鋪地黍-養(yǎng)殖塘系統(tǒng)四環(huán)素遷移動(dòng)態(tài)規(guī)律*

佘婷婷 黃容容 葉 凡 董玟秀 林 霞 葉詩(shī)怡 李志丹

(廣東第二師范學(xué)院生物與食品工程學(xué)院,廣東 廣州 510303)

抗生素作為一種新型污染物,在廢水系統(tǒng)中頻頻被測(cè)出,對(duì)環(huán)境中的生物構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]1,已有超過(guò)100種抗生素被用于人類(lèi)和動(dòng)物,其中有75%的抗生素在糞便中保持不變[2-3]。土壤、植物、食品和動(dòng)物排泄物中存在的四環(huán)素(TC)類(lèi)抗生素殘留最終歸趨自然水體,通過(guò)水體再向動(dòng)植物和人體遷移,已對(duì)自然界生態(tài)平衡系統(tǒng)和人類(lèi)健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[4-5]。大規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖和未經(jīng)處理直接排放的牲畜糞便是造成自然流域抗生素污染嚴(yán)重的主要原因。趙富強(qiáng)等[6]研究顯示,我國(guó)典型七大流域水體中TC質(zhì)量濃度為未檢出至349.7 ng/L。抗生素因揮發(fā)性較差,吸附于土壤后能長(zhǎng)期存在并積累,對(duì)土壤中微生物的種群、群落結(jié)構(gòu)、耐藥性和植物的生長(zhǎng)等產(chǎn)生影響[7]。既低成本、高效率又快速降解抗生素是國(guó)內(nèi)外學(xué)者和生態(tài)環(huán)境部門(mén)相當(dāng)重視與關(guān)注的科研熱點(diǎn)。

植物修復(fù)與自然凈化法利用水生植物凈化污水,是一種成本低廉、低碳環(huán)保、效益明顯的簡(jiǎn)便易行的方法,己成為各地改善水質(zhì)的關(guān)注熱點(diǎn)。鋪地黍(Panicumrepens)為禾本科多年生草本植物,因其較強(qiáng)的抗污染和快速繁殖能力,具備了生態(tài)修復(fù)污染土壤和水體的潛力與優(yōu)勢(shì)[8-9],可廣泛用于受污染河岸消落帶(極端干旱和水淹交替環(huán)境)的生態(tài)修復(fù)。臨近農(nóng)村的河岸消落帶主要污染源之一便是畜禽養(yǎng)殖廢水的排放。通過(guò)對(duì)廣東省大量的農(nóng)村養(yǎng)殖廢水排放區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研,發(fā)現(xiàn)鋪地黍分布廣泛,生長(zhǎng)狀態(tài)良好,但針對(duì)其凈化養(yǎng)殖廢水的效果和機(jī)理研究尚處空白[10]。本研究聚焦鋪地黍?qū)︷B(yǎng)殖廢水中抗生素的污染治理效果開(kāi)展試驗(yàn)。

