14 C-紅霉素在水生生物的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)特征

劉志平 顧 鑫 余凱翔 張素芬 葉慶富 王 偉

(浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310029)

抗生素是一類在人和動(dòng)物疾病防疫、治療中廣泛應(yīng)用的抗菌藥物。 大量研究表明,30%～90%的抗生素通過動(dòng)物排泄、養(yǎng)殖廢水、生活污水等方式以母體或代謝產(chǎn)物的形式進(jìn)入環(huán)境[1-2],嚴(yán)重污染了地表水、飲用水和土壤等[3]。 紅霉素(erythromycin, ERY)及其衍生物是常用的三大抗生素類藥物之一[4],長期使用導(dǎo)致紅霉素在水體環(huán)境的污染非常普遍。 近年來,國內(nèi)外的河流、生活污水、河床底泥,甚至居民飲用水均不斷檢測出紅霉素殘留[5-8]。 美國國家地理調(diào)查局在全美范圍內(nèi)調(diào)查了139 條河流中抗生素殘留情況,發(fā)現(xiàn)在21 種常用抗生素中,紅霉素檢出頻率最高,檢出濃度高達(dá)1 700 ng·L-1[9]。 Leung 等[10]發(fā)現(xiàn)我國香港污水處理廠進(jìn)出水中紅霉素濃度為243 ～4 740 ng·L-1;徐維海等[11]報(bào)道珠江水體中紅霉素平均濃度為489 ng·L-1,居民飲用水中濃度亦高達(dá)460 ng·L-1。 Li等[12]和伍銀愛等[13]研究發(fā)現(xiàn)水體中紅霉素能夠通過表面吸收、口食攝入等方式在水生動(dòng)植物、鳥類中吸收富集。 美國環(huán)保署(Environmental Protection Agency,EPA)早已將紅霉素列為飲用水需要優(yōu)先檢測和控制的候選污染物[14]。 由此可見,未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),環(huán)境中的紅霉素污染問題仍將十分嚴(yán)峻。 因此,全面認(rèn)識(shí)紅霉素在水生動(dòng)植物體內(nèi)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)、富集等規(guī)律具有重要的意義。

水生生態(tài)系統(tǒng)是全球最大的碳庫,有超過萬億噸的天然有機(jī)質(zhì),其中溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolved organic matter, DOM)占97.1%[15],天然水體中的DOM 濃度一般為0 ～50 mg·L-1[16]。 大量研究證實(shí)DOM 對水體中有機(jī)污染物的遷移、轉(zhuǎn)化、生物可利用和生物富集效應(yīng)等具有極其重要的影響[17-18]。 Yu 等[19]研究表明,DOM 能夠促進(jìn)多環(huán)芳烴在土壤和底泥中解吸,提高多環(huán)芳烴在水體中的溶解度,增強(qiáng)其在水體環(huán)境的遷移運(yùn)轉(zhuǎn);Liu 等[20]研究發(fā)現(xiàn)溶解性胡敏酸(humic acid,HA)類有機(jī)質(zhì)能夠顯著降低水體中菲在幼青鳉體內(nèi)的吸收富集,且隨著HA 濃度的增加,幼青鳉對菲的吸收能力逐漸下降;Chen 等[21]發(fā)現(xiàn)DOM 能夠顯著降低大腸桿菌對四環(huán)素的吸收。 目前,對胡敏酸與傳統(tǒng)有機(jī)污染物相互作用的研究已有大量報(bào)道,而關(guān)于胡敏酸與紅霉素之間相互作用的研究尚鮮見報(bào)道。 因此,本試驗(yàn)建立了蝌蚪-浮萍模擬水生生態(tài)系統(tǒng)和人工蔬菜水培系統(tǒng),通過14C 同位素示蹤法,研究水體中14C-紅霉素在水生動(dòng)植物體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征;同時(shí)選取2種典型的天然DOM,探討水體中DOM 對紅霉素在生物體內(nèi)可吸收利用度的影響及可能的DOM-ERY 結(jié)合效應(yīng),以期為科學(xué)評價(jià)紅霉素在水體環(huán)境中的生物安全性提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 標(biāo)記化合物與溶解性有機(jī)質(zhì) [N-甲基-14C]-紅霉素購自美國Radiolabeled Chemicals 公司,其放射性比活度為55 mCi·mmol-1,放射性化學(xué)純度為99%,化學(xué)純度＞98%,其結(jié)構(gòu)式及14C 標(biāo)記位置如圖1所示。

