农业活动与环境因素对回灌水中药物残留的影响机制及地下水安全调控研究

推荐：本研究针对农业回灌水(MAR)中药物活性化合物(PhACs)的迁移风险，通过模拟不同pH(4/6)、Zn2+和NO3?条件下的柱实验，揭示了咖啡因、卡马西平等四种典型PhACs在非饱和带中的差异化迁移规律，为农业区地下水回灌系统的污染防控提供科学依据。

　　

随着全球水资源短缺加剧，地下水超采已成为严峻挑战。农业地下水回灌(Ag-MAR)作为重要解决方案，却面临药物活性化合物(PhACs)污染的潜在风险。这些来自生活污水、农业径流的微量污染物，虽浓度仅为ng/L级，却因生物活性强、难降解等特性，对生态系统和人类健康构成威胁。德国弗莱堡地区作为典型农业区，其分散式水系连接着污水处理厂与地表水体，成为研究PhACs迁移的理想场所。

为揭示PhACs在Ag-MAR系统中的归趋行为，Dibyanshu Dibyanshu和Traugott Scheytt选取咖啡因、卡马西平、双氯芬酸和布洛芬四种代表性化合物，通过室内柱实验模拟非饱和带环境，系统考察pH(4/6)、Zn²⁺(30 mg/L)和NO₃^?(50 mg/L)等关键参数的影响。研究采用CXTFIT 2.0模型解析迁移参数，结合LC-MS/MS高灵敏度检测技术，定量评估了不同环境条件下PhACs的滞留与迁移风险。

主要技术方法

1. 1.

   非饱和柱实验：采用有机质去除的砂质介质(粒径0.4-0.7mm)，模拟30cm深度非饱和带水分梯度(含水率5-25%)

2. 2.

   多参数调控：设置pH梯度(4/6)、添加Zn²⁺/NO₃^?等农业典型污染物

3. 3.

   高精度检测：LC-MS/MS分析PhACs(检测限0.0002-0.188μg/L)，ICP-OES测定Zn²⁺

4. 4.

   迁移建模：采用CXTFIT 2.0求解对流-弥散方程，计算阻滞因子(R_f)和降解率(μ)

研究结果

3.1.1 pH效应

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  咖啡因在pH 4时迁移增强(C/C₀=0.93)，pH 6时降解加速(μ=0.144 day^?1)

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  卡马西平在pH 6呈现明显滞留(R_f=1.47)，酸性条件促进迁移

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  双氯芬酸在pH 4几乎不迁移，pH 6时离子化显著提升穿透率(72%)

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  布洛芬在pH 6近乎完全穿透(96%)，pH 4时吸附增强

3.1.2 Zn²⁺影响

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  卡马西平迁移率提升40%(C/C₀=0.93)，Zn²⁺改变介质表面性质

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  布洛芬迁移被强烈抑制(回收率降至35%)，形成Zn-有机络合物

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  双氯芬酸受轻微影响，咖啡因基本不受干扰

3.1.3 NO₃^?作用

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  卡马西平降解加速(μ=0.216 day^?1)，微生物共代谢效应显著

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  布洛芬保持高迁移性(102%回收率)，但降解率提升

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  咖啡因迁移增强，双氯芬酸变化不显著

结论与意义

该研究首次系统阐明了Ag-MAR系统中pH-重金属-硝酸盐的协同作用对PhACs迁移的调控机制：中性/碱性土壤(pH 6)会显著增加咖啡因、双氯芬酸等极性药物的迁移风险，而酸性条件(pH 4)促进卡马西平等中性化合物的渗透。Zn²⁺通过表面电荷改变和络合作用产生差异化影响，NO₃^?则主要调控微生物降解路径。这些发现为农业区地下水回灌工程的精准管理提供了理论依据——建议针对不同PhACs特性，通过调节回灌水化学组成(如控制pH<6)、设置重金属拦截带等措施，构建多级屏障防控体系。研究结果发表于《Science of the Total Environment》，对全球水资源短缺地区的可持续水管理具有重要指导价值。