有機肥對土壤中抗生素降解的促進作用的研究的論文
隨著抗生素應(yīng)用范圍和使用頻率的不斷增加，抗生素對環(huán)境的污染問題逐漸受到人們的重視。眾多研究表明，農(nóng)田土壤是人類處方藥抗生素和獸用抗生素的主要歸宿地，抗生素主要通過排泄物、生活垃圾、污水、城市污泥和伺養(yǎng)場垃圾等作為肥料伴隨施用進人土壤。據(jù)報道，土壤中檢測出抗生素的殘留量可在μg/kg 級至g/kg級之間變化。一些調(diào)查與試驗表明，農(nóng)田土壤中的抗生素可被作物吸收，并可能對作物生長產(chǎn)生影響。另外，進人土壤等環(huán)境中的抗生素還可致環(huán)境微生物產(chǎn)生抗藥性，對人類的公共健康構(gòu)成潛在威脅。因此，防止農(nóng)田土壤中抗生素的污染、加速進人土壤中抗生素的降解是避免抗生素對農(nóng)作物和人類產(chǎn)生危害的重要途徑。抗生素屬于有機物，可通過各種方式降解，但其降解速率與抗生素種類、環(huán)境條件等有關(guān)。一些試驗表明，殘留在畜禽糞便中的抗生素可在堆肥過程中發(fā)生顯著的降解。微生物是環(huán)境中抗生素降解的主要推手，施肥是農(nóng)田培肥的重要措施，施用有機肥常可增強土壤微生物活性，從而有可能影響土壤中抗生素的降解。為此，設(shè)置了施用不同量有機肥的盆栽試驗，以探討有機肥施用對土壤中抗生素降解的可能作用。
1材料與方法
1. 1試驗材料
供試土壤采自浙江省紹興市柯橋區(qū)，為青紫泥田(屬水稻土土類)，采樣深度為0~15cm。該土樣有機碳含量為19.2 g/kg，pH為6. 13，質(zhì)地為粘壤土，土壤有效P含量為8.76 mg/kg，有效K為98 mg/kg。檢測表明，試驗前土壤無恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素等抗生素檢出，但含少量土霉素殘留(含量為38. 6 μg/kg)。土樣在試驗前風干、混勻，過5 mm土篩。
1.2試驗方法
試驗共設(shè)4個處理，分別為(I ) CIA(對照):不添加抗生素，未施用有機肥;(II) ANT抗生素處理):添加土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素等4種抗生素各25mg/kg，未施用有機肥;(III ) ANT + 0. 5 OM(抗生素+0. 5%有機肥處理):添加土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素等4種抗生素各25 mg/kg，同時施用0. 5%有機肥;(1V)ANT+1.0 OM(抗生素+1. 0%有機肥處理):添加土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嚓陡和泰樂菌素等4種抗生素各25 mg/kg，同時施用1. 0%有機肥。施用的有機肥為商品有機肥，有機質(zhì)含量為45.2% , pH為7.43,全N含量為14. 43 g/kg，P2O5量為9. 76 g/kg，K2O含量為22. 65 g/kg。
試驗每盆用土量為5 kg，每個處理重復3次。在以上處理的基礎(chǔ)上，每盆各施復合肥(N-P2O5-K20含量為15-15-15 )1 g。抗生素、有機肥和化肥同時均勻混人土壤，培養(yǎng)7d后，每盆移栽4株15 d齡的青菜幼苗(品種為‘蘇州青’)。分別在添加抗生素后的1,2,4,8,16,32和52 d，從各盆中采集混合土樣，測定土壤中抗生素的殘留量和微生物生物量碳。蔬菜生長45 d后收獲地上部分，測生物量，并分析抗生素含量。采集的土樣凍干后研磨過2 mm土篩，在分析前冰凍保存。采集的蔬菜樣品先后經(jīng)自來水、蒸餾水洗凈后用吸水紙吸干，4℃保存。
1.3分析方法