圖1 14C-紅霉素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of 14C-erythromycin

1.1.2 溶解性有機(jī)質(zhì) 2 種天然DOM 標(biāo)準(zhǔn)品由國際腐殖物質(zhì)學(xué)會(huì)(International Humic Substances Society)提供,均為胡敏酸,分別來源于帕霍基腐殖土(Pahokee peat,PP)和薩旺泥河(Suwannee river,SR),主要參數(shù)見表1。

表1 溶解性有機(jī)質(zhì)的基本性質(zhì)Table 1 Basic parameters of DOM

1.1.3 試劑 甲醇、乙醇、二甲苯和乙二醇乙醚均為分析純,購自北京國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;2,5-二苯基惡唑(2, 5-diphenyloxazole,PPO),1,4-[2-(5-苯基惡唑)] [1,4-bis-(5-phenyloxazol-2-yl)-benzene,POPOP]均為閃爍純,購自上海梯希愛公司。 閃爍液A 配方: 7.0 g PPO、 0.5 g POPOP、350 mL 乙二醇乙醚、650 mL 二甲苯。 閃爍液B 配方:7.0 g PPO、0.5 g POPOP、175 mL 乙醇胺、225 mL 乙二醇乙醚、600 mL二甲苯[22]。

1.1.4 儀器 Milli-Q Advantage A10 超純水系統(tǒng)(法國Molsheim 公司);PQX-450B-30H 人工氣候箱(寧波萊福特儀器);Tri-Carb 2910TR 液體閃爍測量儀(美國PerkinElmer 公司);OX-501 生物氧化燃燒儀(美國R.J.Harvey Instruments);DHG-9070A 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司);HZ-9610KB 恒溫振蕩培養(yǎng)箱(華利達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司);透析袋(MD34,1 000Da,美國)。

1.1.5 試驗(yàn)生物 青萍(Lemna minor)由浙江大學(xué)農(nóng)藥與環(huán)境毒理研究所提供,平均重量每株0.018±0.001 g,直徑0.5～0.8 cm;樹蛙蝌蚪(Rhacophorus)由杭州水生生物公司提供,平均重量0.10±0.03 g,體長1.0～1.5 cm。 蝌蚪和浮萍需要在實(shí)驗(yàn)室條件下馴化一周,浮萍和蝌蚪放入曝氣3 d 自來水中,然后放入人工氣候箱中。 人工氣候箱設(shè)置為溫度25℃、光照L/D為12 h/12 h、相對濕度為80%,每3 d 更換一次水。

油菜和生菜苗購于北京蔬菜培育公司,4～5 葉齡。購買的菜苗放入人工氣候箱中馴化一周,人工氣候箱設(shè)置:溫度L/D 為25℃/20℃、光照L/D 為12 h/12 h、相對濕度80%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 紅霉素在蝌蚪-浮萍模擬水生生態(tài)系統(tǒng)的吸收試驗(yàn) 取14C-紅霉素原藥溶解在甲醇中配成母液,取DOM 溶解在去離子水中配成DOM 母液,然后分別取14C-紅霉素母液和DOM 母液用曝氣3 d 的自來水配制成14C-紅霉素濃度為20 μg·L-1、DOM 濃度為20 mg·L-1的水溶液,對照組不添加DOM。 取150 mL 上述水溶液注入到250 mL 玻璃瓶中,挑選大小相近,生長狀況良好的蝌蚪和浮萍放入玻璃瓶中,將玻璃瓶放入人工氣候箱中培養(yǎng)360 h。 培養(yǎng)條件:溫度為25℃,光照L/D 為12 h/12 h,相對濕度為80%。 瓶中的水溶液每3 d 更換一次,保證水質(zhì)干凈和14C-紅霉素的濃度穩(wěn)定。 每天定點(diǎn)喂食,飼料是主要成分為氨基酸和蛋白質(zhì)的魚飼料。 分別在暴露72、144、216、288、360 h取樣,用去離子水洗凈樣品表面,然后于60℃烘箱中烘干至恒重。 烘干樣品在生物氧化燃燒儀中燃燒4 min,燃燒條件為催化室溫度680℃、燃燒室溫度900℃。 燃燒產(chǎn)生的14CO2用15 mL 閃爍液B 吸收,然后用液體閃爍測量儀測量生物體內(nèi)放射性活度。 模擬水生生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)的對照組和處理組均設(shè)6 次重復(fù)。

