土霉素、鎘復(fù)合污染土壤的植物-微生物強(qiáng)化修復(fù)效果

陳 蘇，晁 雷，沙 桐，孫家君，皮珍軍，陳 寧，馬鴻岳，單 岳

(1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院/區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044；2.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.北京桑德環(huán)境工程有限公司，北京 101102)

土霉素、鎘復(fù)合污染土壤的植物-微生物強(qiáng)化修復(fù)效果

陳 蘇1,2，晁 雷2，沙 桐2，孫家君3，皮珍軍3，陳 寧1，馬鴻岳1，單 岳1

(1.沈陽大學(xué)環(huán)境學(xué)院/區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110044；2.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.北京桑德環(huán)境工程有限公司，北京 101102)

選用觀賞性植物孔雀草(Tagetespatula)作為修復(fù)植物，對(duì)土霉素有良好降解效果的細(xì)菌(Phyllobacteriummyrsinacearum)和真菌(Rhodotorulamucilaginosa)的混合菌液作為降解微生物，并輔以肥料(硫酸銨、磷酸二氫鈣、氯化鉀)，有機(jī)酸(酒石酸、草酸、檸檬酸)和化學(xué)螯合劑(NTA和EDTA)8種強(qiáng)化處理，對(duì)土霉素-鎘復(fù)合污染土壤進(jìn)行植物微生物聯(lián)合強(qiáng)化修復(fù)研究。結(jié)果表明，孔雀草對(duì)土壤中鎘的富集量從大到小依次為硫酸銨≈氯化鉀>EDTA>酒石酸>草酸>磷酸二氫鈣>NTA>檸檬酸>對(duì)照。肥料處理對(duì)于降解菌降解土霉素的效果最好，其次是有機(jī)酸處理，螯合劑處理降解效果較差。綜合而言，硫酸銨肥料對(duì)鎘的富集和土霉素的降解效果最佳。

鎘；土霉素；孔雀草；強(qiáng)化措施

近年來,國(guó)內(nèi)外開始關(guān)注醫(yī)藥類藥物對(duì)環(huán)境的危害,歐洲、美國(guó)、加拿大、日本、中國(guó)等國(guó)家或地區(qū)先后在河流、土壤中檢測(cè)出160種以上的藥物[1]。德國(guó)等國(guó)的飲用水中也檢測(cè)到一定濃度的抗生素[2]。環(huán)境中檢測(cè)出的抗生素約占全部檢出藥物總數(shù)的1/4,并且抗生素被檢出頻率最高。在我國(guó),抗生素通過污水灌溉、動(dòng)物糞肥施用等方式大量進(jìn)入土壤。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年有近6 000 t抗生素作為獸用[3],占全球抗生素飼料添加劑使用量的50%。其中四環(huán)素類抗生素在我國(guó)及世界畜禽養(yǎng)殖業(yè)中的生產(chǎn)量與實(shí)際使用量均最大[4]?？股卦谕寥乐虚L(zhǎng)期積累,能影響土壤中微生物組成,進(jìn)而影響土壤肥力[5]。同樣,由于含重金屬的飼料添加劑和抗生素類獸藥的使用[6],使畜禽有機(jī)肥成分發(fā)生了質(zhì)的變化,有害物質(zhì)因其生物利用率較低,絕大多數(shù)會(huì)隨糞尿排出[7]。畜禽糞肥已成為農(nóng)業(yè)土壤中Cd、Zn和Cu等重金屬的重要來源之一,其中畜禽有機(jī)肥中的Cd極易在土壤中積累,長(zhǎng)期施用會(huì)增加農(nóng)田土壤的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[8]。重金屬具有致癌、致畸、致突變等危險(xiǎn),通過農(nóng)作物吸收能夠進(jìn)入人體內(nèi),危害人類健康。土霉素作為畜禽養(yǎng)殖最常用的抗生素藥物之一,60%～90%以母體藥物形式隨糞便排出體外[9],雖然抗生素可以發(fā)生光解、生物降解等轉(zhuǎn)化行為,但因不斷排放、輸入會(huì)持續(xù)存在于環(huán)境中[10]?？股嘏c重金屬在土壤環(huán)境中共存并且相互作用形成復(fù)合交叉污染,很可能改變兩者的形態(tài),從而影響它們?cè)诃h(huán)境中的各種行為、生物吸收及毒性[11]。

