果園生態養雞雞糞DOM的淋溶特征及其對抗生素遷移的影響

李舒涵，劉 琛，唐翔宇，楊紅薇

果園生態養雞雞糞DOM的淋溶特征及其對抗生素遷移的影響

李舒涵1,2，劉 琛2，唐翔宇2，楊紅薇1※

（1. 西南交通大學地球科學與環境工程學院，成都 610031；2. 中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041）

為研究糞源溶解性有機物與抗生素的共遷移行為及機制，以川中丘陵區典型石灰性紫色土為對象，通過吸附平衡試驗與填裝土柱試驗，結合光譜學表征手段，研究雞糞溶解性有機物（Dissolved Organic Matter，DOM）的淋溶特征及其對磺胺嘧啶（Sulfadizine，SD）、氟苯尼考（Florfenicol，FFC）及泰樂菌素（Tylosin，TYL）吸附和淋溶的影響。結果表明：雞糞DOM以色氨酸為主要成分，吸附性強于腐殖酸成分，可增加土壤表面對抗生素的吸附位點。3種抗生素的等溫吸附過程均符合線性和Freundlich方程，并以物理吸附為主。SD和FFC在紫色土中吸附性較弱，當與雞糞DOM（200 mg/L）同時進入土壤時，其吸附未發生顯著變化；而當雞糞DOM先與土壤作用后，SD和FFC與土壤表面已吸附的雞糞DOM成分通過非共價作用結合，吸附顯著增加，相應吸附容量參數（f值）分別增加77.28%和114.36%。TYL在紫色土中的吸附很強，對雞糞DOM的影響不敏感。在模擬降雨條件（20 mm/h）下，SD和FFC極易淋溶，與平衡吸附試驗結果一致，SD和FFC在雞糞DOM預先與土壤作用的土柱中穿透分別延遲了0.49和0.25個孔隙體積，淋溶總量減少了12.04%和15.35%，而雞糞DOM與抗生素同時進入土壤的處理也表現出減少抗生素遷移的趨勢。TYL未發生穿透而主要分布在表層土壤中，雞糞DOM對它的淋溶無顯著影響。綜上，雞糞DOM與抗生素發生共遷移的過程中，大量雞糞DOM中色氨酸物質在土壤中的吸附，對弱吸附性抗生素的淋溶遷移具有顯著的阻滯作用。

雞糞；淋溶；溶解性有機質；抗生素；吸附；紫色土

0 引 言

果園林下養雞是近些年在中國廣泛發展的一種生態養殖模式。散養于果園中的雞可以覓食地面的雜草和害蟲，從而減少除草劑和殺蟲劑的使用，同時雞糞中含有豐富的養分可作為肥料，可實現土地資源的綜合利用與農產品增收雙贏。然而，在這種養殖模式下，特別是養殖密度較大的情況，農戶仍不可避免地會使用一些抗生素類藥物，用于疾病的預防和治療。隨新鮮雞糞進入林下土壤的有機質及可能含有的抗生素類物質，可在降雨過程中通過徑流進入地表和地下水，從而對果園周邊水土環境帶來潛在的污染風險，目前尚未引起足夠的關注[1]。磺胺類、四環素類、氯霉素類及大環內脂類是常用的廣譜抗生素，被廣泛用于畜禽獸細菌感染的預防和治療[2]，而這些藥物大多以原型或代謝產物形式隨糞便排出[3]，例如，雞糞中檢測出的磺胺嘧啶含量可超過50 mg/kg[4]；施糞菜地土壤中的氟苯尼考可遷移至60 cm深度，含量可達11.4g/kg[5]。

溶解性有機物（Dissolved Organic Matter，DOM）屬于一種十分活躍的分散態有機膠體，可充當有機污染物的遷移載體或助溶劑，因此具有重要的環境意義。它與污染物的相互作用及對污染物在土壤中遷移性的影響，是近年來的研究熱點。據報道，自然條件下，畜禽糞便可通過淋濾或生物降解作用釋放大量DOM膠體并影響抗生素在土壤中的遷移[6]。研究表明，糞源DOM對抗生素遷移的表觀影響具有兩面性：一方面，糞源DOM與抗生素可在土壤表面發生共吸附增加土壤對抗生素的吸附容量，從而減少淋溶遷移[7]；另一方面，DOM也可能覆蓋或屏蔽礦物及金屬氧化物表面的吸附點位，以競爭機制減少抗生素的吸附并促進其向液相中的解吸，從而增加抗生素遷移[8-9]。糞源DOM對抗生素遷移行為的影響與畜禽糞便的來源與成分特征、土壤性質及水分條件等因素密切相關。