1.2.2 紅霉素在水培蔬菜體系的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn) 選取大小相似、生長狀況良好的菜苗,用去離子水洗去根部的土壤,放入50 mL 的棕色培養(yǎng)瓶中,瓶外用錫箔紙包裹防止陽光射入,瓶內(nèi)注入35 mL 含有14C-紅霉素和DOM 的Hoagland 營養(yǎng)液(pH 值6.5),使苗的根部完全浸沒在營養(yǎng)液內(nèi)[23]。 營養(yǎng)液中的14C-紅霉素濃度為20 μg·L-1,DOM 濃度為20 mg·L-1,以不添加DOM 為對照組。 試驗(yàn)樣品放入人工氣候箱中培養(yǎng),培養(yǎng)條件:溫度L/D 為25℃/20℃,光照L/D 為12 h/12 h,相對濕度為80%[24],每天定點(diǎn)補(bǔ)充營養(yǎng)液至35 mL。 分別在暴露6、12、24、48、92、192 h 取樣,用去離子水洗凈樣品根部,分離地上部和根部。 烘干、燃燒、測量植株體內(nèi)放射性活度,該部分試驗(yàn)操作步驟同1.2.1。 水培蔬菜試驗(yàn)的對照組和處理組均設(shè)6 次重復(fù)。

1.2.3 紅霉素和DOM 結(jié)合透析試驗(yàn) 透析袋預(yù)處理:將透析袋剪成10 ～20 cm 的小段,在2%碳酸氫鈉和1 mmol·L-1EDTA 溶液中煮沸10 min 后,用去離子水徹底漂洗干凈,再將透析袋置于1 mmol·L-1EDTA溶液中煮沸10 min,再用去離子水將透析袋清洗干凈。

分別用去離子水配置成14C-紅霉素濃度為20 μg·L-1,DOM 濃度分別為1、2、5、10、20、50 mg·L-1的待透析溶液各100 mL。 將待透析溶液加入250 mL 錐形中,用封口膜封好,放入搖床上振蕩24 h。 振蕩結(jié)束后,取15 mL 待透析溶液加入透析袋中,放入裝有100 mL 去離子水的錐形瓶中,在搖床上振蕩32 h 后透析達(dá)到平衡。 量取錐形瓶外的溶液體積,并測量其放射性活度,計(jì)算游離14C-紅霉素的比例得到紅霉素與DOM 的結(jié)合率。 透析試驗(yàn)的對照組和處理組均設(shè)3次重復(fù)。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 采用單因素分析Tukey HSD 對不同處理組在同一采樣時(shí)間點(diǎn)和相同處理組在不同采樣時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行差異分析。 所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)方差表示。 采用SPSS 20.0、Origin 8.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

本研究中,氧化燃燒儀的回收率均在90%以上,數(shù)據(jù)經(jīng)過燃燒回收率校準(zhǔn)。 計(jì)算地上部和根部的14C-紅霉素含量,然后按照公式計(jì)算紅霉素的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF( translocation factor, TF ) 和生物富集系數(shù)bioconcentration factor, BCF。 其中,TF 表示紅霉素從植物根部向莖葉部分轉(zhuǎn)運(yùn)的能力:

式中,Cshoot:地上部14C-紅霉素濃度(nmol·g-1干重);Croot:根部14C-紅霉素濃度(nmol·g-1干重)。 BCF表示生物對水或土壤中紅霉素的吸收能力:

