2. 沈阳建筑大学市政与环境学院, 辽宁 沈阳 110168;
3. 北京桑德环境工程有限公司, 北京 101102
2. College of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;
3. Beijing Sander Environmental Engineering Co. Ltd., Beijing 101102, China
近年来, 国内外开始关注医药类药物对环境的危害, 欧洲、美国、加拿大、日本、中国等国家或地区先后在河流、土壤中检测出160种以上的药物[1]。德国等国的饮用水中也检测到一定浓度的抗生素[2]。环境中检测出的抗生素约占全部检出药物总数的1/4, 并且抗生素被检出频率最高。在我国, 抗生素通过污水灌溉、动物粪肥施用等方式大量进入土壤。据统计, 我国每年有近6 000 t抗生素作为兽用[3], 占全球抗生素饲料添加剂使用量的50%。其中四环素类抗生素在我国及世界畜禽养殖业中的生产量与实际使用量均最大[4]。抗生素在土壤中长期积累, 能影响土壤中微生物组成, 进而影响土壤肥力[5]。同样, 由于含重金属的饲料添加剂和抗生素类兽药的使用[6], 使畜禽有机肥成分发生了质的变化, 有害物质因其生物利用率较低, 绝大多数会随粪尿排出[7]。畜禽粪肥已成为农业土壤中Cd、Zn和Cu等重金属的重要来源之一, 其中畜禽有机肥中的Cd极易在土壤中积累, 长期施用会增加农田土壤的生态风险[8]。重金属具有致癌、致畸、致突变等危险, 通过农作物吸收能够进入人体内, 危害人类健康。土霉素作为畜禽养殖最常用的抗生素药物之一, 60%~90%以母体药物形式随粪便排出体外[9], 虽然抗生素可以发生光解、生物降解等转化行为, 但因不断排放、输入会持续存在于环境中[10]。抗生素与重金属在土壤环境中共存并且相互作用形成复合交叉污染, 很可能改变两者的形态, 从而影响它们在环境中的各种行为、生物吸收及毒性[11]。
孔雀草(Tagetes patula)是菊科万寿菊属一年生草本花卉, 适应性强, 对土壤的要求不严, 耐旱耐寒, 易于管理[12]。有研究表明, 孔雀草对镉、铅等重金属具有较强的耐性和积累能力[13], 是一种很有潜力的花卉修复植物。目前, 国内外对于抗生素-重金属复合污染土壤修复的研究较少, 采用植物-微生物联合修复方式, 以土霉素和重金属镉为目标污染物, 以孔雀草为修复植物, 利用土霉素高效降解菌并辅以一定的强化措施, 对土壤抗生素、重金属复合污染的防治和农产品安全生产具有重要的理论和现实意义。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤为草甸棕壤, 采自中国科学院沈阳生态站, 未使用任何化学品已10 a, 属清洁土壤, 采集表层(0~20 cm)土样。该土壤基本理化性质为:pH值为6.50, w(有机质)含量为1.55%, w(砂粒)为21.4%, w(粉粒)为46.5%, w(黏粒)为32.1%;w(Cd)为0.01 mg·kg-1, 未检测出土霉素。修复植物为孔雀草, 购于辽宁东亚种业有限公司。供试菌株采用前期研究所筛选出的对土霉素有良好降解效果的细菌(Phyllobacterium myrsinacearum)和真菌(Rhodotorula mucilaginosa)的混合菌液。
1.2 实验设计采用土培实验, 自制土霉素、镉复合污染土壤, 每盆装土1.00 kg, 共设置以下9组处理:对照1组〔w(土霉素)5 mg·kg-1+w(镉)5 mg·kg-1+菌液10 mL〕和强化处理8组〔在对照处理的基础上加3种肥料处理(硫酸铵、磷酸二氢钙、氯化钾)、3种有机酸处理(酒石酸、草酸、柠檬酸)、2种化学螯合剂处理(NTA和EDTA)〕; 每组处理均设3次重复。每盆种植孔雀草5株, 发芽后保苗2株, 植物发芽10 d后接种微生物菌液10 mL, 接种微生物3个月后收获植物。花盆随机放置在温室中并不定期更换位置, 植物每日用去离子水浇灌并保持w=60%的田间持水量。植物收获后测定植物地上部和根部生物量、植物地上部和根部镉含量及土壤中土霉素含量。