TC屬于廣譜抗生素,是目前畜禽養(yǎng)殖方面使用廣泛、用量較大的抗生素類(lèi)型,特設(shè)置為本研究的處理因素。目前,針對(duì)抗生素污染水體修復(fù)植物(紫花苜蓿、大漂、鳳眼蓮等[11])的研究以短期急性毒性?xún)艋囼?yàn)為主,對(duì)抗生素長(zhǎng)期暴露下的變化與影響研究非常少,因此探究種植鋪地黍后,污染水體中TC隨時(shí)間動(dòng)態(tài)遷移與變化的規(guī)律是重點(diǎn)。擬解決3個(gè)方面的問(wèn)題:(1)以單一暴露濃度TC為處理因素,探究鋪地黍?qū)C的動(dòng)態(tài)遷移規(guī)律;(2)揭示隨著時(shí)間動(dòng)態(tài),鋪地黍不同種植方式對(duì)TC的吸收富集作用;(3)鋪地黍在抗生素暴露下的生理響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋪地黍?yàn)閺V東水生型植物,采用同一株系進(jìn)行擴(kuò)繁盆栽培植,兩個(gè)月后,選取生長(zhǎng)狀態(tài)一致且株高為15 cm的植株體作為供試材料。雞糞取自廣州某養(yǎng)雞場(chǎng),曬干密封儲(chǔ)存,選用干雞糞配制成相應(yīng)濃度的試驗(yàn)污水。土壤來(lái)源于廣州市花都區(qū)花都鎮(zhèn)普通稻田土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年5月至2022年6月,在廣東第二師范學(xué)院(23°6′N(xiāo)、113°18′E)樓頂溫室棚內(nèi)進(jìn)行,采用盆栽-人工浮板模式,水下部分保持避光狀態(tài)。培養(yǎng)盆長(zhǎng)×寬×高為0.6 m×0.5 m×0.6 m,種植密度5 cm×3 cm,每盆15株,構(gòu)建人工鋪地黍-雞糞養(yǎng)殖廢水系統(tǒng)。查閱相關(guān)資料顯示,畜禽養(yǎng)殖廢水TC檢出值為0.967～31.05 μg/L[12-13],因此試驗(yàn)按照明顯超過(guò)最高質(zhì)量濃度設(shè)置TC為5 mg/L[14]。本研究初次揭示隨著時(shí)間動(dòng)態(tài),鋪地黍不同的種植方式對(duì)TC的凈化效果,是試驗(yàn)研究重點(diǎn),也是創(chuàng)新性工作,因此只設(shè)置單一TC濃度。不同TC濃度或不同抗生素種類(lèi)的凈化效果比較研究將是下一步的研究重點(diǎn)。

試驗(yàn)處理設(shè)置詳見(jiàn)表1,每種處理3個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)處理設(shè)置Table 1 Experimental treatment settings

1.3 指標(biāo)測(cè)定

各指標(biāo)均在處理1、14、28 d時(shí)取樣測(cè)定。株高采用尺子測(cè)量,莖粗采用游標(biāo)卡尺測(cè)量;鮮質(zhì)量采用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)量,干質(zhì)量通過(guò)烘箱60 ℃烘48 h后稱(chēng)量;丙二醛(MDA)、可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素含量、電導(dǎo)率均采用李玲[15]的方法進(jìn)行測(cè)量;使用便攜式光合系統(tǒng)測(cè)定儀測(cè)定光合特性指標(biāo)(葉片凈光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、氣孔導(dǎo)度(Gs,mmol/(m2·s))、胞間CO2(Ci,μmol/mol)和蒸騰速率(Tr,mmol/(m2·s)));植物和土壤中TC樣品提取方法參考文獻(xiàn)[16]、[17],采用固相萃取高效液相色譜法檢測(cè)分析。

生物富集系數(shù)(BCF)、遷移系數(shù)(TF)、葉片相對(duì)電導(dǎo)率(REC)計(jì)算方法如下:

XBCF=A/B

(1)

XTF=C/D

(2)

XREC=(R2-R1)/R2×100%

(3)

式中:XBCF為BCF;A、B分別為植物不同部位中、環(huán)境中TC質(zhì)量濃度,mg/kg;XTF為T(mén)F;C、D分別為地上、地下部分抗生素殘留量,mg/kg;XREC為REC,%;R1、R2分別為煮前、煮沸后浸提液電導(dǎo)率,S/m。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0進(jìn)行各處理樣本之間的方差分析和t檢驗(yàn),用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋪地黍生長(zhǎng)特性變化