式中,CB:試驗(yàn)生物體中14C-紅霉素濃度(ng·g-1干重);CW:水體中14C-紅霉素濃度(ng·mL-1)。

14C-紅霉素與DOM 結(jié)合率(bonding rate, BT)計(jì)算公式如下:

式中,Ctotal:初始引入14C-紅霉素濃度;Cfree:透析袋外游離態(tài)14C-紅霉素濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅霉素在模擬水生生態(tài)系統(tǒng)中的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)特征及水體DOM 的影響

由圖2 可知,水體中14C-紅霉素濃度為20 μg·L-1的污染水平下,能夠被水生浮萍吸收富集,并于72 h內(nèi)達(dá)到平衡濃度1.35±0.11 nmol·g-1DW,直至試驗(yàn)結(jié)束(360 h)紅霉素濃度保持穩(wěn)定,各采樣點(diǎn)間無顯著性差異(P＞0.05)。 添加DOM 處理的浮萍體內(nèi)紅霉素濃度與對照組存在顯著性差異(P＜0.05)。 72 h 時(shí),添加PP 和SR 處理組浮萍體內(nèi)紅霉素濃度分別較對照組降低17%和57%。 此外,PP 和SR 處理組浮萍體內(nèi)紅霉素濃度變化存在差異,添加PP 的浮萍體內(nèi)紅霉素濃度隨著時(shí)間的延長呈逐漸增加的趨勢,在360 h時(shí)達(dá)到同期對照組的95%;而添加SR 的浮萍體內(nèi)紅霉素濃度隨著時(shí)間的延長呈先增加后降低的趨勢,在216 h 時(shí)達(dá)到最高,為1.03±0.04 nmol·g-1DW。 總體來說,2 種DOM 抑制浮萍吸收紅霉素的效果不同,除216 h 外,其余采樣點(diǎn)PP 和SR 處理組間均存在顯著性差異(P＜0.05)。

圖2 浮萍中14C-紅霉素濃度Fig.2 Concentrations of 14C-erythromycin in Lemna minor

由圖3 可知,蝌蚪可以吸收富集水體中的紅霉素,且蝌蚪體內(nèi)的紅霉素濃度隨著時(shí)間的延長而遞增,在360 h 達(dá)到1.20±0.05 nmol·g-1,低于同期浮萍體內(nèi)紅霉素濃度(1.36±0.01 nmol·g-1DW)。 與對照組相比,除添加PP 的蝌蚪在72 h 時(shí)體內(nèi)紅霉素濃度高于對照組外,其余采樣點(diǎn)DOM 處理組均低于對照組;SR 顯著抑制了蝌蚪對紅霉素的吸收(P＜0.05),表明DOM 總體對蝌蚪吸收紅霉素有抑制作用。 添加2 種DOM 的蝌蚪體內(nèi)紅霉素濃度均隨著時(shí)間的延長呈先降低后升高趨勢,且在288～360 h,添加PP 的蝌蚪體內(nèi)紅霉素濃度增加速率與對照組相近,且高于SR 處理組。 同時(shí),2 種DOM 處理組之間差異性分析表明,除在288 h外,其余時(shí)間點(diǎn)均差異顯著(P＜0.05)。 結(jié)果表明,水體DOM 能夠影響紅霉素的生物有效性,不同DOM 的影響效應(yīng)存在顯著差異,且DOM 對水生動(dòng)物和植物可能存在不同的影響機(jī)制。

圖3 蝌蚪體內(nèi)14C-紅霉素濃度Fig.3 Concentrations of 14C-erythromycin in Rhacophorus

由于蝌蚪在暴露期間體內(nèi)的紅霉素濃度未達(dá)到平衡,計(jì)算二者360 h 時(shí)生物富集系數(shù)。 由表2 可知,紅霉素在浮萍體內(nèi)的生物富集系數(shù)達(dá)到58.77±0.63 L·kg-1,這與伍銀愛等[13]計(jì)算得到紅霉素在水草體內(nèi)的生物富集系數(shù)為46.05 L·kg-1相近;而紅霉素在蝌蚪體內(nèi)的生物富集系數(shù)為49.58±4.03 L·kg-1。根據(jù)國際生物蓄積性標(biāo)準(zhǔn),BCF ＞5 000 L·kg-1的化合物為生物積累物質(zhì)[25],因此,紅霉素屬于非生物累積性化合物。

