專利名稱：一種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法。
背景技術(shù)：
抗生素是由微生物或高等動植物所產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產(chǎn)物，能干擾其他生活細胞正常發(fā)育功能的化學物質(zhì)。自從1929年發(fā)現(xiàn)青霉素以來，已經(jīng)上百種抗生素被開發(fā)利用，它們在治療疾病、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)實踐中起到了不可忽視的作用。喹諾酮類抗生素是廣泛應用于獸醫(yī)臨床的廣譜抗微生物藥，主要用于防治由革蘭氏陰性桿菌和部分革蘭氏陽性菌所引起的各種腸道傳染病，近年來發(fā)展較快。其中，諾氟沙星(norfloxacin，NOR)具有抗菌活性強、抗菌譜廣等功效，用途廣泛用量較大。我國每年所生產(chǎn)的諾氟沙星等喹諾酮類抗生素約一半用于養(yǎng)殖業(yè)，大量的畜禽糞便及其中包含的獸藥和其代謝產(chǎn)物隨有機肥的施用進入耕作土壤中，易于在固相基質(zhì)中強烈吸附并可能在環(huán)境中積累，成為環(huán)境污染的潛在隱患。而且研究表明，排出體外后的諾氟沙星原形及其主要體內(nèi)代謝產(chǎn)物仍然具有生物活性，同時代謝產(chǎn)物還能夠在環(huán)境中進一步形成其原形。同時，在地表徑流或者淋溶滲透等作用下，土壤中的諾氟沙星又可遷移進入地表水或地下水中，污染水生生態(tài)環(huán)境。土壤對諾氟沙星的吸附是影響其在土壤環(huán)境中遷移、滯留和轉(zhuǎn)化的主要因素，是控制其環(huán)境行為的重要過程。吸附過程反映了諾氟沙星與土壤的相互作用，并可用于預測其對環(huán)境的影響程度。諾氟沙星在不同土壤中的吸附系數(shù)具有明顯差異。為了得知諾氟沙星在不同土壤中的分配系數(shù)需要對每種土壤進行重復的吸附實驗，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諾氟沙星分配系數(shù)的模型。目前，國內(nèi)外還沒有關(guān)于諾氟沙星等喹諾酮類抗生素土水分配系數(shù)預測模型的研究，僅有少數(shù)關(guān)于其他類抗生素的預測模型研究。如Ficueroa(2004)提出的四環(huán)素類抗生素分配系數(shù)的預測模型，Rab0lle和Spliid(2000)以及Lertpaitoonpan (2009)提出的磺胺類抗生素的預測模型。而且，由于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，這些模型只考慮到PH和有機碳的影響，因此不能準確的預測其吸附行為。如上所述，土水分配系數(shù)是反應諾氟沙星吸附行為的一個重要參數(shù)，對于深入了解諾氟沙星在土壤和水之間的遷移行為和歸宿，有效進行環(huán)境風險評估和制定減災戰(zhàn)略十分重要。目前，還沒有關(guān)于諾氟沙星分配系數(shù)預測方法的研究。因此有必要建立一種既綜合考慮各種土壤的理化性質(zhì)對土水分配系數(shù)的影響，又具有較好的穩(wěn)健性和預測能力的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法，其包括以下步驟(I)測定對諾氟沙星在土壤中吸附特性有影響的一般理化性質(zhì)參數(shù)；(2)通過批量吸附試驗得到諾氟沙星對應于各種不同土壤的實測土水分配系數(shù)； (3)以步驟⑴中的一般理化性質(zhì)參數(shù)為自變量，計算出所有理化性質(zhì)參數(shù)和諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，剔除對諾氟沙星土水分配系數(shù)影響最小的一個理化性質(zhì)參數(shù)，計算剩余參數(shù)和諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，重復此步驟，直到最終得到主要理化性質(zhì)參數(shù)及最優(yōu)化的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測模型lgKd(N0E) = 3. 45-1. 84X10_1pH+l. 17 X l(T2Clay+l. 84X KT3DCB Fe+7. 76 X l(T40M+8. 38 X KT3Ca(4)利用上述定量預測模型來預測諾氟沙星在不同土壤中的土水分配系數(shù)。本發(fā)明所要測定的一般理化性質(zhì)參數(shù)為pH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有機質(zhì)含量、溶解有機質(zhì)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(fā)明最終得到的主要理化性質(zhì)參數(shù)為pH值、粘粒含量、游離氧化鐵含量、有機質(zhì)含量和鈣含量。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點I.能夠直觀反映出諾氟沙星土水分配系數(shù)和土壤理化性質(zhì)之間的相互關(guān)系，得知控制諾氟沙星在土壤環(huán)境中遷移的關(guān)鍵因子，量化諾氟沙星在土壤中的遷移能力以滿足環(huán)境風險評價的需要2.計算方法簡單易行，對數(shù)據(jù)資料的要求低，且具有很好的穩(wěn)健性和預測能力。測定少數(shù)幾種重要的土壤理化性質(zhì)即可滿足計算諾氟沙星土水分配系數(shù)對數(shù)據(jù)的要求，便于在實際中推廣應用。
具體實施例方式I. 土壤理化性質(zhì)分析采集全國19個省市的23個土壤樣品，選取14個對諾氟沙星在土壤中吸附特性影響較大的理化性質(zhì)參數(shù)進行測定PH值、粘粒含量(Clay(% ))、粉粒含量(Silt(% ))、沙粒含量(Sand (%))、有機質(zhì)(OM)、溶解有機質(zhì)(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.諾氟沙星土水分配系數(shù)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)配制的不同濃度的諾氟沙星溶液。經(jīng)過36小時(吸附平衡時間)的充分振蕩后，將樣品在2000g的條件下離心10分鐘，上清液使用0. 2 ii m玻璃纖維濾膜過濾，而后利用HPLC測定諾氟沙星的液相濃度。土壤中的諾氟沙星濃度(Cstjil)和分配系數(shù)Kd利用下面的公式進行計算。