由于DOM化學結構中含有共軛雙鍵或羰基、硝基等共軛體系而普遍具有光譜特性。近年來，傅立葉變換紅外吸收光譜（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）儀、熒光光譜及13C核磁共振技術被應用于研究不同來源DOM與多種有機污染物的相互作用。目前，不少研究通過熒光猝滅或同步熒光方法驗證DOM與抗生素之間的相互作用[10-11]。DOM與污染物可形成絡合物，在結合過程中往往是多種機理同時發生，包括氫鍵、電荷轉移、范德華力、配位體交換、疏水分配、共價鍵、金屬離子橋接等，主要受體系官能團（相互作用位點）和pH值（污染物的存在形態）等因素決定[12-13]。雖然這些研究證實甚至量化了DOM與抗生素的相互作用，但僅僅描述了它們在液相中的變化，而它們的水土界面過程，特別是在考慮了土壤性質與水分條件的土壤系統中的相互作用，還需要更深入的探索。

紫色土是長江中上游丘陵區最重要的農業土壤資源，但發育較不成熟、土層淺薄、侵蝕性高[14]。土層中普遍存在的大孔隙與下層泥巖中豐富的微小裂隙是紫色土滲流及污染物遷移進入地下水的主要通道。此外，由于果園在丘陵區往往零散分布在坡中和坡上部，雞糞中污染物隨坡面徑流遷移的風險也相對加劇。目前，抗生素在紫色土中的吸附和淋溶特性雖已有報道，但尚未考慮隨糞肥進入土壤的外源有機質尤其是糞源DOM對抗生素在紫色土中遷移特征的影響及機制。因此，本研究以石灰性紫色土果園土壤為對象，通過吸附平衡試驗與填裝土柱試驗并結合光譜學表征手段，研究雞糞溶解性有機物（DOM）對3種性質不同的典型抗生素在紫色土中吸附和淋溶的影響，為中國林下養雞模式下抗生素對區域水土環境的污染風險評估及保護提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 試驗試劑

3種抗生素磺胺嘧啶（Sulfadizine，SD，純度≥99.5%）、氟苯尼考（Florfenicol，FFC，純度≥99.5%）和泰樂菌素（Tylosin，TYL，純度≥ 94%）標準品購自德國Dr. Ehrenstorfer公司，基本性質見表1。試驗用乙腈、甲醇為色譜純，甲酸、磷酸、疊氮化鈉及過硫酸鈉等為分析純，試驗用水為超純水。

表1 三種目標抗生素的基本性質

1.1.2 果園土與雞糞

果園土采自中國科學院鹽亭紫色土農業生態試驗站（四川省鹽亭縣林山鄉，105°27'E、31°16'N）附近果園（柚子園）小區0～15 cm表層土壤的三點混合樣。用于提取糞源DOM的雞糞來自果園下農戶散養的肉雞。所采集的果園土與雞糞不含有目標抗生素。樣品經風干、研磨、過篩待用，雞糞冷凍儲存，基本性質見表2。

表2 果園土與雞糞的基本理化性質

1.2 試驗方法

1.2.1 溶解性有機物（DOM）提取

分別稱取2 g雞糞與果園土樣品于50 mL離心管中，加入20 mL含0.01 mol/LCaCl2、0.1 g/LNaN3的溶液，25 ℃、180 r/min下振蕩16 h后，超聲30 min，25 ℃、8 000 r/min條件下離心10 min。取上清液用0.45m PTFE（Polytetrafluoroethylene）濾膜過濾獲得雞糞與土壤DOM溶液，冷凍保存。

1.2.2 吸附平衡試驗

1）對照處理：固液比為1 g∶10 mL，稱取1.0 g風干果園土土樣于30 mL離心管中，為獲取吸附3種抗生素的吸附等溫線，分別稱取0、0.1、0.5、1、1.5、2和2.5 mg的3種抗生素，質量相同的3種抗生素溶于同一100 ml水溶液中（含支持電解質10 mmol/L CaCl2和滅菌用的0.1 g/L NaN3），配成濃度梯度均為0、1.0、5.0、10、15、20和25 mg/L的3種抗生素混合液。按上述濃度梯度于離心管中添加10 mL的3種抗生素混合溶液（3種抗生素濃度均保持一致，后同），設3個重復，在避光、25 ℃、180 r/min 條件下恒溫振蕩24h，使吸附達到平衡，以4 000 r/min 離心10 min，移取上清液，經0.45m PTEF濾膜過濾后，測定不同濃度梯度下濾液中的抗生素濃度。