2.2 紅霉素在水培蔬菜體系的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)特征及水體DOM 的影響

由圖4 可知,水培生菜和油菜均可以吸收富集水體中的紅霉素,且二者的富集能力相當(dāng),并顯著低于蝌蚪和浮萍(P ＜0.05)。 紅霉素在油菜和生菜地上部濃度均顯著低于根部(P＜0.05),在192 h 時(shí),紅霉素在生菜地上部濃度為0.037±0.001 nmol·g-1DW(圖4-A),根部為0.112±0.001 nmol·g-1DW(圖4-B);在油菜地上部達(dá)到0.045±0.010 nmol·g-1DW(圖4-C),根部達(dá)到0.119±0.010 nmol·g-1DW(圖4-D),表明紅霉素易于在根部富集。 紅霉素在地上部和根部的濃度隨著時(shí)間的延長不斷增加,表明在暴露期間,蔬菜能從水體中不斷吸收紅霉素并向上運(yùn)輸。 與對照組相比,添加DOM 的蔬菜體內(nèi)紅霉素濃度雖然有所降低,但除個(gè)別采樣點(diǎn)外,整體與對照組無顯著性差異(P ＞0.05)。 結(jié)果表明,添加SR 和PP 的DOM 對紅霉素在水培生菜和油菜中的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)均有一定影響,但總體上影響不顯著。

表2 14C-紅霉素在蝌蚪和浮萍體內(nèi)的富集系數(shù)Table 2 Bioconcentration factor of 14C-erythromycin in Rhacophorus and Lemna minor /(L·kg-1)

圖4 DOM 對油菜和生菜富集14C-紅霉素的影響Fig.4 Effect of DOM on pakchoi and lettuce absorbing14C-erythromycin

計(jì)算192 h 時(shí)紅霉素在油菜和生菜體內(nèi)的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系。 由表3 可知,紅霉素在2 種蔬菜根部的生物富集系數(shù)均高于地上部,紅霉素在油菜的地上部和根部的生物富集系數(shù)分別為1.65±0.18 和4.27±0.39 L·kg-1;在生菜的地上部和根部生物富集系數(shù)分別為1.36±0.23 和4.15±0.40 L·kg-1。 進(jìn)一步計(jì)算紅霉素的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)發(fā)現(xiàn),紅霉素在油菜和生菜體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.40±0.08 和0.37±0.04,均小于1,表明紅霉素不易在油菜和生菜體內(nèi)向上運(yùn)輸。 加入DOM 能夠降低紅霉素的生物富集系數(shù),但與對照組相比,整體無顯著性差異。 同時(shí),添加PP 和SR,紅霉素在油菜體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別降為0.38±0.04和0.36±0.03,但與對照組無顯著性差異;而在生菜體內(nèi)分別降為0.26±0.04 和0.24±0.21,且與對照組差異顯著(P＜0.05),表明DOM 抑制紅霉素在生菜體內(nèi)向上轉(zhuǎn)運(yùn)。

表3 14C-紅霉素在油菜和生菜體內(nèi)的生物富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 3 Bioconcentration factor and translocation factor of14C-erythromycin in pakchoi and lettuce

2.3 紅霉素和DOM 的結(jié)合規(guī)律

對計(jì)算得到紅霉素和DOM 的結(jié)合率進(jìn)行擬合,擬合系數(shù)(R2)均超過0.99,擬合效果較好。 由圖5 可知,DOM 濃度較低時(shí)(1 mg·L-1),紅霉素和PP 與SR的結(jié)合率相近,分別為18%和20%。 而隨著DOM 濃度升高至2 mg·L-1,紅霉素和2 種DOM 的結(jié)合率差距迅速擴(kuò)大,與PP 的結(jié)合率為23%,而與SR 的結(jié)合率達(dá)到57%。 當(dāng)DOM 濃度為20 mg·L-1時(shí),紅霉素與PP的結(jié)合率為48%,而與SR 的結(jié)合率達(dá)到65%。 紅霉素與DOM 的結(jié)合差異性可能是DOM 影響生物吸收紅霉素差異性的重要原因。 當(dāng)DOM 濃度為50 mg·L-1時(shí),紅霉素與PP 和SR 的結(jié)合率再次接近,分別為79%和77%。