蔬菜樣品中抗生素采用超聲提取一固相萃取預處理和高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS )分析法測定，采用乙睛-硫酸鈉-乙酸鈉-Na2 EDTA溶液/超聲波提取，用正己烷液-液萃取，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法濃縮，用乙睛-0. 086 mol / L 磷酸(15: 85, V/V)定容至5 mL,隔夜沉渣，吸取1 mL溶液過0. 2 μm濾膜后用HPLC-MS/MS法測定。土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的回收率分別為83. 43%~112.3% ,79. 67%~106. 54% , 85. 67%·103. 43%和86. 34%~99. 34%，平均分別為96.4% ,93.6% ,95. 8%和96.7%，最低檢測限分別為0.13,0.095,0.12和0. 15μg/kg。土壤中抗生素用pH為4的EDTA-McIlvaine ( 0. 05 mol/L EDTA+0. 06 mol/L，Na2HPO4 + 0. 08 mol/ L檸檬酸)緩沖液提取，用高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS )分析法測定。
2結(jié)果與分析
2. 1有機肥對土壤中抗生素降解的影響
研究表明，土壤中4種供試抗生素的含量均隨培養(yǎng)時間的延長而顯著下降(圖1)0 4種供試抗生素在土壤中的降解速率以磺酸二甲嘧啶最高，其次為恩諾沙星，泰樂菌素最低。對于未施用有機肥只添加抗生素的處理(ANT )，在培養(yǎng)結(jié)束時(培養(yǎng)時間為52 d)，土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素在土壤中的平均殘留含量分別為8.30,5.35,1.40和13. 83 mg/kg，相應(yīng)的抗生素降解率分別為66.8% ,78.6% ,94. 4%和44.7%。
用有機肥可促進土壤中各類抗生素的降解，4種供試抗生素的降解率均隨有機肥用量的增加而增加。在培養(yǎng)結(jié)束時，不施用有機肥的處理(ANT)、施用0. 5%有機肥的處理( ANT + 0. 50M)和施用1. 0%有機肥的處理(ANT + 1. 0 0M)的土霉素降解率分別為66.8 % ,73. 6%和76.8%，恩諾沙星降解率分別為78.6% ,82. 4%和84.2 %，磺酸二甲嚓陡降解率分別為94.4 % , 97. 1%和98.2%，泰樂菌素降解率分別為44.7% ,49. 2%和52.4%。施用有機肥對土壤中抗生素降解的促進作用在試驗前期最為明顯，試驗后期施用有機肥與未施用有機肥處理的土壤抗生素降率差異有所減小。在培養(yǎng)時間為8d時，施用1%有機肥處理比未施有機肥處理的土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素降解率分別高出12. 9 ,13. 5 ,24. 8和12. 0個百分點，至培養(yǎng)結(jié)束時相應(yīng)的降解率差值分別為10. 0,5. 6,3. 8和7. 7個百分點。
抗生素在土壤中的降解與其化學結(jié)構(gòu)、所處土壤pH、土壤溶液中離子濃度、溫度、水分、通氣性、N03，NO2，F(xiàn)e，F(xiàn)e2+Fe，NaCI, TiO2等光敏劑及土壤微生物組成及活性等有關(guān)[}a}。降解機理主要有水解、光解和生物降解作用。本試驗中采用相同的供試土壤，不同處理間的差異主要是有機肥施用與否及其施用量，據(jù)此推斷，施用有機肥之所以能促進土壤中抗生素的降解，可能與有機肥施用增加了土壤中微生物活性、增強了抗生素的生物降解有關(guān)。施用有機肥處理可顯著增加土壤中微生物生物量碳，而增加程度在前期(第8天)更為明顯(施用0. 5%有機肥處理和施用1%有機肥處理的土壤微生物生物量碳分別為未施有機肥處理的187 %和213% );至培養(yǎng)后期，施用有機肥處理的土壤微生物生物量碳有所下降，但仍高于未施有機肥處理(施用0. 5%有機肥處理和施用1%有機肥處理的土壤微生物生物量碳分別為未施有機肥處理的129%和143%)。
抗生素的微生物降解主要是通過微生物直接破壞和修飾抗生素而使其失活，包括水解、基團轉(zhuǎn)移和氧化還原3種機制，使抗生素殘留物的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而引起其化學和物理性質(zhì)的改變，最后分解成為H2O和CO2。土壤環(huán)境中的耐藥菌，如光合菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌、發(fā)酵絲狀菌、芽抱桿菌、枯草桿菌、硝化細菌、酵母等都具有降解抗生素的功能。