2）“共吸附”處理：固液比為1 g∶10 mL，稱取1.0 g風干果園土土樣于30 mL離心管中，添加10 mL含3種抗生素和200 mg/L雞糞DOM的混合溶液，設置各抗生素的濃度梯度均為0、1.0、5.0、10、15、20和25 mg/L（配置方法與上文對照處理一致），設3個重復，剩余試驗步驟同上。

3）“預吸附”處理：固液比為1 g∶10 mL，稱取1.0 g風干果園土土樣于30 mL離心管中，添加10 mL的200 mg/L雞糞DOM溶液，在避光、25 ℃、180 r/min 條件下恒溫振蕩24 h，使雞糞DOM吸附達到平衡，以4 000 r/min 離心10 min，移取上清液。再添加10 mL含3種抗生素的混合溶液，設置各抗生素的濃度系列為0、1.0、5.0、10、15、20和25 mg/L（配置方法與上文對照處理一致），設3個重復，剩余步驟同上。

1.2.3 土柱淋溶試驗

土柱淋溶試驗系統由土柱、進樣瓶、蠕動泵和全自動收集器組成，如圖1所示。按土壤田間實際容重（約1.43 g/cm3）均勻填裝土柱（內徑2.5 cm、高15 cm），上下再分別裝填2～3 cm石英砂（粒徑0.5～1.0 mm）以防止土粒淋出。試驗開始前，首先用背景溶液（0.01 mol/LCaCl2、0.1 g/LNaN3滅菌劑）以40L/min流速自下而上緩慢飽和土壤并去除空氣。然后調節進水速度至20 mm/h繼續淋洗5個孔隙體積（Pore Volume，PV），使柱內達到物化平衡且出流穩定。

圖1 土柱試驗裝置圖

1）對照處理：土柱達到物化平衡后，在0～5.0 PV進藥階段，持續加入3種抗生素混合溶液（濃度均為1.0 mg/L的3種抗生素、100 mg/L KBr、0.1 g/L NaN3、0.01 mol/L CaCl2)，5.0～9.4 PV淋洗階段，加入背景溶液進行抗生素解吸。土柱上端連接自動部分收集器，每隔50 min采集50 mL出流液，每個處理收集40個樣品，分別測定3種抗生素濃度、Br-與DOC濃度、pH值、紫外吸收及三維熒光光譜。

2）“共吸附”處理：土柱達到物化平衡后，在0～5.0 PV進藥階段，持續加入3種抗生素混合溶液（濃度均為1.0 mg/L的3種抗生素、100 mg/L KBr、0.1 g/L NaN3、0.01 mol/L CaCl2)和200 mg/L雞糞DOM的混合溶液，5.0～9.4 PV淋洗階段，加入背景溶液進行抗生素解吸，剩余試驗步驟同上。

3）“預吸附”處理：在土柱達到物化平衡前加入200 mg/L雞糞DOM的混合溶液（約5 PV），在0～5.0 PV進藥階段，持續加入3種抗生素混合溶液（濃度均為1.0 mg/L的3種抗生素、100 mg/L KBr、0.1 g/L NaN3、0.01 mol/L CaCl2)，5.0～9.4 PV淋洗階段，加入背景溶液進行抗生素解吸。剩余試驗步驟同上。

1.3 分析檢測方法

1.3.1 DOM表征

果園土與雞糞DOM的含量以DOC（Dissolved Organic Carbon）濃度表示，通過總有機碳分析儀（Aurora 1030W，美國OI）測定。酸堿度采用pH計（Senslon + MM150，美國Hach公司）測定。DOM組分特征通過紫外吸收-三維激發發射熒光光譜儀測定（Aqualog，日本Horiba JY公司）。DOM提取液于1.0 cm石英比色皿中進行掃描，溫度保持25 ℃，紫外吸收光譜掃描范圍200～600 nm。三維熒光光譜的激發波長為240～450 nm，間隔為5 nm，發射波長為213.25～620.80 nm，間隔1.63 nm，積分時間為0.5 s，以超純水作空白，以紫外吸收光譜校正內濾效應并去除瑞麗和拉曼散射。果園土與雞糞DOM的官能團通過傅立葉紅外光譜儀（FTIR）測定，雞糞DOM經冷凍干燥、研磨處理，而土壤由于DOM含量太低采用原土測定。

