有機(jī)肥對(duì)土壤中抗生素降解的促進(jìn)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(duì)環(huán)境的污染問(wèn)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?dú)w宿地，抗生素主要通過(guò)排泄物、生活垃圾、污水、城市污泥和伺養(yǎng)場(chǎng)垃圾等作為肥料伴隨施用進(jìn)人土壤。據(jù)報(bào)道，土壤中檢測(cè)出抗生素的殘留量可在μg/kg 級(jí)至g/kg級(jí)之間變化。一些調(diào)查與試驗(yàn)表明，農(nóng)田土壤中的抗生素可被作物吸收，并可能對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。另外，進(jìn)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(duì)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(jìn)人土壤中抗生素的降解是避免抗生素對(duì)農(nóng)作物和人類產(chǎn)生危害的重要途徑。抗生素屬于有機(jī)物，可通過(guò)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(yàn)表明，殘留在畜禽糞便中的抗生素可在堆肥過(guò)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(jī)肥�？稍鰪�(qiáng)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(jī)肥的盆栽試驗(yàn)，以探討有機(jī)肥施用對(duì)土壤中抗生素降解的可能作用。
1材料與方法
1. 1試驗(yàn)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(jī)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(cè)表明，試驗(yàn)前土壤無(wú)恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)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(yàn)前風(fēng)干、混勻，過(guò)5 mm土篩。
1.2試驗(yàn)方法
試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為(I ) CIA(對(duì)照):不添加抗生素，未施用有機(jī)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(lè)菌素等4種抗生素各25mg/kg，未施用有機(jī)肥;(III ) ANT + 0. 5 OM(抗生素+0. 5%有機(jī)肥處理):添加土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)菌素等4種抗生素各25 mg/kg，同時(shí)施用0. 5%有機(jī)肥;(1V)ANT+1.0 OM(抗生素+1. 0%有機(jī)肥處理):添加土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嚓陡和泰樂(lè)菌素等4種抗生素各25 mg/kg，同時(shí)施用1. 0%有機(jī)肥。施用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，有機(jī)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(yàn)每盆用土量為5 kg，每個(gè)處理重復(fù)3次。在以上處理的基礎(chǔ)上，每盆各施復(fù)合肥(N-P2O5-K20含量為15-15-15 )1 g�？股�、有機(jī)肥和化肥同時(shí)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(cè)定土壤中抗生素的殘留量和微生物生物量碳。蔬菜生長(zhǎng)45 d后收獲地上部分，測(cè)生物量，并分析抗生素含量。采集的土樣凍干后研磨過(guò)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(lái)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(yù)處理和高效液相色譜一串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS )分析法測(cè)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(guò)0. 2 μm濾膜后用HPLC-MS/MS法測(cè)定。土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂(lè)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(cè)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(cè)定。
2結(jié)果與分析
2. 1有機(jī)肥對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)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(lè)菌素最低。對(duì)于未施用有機(jī)肥只添加抗生素的處理(ANT )，在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)(培養(yǎng)時(shí)間為52 d)，土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)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(jī)肥可促進(jìn)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(jī)肥用量的增加而增加。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，不施用有機(jī)肥的處理(ANT)、施用0. 5%有機(jī)肥的處理( ANT + 0. 50M)和施用1. 0%有機(jī)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(lè)菌素降解率分別為44.7% ,49. 2%和52.4%。施用有機(jī)肥對(duì)土壤中抗生素降解的促進(jìn)作用在試驗(yàn)前期最為明顯，試驗(yàn)后期施用有機(jī)肥與未施用有機(jī)肥處理的土壤抗生素降率差異有所減小。在培養(yǎng)時(shí)間為8d時(shí)，施用1%有機(jī)肥處理比未施有機(jī)肥處理的土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)菌素降解率分別高出12. 9 ,13. 5 ,24. 8和12. 0個(gè)百分點(diǎn)，至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)相應(yīng)的降解率差值分別為10. 0,5. 6,3. 8和7. 7個(gè)百分點(diǎn)。
