生物質炭降低蔬菜吸收土壤中抗生素的作用

章明奎，顧國平，徐秋桐（浙江大學環境與資源學院，杭州30058；紹興市農業科學研究院，浙江紹興3003）

生物質炭降低蔬菜吸收土壤中抗生素的作用

章明奎1，顧國平2，徐秋桐1
（1浙江大學環境與資源學院，杭州310058；2紹興市農業科學研究院，浙江紹興312003）

摘要：采用土培方法研究了施用不同量生物質炭（0.75%、1.5%、2.0%）對初始污染濃度為25 mg/kg的土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶、泰樂菌素4種抗生素污染土壤中有效態抗生素含量和蔬菜對土壤中抗生素吸收及蔬菜生長的影響。結果表明：施用生物質炭可減緩土壤中抗生素的降解，但明顯降低了土壤中有效態抗生素含量。在培養52天的土壤中，生物質炭用量為1.5%和2.0%的2個處理的有效態土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照下降25.29%與39.09%，16.39%與28.69%，16.97%與23.64%、17.76%與25.70%。施用生物質炭也可減少蔬菜對土壤抗生素的吸收，施用1.5%和2.0%生物質炭后，蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素含量分別比未施生物質炭的對照處理低23.11%與35.93%，15.89%與22.85%，7.64%與16.56%和16.79%與29.50%。與對照相比，施用生物質炭可增加蔬菜的生物量。

關鍵詞：抗生素；有效性；吸收；生物質炭

0　引言

近20年來，抗生素對農業系統的污染已引起了人們廣泛的關注[1-2]。農業土壤是人類處方藥抗生素和獸用抗生素的主要歸宿地，抗生素可通過排泄物、生活垃圾、污水、城市污泥和飼養場垃圾等作為肥料施用進入土壤[3]，從而在土壤中積累。積累在土壤中的抗生素不僅可改變土壤微生物組成，影響土壤碳、氮、硫等元素的循環和養分的有效性；同時，土壤中的抗生素也可被作物吸收，積累在農產品中，對人類的公共健康構成潛在威脅[4-6]。農作物對土壤中的抗生素吸收，除與農作物種類、抗生素類型及土壤性狀有關外，還與土壤中抗生素的生物有效性有關，降低土壤中抗生素的生物有效性可減少農作物從土壤中吸收的抗生素數量。據研究，當抗生素被環境中的一些有機或無機物吸附時，其有效性將明顯下降[4,6-9]。因此，通過改變農田土壤的物質組成或改變抗生素進入農田的重要載體的畜禽糞便性狀均有可能改變進入農田的抗生素對農作物的影響。生物質炭是近年來被農業和環境等領域關注的物質，因其有機碳含量高且穩定性強，比表面積較大，電荷密度較高，對土壤養分的吸附能力較強[10-12]，能改善土壤質量，被眾多學者推薦為能同時滿足農田固碳和增加土壤養分的改良劑。有研究表明，生物質炭對有機污染物有較強的吸附能力，可凈化污水中的抗生素[13-14]。因此，把其施入抗生素污染的土壤中有可能引起土壤中抗生素的化學形態變化，降低抗生素的生物有效性。為了驗證這種可能性，本研究設置了不同用量的生物質炭施用試驗，探討了生物質炭對土壤中抗生素有效性及蔬菜對土壤中抗生素吸收的影響。

1　材料與方法

1.1試驗方法

試驗土壤采自浙江省紹興市柯橋區，為青紫泥田，采樣深度為0～15 cm。土壤有機碳含量為19.2 g/kg，pH 6.13，質地為粘壤土；土壤有效P和有效K分別為8.76 mg/kg和98 mg/kg。分析表明，試驗前土壤無恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素等抗生素檢出，但含少量土霉素殘留（含量為38.6μg/kg）。土樣經風干、混勻、過5 mm土篩后用于盆栽試驗。

為了便于控制試驗的抗生素水平，研究采用人為添加方法添加抗生素，土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素4種抗生素的添加量各為25 mg/kg（占土壤質量）。有機肥的施用量為0.5%（占土壤質量）。試驗中生物質炭添加量設置4個水平，其用量分別為0%、0.75%、1.5%和2.0%。施用的有機肥為商品有機肥，有機質含量為45.2%，pH 7.43，全N量為14.43 g/kg，P2O5為9.76 g/kg，K2O為22.65 g/kg。試驗用生物質炭為市購產品,由小麥秸稈在350℃下厭氧燒制。經測定，其中有機碳為53.4%，全氮為3.3 g/kg，pH 10.2，含Ca、K和P分別為14.4、32.5、23.3 g/kg。每盆用土量為5 kg，重復3次。在以上處理的基礎上，每盆各施復合肥（N-P-K構成為15-15-15）1 g。抗生素、有機肥、化肥及生物質炭同時均勻混入土壤培養1周后，每盆移種4 株15天齡的青菜幼苗（品種為‘蘇州青’）。在添加抗生素后的第15天從各盆中采集混合土樣，測定土壤中抗生素的殘留量及有效態含量。蔬菜生長45天（即抗生素添加第52天）后收獲地上部分，測量蔬菜生物量，并分析其抗生素含量。采集的土樣經凍干后研磨過2 mm土篩，在分析前冰凍保存。采集的蔬菜樣品先后經過自來水、蒸餾水洗凈后用吸水紙吸干，置于4℃冰室中保存。

