生物质炭对蔬菜吸收土壤中抗生素的抑制作用

　　引言

　　近20年来，抗生素对农业系统的污染已引起了人们广泛的关注[1-2].农业土壤是人类处方药抗生素和兽用抗生素的主要归宿地，抗生素可通过排泄物、生活垃圾、污水、城市污泥和饲养场垃圾等作为肥料施用进入土壤[3],从而在土壤中积累。积累在土壤中的抗生素不仅可改变土壤微生物组成，影响土壤碳、氮、硫等元素的循环和养分的有效性；同时，土壤中的抗生素也可被作物吸收，积累在农产品中，对人类的公共健康构成潜在威胁[4-6].农作物对土壤中的抗生素吸收，除与农作物种类、抗生素类型及土壤性状有关外，还与土壤中抗生素的生物有效性有关，降低土壤中抗生素的生物有效性可减少农作物从土壤中吸收的抗生素数量。据研究，当抗生素被环境中的一些有机或无机物吸附时，其有效性将明显下降[4,6-9].因此，通过改变农田土壤的物质组成或改变抗生素进入农田的重要载体的畜禽粪便性状均有可能改变进入农田的抗生素对农作物的影响。生物质炭是近年来被农业和环境等领域关注的物质，因其有机碳含量高且稳定性强，比表面积较大，电荷密度较高，对土壤养分的吸附能力较强[10-12],能改善土壤质量，被众多学者推荐为能同时满足农田固碳和增加土壤养分的改良剂。有研究表明，生物质炭对有机污染物有较强的吸附能力，可净化污水中的抗生素[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学形态变化，降低抗生素的生物有效性。为了验证这种可能性，本研究设置了不同用量的生物质炭施用试验，探讨了生物质炭对土壤中抗生素有效性及蔬菜对土壤中抗生素吸收的影响。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验方法

　　试验土壤采自浙江省绍兴市柯桥区，为青紫泥田，采样深度为0~15 cm.土壤有机碳含量为19.2 g/kg,pH 6.13,质地为粘壤土；土壤有效 P 和有效 K 分别为8.76 mg/kg 和 98 mg/kg.分析表明，试验前土壤无恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素等抗生素检出，但含少量土霉素残留（含量为38.6 ?g/kg）。土样经风干、混匀、过5 mm土筛后用于盆栽试验。

　　为了便于控制试验的抗生素水平，研究采用人为添加方法添加抗生素，土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素4种抗生素的添加量各为25 mg/kg（占土壤质量）。有机肥的施用量为0.5%（占土壤质量）。

　　试验中生物质炭添加量设置4个水平，其用量分别为0%、0.75%、1.5%和 2.0%.施用的有机肥为商品有机肥，有机质含量为45.2%,pH 7.43,全N量为14.43 g/kg,P2O5为9.76 g/kg,K2O 为 22.65 g/kg.试验用生物质炭为市购产品，由小麦秸秆在350℃下厌氧烧制。经测定，其中有机碳为53.4%,全氮为3.3 g/kg,pH 10.2,含Ca、K 和 P 分别为 14.4、32.5、23.3 g/kg.每盆用土量为5 kg,重复 3 次。在以上处理的基础上，每盆各施复合肥（N-P-K构成为15-15-15）1 g.抗生素、有机肥、化肥及生物质炭同时均匀混入土壤培养1周后，每盆移种4株15天龄的青菜幼苗（品种为‘苏州青’）。在添加抗生素后的第15天从各盆中采集混合土样，测定土壤中抗生素的残留量及有效态含量。蔬菜生长45天（即抗生素添加第52天）后收获地上部分，测量蔬菜生物量，并分析其抗生素含量。采集的土样经冻干后研磨过2 mm 土筛，在分析前冰冻保存。采集的蔬菜样品先后经过自来水、蒸馏水洗净后用吸水纸吸干，置于4℃冰室中保存。

　　1.2 分析方法

　　蔬菜样品中抗生素采用超声提取-固相萃取预处理和高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）分析法测定，用乙腈-硫酸钠-乙酸钠-Na2EDTA 溶液/超声波进行提取[15],用正已烷液-液萃取，用旋转蒸发法浓缩，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过0.2 ?m滤膜后用HPLC-MS/MS法测定。土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的回收率分别为 83.43%~112.3%、79.67%~106.54%、85.67% ~103.43% 和 86.34% ~99.34% ,平 均 分 别 为96.4% 、93.6% 、95.8% 和 96.7% ,最低检测限分别为0.13、0.095、0.12、0.15 ?g/kg.土壤中抗生素用 pH 4 的EDTA- McIlvaine（0.05 mol/L EDTA + 0.06 mol/LNa2HPO4+0.08 mol/L 柠檬酸）缓冲液提取。有效态抗生素采用0.1 mol/L CaCl2提取[16],土液比1:50,振荡提取时间30 min;提取液经离心、用0.45 ?m滤膜过滤；测定方法同上。

　　2 结果与分析

　　2.1 施用生物质炭对土壤中抗生素有效性的影响

　　分析结果表明，土壤中抗生素含量随培养时间的增加呈现显着的下降，在试验结束时（培养时间为52天）土壤中土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量明显低于培养15天时的含量。从土壤中残留的抗生素含量来看，4种供试抗生素在土壤中的降解速率以磺胺二甲嘧啶最高，其次为恩诺沙星，泰乐菌素最低。

　　施用生物质炭可增加土壤中抗生素的残留量，土壤中抗生素含量随生物质炭用量的增加而增加（表1）。培养 15 天的土壤中，生物质炭用量为 1.5%和2.0%的 2 个处理的土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照高5.51%、11.51%、5.62%、12.69%和 12.15%、17.29%、11.66%、23.63%;培养 52 天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别 比 对 照 高 12.92% 、33.45% 、26.39% 、27.94% 和22.84%、33.33%、17.88%、24.22%.因施用生物质炭引起的抗生素残留增加的相对比例随培养时间增加呈提高的趋势。施用生物质炭增加了土壤中抗生素的残留量可能与生物质炭的施用增加了土壤对抗生素的吸附量，从而降低了土壤中抗生素的活性，减弱了抗生素的降解速率有关。