孔雀草(Tagetespatula) 是菊科萬壽菊屬一年生草本花卉,適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)土壤的要求不嚴(yán),耐旱耐寒,易于管理[12]。有研究表明,孔雀草對(duì)鎘、鉛等重金屬具有較強(qiáng)的耐性和積累能力[13],是一種很有潛力的花卉修復(fù)植物。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于抗生素-重金屬?gòu)?fù)合污染土壤修復(fù)的研究較少,采用植物-微生物聯(lián)合修復(fù)方式,以土霉素和重金屬鎘為目標(biāo)污染物,以孔雀草為修復(fù)植物,利用土霉素高效降解菌并輔以一定的強(qiáng)化措施,對(duì)土壤抗生素、重金屬?gòu)?fù)合污染的防治和農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為草甸棕壤,采自中國(guó)科學(xué)院沈陽生態(tài)站,未使用任何化學(xué)品已10 a,屬清潔土壤,采集表層(0～20 cm)土樣。該土壤基本理化性質(zhì)為:pH值為 6.50,w(有機(jī)質(zhì))含量為1.55%,w(砂粒)為21.4%,w(粉粒)為46.5%,w(黏粒)為32.1%;w(Cd)為0.01 mg·kg-1,未檢測(cè)出土霉素。修復(fù)植物為孔雀草,購(gòu)于遼寧東亞種業(yè)有限公司。供試菌株采用前期研究所篩選出的對(duì)土霉素有良好降解效果的細(xì)菌(Phyllobacteriummyrsinacearum)和真菌(Rhodotorulamucilaginosa)的混合菌液。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用土培實(shí)驗(yàn),自制土霉素、鎘復(fù)合污染土壤,每盆裝土1.00 kg,共設(shè)置以下9組處理:對(duì)照1組〔w(土霉素)5 mg·kg-1+w(鎘)5 mg·kg-1+菌液10 mL〕和強(qiáng)化處理8組〔在對(duì)照處理的基礎(chǔ)上加3種肥料處理(硫酸銨、磷酸二氫鈣、氯化鉀)、3種有機(jī)酸處理(酒石酸、草酸、檸檬酸)、2種化學(xué)螯合劑處理(NTA和EDTA)〕;每組處理均設(shè)3次重復(fù)。每盆種植孔雀草5株,發(fā)芽后保苗2株,植物發(fā)芽10 d后接種微生物菌液10 mL,接種微生物3個(gè)月后收獲植物?；ㄅ桦S機(jī)放置在溫室中并不定期更換位置,植物每日用去離子水澆灌并保持w=60%的田間持水量。植物收獲后測(cè)定植物地上部和根部生物量、植物地上部和根部鎘含量及土壤中土霉素含量。

1.3 測(cè)試方法

土壤基本理化性質(zhì)按土壤農(nóng)化常規(guī)分析法[14]測(cè)定。植物樣品中Cd總量采用硝酸-高氯酸消化,原子吸收分光光度儀測(cè)定。土壤中抗生素含量采用固相萃取-高效液相色譜儀分析[15]測(cè)定,將土壤樣品用EDTA-Mcllvaine緩沖提取液提取,在漩渦混勻器上按2 500 r·min-1混勻10 s,25 ℃超聲15 min,在4 ℃、4 500 r·min-1條件下離心15 min,重復(fù)提取2次,收集上清液通過聚四氟乙烯過濾膜。上清液通過固相萃取小柱,用甲醇洗脫固相萃取小柱,氮?dú)獯蹈珊?用1 mL甲醇定容,待測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件計(jì)算和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理對(duì)孔雀草生物量的影響