1.2分析方法

蔬菜樣品中抗生素采用超聲提取-固相萃取預處理和高效液相色譜-串聯質譜(HPLC-MS/MS)分析法測定，用乙腈-硫酸鈉-乙酸鈉-Na2EDTA溶液/超聲波進行提取[15]，用正已烷液-液萃取，用旋轉蒸發法濃縮，并用乙腈-0.086 mol/L磷酸(15:85，V:V)定容至5 mL，隔夜沉渣，吸取1 mL過0.2μm濾膜后用HPLC-MS/MS法測定。土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂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%，最低檢測限分別為0.13、0.095、0.12、0.15μg/kg。土壤中抗生素用pH 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。有效態抗生素采用0.1 mol/L CaCl2提取[16]，土液比1:50，振蕩提取時間30 min；提取液經離心、用0.45μm濾膜過濾；測定方法同上。

2　結果與分析

2.1施用生物質炭對土壤中抗生素有效性的影響

分析結果表明，土壤中抗生素含量隨培養時間的增加呈現顯著的下降，在試驗結束時（培養時間為52天）土壤中土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量明顯低于培養15天時的含量。從土壤中殘留的抗生素含量來看，4種供試抗生素在土壤中的降解速率以磺胺二甲嘧啶最高，其次為恩諾沙星，泰樂菌素最低。

施用生物質炭可增加土壤中抗生素的殘留量，土壤中抗生素含量隨生物質炭用量的增加而增加（表1）。培養15天的土壤中，生物質炭用量為1.5%和2.0%的2個處理的土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照高5.51%、11.51%、5.62%、12.69%和12.15%、17.29%、11.66%、23.63%；培養52天的土壤中，生物質炭用量為1.5%和2.0%的2個處理的土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照高12.92%、33.45%、26.39%、27.94%和22.84%、33.33%、17.88%、24.22%。因施用生物質炭引起的抗生素殘留增加的相對比例隨培養時間增加呈提高的趨勢。施用生物質炭增加了土壤中抗生素的殘留量可能與生物質炭的施用增加了土壤對抗生素的吸附量，從而降低了土壤中抗生素的活性，減弱了抗生素的降解速率有關。

表1　施用生物質炭對土壤中抗生素總量與有效態含量的影響

表2　蔬菜地上部分抗生素含量　μg/(kg·FW)

施用生物質炭對土壤中有效態抗生素含量的影響與總量不同，前者隨生物質炭用量的增加而下降（表1）。培養15天的土壤中，生物質炭用量為1.5%和2.0%的2個處理的有效態土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照下降26.42%、41.98%、8.72%、19.48%和12.23%、17.39%、10.75%、16.77%；培養52天的土壤中，生物質炭用量為1.5%和2.0%的2個處理的有效態土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照下降25.29%、39.09%、16.39%、28.69%和16.97%、23.64%、17.76%、25.70%。

2.2施用生物質炭對蔬菜中抗生素含量的影響

經抗生素處理的土壤中生長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。總體上，蔬菜中4類抗生素含量以泰樂菌素最高，其次為土霉素，而恩諾沙星和磺胺二甲嘧啶含量相對較低。施用生物質炭對蔬菜中抗生素含量有較大的影響（表2），其含量明顯低于未施生物質炭的處理，并隨生物質炭用量的增加而下降。施用0.75%生物質炭后，蔬菜中4類抗生素均有所降低，但它們與未施生物質炭處理之間的差異不明顯。施用1.5%生物質炭后，蔬菜中土霉素和泰樂菌素含量明顯低于未施生物質炭的土壤，但恩諾沙星和磺胺二甲嘧啶含量雖比未施生物質炭的土壤有所下降，但下降程度沒有達到顯著水平。施用2.0%生物質炭后，蔬菜中4種抗生素含量均明顯低于未施生物質炭的土壤。施用1.5%和2.0%生物質炭后，蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素含量分別比未施生物質炭的對照處理低23.11%、35.93%、15.89%、22.85% 和7.64%、16.56%、16.79%、29.50%。總體上，施用生物質炭降低蔬菜中土霉素和泰樂菌素含量的效果高于恩諾沙星和磺胺二甲嘧啶。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有效態抗生素水平基本一致。這一結果表明，生物質炭的施用不僅影響了土壤中有效態抗生素的水平，同時也明顯了降低了蔬菜對土壤中抗生素的吸收。

