，发现吸附和微生物适应期在实验室显著，但场尺度运输受基质主导流动影响，动力学和适应期影响较小，简化模型（瞬时吸附和降解）足够。

　　有机微污染物（OMP）在农业土壤中的存在已成为环境问题，尤其是在使用再生水（RW）进行灌溉的情况下。随着传统污水处理厂对这些污染物去除效率有限，OMP通过污水处理厂排放和再生水灌溉进入农业土壤和水环境，引发对其迁移性和持久性的担忧。这些污染物可能污染地下水，改变土壤的物理化学特性，并在可食用作物中生物累积。因此，理解OMP在土壤中的行为及其对环境风险的影响变得尤为重要。

本研究采用实验与建模相结合的方法，探讨了十种OMP在可耕作壤土中的命运。通过非生物/生物动力学和等温吸附的批次实验，获取了吸附和生物降解相关的参数。研究还采用了逆向建模方法，同时拟合了三种数据类型（即非生物动力学数据、生物动力学数据和等温吸附数据），从而在不同模型复杂度下实现了参数的稳健估计。该模型结合了等温吸附和动力学吸附（线性亨利等温线和非线性弗伦德利希等温线；单位和双位动力学模型），以及一级生物降解，还考虑了因通风容器导致的蒸发损失，拓展了传统的批次建模框架。

研究发现，四种OMP（亚当烷-1-胺、卡巴马嗪、双氯芬酸和磺胺甲噁唑）表现出双相吸附行为，这种行为最适用于双位动力学模型。另外三种OMP（乙酰磺胺、糖精和缬沙坦酸）则表现出几乎不吸附，但在4到9天的滞后期后显示出微生物适应现象。适应后，它们的生物降解速度较快，半衰期分别为0.4、0.9和3.3天。其余三种化合物（二甲基对二甲基二乙酸盐、三氟甲烷磺酸盐和丙戊酸钠）既没有吸附也没有降解，表现出高度的迁移性和持久性。

在实验室条件下，吸附动力学和微生物适应期对OMP的迁移模拟具有重要意义，但在现场条件下，特别是在矩阵主导的流场中，它们对OMP的迁移模拟影响较小。这一发现表明，对于具有均匀流场条件的均质土壤，简化假设（即瞬时吸附和立即降解）可能足以支持风险评估。然而，当OMP表现出较慢的吸附或较长的适应期时，特别是在具有快速水和OMP传输的土壤中，如粗质地土壤或以优先流为主导的土壤，这些过程可能显著影响OMP的传输，并应明确考虑。

为了评估实验室获得的吸附动力学参数在现场模拟中的适用性，研究使用了Hydrus-1D模拟，模拟了真实的土壤和气候条件。模拟结果显示，吸附动力学和微生物适应期对OMP的现场传输影响有限，特别是在矩阵主导的流场中。这表明，尽管这些过程在实验室尺度上至关重要，但在现场尺度上，它们可能对模型预测的可靠性影响较小。因此，在均质土壤中，可以采用简化模型来提高评估效率，同时保持科学稳健性。

然而，本研究也承认了一些局限性。首先，在非生物批次实验中使用NaN?（0.2 g/L）来抑制微生物活性可能会引入不确定性，因为其杀菌效率依赖于浓度、暴露时间和原生微生物群落。其次，模型假设吸附是完全可逆且非滞后性的，这可能简化了实际的OMP-土壤相互作用。此外，生物降解速率在Hydrus-1D模拟中进行了修正，以反映现场相关因素，如土壤深度、温度和湿度，但这些速率保持静态，未考虑微生物活性和环境条件的时变性，可能限制了长期预测的准确性。最后，Hydrus-1D模拟假设了均匀的矩阵流，排除了优先流和传输异质性，这可能会低估吸附动力学和滞后期对OMP传输的影响，特别是在结构化土壤中。

总体而言，本研究提供了一个综合框架，将实验室数据与现场模拟相结合，以评估OMP在再生水灌溉农业土壤中的命运。这些见解有助于优化环境风险评估，特别是在土壤矩阵主导的条件下，支持简化传输模型的使用。然而，为了更准确地量化运输风险，未来的研究应重点实证吸附动力学和微生物适应期在真实现场条件下的影响，特别是在涉及优先流或微生物预暴露有限的场景中。