發(fā)布時(shí)間：2020-04-21所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要為探究生物質(zhì)炭源溶解性有機(jī)物(DOM)對土霉素生物毒性的影響，采用水溶液和土壤模擬培養(yǎng)方式，研究不同溫度(350℃、500℃、650℃)制備的木薯渣基生物質(zhì)炭中溶解性有機(jī)物對土霉素脅迫小白菜(Brassicarapavar.glabra)種子發(fā)芽、根伸長和芽伸長的影響。結(jié)果
摘要為探究生物質(zhì)炭源溶解性有機(jī)物(DOM)對土霉素生物毒性的影響，采用水溶液和土壤模擬培養(yǎng)方式，研究不同溫度(350℃、500℃、650℃)制備的木薯渣基生物質(zhì)炭中溶解性有機(jī)物對土霉素脅迫小白菜(Brassicarapavar.glabra)種子發(fā)芽、根伸長和芽伸長的影響。結(jié)果表明，DOM350和DOM500分別對水培和土培種子的發(fā)芽率呈現(xiàn)促進(jìn)作用，促進(jìn)率分別為3.33%和10.00%;生物質(zhì)炭源DOM對土霉素脅迫種子發(fā)芽存在緩解作用(P<0.05);土霉素脅迫下DOM濃度與小白菜種子芽伸長呈顯著相關(guān)(P<0.05);土培條件下，DOM與低濃度土霉素(<34.78mg/kg)共同促進(jìn)種子根、芽伸長，對高濃度土霉素(>94.09mg/kg)存在緩解作用;水培條件下，低濃度DOM對土霉素脅迫種子(B.rapavar.glabra)根伸長呈現(xiàn)緩解作用，DOM濃度與種子芽伸長呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
關(guān)鍵詞溶解性有機(jī)物;土霉素;小白菜;生物毒性;生物質(zhì)炭
隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，大量抗生素被用來預(yù)防、治療畜禽疾病，以及促進(jìn)動(dòng)物生長。2013年，我國用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的抗生素使用量約為8.5t[1]。研究表明，畜禽攝入的一部分抗生素會(huì)在生物體內(nèi)蓄積，并通過食物鏈傳遞到人類，25%~75%的抗生素以原藥的形式隨畜禽糞便排出體外[2-4]。土霉素作為水產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖中使用最廣泛的廣譜抗生素，由于其半衰期長、不易降解、在動(dòng)物體內(nèi)代謝較慢等特點(diǎn)導(dǎo)致土霉素在環(huán)境中殘留濃度較高。王冉等[5]經(jīng)調(diào)查研究后發(fā)現(xiàn)，我國施肥后的土壤表層抗生素含量較高，土霉素含量達(dá)200mg/kg。土壤中的土霉素經(jīng)地表徑流、雨水淋濾等過程進(jìn)一步污染地表水和地下水。
相關(guān)期刊推薦：《熱帶作物學(xué)報(bào)》(月刊)1980年創(chuàng)刊，目前已與國內(nèi)100多家新聞單位或期刊雜志建立了刊物交換關(guān)系，主要刊登國內(nèi)外熱帶作物特別是巴西橡膠樹、胡椒、咖啡、劍麻、香草蘭、椰子、木薯、甘蔗、熱帶果樹、南藥等的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的新成果、新技術(shù)和新方法，以創(chuàng)新性學(xué)術(shù)論文為主，兼顧有一定理論水平和應(yīng)用價(jià)值的研究報(bào)告、試驗(yàn)總結(jié)、專題評述和學(xué)術(shù)問題討論等稿件，
抗生素的濫用不僅對施藥動(dòng)物產(chǎn)生不利影響[6]，自然水體和土壤動(dòng)物[7-8]、微生物[9-10]以及陸生[10-11]、水生植物[12]在抗生素脅迫下都會(huì)受到一定影響。王盼亮等[13]采用水培試驗(yàn)研究四環(huán)素類抗生素對小白菜幼苗生長的毒性效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)抗生素暴露濃度為16mg/L時(shí)，抗生素對小白菜種子的芽伸長表現(xiàn)出促進(jìn)作用，同時(shí)抑制其根伸長。而Pan等[14]發(fā)現(xiàn)黃瓜、西紅柿、生菜和胡蘿卜種子根伸長和芽伸長抑制強(qiáng)度均隨抗生素濃度升高而增強(qiáng)，徐秋桐等[15]也得出了相似的結(jié)論。說明不同試驗(yàn)結(jié)論之間差異性較大。