1.3.2 抗生素提取與檢測

果園土經冷凍干燥、過0.25 mm篩后，稱取1.00 g于30 mL離心管中，加入2.5 mL甲醇和2.5 mL EDTA-Mc Ilvaine 緩沖溶液（0.1 mol/L Na2EDTA+ 0.1 mol/L Na2HPO4+0.06 mol/L檸檬酸，pH值=4.00±0.05），渦旋1 min，超聲15 min，在8 000 r/min轉速下離心10 min，提取上清液；重復3次后，用超純水將上清液稀釋至75 mL，控制甲醇濃度在10%以下；依次用6 mL甲醇和6 mL超純水活化Waters HLB固相萃取柱（3 mL），將提取液以1 mL/min的流速通過Oasis HLB小柱，再用10 mL超純水沖洗小柱，真空干燥后用6 mL甲醇洗脫，洗脫液濃縮后用20%甲醇定容至1 mL，過0.22m PTFE濾膜，再采用高效液相色譜測定。每個果園土樣品設置3個平行，目標抗生素檢出限為0.05 mg/kg，回收率在90%～96%之間。

目標抗生素中SD與FFC采用高效液相色譜儀（Eclipse plus C18色譜柱4.6 mm×150 mm，紫外/熒光檢測器）（1200，美國Agilent公司）同步檢測，流動相為：乙腈/水=25/75（體積比），進樣量20L，流速1 mL/min，柱溫30 ℃；采用梯度洗脫程序：0～7 min，紫外波長為270 nm，7～11 min波長為224 nm；SD與FFC保留時間分別為3.5和9.5 min。TYL則采用高效液相色譜儀單獨檢測，流動相為乙腈/0.5%甲酸=20/80（體積比），紫外波長為285 nm，保留時間為14.3 min。3種抗生素的檢測限均為0.05 mg/L，標準曲線線性范圍為1～25 mg/L（2≥0.999）。

1.4 數據分析

本文采用線性方程（e=de）與 Freundlich 非線性方程（e=fe1/n）描述抗生素在土壤中吸附量（e，mg/kg）與溶液中平衡濃度（e，mg/L）之間的關系，獲得兩相分配系數d（L/kg）、吸附容量常數f及吸附強度1/值。吸附自由能變化（?，kJ/mol）由公式?=-In（1 000f/OM）計算，式中為摩爾氣體常數，為絕對溫度（K），OM為土壤有機碳含量（g/kg）。

對土柱淋溶試驗中3個處理獲得的120個樣品的三維熒光光譜，采用SOLO軟件進行平行因子（PARAFAC）分析，結合核一致性檢驗與裂半分析確定因子數。通過紫外吸收與三維熒光光譜計算2個特征參數：1）SUVA254，樣品在254 nm波長的紫外吸光系數與溶解性有機碳濃度的比值，其值越大表示芳香化程度越高[15]；2）腐殖化指數（Humic Index，HIX），激發波長255 nm下，發射波長范圍435～480 nm與300～345 nm的熒光強度積分之比，HIX值越高表明腐殖化程度越高[16]。

采用Origin 9.0對試驗數據進行顯著性等統計分析。

2 結果與分析

2.1 雞糞DOM組分的淋溶特征

果園土與雞糞DOM的三維熒光光譜與傅里葉紅外光譜（FTIR）如圖2。雞糞DOM與土壤DOM明顯不同，最大熒光峰出現在類蛋白區域。在相同提取條件下，果園土DOM的芳香性（SUVA254）、腐殖化程度（HIX）及相對分子量（E2∶E3）都明顯高于雞糞DOM，表明果園土以含有芳香結構的大分子腐殖酸為主，而雞糞DOM中的腐殖酸含量相對較低，以類蛋白物質為主。FTIR光譜中，果園土含有豐富的無機礦物成分，包括高嶺石Si-O伸縮振動（3 623 cm-1）、CO32-反對稱伸縮振動（1 430 cm-1），Si-O-Si的伸縮振動（1 025～1 035 cm-1）、Si-O-Mg和Si-O-Al的彎曲振動（525 cm-1）以及反映了石灰性紫色土較低風化程度的原生礦物石英雙峰（779和797 cm-1）。雞糞DOM不具有這些官能團，在酰胺I、II帶（1 550～1 650 cm-1）出峰相對較高，也表明含有豐富的類蛋白成分。

注：HIX為腐殖化指數；紫外-可見吸收光譜參數 SUVA254是254 nm波長處的紫外-可見吸光系數與樣品的溶解性有機碳濃度的比值，表征溶解性有機物的芳香性強弱；E2∶E3是250和365 nm處的吸光度值之比，與腐殖質的分子量負相關。下同。