不同強(qiáng)化措施處理下孔雀草的生物量見表1,3種肥料處理組孔雀草根部、地上部和總生物量較對(duì)照均有所提高,其中硫酸銨處理對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用最為顯著(P<0.05),根部、地上部和總生物量分別達(dá)到0.82、4.12和4.94 g,顯著優(yōu)于磷酸二氫鈣和氯化鉀處理。孫磊等[16]研究不同氮肥對(duì)污染土壤玉米生長(zhǎng)和重金屬Cu和Cd吸收的影響時(shí)也指出,施用硫酸銨可顯著提高玉米生物量。筆者研究中施加磷酸二氫鈣和氯化鉀處理生物量也有明顯提升,磷酸二氫鈣對(duì)孔雀草根部生物量的促進(jìn)作用要強(qiáng)于氯化鉀,但對(duì)地上部生物量的的促進(jìn)作用小于氯化鉀。磷肥的主要作用為促進(jìn)植物果實(shí)、籽粒的飽滿;而鉀肥主要作用為提高植物抗逆性,雖然也有一定促生長(zhǎng)作用,但促進(jìn)效果不如氮肥。

表1 不同處理下孔雀草的生物量

同一列數(shù)據(jù)上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2種螯合劑的施用均顯著降低孔雀草根部、地上部及總生物量;而NTA和EDTA處理之間并無顯著差異。劉金等[17]研究表明施加EDTA會(huì)不同程度降低苧麻生物量,且高濃度螯合劑處理水平下植物會(huì)出現(xiàn)莖干變細(xì)、葉片變小等現(xiàn)象。王永奎等[18]也指出,螯合劑在提高重金屬有效性的同時(shí)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的毒害,影響作物生長(zhǎng),如葉片黃化、甚至死亡。在筆者實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的螯合劑濃度下只對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,并未出現(xiàn)其他毒害癥狀。

3種有機(jī)酸處理中,酒石酸、檸檬酸處理顯著提高孔雀草根部生物量(P<0.05),但對(duì)地上部和總生物量的影響與對(duì)照相比無顯著差別,草酸處理則對(duì)孔雀草根部、地上部、總生物量均無明顯影響。唐宇庭等[19]對(duì)小分子有機(jī)酸影響油菜吸收鋅和鎘的研究指出,加入低濃度有機(jī)酸有助于重金屬鎘的絡(luò)合,具有解毒作用。

2.2 不同強(qiáng)化措施處理對(duì)孔雀草富集鎘的影響

不同強(qiáng)化措施處理對(duì)孔雀草富集鎘的情況如表2所示。與對(duì)照相比，氯化鉀處理3種肥料顯著提高根部鎘含量(P<0.05),但對(duì)地上部鎘含量和總富集量影響不大。同時(shí)氯化鉀處理孔雀草富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)均優(yōu)于其他2種肥料處理,分別達(dá)4.15和1.22。硫酸銨和磷酸二氫鈣處理孔雀草根部鎘含量與對(duì)照組相比差異并不顯著,但硫酸銨處理鎘總富集量最大。3種肥料處理對(duì)于孔雀草地上部鎘含量也無顯著影響,但均顯著提高鎘的總富集量(P<0.05),這可能與肥料處理顯著提高孔雀草生物量有關(guān)。硫酸銨和氯化鉀處理孔雀草對(duì)鎘的總富集量大于磷酸二氫鈣處理。

表2 不同處理下孔雀草對(duì)鎘的富集

Table 2 Cd enrichment byTagetespatularelative to treatment

處理方式 根部w(Cd)/(mg·kg-1)地上部w(Cd)/(mg·kg-1)Cd總富集量/(mg·盆-1)富集系數(shù)轉(zhuǎn)移系數(shù)硫酸銨16.5±0.07def19.5±0.34de93.9±3.40a3.911.19磷酸二氫鈣15.3±0.40ef18.9±0.28e81.5±1.51cd3.771.16氯化鉀17.1±0.20de20.8±0.48c91.2±1.93ab4.151.22NTA21.9±0.59b22.4±0.34b80.9±1.28de4.481.02EDTA24.0±0.48e24.4±0.41a88.0±2.30b4.881.02酒石酸17.4±0.62d22.1±0.11b87.2±3.60c4.421.27草酸18.9±0.19c21.6±0.34b86.4±0.76cd4.321.15檸檬酸19.2±0.32c20.2±0.51cd77.1±0.32e4.041.05對(duì)照15.9±0.88f19.7±0.36de75.9±2.30e3.931.24

