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猪粪中磺胺嘧啶在土壤中的降解及对氨氧化微生物的影响

李健菊  
【摘要】:近年来,抗生素在畜禽养殖业中作为抗菌剂和生长促进剂被广泛使用,因无法被畜禽肌体及器官吸收而多以原药形式排出。抗生素的广谱抗菌性导致其随着畜禽粪便进入土壤后引发了一系列生态环境问题。磺胺嘧啶(sulfadiazine,SDZ)作为畜禽养殖业中使用频率较高的一种抗生素,目前在猪粪和土壤中检出浓度较高,产生了较高的生态风险。硝化作用限速步骤的主导微生物氨氧化微生物(ammonia-oxidizing microorganisms,AOM)对SDZ较为敏感。因此,SDZ进入土壤后的降解行为以及对AOM的影响,是当前环境领域研究的热点。本论文主要探究了两个问题:一是不同环境因素和初始浓度条件下土壤中SDZ各形态的降解特征,二是不同初始浓度条件下SDZ对AOM丰度和代谢的影响。选定土壤含水率、温度、光照和微生物为环境影响因子进行瓶试实验,选定0、10、20、50、100 mg·kg~(-1)为初始浓度进行盆试实验,通过降解动力学分析了SDZ各形态在土壤中的降解特征;在盆试实验的基础上分析了SDZ各形态之间的相互转化以及不同浓度SDZ对AOM丰度和潜在氨氧化能力(Potential ammonia oxidation capacity,PAO)的影响,然后通过多元线性回归分析了氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archeae,AOA)和全程氨氧化细菌(Complete ammonia oxidizer,Comammox)对PAO的贡献,最后通过相关性分析阐明了不同初始浓度条件下不同形态SDZ降解过程对AOM丰度的影响从而将上述两问题联系了起来。环境因子和初始浓度影响因素实验的结果均表明,相较于一级动力学拟合,SDZ各形态在土壤中的降解动力学更符合二级指数模型。当土壤含水率在20%MWHC~80%MWHC范围内,土壤含水率越高SDZ降解越快,且土壤含水率的变化对氯化钙可提取态降解速率影响最大;当土壤温度在15℃~35℃范围内,温度越高SDZ降解越快,SDZ各形态降解速率受温度影响程度趋势:氯化钙可提取态甲醇可提取态全量;光照对氯化钙可提取态和SDZ全量降解速率影响较大,光照和微生物对甲醇可提取态的降解速率影响程度相当;初始浓度越高,氯化钙可提取态和SDZ全量降解越慢。通过SDZ的表观分配系数(K_(app))值、DT_(50)和DT_(90)可以判定不同形态SDZ的持久性、在环境介质中的存在状态以及对AOM的生物毒性。Kapp值越小,生物可利用形态的DT_(50)和DT_(90)值越大,说明在该土壤环境中残渣态SDZ向生物可利用形态SDZ转化,此过程会增加其对微生物的毒性;相反则说明在该土壤环境中SDZ呈现老化状态,即抗生素的持久性残留,此过程会减轻其对微生物的生物毒性。各处理条件下培养后期(35 d后)SDZ都在经历“老化”过程。SDZ全量与氯化钙可提取态的含量可以在一定程度上相互表征,残渣态与其他形态之间的相关性均不显著,但是作为潜在持久性污染源的残渣态仍然是生态风险控制的关键。研究结果表明,SDZ的加入抑制了猪粪对AOM丰度的刺激作用,结合磺胺嘧啶降解过程与AOM丰度的相关性分析结果可知:总体上SDZ对Comammox丰度的抑制作用最强,其次是AOA,但是仅在高浓度SDZ(S50和S100)条件下才会对AOA丰度产生明显抑制,而对于AOB的丰度影响很小。猪粪在培养前期对PAO有抑制作用但在培养后期为促进作用,SDZ对PAO的影响表现为低浓度SDZ在培养前期的促进作用和高浓度SDZ对PAO的持续抑制作用。通过多元线性回归分析可知:在SDZ影响下,只有AOA丰度与PAO成正相关,而AOB和Comammox与PAO都不相关(P0.05)。


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