果園土與雞糞DOM的三維熒光光譜-平行因子分析結果表明，它們都同時含有3種組分（C1、C2、C3）。如圖3三維熒光光譜圖所示，組分C1（E/E≤250～320 nm/370～450 nm）具有2個激發峰和1個發射峰，激發波長相對于傳統類富里酸發生了紅移，其中x/E=250/ 400 nm峰位于傳統的A峰區域，而E/E=320/400 nm峰對應傳統的M峰區域。該組分主要為短波類腐殖質，以富里酸為代表，分子量相對腐殖酸更小而熒光效率更高，主要來源于陸生植物或土壤有機物[17]。組分C2（E/E=260～360 nm/420～550 nm）也具有2個激發峰和1個發射峰，其中260/450 nm峰位于傳統的A峰區域，而E/E=360 nm /405 nm峰位于傳統的C峰區域。該組分主要為長波類腐殖質，以腐植酸為代表，較為常見，包含了陸源的分子量較大的芳香氨基酸腐殖質，是濕地和森林環境中含量最高的一類腐殖物質[18]。組分C3（E/E=270～280 nm/320～350 nm）對應傳統的T峰區域，主要為類蛋白質，以類色氨酸為代表，主要由內源或微生物過程產生，游離或結合在蛋白質中以指示完整蛋白質或較少的降解的縮氨酸[19]。因此，除了腐殖酸成分，雞糞DOM的最主要成分是類色氨酸物質，色氨酸是目前畜禽飼料里一種重要的氨基酸類添加劑，其分子結構（圖3 c所示）中的胺基、酚羥基及羧基分別對應了FTIR光譜中的酰胺帶峰、-OH伸縮振動（3 377～3 423 cm-1）及-COOH的C-O和O-H振動（1 422 cm-1）。

注：圖中紅色代表平行因子分析擬合的DOM單組分熒光強度，組分C1（Ex/Em≤250～320 nm/370～450 nm）主要為短波類腐殖質，以富里酸為代表。組分C2（Ex/Em ==260～360 nm/420～550 nm）主要為長波類腐殖質，以腐植酸為代表。組分C3（Ex/Em ==270～280 nm/320～350 nm）主要為類蛋白質，以類色氨酸為代表。下同。A為類富里酸，C為長波類腐殖質，M為短波類腐殖質，T為類蛋白質。

圖4為果園土與雞糞DOM中各組分在填裝土柱淋溶試驗中獲得的穿透曲線。對照處理反映了果園土DOM自身的變化，其組成始終表現為C1>C2>C3（腐殖酸為主要成分，類蛋白含量很低），隨著土柱淋溶過程在出流液中的含量呈逐漸減少趨勢。與對照相比，雞糞DOM處理中各組分的相對比例在淋溶過程中發生了顯著變化。

對于雞糞DOM預吸附處理，在土柱預飽和階段（約10個孔隙體積（PV））已加入了雞糞DOM，因此淋溶試驗開始時（切換為不含雞糞DOM的抗生素溶液），1 PV內的淋溶液代表了土柱中已到達吸附平衡的雞糞DOM與土壤溶液的混合液，其組成接近雞糞DOM本身（HIX=0.65），表現為C3>C1>C2（色氨酸為主要成分）。隨后，在1～2 PV內雞糞DOM發生快速解吸，C3組分的相對比例迅速減少，DOC濃度相應降低，2 PV后淋溶液組成越來越接近土壤溶液，因此HIX值也相應增加至0.9左右。

圖4 雞糞DOM各組分（C1、C2、C3）的最大熒光值及腐殖化指數變化

對于雞糞DOM共吸附處理，淋溶試驗開始時（背景溶液切換為同時含有雞糞DOM和抗生素的混合溶液），在1 PV內，淋溶液中C3的含量明顯低于C1和C2，表明雞糞DOM中的C3在土柱內發生了大量吸附，其吸附性強于C1和C2。而后C3比例逐漸增加，導致HIX指數相應減小，在5 PV時已接近吸附平衡（對比預吸附處理，此時C3的max在3 000～3 500之間，因此推斷尚未到達平衡），DOC濃度也接近穿透峰值（>160 mg/L），淋溶液組成接近雞糞DOM本身。5 PV后切換為背景溶液進入淋洗階段，由于水的稀釋，出流液DOC濃度瞬間降到80 mg/L，雞糞DOM又開始發生解吸，此后的變化過程與預吸附處理的前半段相同。

由此，雞糞DOM在果園土中存在吸附性，其主要成分為類色氨酸，吸附性強于腐殖酸。已有研究表明，色氨酸為小分子，相比結構復雜的腐殖酸大分子，其分子中的胺基、羥基與羧基更容易暴露給抗生素并產生氫鍵等非共價作用[20-21]，因此，雞糞DOM中的色氨酸是直接參與并影響抗生素在果園土中吸附和淋溶的主要成分。

