专利名称：一种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法。
背景技术：
抗生素是由微生物或高等动植物所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞正常发育功能的化学物质。自从1929年发现青霉素以来，已经上百种抗生素被开发利用，它们在治疗疾病、水产养殖业和畜牧业生产实践中起到了不可忽视的作用。喹诺酮类抗生素是广泛应用于兽医临床的广谱抗微生物药，主要用于防治由革兰氏阴性杆菌和部分革兰氏阳性菌所引起的各种肠道传染病，近年来发展较快。其中，诺氟沙星(norfloxacin，NOR)具有抗菌活性强、抗菌谱广等功效，用途广泛用量较大。我国每年所生产的诺氟沙星等喹诺酮类抗生素约一半用于养殖业，大量的畜禽粪便及其中包含的兽药和其代谢产物随有机肥的施用进入耕作土壤中，易于在固相基质中强烈吸附并可能在环境中积累，成为环境污染的潜在隐患。而且研究表明，排出体外后的诺氟沙星原形及其主要体内代谢产物仍然具有生物活性，同时代谢产物还能够在环境中进一步形成其原形。同时，在地表径流或者淋溶渗透等作用下，土壤中的诺氟沙星又可迁移进入地表水或地下水中，污染水生生态环境。土壤对诺氟沙星的吸附是影响其在土壤环境中迁移、滞留和转化的主要因素，是控制其环境行为的重要过程。吸附过程反映了诺氟沙星与土壤的相互作用，并可用于预测其对环境的影响程度。诺氟沙星在不同土壤中的吸附系数具有明显差异。为了得知诺氟沙星在不同土壤中的分配系数需要对每种土壤进行重复的吸附实验，但是实验过程费时又费力。因此，有必要建立能够方便准确的预测诺氟沙星分配系数的模型。目前，国内外还没有关于诺氟沙星等喹诺酮类抗生素土水分配系数预测模型的研究，仅有少数关于其他类抗生素的预测模型研究。如Ficueroa(2004)提出的四环素类抗生素分配系数的预测模型，Rab0lle和Spliid(2000)以及Lertpaitoonpan (2009)提出的磺胺类抗生素的预测模型。而且，由于抗生素在土壤中的吸附行为，受到多种因素的影响，如PH，粘粒含量，阳离子交换能力，金属离子等，这些模型只考虑到PH和有机碳的影响，因此不能准确的预测其吸附行为。如上所述，土水分配系数是反应诺氟沙星吸附行为的一个重要参数，对于深入了解诺氟沙星在土壤和水之间的迁移行为和归宿，有效进行环境风险评估和制定减灾战略十分重要。目前，还没有关于诺氟沙星分配系数预测方法的研究。因此有必要建立一种既综合考虑各种土壤的理化性质对土水分配系数的影响，又具有较好的稳健性和预测能力的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法。本发明的技术方案如下—种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法，其包括以下步骤(I)测定对诺氟沙星在土壤中吸附特性有影响的一般理化性质参数；(2)通过批量吸附试验得到诺氟沙星对应于各种不同土壤的实测土水分配系数； (3)以步骤⑴中的一般理化性质参数为自变量，计算出所有理化性质参数和诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，剔除对诺氟沙星土水分配系数影响最小的一个理化性质参数，计算剩余参数和诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，重复此步骤，直到最终得到主要理化性质参数及最优化的诺氟沙星土水分配系数定量预测模型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)利用上述定量预测模型来预测诺氟沙星在不同土壤中的土水分配系数。本发明所要测定的一般理化性质参数为pH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有机质含量、溶解有机质含量、游离氧化铁含量、游离氧化铝含量、铝含量、钾含量、钠含量、钙含量、镁含量和阳离子交换能力。本发明最终得到的主要理化性质参数为pH值、粘粒含量、游离氧化铁含量、有机质含量和钙含量。与现有技术相比本发明具有以下优点I.能够直观反映出诺氟沙星土水分配系数和土壤理化性质之间的相互关系，得知控制诺氟沙星在土壤环境中迁移的关键因子，量化诺氟沙星在土壤中的迁移能力以满足环境风险评价的需要2.计算方法简单易行，对数据资料的要求低，且具有很好的稳健性和预测能力。测定少数几种重要的土壤理化性质即可满足计算诺氟沙星土水分配系数对数据的要求，便于在实际中推广应用。
具体实施例方式I. 土壤理化性质分析采集全国19个省市的23个土壤样品，选取14个对诺氟沙星在土壤中吸附特性影响较大的理化性质参数进行测定PH值、粘粒含量(Clay(% ))、粉粒含量(Silt(% ))、沙粒含量(Sand (%))、有机质(OM)、溶解有机质(DOM)、游离氧化铁(DCB-Fe)、游离氧化铝(DCB-Al)、铝(Al)、钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)、镁(Mg)和阳离子交换能力(CEC)。2.诺氟沙星土水分配系数计算在每个50ml的聚丙烯塑料离心管中装入一定量的土壤样品，加入利用0. OlMCaCl2和0. OlM NaN3(作为抗菌剂)配制的不同浓度的诺氟沙星溶液。经过36小时(吸附平衡时间)的充分振荡后，将样品在2000g的条件下离心10分钟，上清液使用0. 2 ii m玻璃纤维滤膜过滤，而后利用HPLC测定诺氟沙星的液相浓度。土壤中的诺氟沙星浓度(Cstjil)和分配系数Kd利用下面的公式进行计算。