1.3 测试方法土壤基本理化性质按土壤农化常规分析法[14]测定。植物样品中Cd总量采用硝酸-高氯酸消化, 原子吸收分光光度仪测定。土壤中抗生素含量采用固相萃取-高效液相色谱仪分析[15]测定, 将土壤样品用EDTA-Mcllvaine缓冲提取液提取, 在漩涡混匀器上按2 500 r·min-1混匀10 s, 25 ℃超声15 min, 在4 ℃、4 500 r·min-1条件下离心15 min, 重复提取2次, 收集上清液通过聚四氟乙烯过滤膜。上清液通过固相萃取小柱, 用甲醇洗脱固相萃取小柱, 氮气吹干后, 用1 mL甲醇定容, 待测。
1.4 数据处理所有数据采用SPSS 13.0软件计算和分析。
2 结果与讨论 2.1 不同处理对孔雀草生物量的影响不同强化措施处理下孔雀草的生物量见表 1, 3种肥料处理组孔雀草根部、地上部和总生物量较对照均有所提高, 其中硫酸铵处理对植物生长促进作用最为显著(P＜0.05), 根部、地上部和总生物量分别达到0.82、4.12和4.94 g, 显著优于磷酸二氢钙和氯化钾处理。孙磊等[16]研究不同氮肥对污染土壤玉米生长和重金属Cu和Cd吸收的影响时也指出, 施用硫酸铵可显著提高玉米生物量。笔者研究中施加磷酸二氢钙和氯化钾处理生物量也有明显提升, 磷酸二氢钙对孔雀草根部生物量的促进作用要强于氯化钾, 但对地上部生物量的的促进作用小于氯化钾。磷肥的主要作用为促进植物果实、籽粒的饱满; 而钾肥主要作用为提高植物抗逆性, 虽然也有一定促生长作用, 但促进效果不如氮肥。
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表 1 不同处理下孔雀草的生物量 Table 1 Biomass of Tagetes patula relative to treatment |
2种螯合剂的施用均显著降低孔雀草根部、地上部及总生物量; 而NTA和EDTA处理之间并无显著差异。刘金等[17]研究表明施加EDTA会不同程度降低苎麻生物量, 且高浓度螯合剂处理水平下植物会出现茎干变细、叶片变小等现象。王永奎等[18]也指出, 螯合剂在提高重金属有效性的同时会对植物产生一定的毒害, 影响作物生长, 如叶片黄化、甚至死亡。在笔者实验所设置的螯合剂浓度下只对植物生长产生影响, 并未出现其他毒害症状。
3种有机酸处理中, 酒石酸、柠檬酸处理显著提高孔雀草根部生物量(P＜0.05), 但对地上部和总生物量的影响与对照相比无显著差别, 草酸处理则对孔雀草根部、地上部、总生物量均无明显影响。唐宇庭等[19]对小分子有机酸影响油菜吸收锌和镉的研究指出, 加入低浓度有机酸有助于重金属镉的络合, 具有解毒作用。
2.2 不同强化措施处理对孔雀草富集镉的影响不同强化措施处理对孔雀草富集镉的情况如表 2所示。与对照相比，氯化钾处理3种肥料显著提高根部镉含量(P＜0.05), 但对地上部镉含量和总富集量影响不大。同时氯化钾处理孔雀草富集系数和转移系数均优于其他2种肥料处理, 分别达4.15和1.22。硫酸铵和磷酸二氢钙处理孔雀草根部镉含量与对照组相比差异并不显著, 但硫酸铵处理镉总富集量最大。3种肥料处理对于孔雀草地上部镉含量也无显著影响, 但均显著提高镉的总富集量(P＜0.05), 这可能与肥料处理显著提高孔雀草生物量有关。硫酸铵和氯化钾处理孔雀草对镉的总富集量大于磷酸二氢钙处理。
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表 2 不同处理下孔雀草对镉的富集 Table 2 Cd enrichment by Tagetes patula relative to treatment |