。=(1)Kd = Csoil/Caq (2)其中，C0為諾氟沙星的初始濃度，Vaq為液體體積，Msoil為土壤樣品的質(zhì)量，Csoil為土壤中的諾氟沙星濃度，Caq為液相中的諾氟沙星濃度。3.構(gòu)建土壤理化性質(zhì)和諾氟沙星土水分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系。以14種土壤理化性質(zhì)為自變量，應用SMCA軟件中的PLS模塊在缺省設(shè)置條件下對諾氟沙星的土分配系數(shù)的進行建模。模型運算采取軟件中的默認參數(shù)。由交叉驗證來確定主成分個數(shù)A。模型預測能力精度的評價指標為主成分個數(shù)A，累計交叉驗證系數(shù)Q2_，擬合值和實測值的相關(guān)系數(shù)R，模型顯著性水平P，標準偏差SD等。除SD外，其余參數(shù)均由PLS分析直接給出結(jié)果。SD計算公式如下SD = ~^ J[lg/Cd(—), -IgZCd(^ml),.]2(3)
\n-A-Iti公式中Ig Kd(obs.)和Ig Kd(pred.)分別為土水分配系數(shù)(lg Kd)的實測值和預測值；n是實測值的個數(shù)；i代表不同的土壤樣品；A代表PLS主成分的個數(shù)。4.優(yōu)化定量預測模型在自變量篩選過程中，剔除對諾氟沙星土水分配系數(shù)影響最小的一個理化性質(zhì)參數(shù)，計算剩余參數(shù)和諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，重復此步驟，直到最終得到僅保留了主要自變量的最優(yōu)回歸函數(shù)。最優(yōu)化的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測模型為IgKd(職)=3. 45-1. 84X lO'H+l. 17 X l(T2Clay+l 84X KT3DCB Fe (4)+7. 76 X l(T40M+8. 38 X KT3Ca該模型具有較高的Q2eun(0. 868)和較低的SD(0. 15)，這兩個擬合結(jié)果說明模型具有良好的預測能力。實測值和預測值的相關(guān)性較高(R > 0. 957，P < 8. 90E-13)，這也說明了模型的精度和實用性。實施例采用最優(yōu)化的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測模型計算實例具體說明本專利的實施步驟和效果。I. 土壤理化性質(zhì)分析收集不同地區(qū)的15個土壤樣品，測定5種最優(yōu)化定量預測模型中的土壤理化性質(zhì)參數(shù)pH值、粘粒含量(Clay(% ))、游離氧化鐵(DCB-Fe)、有機質(zhì)(OM)和鈣(Ca)。測定結(jié)果見表I。表I受試土壤的5種物理化學性質(zhì)權(quán)利要求
1.一種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法，其包括以下步驟 (1)測定對諾氟沙星在土壤中吸附特性有影響的一般理化性質(zhì)參數(shù)； (2)通過批量吸附試驗得到諾氟沙星對應于各種不同土壤的實測土水分配系數(shù)； (3)以步驟(I)中的一般理化性質(zhì)參數(shù)為自變量，計算出所有理化性質(zhì)參數(shù)和諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，剔除對諾氟沙星土水分配系數(shù)影響最小的一個理化性質(zhì)參數(shù)，計算剩余參數(shù)和諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，重復此步驟，直到最終得到主要理化性質(zhì)參數(shù)及最優(yōu)化的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測模型lgKd(N0E) = 3. 45-1. 84X10_1pH+l. 17 X l(T2Clay+l. 84X ICT3DCB Fe +7. 76X 10_40Μ+8· 38 X ICT3Ca (4)利用上述定量預測模型來預測諾氟沙星在不同土壤中的土水分配系數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法，其特征在于步驟(I)所述一般理化性質(zhì)參數(shù)為PH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有機質(zhì)含量、溶解有機質(zhì)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(quán)利要求I所述的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法，其特征在于步驟(3)所述主要理化性質(zhì)參數(shù)為PH值、粘粒含量、游離氧化鐵含量、有機質(zhì)含量和鈣含量。
全文摘要
一種基于土壤理化性質(zhì)的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法。首先測定多種對諾氟沙星在土壤中吸附特性影響較大的理化性質(zhì)參數(shù)。然后通過批量吸附試驗得到諾氟沙星對應于每種土壤的土水分配系數(shù)。最后以土壤理化性質(zhì)為自變量，計算出所有理化性質(zhì)和諾氟沙星土水分配系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，在自變量篩選過程中，剔除對諾氟沙星土水分配系數(shù)影響最小的一個理化性質(zhì)參數(shù)，計算剩余參數(shù)個諾氟沙星實測土水分配系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，直到最終得到主要理化性質(zhì)參數(shù)及最優(yōu)化的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測模型。該模型包含3種土壤理化性質(zhì)參數(shù)pH值、粘粒含量和游離氧化鐵含量。該發(fā)明能夠提供一種既綜合考慮各種土壤的理化性質(zhì)對土水分配系數(shù)的影響，又滿足較好的穩(wěn)健性和預測能力要求的諾氟沙星土水分配系數(shù)定量預測方法。
文檔編號G01N33/15GK102636628SQ201210111458
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者付文君, 劉冠男, 劉新會, 鞏文雯, 成登苗, 陶莉, 韓磊 申請人:北京師范大學