2.1.1 鋪地黍形態(tài)特征變化

根據(jù)表2計(jì)算,P1TC0、P1TC1組株高增長(zhǎng)率(29.16%、33.70%)、分蘗數(shù)增長(zhǎng)率(46.67%、68.75%)都在第14天達(dá)到最大值。P1TC1組的株高、分蘗數(shù)增長(zhǎng)率分別為P1TC0組的1.2、1.5倍;P1TC1組莖粗的增長(zhǎng)率在14 d達(dá)到最大值(36.95%),是P1TC0組的38.3倍。實(shí)驗(yàn)前期(≤14 d)TC對(duì)鋪地黍的生長(zhǎng)表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

表2 TC暴露對(duì)鋪地黍株高、莖粗和分蘗數(shù)的影響1)Table 2 Effects of TC exposure on plant height,stem diameter and tiller number of Panicum repens

2.1.2 鋪地黍生理特性變化

TC暴露對(duì)鋪地黍生理特性的影響見(jiàn)表3。同一處理組不同時(shí)間之間、同一時(shí)間不同處理之間的MDA、REC變化差異均不顯著(P>0.05),5 mg/L的TC沒(méi)有加深鋪地黍細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化程度與通透性。隨著時(shí)間延長(zhǎng),可溶性糖和可溶性蛋白總體呈下降趨勢(shì),除P1TC1組可溶性糖外第1天與其他取樣時(shí)間差異顯著。REC主要與植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性響應(yīng)強(qiáng)弱程度相關(guān),值越小,表明植物受到傷害越大。在TC處理1 d后鋪地黍REC達(dá)到最大值(92.05%)。隨著時(shí)間延長(zhǎng),P1TC1組REC呈下降趨勢(shì),而P1TC0組則先升后降。

表3 TC暴露對(duì)鋪地黍生理特性的影響Table 3 Effects of TC exposure on physiological characteristics of Panicum repens

2.1.3 鋪地黍光合特性變化

TC暴露對(duì)鋪地黍葉綠素的影響見(jiàn)表4,其中葉綠素a、b質(zhì)量濃度比簡(jiǎn)寫(xiě)為葉綠素a/b。鋪地黍葉片的葉綠素a、b、總量均在第1天達(dá)到最大值(見(jiàn)表4),P1TC1組分別比P1TC0組顯著高出29.41%、39.13%、32.71%(P<0.05),隨時(shí)間的延長(zhǎng),28 d時(shí)差異不顯著(P>0.05)。P1TC0組葉綠素a/b呈上升趨勢(shì);P1TC1組先降后升,且1、14、28 d時(shí)分別比P1TC0組降低7.00%、40.00%和18.81%。

表4 TC暴露對(duì)鋪地黍葉綠素的影響Table 4 Effects of TC exposure on chlorophyll of Panicum repens

隨著時(shí)間延長(zhǎng),鋪地黍Gs和Ci總體表現(xiàn)出下降的變化趨勢(shì),Tr呈先升后降趨勢(shì)(見(jiàn)表5)。P1TC1和P1TC0組鋪地黍Pn差異顯著(P<0.05),Gs、Ci和Tr均差異不顯著(P>0.05)。第1天,P1TC1組Pn、Gs和Tr分別明顯比P1TC0組提高40.90%、30.43%、13.09%。第14天,P1TC1和P1TC0組Tr均達(dá)到最大值。

表5 TC暴露對(duì)鋪地黍Pn、Gs、Tr和Ci的影響Table 5 Effects of TC exposure on Pn,Gs,Tr and Ci of Panicum repens

2.2 養(yǎng)殖塘系統(tǒng)不同介質(zhì)TC遷移轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律

由表6可見(jiàn),TC殘留量為鋪地黍根部>底泥中>水體中;隨著時(shí)間延長(zhǎng),根部與水體中TC殘留量逐漸降低,而底泥中則呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。水體中TC殘留量為P0TC1組>P1TC1組,底泥中TC殘留量為P1TC1組>P0TC1組,根部TC殘留量均值為在第1天達(dá)到18 555.48 μg/kg。P1TC1組水體中TC殘留量在第1天比P0TC1組顯著減少近70%(P<0.01)。鋪地黍根部BCF在第1天達(dá)到最大值。