抗生素在土壤中的降解與其化學(xué)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(jī)理主要有水解、光解和生物降解作用。本試驗(yàn)中采用相同的供試土壤，不同處理間的差異主要是有機(jī)肥施用與否及其施用量，據(jù)此推斷，施用有機(jī)肥之所以能促進(jìn)土壤中抗生素的降解，可能與有機(jī)肥施用增加了土壤中微生物活性、增強(qiáng)了抗生素的生物降解有關(guān)。施用有機(jī)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(jī)肥處理和施用1%有機(jī)肥處理的土壤微生物生物量碳分別為未施有機(jī)肥處理的187 %和213% );至培養(yǎng)后期，施用有機(jī)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(jī)肥處理(施用0. 5%有機(jī)肥處理和施用1%有機(jī)肥處理的土壤微生物生物量碳分別為未施有機(jī)肥處理的129%和143%)。
抗生素的微生物降解主要是通過(guò)微生物直接破壞和修飾抗生素而使其失活，包括水解、基團(tuán)轉(zhuǎn)移和氧化還原3種機(jī)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(xué)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(xì)菌、酵母等都具有降解抗生素的功能。
2. 2有機(jī)肥對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響
圖3為4個(gè)不同處理的土壤上生長(zhǎng)45 d的蔬菜地上部分鮮重。與對(duì)照(CK)相比，只添加抗生素處理的土壤(ANT)上生長(zhǎng)的蔬菜鮮重顯著下降，下降幅度為12.4%，而對(duì)于同時(shí)施用抗生素與0. 5%或1. 0%有機(jī)肥的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜，其地上部分鮮重與對(duì)照無(wú)明顯差異，平均產(chǎn)量比對(duì)照略有增加，分別增加1. 04%和5.2%}對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中蔬菜生長(zhǎng)狀況的觀察表明，只添加抗生素處理的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜與對(duì)照在生長(zhǎng)前期(5~15d)差異最為明顯，之后差異有所減少。而2個(gè)有機(jī)肥處理的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜與對(duì)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(yán)重時(shí)(各類抗生素污染的初始濃度為25 mg/kg)，抗生素對(duì)蔬菜幼苗生長(zhǎng)有一定的抑制作用。前人的研究也表明，當(dāng)土壤抗生素達(dá)到較高水平時(shí)，抗生素可限制根系生長(zhǎng)和地上部分的株高。加人有機(jī)肥處理后，抗生素對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的抑制變得不明顯，這可能有以下2方面的原因:一是有機(jī)肥加快了土壤抗生素的降解，減弱了抗生素對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響;二是有機(jī)肥的施用增加了土壤有效養(yǎng)分，從而在一定程度上促進(jìn)了蔬菜的'生長(zhǎng)。
2. 3有機(jī)肥對(duì)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(zhǎng)的蔬菜僅檢測(cè)出少量的土霉素，未檢出恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)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(zhǎng)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(gè)含有抗生素處理(ANT , ANT + 0. 5 OM , ANT+1. 0 OM)的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜中抗生素含量有較大的差異�？傮w上，蔬菜中4類抗生素含量以泰樂(lè)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(duì)較低。施用有機(jī)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(jī)肥的處理(ANT)。施用1%有機(jī)肥處理的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜中抗生素含量略低于施用0. 5%有機(jī)肥處理的土壤上生長(zhǎng)的蔬菜。施用0. 5%有機(jī)肥處理的土壤(ANT + 0. 5 OM)上生長(zhǎng)的蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)菌素含量分別比未施有機(jī)肥的土壤(ANT)低61.7% ,62.8% ,37. 4%和46.8 %，施用1. 0%有機(jī)肥處理的土壤(ANT + 1. OOM)上生長(zhǎng)的蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶和泰樂(lè)菌素含量比未施有機(jī)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(jī)肥降低了蔬菜中抗生素的含量，這可能有2個(gè)方面的原因:一是有機(jī)肥促進(jìn)了蔬菜的生長(zhǎng)，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(jī)肥促進(jìn)了土壤中抗生素的降解，減少了蔬菜對(duì)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(jī)肥對(duì)蔬菜生物量的影響較小。因此，施用有機(jī)肥之所以能夠降低蔬菜中抗生素的含量，主要與有機(jī)肥促進(jìn)了土壤中抗生素的降解有關(guān)。上述結(jié)果表明，有機(jī)肥的施用不僅影響了土壤中抗生素的降解，同時(shí)也明顯了降低了蔬菜對(duì)土壤中抗生素的吸收。
3小結(jié)
本研究表明，施用有機(jī)肥可增加土壤微生物
生物量，促進(jìn)土壤抗生素的降解，這一效應(yīng)隨有機(jī)肥用量的提高而增加，而且有機(jī)肥對(duì)土壤中抗生素降解的促進(jìn)作用在土壤培養(yǎng)前期更為明顯。施用有機(jī)肥顯著減少了蔬菜地上部分抗生素的含量，且有機(jī)肥用量為1. 0%時(shí)比0. 5%效果更顯著。與無(wú)抗生素污染對(duì)照土壤比較，添加抗生素使蔬菜生物量明顯下降，施用有機(jī)肥有利于緩解抗生素對(duì)蔬菜生長(zhǎng)產(chǎn)生的不良效應(yīng)。
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