2. 2有機肥對蔬菜生長的影響
圖3為4個不同處理的土壤上生長45 d的蔬菜地上部分鮮重。與對照(CK)相比，只添加抗生素處理的土壤(ANT)上生長的蔬菜鮮重顯著下降，下降幅度為12.4%，而對于同時施用抗生素與0. 5%或1. 0%有機肥的土壤上生長的蔬菜，其地上部分鮮重與對照無明顯差異，平均產(chǎn)量比對照略有增加，分別增加1. 04%和5.2%}對試驗過程中蔬菜生長狀況的觀察表明，只添加抗生素處理的土壤上生長的蔬菜與對照在生長前期(5~15d)差異最為明顯，之后差異有所減少。而2個有機肥處理的土壤上生長的蔬菜與對照之間的差異一直不明顯。這一結(jié)果表明，土壤抗生素污染較為嚴重時(各類抗生素污染的初始濃度為25 mg/kg)，抗生素對蔬菜幼苗生長有一定的抑制作用。前人的研究也表明，當土壤抗生素達到較高水平時，抗生素可限制根系生長和地上部分的株高。加人有機肥處理后，抗生素對蔬菜生長的抑制變得不明顯，這可能有以下2方面的原因:一是有機肥加快了土壤抗生素的降解，減弱了抗生素對蔬菜生長的影響;二是有機肥的施用增加了土壤有效養(yǎng)分，從而在一定程度上促進了蔬菜的'生長。
2. 3有機肥對蔬菜中抗生素含量的影響
在未施用抗生素的土壤(CK)上生長的蔬菜僅檢測出少量的土霉素，未檢出恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素等抗生素，蔬菜中微量土霉素的存在可能與供試土壤中有少量土霉素殘留有關(guān)。而經(jīng)抗生素處理的土壤上生長的蔬菜中均有明顯的4類抗生素檢出，這表明土壤中抗生素可被供試蔬菜吸收，積累在蔬菜組織中。但3個含有抗生素處理(ANT , ANT + 0. 5 OM , ANT+1. 0 OM)的土壤上生長的蔬菜中抗生素含量有較大的差異。總體上，蔬菜中4類抗生素含量以泰樂菌素最高，其次為土霉素，而恩諾沙星和磺酸二甲嘧啶含量相對較低。施用有機肥( ANT + 0. 5 OM , ANT+1. 0 OM)的蔬菜中抗生素含量明顯低于未施有機肥的處理(ANT)。施用1%有機肥處理的土壤上生長的蔬菜中抗生素含量略低于施用0. 5%有機肥處理的土壤上生長的蔬菜。施用0. 5%有機肥處理的土壤(ANT + 0. 5 OM)上生長的蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素含量分別比未施有機肥的土壤(ANT)低61.7% ,62.8% ,37. 4%和46.8 %，施用1. 0%有機肥處理的土壤(ANT + 1. OOM)上生長的蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂菌素含量比未施有機肥的土壤低67.8 % ,66.3% ,49. 4%和48.9 %蔬菜中各類抗生素含量的變化及不同處理間同類抗生素含量的變化與土壤中殘留的抗生素水平基本一致。施用有機肥降低了蔬菜中抗生素的含量，這可能有2個方面的原因:一是有機肥促進了蔬菜的生長，增加了蔬菜的生物量，從而使蔬菜地上部分抗生素的濃度降低(稀釋效應(yīng));二是有機肥促進了土壤中抗生素的降解，減少了蔬菜對土壤中抗生素的吸收。但與降低蔬菜中抗生素含量相比，有機肥對蔬菜生物量的影響較小。因此，施用有機肥之所以能夠降低蔬菜中抗生素的含量，主要與有機肥促進了土壤中抗生素的降解有關(guān)。上述結(jié)果表明，有機肥的施用不僅影響了土壤中抗生素的降解，同時也明顯了降低了蔬菜對土壤中抗生素的吸收。
3小結(jié)
本研究表明，施用有機肥可增加土壤微生物
生物量，促進土壤抗生素的降解，這一效應(yīng)隨有機肥用量的提高而增加，而且有機肥對土壤中抗生素降解的促進作用在土壤培養(yǎng)前期更為明顯。施用有機肥顯著減少了蔬菜地上部分抗生素的含量，且有機肥用量為1. 0%時比0. 5%效果更顯著。與無抗生素污染對照土壤比較，添加抗生素使蔬菜生物量明顯下降，施用有機肥有利于緩解抗生素對蔬菜生長產(chǎn)生的不良效應(yīng)。
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