表6 不同介質(zhì)不同時(shí)間的TC殘留情況1)Table 6 TC residue in different media at different times

2.3 TC在鋪地黍體內(nèi)遷移分布

TC具有光解、水解和熱不穩(wěn)定性等物理特點(diǎn)。

有研究表明,在黑暗條件下TC半衰期為18 d[18]。當(dāng)廢水體系中TC含量穩(wěn)定后,TC暴露下鋪地黍不同器官中TC殘留量為葉(23.54 mg/kg)>莖(4.78 mg/kg)>根(3.09 mg/kg),地上部分的TC殘留量比地下部分高出8.17倍;鋪地黍TF為9.17,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62。

3 討 論

3.1 TC暴露對(duì)鋪地黍生長(zhǎng)特性的影響

生長(zhǎng)速度是植物生長(zhǎng)的指示性指標(biāo),代表著外源添加有機(jī)污染物是否對(duì)植物造成脅迫和毒害作用[1]5。遲蓀琳等[17]937研究發(fā)現(xiàn),低濃度TC促進(jìn)植物生長(zhǎng),而高濃度則抑制生長(zhǎng);TC能提高小白菜地上部和地下部鮮質(zhì)量,在一定程度上增加了生菜和小白菜的Gs和Tr。這與本研究是一致的,TC一定程度上增加植物的光合特性,這可能是由于TC進(jìn)入植物體后能影響光合電子傳遞速率和光合色素的合成,或與植物體內(nèi)的某些組分相互作用對(duì)植物體的新陳代謝功能產(chǎn)生影響[19]。其他研究人員發(fā)現(xiàn),水環(huán)境中處于ng/L或μg/L級(jí)別濃度,水平很低的抗生素能直接對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性[20]。姜蕾等[21]研究發(fā)現(xiàn),TC通過(guò)抑制銅綠微囊藻、綠藻蛋白質(zhì)的合成和葉綠體中酶的活性從而抑制植物的生長(zhǎng),并且對(duì)其根系產(chǎn)生較大毒性。低濃度TC對(duì)鋪地黍的生長(zhǎng)卻是促進(jìn)的,鋪地黍可作為修復(fù)水體參考的水生植物。

植物在逆境下可通過(guò)調(diào)節(jié)自身滲透壓來(lái)抵抗逆境對(duì)植物的危害,MDA是膜脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物,常用來(lái)表示細(xì)胞膜脂過(guò)氧化程度和植物對(duì)逆境條件反映的強(qiáng)弱[22],可溶性蛋白含量可直接反映污染對(duì)植物的毒性,可溶性糖含量可反映碳水化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)情況和植物在逆境中的生理狀況[23]。相比正常植株,受到污染的植物其可溶性糖含量低[24]。REC可衡量植物的受害程度。本試驗(yàn)中TC暴露組與非暴露組MDA、可溶性蛋白、REC差異均不顯著(P>0.05)。YAN等[25]105374研究表明,在低濃度環(huán)丙沙星處理下,浮萍葉片中的可溶性蛋白含量增加。相比之下,鋪地黍在5 mg/L TC暴露環(huán)境下依然正常生長(zhǎng),體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)并沒(méi)有受到影響。

光合色素是常用于判斷植物光合性能和反映植物逆境脅迫狀況的重要指標(biāo)之一,可表征植物組織和器官的損害程度及衰老狀況[26]。研究表明,抗生素脅迫條件會(huì)導(dǎo)致植物代謝異常、葉綠素含量低、光照作用弱[27],這與本研究結(jié)論是不同的。通常有機(jī)污染物通過(guò)阻斷光系統(tǒng)Ⅱ到光系統(tǒng)Ⅰ的電子傳輸流,引起光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心電子過(guò)度飽和,再加上光化學(xué)氧化被誘導(dǎo)[28],導(dǎo)致葉綠素a/b增加。本研究TC暴露組葉綠素a/b呈先降后升的趨勢(shì),與鋪地黍生長(zhǎng)特性、生理生化特性一同說(shuō)明5 mg/L的TC在實(shí)驗(yàn)前期(≤14 d)并沒(méi)有對(duì)鋪地黍造成毒害作用,反而促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)。