作為一種多孔、高度疏水且比表面積巨大的吸附劑，生物質(zhì)炭已經(jīng)廣泛運(yùn)用于增強(qiáng)土壤肥力、控制環(huán)境污染物(抗生素、農(nóng)藥、重金屬)運(yùn)移以及調(diào)控土壤理化性質(zhì)當(dāng)中[16-17]。生物質(zhì)炭中可溶于水的組分稱作溶解性黑炭，約占淡水環(huán)境中溶解性有機(jī)物含量的10.6%[18]，具有很強(qiáng)的環(huán)境遷移能力。生物質(zhì)炭施用于土壤后，短期內(nèi)勢必會(huì)引起局部土壤中溶解性有機(jī)物(DOM)含量的增多。研究表明，DOM對抗生素有一定的吸附作用[19]，進(jìn)而減輕抗生素對土壤植物的生態(tài)毒性。Albero等[20]研究了施肥條件下7種獸藥抗生素在土壤中的生物有效性后發(fā)現(xiàn)，對比未施肥土壤，施肥增強(qiáng)了土壤對抗生素的吸附能力，降低了抗生素在土壤中的生物有效性。前人研究大多側(cè)重于DOM對土壤、活性炭、生物質(zhì)炭吸附環(huán)境污染物的影響[21]，有關(guān)DOM對抗生素生物毒性影響方面的研究報(bào)道尚不多見。為此，本研究以小白菜為受試生物，分別在水溶液和土壤介質(zhì)中研究了DOM對土霉素生物毒性的影響，探究了DOM修復(fù)抗生素污染的可行性，旨在評價(jià)生物質(zhì)炭作為土壤改良劑可能引起的生態(tài)毒性，為抗生素污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料
供試作物為‘揭農(nóng)三號’甜白菜(Brassicarapavar.glabra)，由保豐種子商行培育。試驗(yàn)前先由H2O2浸泡消毒，去除雜物和發(fā)育不良的種子后備用。
供試抗生素為土霉素，純度為98%，購自Adamas-beta公司。
供試土壤采自海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院基地，為無污染源農(nóng)田0~20cm的海南熱帶磚紅壤。土壤pH5.31，含水率為15.6g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為2.98g/kg，全氮、全鉀、全磷含量分別為4.21%，0.76%和0.15%。供試土壤無土霉素檢出。自然風(fēng)干后研磨，過2mm篩備用。
為充分資源化利用海南省熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物，使其產(chǎn)生環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，達(dá)到“以廢治廢”的目的，選用木薯渣作為制備生物質(zhì)炭的原材料。木薯渣經(jīng)自然風(fēng)干后粉碎，限氧條件下在馬弗爐中以200℃預(yù)炭化2h后，將溫度分別上升至350℃、500℃、650℃，炭化3h，待自然冷卻至室溫后取出，制得3種木薯渣生物質(zhì)炭。根據(jù)生物質(zhì)炭熱解溫度分別標(biāo)記為MS350、MS500和MS650，過100目尼龍篩，置于干燥密封玻璃罐保存。將過100目篩后的木薯渣生物質(zhì)炭和超純水按照1∶50(g/mL)的固液比混合置于錐形瓶內(nèi)，密封。于25℃，200r/min的條件下振蕩24h。取上清液過0.45μm水系濾膜所得溶液為DOM。根據(jù)生物質(zhì)炭的制備溫度將提取的DOM分別標(biāo)記為DOM350、DOM500、DOM650。提取得到的DOM放置于4℃冰箱密封避光保存。貯存時(shí)間不超過2周。
1.2方法
1.2.1水培實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)共分為4組：(1)空白對照;(2)添加土霉素(添加濃度為10、20、30、40、50mg/L);(3)添加3種不同溫度下制備的DOM(DOM350、DOM500、DOM650。DOM添加濃度分別為10、25、50mg/L);(4)土霉素與DOM共同作用(土霉素濃度設(shè)定為30mg/L，DOM添加濃度分別為10、25、50mg/L)。空白對照組添加10mL的去離子水。在直徑為90mm的玻璃培養(yǎng)皿中放入2層定性濾紙，將小白菜種子均勻放置在濾紙上，每皿20粒，保持種子培根末端與生長方向呈一直線，蓋好培養(yǎng)皿，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行，在25℃下避光培養(yǎng)7d，定期補(bǔ)充培養(yǎng)皿內(nèi)水分。