。=(1)Kd = Csoil/Caq (2)其中，C0为诺氟沙星的初始浓度，Vaq为液体体积，Msoil为土壤样品的质量，Csoil为土壤中的诺氟沙星浓度，Caq为液相中的诺氟沙星浓度。3.构建土壤理化性质和诺氟沙星土水分配系数的函数关系。以14种土壤理化性质为自变量，应用SMCA软件中的PLS模块在缺省设置条件下对诺氟沙星的土分配系数的进行建模。模型运算采取软件中的默认参数。由交叉验证来确定主成分个数A。模型预测能力精度的评价指标为主成分个数A，累计交叉验证系数Q2_，拟合值和实测值的相关系数R，模型显著性水平P，标准偏差SD等。除SD外，其余参数均由PLS分析直接给出结果。SD计算公式如下SD = ~^ J[lg/Cd(—), -IgZCd(^ml),.]2(3)
\n-A-Iti公式中Ig Kd(obs.)和Ig Kd(pred.)分别为土水分配系数(lg Kd)的实测值和预测值；n是实测值的个数；i代表不同的土壤样品；A代表PLS主成分的个数。4.优化定量预测模型在自变量筛选过程中，剔除对诺氟沙星土水分配系数影响最小的一个理化性质参数，计算剩余参数和诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，重复此步骤，直到最终得到仅保留了主要自变量的最优回归函数。最优化的诺氟沙星土水分配系数定量预测模型为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该模型具有较高的Q2eun(0. 868)和较低的SD(0. 15)，这两个拟合结果说明模型具有良好的预测能力。实测值和预测值的相关性较高(R > 0. 957，P < 8. 90E-13)，这也说明了模型的精度和实用性。实施例采用最优化的诺氟沙星土水分配系数定量预测模型计算实例具体说明本专利的实施步骤和效果。I. 土壤理化性质分析收集不同地区的15个土壤样品，测定5种最优化定量预测模型中的土壤理化性质参数pH值、粘粒含量(Clay(% ))、游离氧化铁(DCB-Fe)、有机质(OM)和钙(Ca)。测定结果见表I。表I受试土壤的5种物理化学性质权利要求
1.一种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法，其包括以下步骤 (1)测定对诺氟沙星在土壤中吸附特性有影响的一般理化性质参数； (2)通过批量吸附试验得到诺氟沙星对应于各种不同土壤的实测土水分配系数； (3)以步骤(I)中的一般理化性质参数为自变量，计算出所有理化性质参数和诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，剔除对诺氟沙星土水分配系数影响最小的一个理化性质参数，计算剩余参数和诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，重复此步骤，直到最终得到主要理化性质参数及最优化的诺氟沙星土水分配系数定量预测模型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)利用上述定量预测模型来预测诺氟沙星在不同土壤中的土水分配系数。
2.如权利要求I所述的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法，其特征在于步骤(I)所述一般理化性质参数为PH值、粘粒含量、粉粒含量、沙粒含量、有机质含量、溶解有机质含量、游离氧化铁含量、游离氧化铝含量、铝含量、钾含量、钠含量、钙含量、镁含量和阳离子交换能力。
3.如权利要求I所述的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法，其特征在于步骤(3)所述主要理化性质参数为PH值、粘粒含量、游离氧化铁含量、有机质含量和钙含量。
全文摘要
一种基于土壤理化性质的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法。首先测定多种对诺氟沙星在土壤中吸附特性影响较大的理化性质参数。然后通过批量吸附试验得到诺氟沙星对应于每种土壤的土水分配系数。最后以土壤理化性质为自变量，计算出所有理化性质和诺氟沙星土水分配系数的函数关系，在自变量筛选过程中，剔除对诺氟沙星土水分配系数影响最小的一个理化性质参数，计算剩余参数个诺氟沙星实测土水分配系数之间的函数关系，直到最终得到主要理化性质参数及最优化的诺氟沙星土水分配系数定量预测模型。该模型包含3种土壤理化性质参数pH值、粘粒含量和游离氧化铁含量。该发明能够提供一种既综合考虑各种土壤的理化性质对土水分配系数的影响，又满足较好的稳健性和预测能力要求的诺氟沙星土水分配系数定量预测方法。
文档编号G01N33/15GK102636628SQ201210111458
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者付文君, 刘冠男, 刘新会, 巩文雯, 成登苗, 陶莉, 韩磊 申请人:北京师范大学