同一列數(shù)據(jù)上方英文小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2種螯合劑處理均顯著提高孔雀草根部和地上部鎘含量及鎘總富集量,且富集系數(shù)也相對(duì)較高,EDTA處理富集系數(shù)達(dá)4.88,為所有處理方式中最高,但轉(zhuǎn)移系數(shù)相對(duì)較低。EDTA處理孔雀草根部、地上部鎘含量及總富集量均顯著高于NTA處理(P<0.05)。土壤添加螯合劑后,其本身具有的配位體可與重金屬離子螯合,因此土壤中重金屬的溶解度升高,活動(dòng)性增強(qiáng),同時(shí)形態(tài)發(fā)生改變,可顯著增加植物各部位重金屬含量。石旻飛等[20]研究也表明EDTA可改變重金屬Cd的有效性,提高東南景天(Sedumalfredii)吸收Cd的能力,強(qiáng)化植物修復(fù)效果。

與對(duì)照相比,3種有機(jī)酸處理均顯著提高根部鎘含量,酒石酸和草酸處理顯著提高地上部以及總鎘富集量,檸檬酸處理地上部及總鎘富集量沒有顯著提高。酒石酸和草酸處理富集效果優(yōu)于檸檬酸。有機(jī)酸對(duì)重金屬也具有一定螯合能力,活化效果小于人工合成螯合劑。劉婉茹等[21]研究表明,向土壤中人工添加草酸或檸檬酸之后植物Cd富集效果更顯著,還能不同程度地提高植物耐性。任麗娟等[22]研究表明,投加0～1.0 mmol·kg-1螯合劑可顯著提升Cd在紫花苜蓿中的富集量。低分子量有機(jī)酸對(duì)土壤重金屬的有效性有所增強(qiáng)并降低其生物毒性,改善土壤環(huán)境的同時(shí)活化重金屬。此外,低分子量有機(jī)酸中的陰離子可同重金屬發(fā)生絡(luò)合反應(yīng),有效促進(jìn)金屬離子釋放,同時(shí)減少土壤有機(jī)質(zhì)、黏粒和氧化物附著重金屬離子,使重金屬在土壤中的移動(dòng)性受阻,因此植物可通過有機(jī)酸金屬絡(luò)合物的吸收提高植物重金屬富集能力。

綜合比較上述8種強(qiáng)化處理可知,3種肥料處理提高了植物生物量,螯合劑處理雖然可顯著促進(jìn)植物根部、地上部對(duì)鎘的吸收,但由于生物量較低,對(duì)鎘的富集總量并不高;而有機(jī)酸對(duì)鎘富集有促進(jìn)作用,但總富集量卻不如硫酸銨和氯化鉀處理。因此,8種強(qiáng)化處理鎘的總富集量從大到小依次為硫酸銨/氯化鉀、EDTA、酒石酸、草酸、磷酸二氫鈣、NTA、檸檬酸和對(duì)照。

2.3 不同強(qiáng)化措施處理對(duì)于土霉素的降解效果

不同強(qiáng)化措施下土霉素的降解情況如圖1所示。在加入3種肥料的處理中,土壤中土霉素的降解率均比對(duì)照組顯著提高,其中加入硫酸銨處理降解效果提高最明顯,降解率可達(dá)71.1%。3種肥料對(duì)土霉素降解效果從大到小依次為硫酸銨、磷酸二氫鈣和氯化鉀,均可顯著促進(jìn)土壤中土霉素的降解。徐秋桐等[23]研究表明,施用有機(jī)肥可顯著促進(jìn)土壤中土霉素、恩諾沙星、磺酸二甲嘧啶等抗生素的降解,可能與有機(jī)肥施用增加土壤中微生物活性、增強(qiáng)抗生素的生物降解有關(guān)。加入螯合劑的處理方式中,降解菌對(duì)土霉素的降解效果有所下降,NTA處理降解率下降顯著,降解率為所有處理方式中最低的,僅為47.5%,EDTA處理降解效果好于NTA處理,降解率為55.1%,幾乎與對(duì)照組持平。這可能是由于NTA是人工合成的螯合劑,自身毒性較大,影響了根際微生物的生存環(huán)境和代謝機(jī)制。