2.3生物質炭對蔬菜生長的影響

圖1為4個不同處理的土壤上生長45天的蔬菜地上部分鮮重。從中可知，與未施用生物質炭的對照比較，施用生物質炭可增加蔬菜的生物量，其中施用2.0%生物質炭處理土壤上的蔬菜生物量顯著高于對照處理。施用0.75%、1.5%和2.0%生物質炭處理土壤上的蔬菜生物量分別比對照高3.10%、4.91%和13.95%。

3　結論

結果表明施用生物質炭可增加土壤對抗生素的吸附，降低抗生素的生物有效性，減少蔬菜對土壤中抗生素的吸收；生物質炭對抗生素生物有效性的降低效果隨生物質炭添加量的增加而增加，對土霉素、泰樂菌素的影響一般要大于對磺胺二甲嘧啶、恩諾沙星的影響。當生物質炭用量為2.0%時，土壤有效態土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素的含量分別比對照下降39.09%、28.69%、23.64%和25.70%，蔬菜中土霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶和泰樂菌素含量分別比未施生物質炭的對照處理低35.93%、22.85%、16.56% 和29.50%。

圖1　施用生物質炭對蔬菜地上部分產量的影響

4　討論

土壤中污染物的生物有效性與土壤中污染物的存在形態有關。污染物在土壤中可與土壤組分發生作用，土壤中礦物質、有機質等組分通過與污染物形成沉淀物、絡合物及其它穩定的化合物可降低污染物在土壤中的生物有效性[4,6-9]。生物質炭是生物質在低氧或無氧條件下通過高溫裂解而形成的一類高度芳香化固態物[17]，因具有的多孔性、比表面積較大、電荷密度較高等特性，可以吸附土壤陰陽離子[18-20]，從而降低土壤中陰陽離子的活性。研究已表明[21-24]，在廢水中或土壤中添加生物質炭可大大降低有效態有機污染物的濃度，從而降低有機污染物對環境的毒害作用。本研究中，施用生物質炭降低了土壤中有效態抗生素的含量，顯然與生物質炭的施用增加了土壤對抗生素的吸附量，降低了土壤中抗生素的活性有關。同時，由于生物質炭具有多孔性，施用生物質炭后，部分抗生素進入了生物質炭的孔隙中，減弱了土壤微生物對其的降解作用，這可能是施用生物質炭后抗生素呈增加的原因之一。而對于生物質炭處理后，抗生素對蔬菜生長的抑制變得不明顯可能有以下2個方面的原因：一是生物質炭降低了土壤中有效態抗生素含量，減弱了抗生素對蔬菜生長的影響；二是生物質炭的施用增加了土壤有效養分，這在一定程度上促進了蔬菜的生長。本研究的培養試驗進行了50天，有關施用生物質炭對土壤中抗生素的長期作用還有待進一步研究。

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Effect of Biochar Application on the Reduction of Antibiotics Uptake by Vegetable Crop

Zhang Mingkui1, Gu Guoping2, Xu Qiutong1
(1College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China;2Shaoxing Academy of Agricultural Sciences, Shaoxing 312003, Zhejiang, China)

Abstract:A soil culture experiment was carried out to study the effects of different biochar application rates of 0.75%, 1.5% and 2.0% on the content of effective antibiotics in soil, the uptake amount of antibiotics by vegetables and the growth of vegetable. The soil was treated with 4 antibiotics (oxytetracycline, enrofloxacin, sulfamethazine, and tylosin) with the concentration of 25 mg/kg. The results showed that the application of biochar could slow down the degradation of antibiotics, but it significantly decreased the concentration of available antibiotics in soil. After 52 days incubation, the application of 1.5% and 2.0% biochar decreased the concentrations of soil available antibiotics by 25.29% and 39.09% for oxytetracycline, 16.39% and 28.69% for enrofloxacin, 16.97% and 23.64% for sulfamethazine and 17.76% and 25.70% for tylosin, respectively. The application of biochar could also reduce the uptake amount of antibiotics by vegetable plants. After the application of 1.5% and 2.0% biochar, antibiotics content in vegetable reduced by 23.11% and 35.93% for oxytetracycline, 15.89% and 22.85% for enrofloxacin, 7.64% and 16.56% for sulfamethazine and 16.79% and 29.50% for tylosin, respectively. The application of biochar could increase the biomass of vegetable plants compared to CK.

Key words:Antibiotics; Availability; Uptake; Biochar

中圖分類號：X826，X53

文獻標志碼：A論文編號：cjas15040009

基金項目：國家自然科學基金項目“獸用抗生素在農田土壤中的活性及其在蔬菜中的積累特征與生理效應”(21177108)。

第一作者簡介：章明奎，男，1964年出生，浙江紹興人，教授，博士，主要從事土壤資源管理方面的研究。

通信地址：310058杭州市浙江大學紫金港校區環境與資源學院，Tel：0571-86946076，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn。

收稿日期：2015-04-13，修回日期：2015-06-15。