2.2 抗生素在果園土中吸附特征及雞糞DOM對抗生素吸附的影響

3種目標抗生素（SD、FFC和TYL）在3組處理中（本文1.2.2節）的吸附等溫線如圖5所示。線性模型和Freundlich模型都能較好地擬合抗生素的吸附等溫線，擬合相關系數2分別在0.956～0.995、0.942～0.999之間，均達到顯著水平（<0.05），相關擬合參數見表3。

在未添加雞糞的果園土中，3種目標抗生素的Freundlich吸附容量參數f依次為TYL＞SD＞FFC，最大吸附量m分別為209.69、9.02、6.97 mg/kg。在本研究的土壤溶液pH值范圍（7.57～8.01）內，SD以陰離子為主要形態（>92%），它與土壤顆粒表面存在靜電斥力，吸附性較弱[22]。FFC不易解離且親水性極強、溶解度高，主要以氫鍵和范德華力等次價鍵力與土壤作用，吸附性也較弱[23]，而TYL具有較大的辛醇/水分配系數（logow=3.5），屬于強疏水型抗生素[24]，在果園土中的吸附量遠大于SD和FFC。

表3 3種抗生素的吸附等溫線熱力學模型擬合參數及吸附自由能變化

注：表中**表示極顯著水平（<0.01），*表示顯著水平（<0.05）；K為Freundlich吸附容量參數，為有量綱參數，單位與吸附質濃度單位、吸附劑濃度單位及系數有關；表示吸附過程的支持力，1/越小吸附性能越好；K為分配系數，L·kg-1，反映了溶質在兩相中的遷移能力及分離效能；2為擬合決定系數；為吸附自由能，反映土壤吸附機制。

Note: ** in the table indicates a very significant level (<0.01), * indicates a significant level (<0.05);Kis the Freundlich adsorption capacity parameter, which is a dimensional parameter, and its unit is related to the adsorbate concentration unit, the adsorbent concentration unit and the coefficient;indicates the support of the adsorption process, the smaller 1/, the better the adsorption performance;Kis the partition coefficient, L·kg-1,which reflects the solute migration capacity and separation efficiency in the two phases;2is the fitting determination coefficient;is the free energy of adsorption, reflecting the soil adsorption mechanism.

圖5 SD、FFC和TYL在果園土中的吸附等溫線

與對照相比，當雞糞DOM與抗生素同時進入果園土（DOM共吸附處理），雞糞DOM的存在對SD和FFC表現出促進吸附而對TYL表現出抑制吸附的影響，但整體上差異并不顯著。當雞糞DOM優先于抗生素與果園土發生作用的情況下（DOM預吸附處理），雞糞DOM則顯著增加了SD和FFC的吸附，相應f值比對照分別增加了77.28%和114.36%，而對于TYL的影響不顯著。雞糞DOM對果園土有一定的吸附親和力，當濃度200 mg/L時，其分配系數d為1.22 L/kg，略高于SD（d=0.43 L/kg）和FFC（d=0.24 L/kg），而遠小于TYL（d=52.58 L/kg），因此，SD和FFC對雞糞DOM的影響非常敏感。一方面，在果園土土壤溶液中，雞糞DOM可與抗生素形成復合物，然后在果園土表面發生共吸附作用[7]；另一方面，雞糞DOM的優先吸附可增加果園土比表面積或有效吸附點位，從而對弱吸附性的抗生素（SD和FFC）表現出吸附促進作用[25]。對比雞糞DOM共吸附和預吸附2種處理的差異，可推斷雞糞DOM-抗生素復合物的形成對促進抗生素吸附的貢獻相對有限。TYL在果園土中的吸附以分配作用為主，雞糞DOM對TYL的影響表現出兩者對果園土吸附點位的競爭機制，但由于TYL吸附性遠高于雞糞DOM，因此影響并不顯著[24]。

依據吸附自由能變化（表3）可知，在-7.44～-1.81 kJ/mol范圍，小于40 kJ/mol，表明吸附為自發的物理過程，即抗生素在果園土表面通過范德華力等作用發生單分子或多分子層吸附，而不存在其化學結構或化學鍵的改變。三種抗生素中，SD和FFC在不同雞糞DOM處理中的||大小依次為預吸附＞共吸附＞對照，而TYL的||依次為對照＞預吸附＞共吸附。以上結果再次表明，雞糞DOM存在下，SD和FFC吸附增強是雞糞DOM與抗生素在果園土表面發生非共價相互作用的結果，不同雞糞DOM處理的規律與吸附熱力學模型參數的結果一致。