1.2.2土培實(shí)驗(yàn)稱取50g土壤樣品于90mm的硬質(zhì)玻璃培養(yǎng)皿內(nèi)。實(shí)驗(yàn)共分為4組：(1)空白對照;(2)添加土霉素(濃度分別為0、2、10、20、60、100mg/kg);(3)添加3種不同溫度制備的DOM(DOM350、DOM500、DOM650。DOM添加濃度分別為10、25、50mg/L);(4)土霉素與DOM共同作用(土霉素的添加濃度為0、2、10、20、60、100mg/kg。添加DOM濃度分別為10、25、50mg/L)。每個(gè)處理3個(gè)平行，并用恒重法的方式保持土壤的最大持水量的60%，穩(wěn)定48h后在每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)加入20粒種子。放入人工氣候培養(yǎng)箱中于25℃暗處培養(yǎng)，觀察種子發(fā)芽率并每天記錄，觀察至第7天結(jié)束。
1.2.3測定指標(biāo)測定指標(biāo)包括小白菜發(fā)芽率、根伸長、芽伸長長度。試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算平均值、抑制率及標(biāo)準(zhǔn)偏差，并以濃度-抑制率繪制曲線進(jìn)行擬合并繪圖。
發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總粒數(shù)×100%
根伸長抑制率=[(對照種子平均根長–處理種子平均根長)/對照種子平均根長]×100%
芽伸長抑制率=[(對照種子平均芽長–處理種子平均芽長)/對照種子平均芽長]×100%
1.3數(shù)據(jù)處理
采用Excel軟件和SPSS22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析以及圖表繪制。采用單因素方差分析比較不同處理對小白菜種子發(fā)芽率、根伸長和芽伸長抑制率的影響;采用Duncan法進(jìn)行多重比較。
2結(jié)果與討論
2.1不同濃度土霉素對小白菜發(fā)芽率的影響
由圖1A可知，水溶液培養(yǎng)條件下小白菜種子萌發(fā)受土霉素影響較小。除土霉素添加濃度為50mg/L與其他處理發(fā)芽率差距較大以外，其他處理中小白菜種子發(fā)芽率基本相同(P<0.05)，發(fā)芽率趨勢趨于平緩。說明種子發(fā)芽率不宜作為反映土霉素生理毒性的指標(biāo)。
根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)種子發(fā)芽情況可知，播種后種子在第3天開始發(fā)芽，因此統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率從第3天開始。根據(jù)前人研究可知種子的發(fā)芽率觀察一般是開始于48h之后[22]。由圖1B可知，向土壤添加濃度小于10mg/kg的土霉素溶液對小白菜種子發(fā)芽具有輕微的促進(jìn)作用;而當(dāng)土壤中土霉素濃度高于20mg/kg時(shí)，種子發(fā)芽率明顯被抑制(P<0.05)。這是由于土霉素在土壤中濃度太高以至于超過了種子萌發(fā)耐受極限，導(dǎo)致小白菜種子發(fā)芽率降低[23]。但隨著天數(shù)的增加，土霉素抑制發(fā)芽率的效應(yīng)逐漸減弱。這是因?yàn)橥寥谰哂幸欢ǖ淖詢糇饔谩Ｍ寥牢酵撩顾氐牧侩S接觸時(shí)間的增長而增加;未被吸附的部分土霉素被降解[24-25]，土霉素在土壤中的濃度降低，種子的發(fā)芽率逐漸趨于平緩。
2.2不同DOM對小白菜發(fā)芽率的影響
在水溶液培養(yǎng)中(圖2A)，除施加了DOM350的小白菜種子發(fā)芽率高于空白對照(CK)外，其他溶解性有機(jī)物的添加都抑制了小白菜種子的萌發(fā)(P<0.05)。Monda等[26]發(fā)現(xiàn)對洋薊種子萌發(fā)影響最大的水溶性有機(jī)物與其激素類芳香結(jié)構(gòu)以及疏水和親水分子含量有關(guān)。DOM的疏水和親水分子含量越相近，DOM的構(gòu)象就更加靈活。再根據(jù)Wang等[27]對DOM影響重金屬銅對生菜的毒性和生物有效性影響結(jié)論可知，DOM350的分子量可能比DOM500和DOM650的分子量小且小于1ku。而且DOM350中親、疏水組分含量可能相近。