2种螯合剂处理均显著提高孔雀草根部和地上部镉含量及镉总富集量, 且富集系数也相对较高, EDTA处理富集系数达4.88, 为所有处理方式中最高, 但转移系数相对较低。EDTA处理孔雀草根部、地上部镉含量及总富集量均显著高于NTA处理(P＜0.05)。土壤添加螯合剂后, 其本身具有的配位体可与重金属离子螯合, 因此土壤中重金属的溶解度升高, 活动性增强, 同时形态发生改变, 可显著增加植物各部位重金属含量。石旻飞等[20]研究也表明EDTA可改变重金属Cd的有效性, 提高东南景天(Sedum alfredii)吸收Cd的能力, 强化植物修复效果。
与对照相比, 3种有机酸处理均显著提高根部镉含量, 酒石酸和草酸处理显著提高地上部以及总镉富集量, 柠檬酸处理地上部及总镉富集量没有显著提高。酒石酸和草酸处理富集效果优于柠檬酸。有机酸对重金属也具有一定螯合能力, 活化效果小于人工合成螯合剂。刘婉茹等[21]研究表明, 向土壤中人工添加草酸或柠檬酸之后植物Cd富集效果更显著, 还能不同程度地提高植物耐性。任丽娟等[22]研究表明, 投加0~1.0 mmol·kg-1螯合剂可显著提升Cd在紫花苜蓿中的富集量。低分子量有机酸对土壤重金属的有效性有所增强并降低其生物毒性, 改善土壤环境的同时活化重金属。此外, 低分子量有机酸中的阴离子可同重金属发生络合反应, 有效促进金属离子释放, 同时减少土壤有机质、黏粒和氧化物附着重金属离子, 使重金属在土壤中的移动性受阻, 因此植物可通过有机酸金属络合物的吸收提高植物重金属富集能力。
综合比较上述8种强化处理可知, 3种肥料处理提高了植物生物量, 螯合剂处理虽然可显著促进植物根部、地上部对镉的吸收, 但由于生物量较低, 对镉的富集总量并不高; 而有机酸对镉富集有促进作用, 但总富集量却不如硫酸铵和氯化钾处理。因此, 8种强化处理镉的总富集量从大到小依次为硫酸铵/氯化钾、EDTA、酒石酸、草酸、磷酸二氢钙、NTA、柠檬酸和对照。
2.3 不同强化措施处理对于土霉素的降解效果不同强化措施下土霉素的降解情况如图 1所示。在加入3种肥料的处理中, 土壤中土霉素的降解率均比对照组显著提高, 其中加入硫酸铵处理降解效果提高最明显, 降解率可达71.1%。3种肥料对土霉素降解效果从大到小依次为硫酸铵、磷酸二氢钙和氯化钾, 均可显著促进土壤中土霉素的降解。徐秋桐等[23]研究表明, 施用有机肥可显著促进土壤中土霉素、恩诺沙星、磺酸二甲嘧啶等抗生素的降解, 可能与有机肥施用增加土壤中微生物活性、增强抗生素的生物降解有关。加入螯合剂的处理方式中, 降解菌对土霉素的降解效果有所下降, NTA处理降解率下降显著, 降解率为所有处理方式中最低的, 仅为47.5%, EDTA处理降解效果好于NTA处理, 降解率为55.1%, 几乎与对照组持平。这可能是由于NTA是人工合成的螯合剂, 自身毒性较大, 影响了根际微生物的生存环境和代谢机制。
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图 1 不同处理方式下土霉素的降解率 Figure 1 Degradation rate of oxytetracycline relative to treatment |
与对照相比, 3种有机酸处理降解效果有所提高, 但没有肥料处理明显。酒石酸和柠檬酸处理降解率较对照均显著提高, 分别达60.6%和66.0%, 草酸处理提高效果不显著。3种有机酸的降解效果从大到小依次为柠檬酸、酒石酸和草酸。
3 结论3种肥料处理孔雀草根部、地上部和总生物量较对照均有所提高, 其中硫酸铵处理对植物生长促进作用最显著。2种螯合剂的施用均显著降低孔雀草根部、地上部及总生物量。酒石酸、柠檬酸处理显著提高根部生物量, 而草酸处理则对孔雀草生物量无明显影响。
孔雀草对土壤中镉的富集量从大到小依次为硫酸铵≈氯化钾＞EDTA＞酒石酸＞草酸＞磷酸二氢钙＞NTA＞柠檬酸＞对照。肥料处理对于强化降解菌降解土霉素的效果最好, 其次是有机酸处理, 螯合剂处理降解效果较差。综合比较, 在8种强化处理方式中, 硫酸铵的处理方式对于土霉素的降解效果最好, 选择硫酸铵肥料强化效果最佳。
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