2.3 抗生素的淋溶遷移特征及雞糞DOM對抗生素吸附的影響

水流示蹤劑Br-與抗生素SD和FFC相對濃度（0）隨孔隙體積（PV）變化的土柱淋溶穿透曲線如圖6。Br-濃度占初始濃度50%（即0=0.5）時，對應孔隙體積在1.07～1.18之間，可判定供試土柱中為均質土壤，水分運動以基質流為主。研究表明，穿透曲線越陡、峰形對稱性越好，則溶質與土壤的相互作用越弱，越容易被淋溶出土壤[26]。在不同處理土柱中，水流示蹤劑Br-基本呈現“幾”字型對稱穿透，峰值濃度接近100%，而SD和FFC的穿透相對Br-分別延遲0.69～0.94與0.94～1.18 PV，在模擬的暴雨強度下，極易發生淋溶遷移。

注：TYL幾乎全部吸附于果園土中，流出濃度低于檢測限，因此僅繪制SD和FFC的穿透曲線。

與對照相比，雞糞DOM的存在不同程度降低了SD和FFC在土壤中的淋溶。與吸附平衡試驗結果一致，雞糞DOM預先與土壤作用的處理對抗生素淋溶的影響更為顯著。雞糞DOM預吸附和共吸附處理中，SD的穿透分別延遲了0.49和0.25PV，峰值濃度分別降低了12.13%和4.21%；FFC的穿透分別延遲了0.25和0.49PV，峰值濃度分別降低了8.86%和9.06%。如前文所述，在抗生素吸附階段，雞糞DOM中的色氨酸成分也發生大量吸附，色氨酸與抗生素分子容易形成氫鍵等作用，并在土壤表面發生共吸附，而圖6的結果表明，即使在強降雨條件下，這種相互作用依然存在并能導致抗生素淋溶的減少。

3種抗生素在不同處理土柱中殘留量的垂直分布、淋溶量與殘留量的相對比例如圖6～圖7所示。需要說明的是，SD和FFC在各深度的殘留量都非常低（<0.10 mg/kg），由于土壤提取方法和提取效率差異，FFC殘留量表現為略高于SD，存在一定誤差。對比不同處理間結果的差異表明，FFC的吸附性低于SD，遷移性更強，因此淋溶量也相對更多（>80%）。與穿透曲線的結果對應，雞糞DOM處理土柱中SD和FFC在各深度土層中的殘留量明顯增加。其中，雞糞DOM預先與土壤作用的處理，SD和FFC的殘留總量比對照分別增加了12.04%和15.35%。

所有土柱出流液中TYL濃度均低于檢測限，未發生穿透，因此，TYL全部殘留在土柱中并隨深度增加而減少。在對照、雞糞DOM共吸附與預吸附三種處理土柱中，TYL在0～6 cm土層中的含量分別占總殘留量的82.93%、65.34%、68.63%。這表明TYL主要滯留在表層土壤中，不易隨滲漏水向下淋溶，因而在降雨事件中不易遷移至地下水。雞糞DOM存在下，TYL在6～12 cm土層中的殘留量有所增加，因此，雞糞DOM對其淋溶具有一定促進作用，這與吸附平衡試驗中雞糞DOM由于競爭機制降低TYL吸附性的結果一致，但影響并不顯著。

圖7 不同雞糞DOM處理土柱中SD和FFC淋溶量與殘留量的相對比例

綜上，對于SD和FFC，雞糞DOM并未表現出作為污染物載體促進其淋溶遷移的影響，而是不同程度地增加了它們在紫色土中的滯留；而對于吸附性強的疏水型抗生素TYL，雞糞DOM存在吸附競爭，但對其吸附和淋溶的影響并不顯著。雞糞DOM的組分特征及其與抗生素吸附性的相對強弱是影響抗生素吸附和淋溶特征的重要因素。此外，土柱試驗中雞糞DOM共吸附處理與對照的差異比吸附平衡試驗更大，表明除了水土界面過程，抗生素的遷移還受到土壤水分運動過程的影響，因此，未來的研究應考慮這兩方面因素的耦合關系，對抗生素與糞源DOM在土壤體系中的共遷移機制也有待通過數值模型進行量化。

3 結 論

在果園養雞模式下，雞糞中的抗生素類污染物與雞糞DOM進入果園土并隨降雨發生淋溶遷移。本研究中，吸附平衡與土柱試驗表明了雞糞DOM對抗生素吸附和淋溶影響的一致結果：