土壤培養(yǎng)條件下，添加DOM對小白菜萌發(fā)的影響如圖2B所示。由圖可知，在土壤培養(yǎng)條件下，DOM350會(huì)延緩小白菜種子萌發(fā)速率，土壤中添加DOM350后，小白菜種子在第三天時(shí)發(fā)芽率為10.60%，低于加入了DOM500處理組發(fā)芽率大約40%。在第7天時(shí)種子發(fā)芽率為81.30%，略高于CK組。DOM650的處理效果和DOM350沒有較大差異，其第3天和第7天種子發(fā)芽率均小于DOM500。整體上來看，DOM的加入不同程度地提高了小白菜種子的發(fā)芽率，證明DOM在一定程度上可以促進(jìn)種子發(fā)芽(P<0.05)。
2.3DOM對土霉素脅迫下種子發(fā)芽率的影響
由圖3可知，在水溶液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)過程中，土霉素對小白菜種子萌發(fā)的生物毒性不會(huì)隨添加DOM濃度的升高而發(fā)生大幅度的變化，但總體來說都起到不同程度的促進(jìn)作用(P<0.05)。DOM350對30mg/L土霉素脅迫下小白菜種子的萌發(fā)促進(jìn)程度為1.66%~6.67%;DOM500對30mg/L土霉素脅迫下小白菜種子的萌發(fā)促進(jìn)程度為6.67%~10.00%;DOM650對30mg/L土霉素脅迫下小白菜種子的萌發(fā)促進(jìn)程度為0.00%~7.50%。較未添加DOM處理的小白菜種子的發(fā)芽情況，DOM會(huì)緩解土霉素對小白菜種子的生物毒性。該結(jié)論與2.2中DOM對小白菜發(fā)芽率的影響實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)論一致。DOM對土霉素的吸附作用降低了土霉素的生物毒性[28]，從而促進(jìn)了小白菜種子的萌發(fā)。這與Song等[29]的研究結(jié)論相似。
土培條件下3種DOM溶液在土霉素脅迫下對發(fā)芽率影響表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)，高濃度抑制的現(xiàn)象(圖4)。研究表明，適量抗生素可刺激土壤微生物活性，進(jìn)而增強(qiáng)土壤有機(jī)炭的礦化，促進(jìn)植物生長;而抗生素濃度過高會(huì)抑制土壤酶和植原體的活性，對植物生長發(fā)育造成影響[30]。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，種子的發(fā)芽率已經(jīng)基本穩(wěn)定，大約在70%~90%之間。可能是此時(shí)DOM已經(jīng)吸附土壤中的土霉素，而且已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)[31]。不同土霉素濃度處理下種子發(fā)芽率差距較實(shí)驗(yàn)前期減少，但過高濃度土霉素還是會(huì)對種子發(fā)芽率有抑制作用。因此適宜濃度的土霉素則可以小幅度地提高種子發(fā)芽率。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第7天時(shí)，土霉素-DOM650共存體系中小白菜種子的發(fā)芽率最低，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭的炭化溫度越高，土霉素在土壤中的吸附能力越弱，土霉素在土壤中的吸附量也隨之減少，從而影響發(fā)芽率[32](P<0.05)。
2.4土霉素和DOM對小白菜根伸長脅迫作用
水培條件下3種不同濃度DOM對土霉素脅迫種子根伸長的影響如圖5所示，根伸長抑制率與DOM濃度之間的回歸方程如表1所示。由圖5可知，在水溶液培養(yǎng)條件下，DOM對土霉素脅迫小白菜種子根伸長的影響不明顯(<10%)，在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，3種DOM的濃度越小，DOM對土霉素脅迫小白菜種子根部毒性的緩解作用越強(qiáng)。DOM在水溶液培養(yǎng)條件下對土霉素生物毒性的緩解能力明顯低于其在土壤培養(yǎng)條件中的緩解能力。這可能是因?yàn)楫?dāng)土霉素進(jìn)入土壤環(huán)境后，土壤顆粒具有的吸附位點(diǎn)對土霉素有一定的吸附作用[33-34]，一定程度上阻礙了土霉素在土壤環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，降低了土霉素的生物毒性。