Bt毒素在矿物和土壤胶体上的吸附和残留研究

【摘要】： 转Bt基因作物发展迅速,其释放的毒素可能在土壤中积累,影响土壤生态系统的功能和生物多样性,引发环境安全问题。本文研究了Bt毒素在矿物(蒙脱石、高岭石、针铁矿和二氧化硅)和土壤(红壤、砖红壤、黄棕壤和黄褐土)胶体表面的吸附特性,用动力学和热力学方法探讨了Bt毒素的吸附规律和时间、温度、pH、低分子量有机酸盐、无机配体等因素对吸附的影响,并用红外光谱、圆二色谱和荧光光谱等观察了供试胶体吸附对Bt毒素结构的影响,剖析了被吸附Bt毒素的解吸规律,还研究了在有或无外源微生物条件下土壤中外加Bt毒素的残留特性。本研究将土壤化学与现代生物技术相融合,为转Bt基因植物代谢产物的环境效应及生态安全评价提供参考。主要结果如下: 1)Bt毒素在供试胶体表面的等温吸附曲线为L型,可用Langmuir和Freundlich方程拟合,且Freundlich方程拟合效果更好。在Bt毒素初始浓度为0-1 000 mg L~(-1)时,其在矿物胶体表面的吸附量随温度升高而减少,在供试胶体表面吸附的标准自由能(Δ_rG_m~θ)为负值,表明该吸附是自发反应。Bt毒素除在蒙脱石表面吸附的标准焓变(Δ_rH_m~θ)为正值是吸热反应外,在其它供试胶体表面吸附的标准焓变均为负值,是放热反应;且所有吸附的标准焓变值均小于40 kJ mol~(-1),说明该吸附主要是物理吸附。 2)Bt毒素在供试胶体表面能快速吸附,0.25 h的吸附量约占平衡吸附量的64%-80%,1-2 h基本达平衡。该吸附可用粒子内扩散模型拟合,常数C值不为0,表明粒子内扩散速度不是Bt毒素在供试胶体表面吸附快慢的唯一控制因素。此外,其吸附动力学也符合一级方程、二级方程和Elovich方程,以二级动力学方程的拟合程度最好,说明该吸附主要受表面吸附控制。 3)针铁矿、蒙脱石、高岭石、黄棕壤和黄褐土等胶体在pH 6时对Bt毒素的吸附量最大,二氧化硅、红壤和砖红壤等胶体在pH 7时吸附量最大,其吸附量一般随pH的升高而降低,这主要与Bt毒素的等电点及供试胶体的电荷零点有关。 4)低分子量有机酸盐和无机配体对Bt毒素在供试胶体表面的吸附受的影响。对Bt毒素的吸附低浓度(10 mmol L~(-1))有机酸盐(乙酸盐、草酸盐、柠檬酸盐)起抑制作用,高浓度有机酸盐起促进作用;不同有机酸盐抑制作用的强弱为草酸盐柠檬酸盐≤乙酸盐。无机配体对Bt毒素吸附的影响与有机酸盐相反,低浓度无机盐促进其吸附,高浓度的起抑制作用,不同离子的影响为H_2PO_4~-NO_3~-,NH_4~+K~+。 5)吸附态Bt毒素很难被解吸。用0.1 mmol L~(-1) NaCl作解吸剂时,供试胶体表面吸附态Bt毒素的解吸率5.3%,磷酸缓冲液作解吸剂时其解吸率13.1%,表明它只有少部分以静电和配位的方式吸附在供试胶体表面。在有低分子量有机酸盐等配体存在条件下,NaCl和磷酸缓冲液对吸附态Bt毒素的解吸率均有显著增加(除乙酸盐体系中蒙脱石和砖红壤吸附态Bt毒素外),表明有机酸盐的存在一定程度上增加了静电和配位吸附,影响大小为草酸盐柠檬酸盐乙酸盐。 6)荧光光谱显示Bt毒素在282 nm激发光的作用下有酪氨酸(314.5 nm)和色氨酸(338 nm)荧光峰,其与高岭石、蒙脱石及土壤等胶体作用后色氨酸荧光峰红移了5-9.5 nm,酪氨酸荧光峰没有变化;与针铁矿和二氧化硅胶体作用后色氨酸和酪氨酸的荧光峰蓝移了0.5-1 nm,变化不明显。荧光峰的红移表明Bt毒素的吸附导致其内源荧光基团所处的分子环境极性增强。圆二色光谱表明吸附导致Bt毒素的二级结构改变,α螺旋和β折叠含量增加,而β转角和无规则卷曲含量降低。红外光谱显示,吸附后Bt毒素的酰胺Ⅰ带(1653 cm~(-1))和酰胺Ⅱ带(1543 cm~(-1))等特征光谱峰未发生明显位移,只是1055,1240和2362 cm~(-1)处的峰消失,表明C-N残基在供试胶体吸附Bt毒素中起重要作用,且吸附后毒素的二级结构变化不明显。 7)25℃条件下,初始浓度为0.3μg g~(-1)的游离态Bt毒素随时间增加残留量逐渐减少,10天时残留量小于原始加入量的55%,培养40天后约降解了80%,表明游离态Bt毒素降解速率较快。有外源微生物存在,其降解速率更快,表明微生物能利用游离态Bt毒素;双指数模型拟合结果表明,微生物存在下其降解速率更快,且从种植非转Bt植物上壤中提取的微生物对游离态Bt毒素的利用更快。Bt毒素在供试灭菌土壤(砖红壤、黄褐土和黄棕壤)中的残留量随着培养时间的推移先增加(1-2天)后逐步减少,降解50%的时间(DT_(50))为10天左右,外源微生物对土壤中Bt毒素的降解速率影响不明显。初始阶段Bt毒素在3种土壤中降解速度的差异不明显,而后期在黄棕壤和黄褐土中的降解速率比在砖红壤中的慢。