1）三維熒光光譜-平行因子分析結果表明，雞糞DOM中的色氨酸是與果園土發生作用并影響3種抗生素吸附和淋溶的主要成分。

2）對于吸附性較弱、易于遷移的抗生素SD和FFC，雞糞DOM可通過非共價相互作用增加抗生素在土壤中的吸附，這種作用在雞糞DOM優先吸附于果園土的情況下更為顯著。即使在強降雨條件下，雞糞DOM仍可顯著增加SD和FFC在果園土中的滯留，殘留總量最多分別增加12.04%和15.35%，減少抗生素的淋溶遷移。

3）吸附平衡試驗和土柱淋溶試驗結果均表明，雞糞DOM對強吸附性疏水型抗生素TYL的吸附和淋溶均無顯著影響。

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Leaching characteristics of dissolved organic matter in chicken manure and its effect on antibiotic migration in orchard

Li Shuhan1,2, Liu Chen2, Tang Xiangyu2, Yang Hongwei1※

(1.,,610031,; 2.,,610041,)

Raising chickens in orchard has been widely developed in China, serving as a popular ecological breeding mode, due to the direct usage of chicken manure as a fertilizer to achieve comprehensive utilization of land resources and agricultural wastes, and thereby to reduce the addition of herbicides and insecticides. However, the organic matter and antibiotics leaching from the chicken manure have posed a potential pollution risk on the orchard soil and the surrounding water environment. Research on the co-transport behavior of manure-derived dissolved organic matter and antibiotics is lacking, particularly on the relevant mechanism. This study aims to investigate the migration characteristics of dissolved organic matter (DOM) in chicken manure, and theirs effects on the adsorption and leaching features of sulfadiazine (SD), florfenicol (FFC) and tylosin (TYL) in an orchard in the typical calcareous purple soil area of central Sichuan, China. Batch equilibrium and packed soil column experiments were carried out using the combined techniques of spectroscopic characterization. The results indicated that tryptophan was the main component of the tested chicken manure DOM, to increase the adsorption sites for antibiotics on the soil surface, indicating a stronger adsorption in soil, compared with that of humic acid. The isotherm adsorption of three antibiotics fitted well by both the linear and Freundlich equations, indicating a physical adsorption process dominated. There were weak adsorption capacities of SD and FFC in the studied orchard soil. Their adsorption almost remain constant, when spiked simultaneously with chicken manure DOM (200 mg/L). In the case, the adsorption of SD and FFC increased significantly (<0.05), when the chicken manure DOM was introduced to the soil in advance. The correspondingKvalues for SD and FFC increased by 77.28% and 114.36%, respectively, due to the binding of antibiotics to the previously adsorbed chicken manure DOM on the soil surface via a mechanism of noncovalent interactions. There was a strong absorption capacity of TYL in the tested soil. TYL was not sensitive to the presence of chicken manure DOM in its migration process for most soil adsorption sites. Under a simulated rainfall of 20 mm/h, SD and FFC were highly mobile, leaching out almost simultaneously with the water flow tracer Br-from the soil column. Being consistent with the results from the batch experiment, the chicken manure DOM in the treatment of injection prior to antibiotics delayed the breakthrough of SD and FFC by 0.49 and 0.25 PV, and their total leaching amount decreased by 12.04% and 15.35%, respectively. The decrease leaching of SD and FFC also occurred in the treatment of simultaneous injection of chicken manure DOM and antibiotics. Most residues of TYL retained in the topsoil without penetrating, indicating that the chicken manure DOM had no impact on the leaching of TYL. Therefore, for the highly mobile antibiotics, the chicken manure DOM can be expected to increase the retention of antibiotics in the soil through a co-adsorption mechanism. The finding demonstrated that the adsorption of tryptophan from chicken manure DOM can pose a significant blocking effect on the leaching of weakly adsorbed antibiotics in the co-transport process of manure DOM and antibiotics in soil due to chicken raising

chicken manure; leaching; dissolved organic matter; antibiotics; adsorption; purple soil

李舒涵，劉琛，唐翔宇，等. 果園生態養雞雞糞DOM的淋溶特征及其對抗生素遷移的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：37-46.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.005 http://www.tcsae.org

Li Shuhan, Liu Chen, Tang Xiangyu, et al. Leaching characteristics of dissolved organic matter in chicken manure and its effect on antibiotic migration in orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 37-46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.005 http://www.tcsae.org

2020-04-11

2020-06-30

國家自然科學基金面上項目（41771521）；中國科學院青年創新促進會項目（2019366）；四川省科技計劃項目（2018GZ0415）

李舒涵，研究方向為抗生素類污染物的遷移行為。Email：1836288810@qq.com

楊紅薇，博士，副教授，主要從事水污染控制技術研究。Email：790057478@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.005

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A

1002-6819(2020)-14-0037-10