植物通過(guò)蒸騰作用將抗生素從根部遷移到莖葉,在這個(gè)過(guò)程中抗生素可被生物降解或轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生新的產(chǎn)物[25]105374。本研究TC暴露總體沒(méi)有對(duì)Tr和Gs產(chǎn)生抑制作用,降低了Ci。在實(shí)驗(yàn)前期(≤14 d)TC暴露提高了Pn,這可能與TC可作為光合磷酸化與電子傳遞的偶聯(lián)劑有關(guān);28 d時(shí)TC暴露組Pn低于非暴露組,這可能是跟TC半衰期及其物理特性有關(guān)。

3.2 養(yǎng)殖塘中不同介質(zhì)TC殘留情況

LU等[29]研究了鳳眼蓮對(duì)水體中TC的去除效果,12 h后高達(dá)70%,隨著時(shí)間推移逐漸降低,這與本研究結(jié)果是一致的。種植鋪地黍后,水體中TC殘留量大幅度降低,主要往底泥和植物體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化,這可能是植物和微生物相互響應(yīng)、共同作用的結(jié)果[30]227。曠遠(yuǎn)文等[31]也支撐了該推論,其研究結(jié)果顯示,植物根部微環(huán)境極其復(fù)雜,水溶性TC被植物根部吸附后通過(guò)各種分子間作用力與植物根系表面進(jìn)行離子交換、配位、絡(luò)合、螯合、吸附和微相沉淀等各種復(fù)雜反應(yīng),經(jīng)由植物根系往植物地上部分遷移轉(zhuǎn)運(yùn),最終污染水體得到修復(fù)凈化。

3.3 TC在鋪地黍體內(nèi)遷移分布規(guī)律

植物根系主要通過(guò)吸收、分解和轉(zhuǎn)移來(lái)修復(fù)污染水體,TC的分子量、親水性和辛醇-水分配系數(shù)決定了它是留在根系的脂膜還是被輸送到其他部位[30]228。TC在鋪地黍體內(nèi)殘留量分布為葉>莖>根,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62,這與HU等[32]研究結(jié)果一致。鋪地黍與蘆葦、柳樹(shù)[33-34]對(duì)TC的富集特征是不同的,可能跟栽培方式、時(shí)間和TC濃度有關(guān)。抗生素通過(guò)植物根系中的凱氏帶運(yùn)輸被動(dòng)擴(kuò)散,再通過(guò)木質(zhì)部和韌皮部分別轉(zhuǎn)運(yùn)至莖葉和果實(shí)[35],TF主要受植物蒸騰作用的影響,Tr的增加會(huì)加速植物體對(duì)土壤中抗生素的吸收[36],實(shí)驗(yàn)第1天TC暴露組Tr和Ci均比非暴露組高。遲蓀琳等[17]940研究發(fā)現(xiàn),蔬菜(小白菜和生菜)對(duì)TC的TF為0.546～1.116,BCF為0.012～0.055。本研究中鋪地黍的TF和BCF比蔬菜高出好幾倍,與蔬菜相比顯然可見(jiàn)鋪地黍有作為養(yǎng)殖廢水抗生素凈化的優(yōu)選材料的潛力。

4 結(jié) 論

TC(5 mg/L)不僅對(duì)鋪地黍生理特性未造成毒害作用,甚至實(shí)驗(yàn)前期(≤14 d)對(duì)鋪地黍的形態(tài)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。TC殘留量為植物根部>底泥中>水體中。TC在鋪地黍體內(nèi)分布為葉>莖>根,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62,TF為9.17。