3 討論

3.1 不同試驗(yàn)生物富集紅霉素的差異

本研究中,試驗(yàn)生物富集紅霉素能力依次為浮萍＞蝌蚪＞油菜≈生菜。 這與前人研究結(jié)果基本相同[26-27]。 不同生物富紅霉素集能力存在差異可能與生物體的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。 浮萍主要由根和葉構(gòu)成,其絕大部分組織可以光合作用,因而整個(gè)植物的新陳代謝活性較高[26],且浮萍的每個(gè)葉片都漂浮在水面上,可以直接從水體中吸收養(yǎng)分,而其他高等植物必須通過根系吸收養(yǎng)分向上運(yùn)輸,所以浮萍吸收紅霉素的速度最快。 又因?yàn)樗参锟梢詫t霉素進(jìn)行代謝[27],因此紅霉素在浮萍體內(nèi)可以很快被吸收降解平衡。

圖5 14C-紅霉素與DOM 的結(jié)合率Fig.5 The bonding rate of 14C-erythromycin with DOM

蝌蚪生長力較為旺盛,且皮膚具有高滲透性。 紅霉素不僅可以通過高滲透的皮膚擴(kuò)散進(jìn)入到蝌蚪體內(nèi),還可以通過呼吸作用和消化系統(tǒng)吸收水中的紅霉素[28],因此,蝌蚪體內(nèi)具有較高濃度的紅霉素,但低于浮萍體內(nèi)紅霉素濃度,這與前人研究發(fā)現(xiàn)水生動(dòng)物體內(nèi)紅霉素濃度低于水生植物的結(jié)論一致[13]。 隨著蝌蚪生長發(fā)育加快,從外界獲得的養(yǎng)分增加,獲取的紅霉素也在增加,因此288 ～360 h 蝌蚪體內(nèi)的紅霉素含量快速增加。

紅霉素從營養(yǎng)液到根部需要化合物穿越植物組織的多重阻礙,包括根表皮、皮質(zhì)、內(nèi)皮及中柱鞘[29],因此油菜和生菜根部紅霉素濃度較低;此外,Hoagland 營養(yǎng)液含有EDTA,EDTA 是一種螯合劑,可能會(huì)與紅霉素之間產(chǎn)生絡(luò)合作用,從而進(jìn)一步降低游離紅霉素的濃度。 而地上部的紅霉素主要依靠自由擴(kuò)散作用和木質(zhì)部的運(yùn)輸從根部轉(zhuǎn)移獲得,但由于根部紅霉素濃度較低,蒸騰作用產(chǎn)生的蒸騰拉力不易使紅霉素向上運(yùn)輸,所以導(dǎo)致地上部的紅霉素濃度更低。