與土壤環(huán)境不同，在水溶液培養(yǎng)條件下不存在由于土壤顆粒對土霉素的吸附作用而產(chǎn)生的毒性緩沖作用，小白菜種子的根完全暴露在土霉素溶液當(dāng)中，根部的生長發(fā)育直接受到土霉素的毒性作用。當(dāng)外源污染物存在于環(huán)境中時(shí)，根系微生物活性受抑制，營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化受阻，進(jìn)而導(dǎo)致作物根尖細(xì)胞有絲分裂數(shù)減少，分裂速度減慢，導(dǎo)致根伸長被抑制。因此，根對土霉素污染的反應(yīng)更敏感和直接[35-38]。過高的DOM濃度同樣會(huì)對植物種子根部生長產(chǎn)生一定的抑制作用。
如圖6所示，在土壤培養(yǎng)條件下，土霉素濃度為0~20mg/kg時(shí)，小白菜種子根伸長抑制率為負(fù)值，說明土霉素在一定濃度區(qū)間范圍可以促進(jìn)種子根伸長。當(dāng)土霉素濃度大于40mg/kg時(shí)，土霉素對小白菜種子根伸長抑制率約為12.94%，對小白菜根部伸長抑制程度隨土霉素的濃度升高而增加。3種溶解性有機(jī)物緩解了土霉素對小白菜根伸長的抑制作用。土霉素濃度越高，3種溶解性有機(jī)物對其生物毒性的緩解能力越強(qiáng)，DOM-350、DOM500和DOM650的緩解能力分別為5.00%~27.63%、12.77%~53.13%和2.07%~40.30%。由表2根據(jù)DOM對土霉素脅迫下小白菜種子根部伸長濃度-抑制率擬合線性方程可知，添加3種生物質(zhì)炭源DOM均對小白菜根部土霉素耐受能力具有不同程度的增強(qiáng)效果。與不添加DOM的處理對比，在小白菜種子萌發(fā)過程加入DOM350，DOM500，DOM650后，根部伸長IC50分別提高了60.17%，146.29%，28.09%。研究表明，DOM對環(huán)境中的抗生素、農(nóng)藥等有機(jī)污染物具有一定的吸附作用。DOM可以通過π受位點(diǎn)與有機(jī)污染物結(jié)合，或?qū)ν寥馈⑸镔|(zhì)炭等多孔隙吸附劑產(chǎn)生堵孔效應(yīng)，阻礙了有機(jī)污染物的解吸作用[39-40]，從而影響有機(jī)污染物在環(huán)境中的生物有效性[41]。
2.5土霉素和DOM對小白菜芽伸長脅迫作用
DOM大幅度地降低了土霉素對小白菜種子芽伸長的生理毒性(圖7)，3種DOM對小白菜種子芽伸長影響的回歸方程見表3，擬合程度均大于0.8。隨著DOM濃度的增加，小白菜種子芽伸長的抑制率由正轉(zhuǎn)負(fù)，說明較高濃度的DOM對小白菜種子芽伸長有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。DOM350、DOM500和DOM650的緩解幅度分別為33.89%~61.92%、25.52%~63.59%和51.87%~72.38%。當(dāng)DOM濃度為10mg/L時(shí)，僅DOM650可消除土霉素對小白菜芽伸長的抑制作用并促進(jìn)小白菜芽伸長。隨著DOM施加濃度的增大，3種DOM均可以消除土霉素對小白菜芽伸長的抑制作用。其中DOM650對小白菜種子芽伸長的促進(jìn)作用最強(qiáng)。
由圖8可知，土壤培養(yǎng)條件下土霉素脅迫下小白菜種子芽伸長抑制率的影響呈低濃度(小于20mg/kg)促進(jìn)，高濃度(大于20mg/kg)抑制的趨勢。其趨勢與2.4實(shí)驗(yàn)中根伸長趨勢相一致。當(dāng)土霉素濃度處于較低水平時(shí)，添加DOM會(huì)促進(jìn)種子芽伸長。不僅因?yàn)榇藭r(shí)種子細(xì)胞分裂素增多，芽伸長速度快，也由于DOM吸附了土壤中的土霉素。當(dāng)土霉素濃度較高時(shí)，芽伸長受土霉素抑制，但DOM溶液可以減輕土霉素毒性對種子芽伸長的抑制作用。由表4根據(jù)DOM對土霉素脅迫下小白菜種子芽伸長濃度-抑制率擬合線性方程可知，添加3種生物質(zhì)炭源DOM均對小白菜芽的土霉素耐受能力具有不同程度的增強(qiáng)效果。與不添加DOM的處理對比，在小白菜種子萌發(fā)過程加入DOM350，DOM500，DOM650后，芽伸長IC50分別提高了16.69%、114.49%、29.56%。這可能是芽生長過程所需的營養(yǎng)和能量主要來自胚內(nèi)的養(yǎng)分供應(yīng)，受外界土壤中土霉素影響不大[42]。