直方柱上方英文小寫字母不同表示不同處理方式間土霉素降解率差異顯著(P<0.05)。

與對(duì)照相比,3種有機(jī)酸處理降解效果有所提高,但沒有肥料處理明顯。酒石酸和檸檬酸處理降解率較對(duì)照均顯著提高,分別達(dá)60.6%和66.0%,草酸處理提高效果不顯著。3種有機(jī)酸的降解效果從大到小依次為檸檬酸、酒石酸和草酸。

3 結(jié)論

3種肥料處理孔雀草根部、地上部和總生物量較對(duì)照均有所提高,其中硫酸銨處理對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用最顯著。2種螯合劑的施用均顯著降低孔雀草根部、地上部及總生物量。酒石酸、檸檬酸處理顯著提高根部生物量,而草酸處理則對(duì)孔雀草生物量無明顯影響。

孔雀草對(duì)土壤中鎘的富集量從大到小依次為硫酸銨≈氯化鉀>EDTA>酒石酸>草酸>磷酸二氫鈣>NTA>檸檬酸>對(duì)照。肥料處理對(duì)于強(qiáng)化降解菌降解土霉素的效果最好,其次是有機(jī)酸處理,螯合劑處理降解效果較差。綜合比較,在8種強(qiáng)化處理方式中,硫酸銨的處理方式對(duì)于土霉素的降解效果最好,選擇硫酸銨肥料強(qiáng)化效果最佳。

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(責(zé)任編輯： 陳 昕)

Effect of Plant-Microbe Intensified Remediation of Soil Polluted With Oxytetracycline and Cadmium.

CHENSu1,2,CHAOLei2,SHATong2,SUNJia-jun3,PIZhen-jun3,CHENNing1,MAHong-yue1，SHANYue1

(1.School of Environmental Studies, Shenyang University/ Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation, Ministry of Education, Shenyang 110044, China;2.College of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China;3.Beijing Sander Environmental Engineering Co. Ltd., Beijing 101102, China)

A soil remediation experiment was carried out with maidenhair (Tagetespatula)as phyto-remedifier, bacteria (phyllobacteriummyrsinacearum)-fungi (Rhodotorulamucilaginosa) mixture solution as bacto-remedifier, and fertilizers (ammonia sulfate, calcium biphosphate and potassium chloride), organic acids (tartaric acid, oxalic acid, and citric acid) and chelating agents ( NTA and EDTA) as eight separate intensifiers, to treat a soil polluted with cadmium (Cd) and oxytetracycline together. In terms of the effect of intersifyingTagetespatula′senrichment of Cd, the eight intensifiers displayed a decreasing order of ammonia sulfate≈potassium chloride> EDTA> tartaric acid> oxalic acid> calcium biphosphate>NTA> citric acid>control, while in terms of the effect of intensifying degradation of oxytetracycline, fertilizers were on the top, followed by organic acids and wound up by chelating agents. And among the fertilizers, ammonia sulfate was the most effective in remedying Cd and oxytetracycline polluted soils.

cadmium; oxytetracycline;Tagetespatula; intensifying measure

2016-03-02

沈陽建筑大學(xué)學(xué)科涵育項(xiàng)目(XKHY-36);遼寧省自然科學(xué)基金(2014020099);沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F14-133-9-00);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB441106);沈陽大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(201511035083)

X53

A

1673-4831(2017)03-0270-05

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.03.011

陳蘇(1979—),女,遼寧沈陽人，副教授,博士,主要從事環(huán)境科學(xué)與工程方面的研究。E-mail: mailchensu@aliyun.com