3.2 DOM 影響生物富集紅霉素的可能機(jī)理

由于DOM 含有大量的游離氨基酸、多糖和酶等物質(zhì),表面含有大量的羧基、羥基和氨基,被認(rèn)為是一種天然的螯合劑,可以和多種重金屬和有機(jī)污染物相互作用[30-31]。 目前,DOM 與污染物之間的作用機(jī)理尚未明確。 研究表明,DOM 可以通過陽離子橋、絡(luò)合作用、陽離子交換及氫鍵與抗生素(如四環(huán)素、土霉素)相互作用[32-34]。 Carmosini 等[35]研究褐煤胡敏酸對環(huán)丙沙星的吸附,發(fā)現(xiàn)水體褐煤胡敏酸濃度越高,對環(huán)丙沙星的吸附就越強(qiáng),且表現(xiàn)出陽離子交換機(jī)制;Sibley 等[34]研究大環(huán)內(nèi)酯類抗生素克拉霉素與胡敏酸的作用機(jī)理,同樣證明了陽離子交換起的重要作用,且DOM 對克拉霉素的吸附是可逆的。 目前認(rèn)為DOM 與污染物相互作用后形成分子量更大的膠束狀結(jié)構(gòu),一方面降低污染物的自由溶解態(tài)濃度,使生物更難吸收自由溶解態(tài)的污染物分子;另一方面有機(jī)污染物與DOM 的結(jié)合產(chǎn)物空間體積過大或極性過大,從而不能穿透生物膜,也降低了生物對污染物分子對富集可能性。 Ke 等[36]研究DOM 對青鳉富集有機(jī)氯農(nóng)藥的影響,發(fā)現(xiàn)DOM 可以通過吸附水中的有機(jī)污染物來降低其在水體中的自由溶解態(tài)濃度,從而達(dá)到降低其生物有效性的作用;Wang 等[37]研究表明,胡蘿卜吸收的氯化合物多集中在表皮,難以進(jìn)入果肉,分子量越高,越難以進(jìn)入果肉。 本研究中,紅霉素在水中可以以陽離子、陰離子和兩性離子存在,且可以與DOM 發(fā)生陽離子交換或者氫鍵作用,形成分子量更大的絡(luò)合物,因此降低了水體中紅霉素的自由溶解態(tài)濃度,達(dá)到降低紅霉素的生物有效性的作用。 本研究采用的2 種DOM 在組成成分上差異巨大,PP 中氨基酸含量為89 μmol·g-1,遠(yuǎn)低于SR(373 μmol·g-1),所以SR 中含有更多的羥基、羧基和氨基。 SR 可以結(jié)合更多的紅霉素,形成分子量更大的絡(luò)合物,更有效降低水體中紅霉素的自由溶解態(tài)濃度,因此能顯著降低紅霉素的生物有效性。 DOM 降低有機(jī)污染生物有效性除了二者之間存在結(jié)合作用外,還可能與DOM 和生物表皮吸附有關(guān)。 Chen 等[21]發(fā)現(xiàn)DOM 可以吸附在生物細(xì)胞表面,降低四環(huán)素的生物有效性。 本研究中,DOM 可以吸附在浮萍、蝌蚪和水培蔬菜根部體表,占據(jù)表皮吸附位點(diǎn),降低紅霉素通過滲透作用進(jìn)入生物體內(nèi)的可能性,尤其是蝌蚪,可以在水中游動(dòng),體表更容易吸附大量的DOM,體表DOM 的吸附與分離可能是導(dǎo)致蝌蚪體內(nèi)紅霉素濃度在不同采樣時(shí)間點(diǎn)變化劇烈的原因之一。

此外,植物根系分泌物可能是影響水生植物吸收紅霉素的重要因素之一。 根系分泌物主要由質(zhì)子、有機(jī)酸、氨基酸、酚類、多糖、蛋白質(zhì)和黏膠物質(zhì)構(gòu)成,是DOM 的重要組分[38],和DOM 有著相似的性質(zhì)。 研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物對五氯苯酚有增溶作用,且分子量越大,增溶效果越好,對疏水性有機(jī)污染物起到增溶作用的是其中的大分子組分,這與DOM 研究結(jié)果一致[39]。本研究中,浮萍、生菜和油菜均會(huì)產(chǎn)生根系分泌物,特別是浮萍會(huì)產(chǎn)生較多的根系分泌物,這些分泌物一方面像DOM 一樣可以增加紅霉素的溶解度,另一方面可能與紅霉素相互作用來降低其生物有效性。

4 結(jié)論

水體中紅霉素能夠通過表皮吸收、口食攝入等進(jìn)入水生動(dòng)植物,不同水生生物吸收富集紅霉素的能力存在差異;紅霉素能夠在食用蔬菜中吸收富集,長期食用紅霉素污染水體中培養(yǎng)的蔬菜可能存在健康風(fēng)險(xiǎn);紅霉素屬于非生物累積性化合物,存在生物放大效應(yīng)的可能性較低;水體DOM 能夠與紅霉素結(jié)合并抑制紅霉素在水生生物中的吸收富集。 本研究為科學(xué)評價(jià)紅霉素的生態(tài)安全性提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。