鋪地黍-養殖塘系統四環素遷移動態規律*

佘婷婷 黃容容 葉 凡 董玟秀 林 霞 葉詩怡 李志丹

(廣東第二師范學院生物與食品工程學院,廣東 廣州 510303)

抗生素作為一種新型污染物,在廢水系統中頻頻被測出,對環境中的生物構成了嚴重威脅[1]1,已有超過100種抗生素被用于人類和動物,其中有75%的抗生素在糞便中保持不變[2-3]。土壤、植物、食品和動物排泄物中存在的四環素(TC)類抗生素殘留最終歸趨自然水體,通過水體再向動植物和人體遷移,已對自然界生態平衡系統和人類健康構成了嚴重威脅[4-5]。大規模的水產養殖和未經處理直接排放的牲畜糞便是造成自然流域抗生素污染嚴重的主要原因。趙富強等[6]研究顯示,我國典型七大流域水體中TC質量濃度為未檢出至349.7 ng/L。抗生素因揮發性較差,吸附于土壤后能長期存在并積累,對土壤中微生物的種群、群落結構、耐藥性和植物的生長等產生影響[7]。既低成本、高效率又快速降解抗生素是國內外學者和生態環境部門相當重視與關注的科研熱點。

植物修復與自然凈化法利用水生植物凈化污水,是一種成本低廉、低碳環保、效益明顯的簡便易行的方法,己成為各地改善水質的關注熱點。鋪地黍(Panicumrepens)為禾本科多年生草本植物,因其較強的抗污染和快速繁殖能力,具備了生態修復污染土壤和水體的潛力與優勢[8-9],可廣泛用于受污染河岸消落帶(極端干旱和水淹交替環境)的生態修復。臨近農村的河岸消落帶主要污染源之一便是畜禽養殖廢水的排放。通過對廣東省大量的農村養殖廢水排放區域實地調研,發現鋪地黍分布廣泛,生長狀態良好,但針對其凈化養殖廢水的效果和機理研究尚處空白[10]。本研究聚焦鋪地黍對養殖廢水中抗生素的污染治理效果開展試驗。

TC屬于廣譜抗生素,是目前畜禽養殖方面使用廣泛、用量較大的抗生素類型,特設置為本研究的處理因素。目前,針對抗生素污染水體修復植物(紫花苜蓿、大漂、鳳眼蓮等[11])的研究以短期急性毒性凈化試驗為主,對抗生素長期暴露下的變化與影響研究非常少,因此探究種植鋪地黍后,污染水體中TC隨時間動態遷移與變化的規律是重點。擬解決3個方面的問題:(1)以單一暴露濃度TC為處理因素,探究鋪地黍對TC的動態遷移規律;(2)揭示隨著時間動態,鋪地黍不同種植方式對TC的吸收富集作用;(3)鋪地黍在抗生素暴露下的生理響應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

鋪地黍為廣東水生型植物,采用同一株系進行擴繁盆栽培植,兩個月后,選取生長狀態一致且株高為15 cm的植株體作為供試材料。雞糞取自廣州某養雞場,曬干密封儲存,選用干雞糞配制成相應濃度的試驗污水。土壤來源于廣州市花都區花都鎮普通稻田土。

1.2 試驗設計

試驗于2021年5月至2022年6月,在廣東第二師范學院(23°6′N、113°18′E)樓頂溫室棚內進行,采用盆栽-人工浮板模式,水下部分保持避光狀態。培養盆長×寬×高為0.6 m×0.5 m×0.6 m,種植密度5 cm×3 cm,每盆15株,構建人工鋪地黍-雞糞養殖廢水系統。查閱相關資料顯示,畜禽養殖廢水TC檢出值為0.967～31.05 μg/L[12-13],因此試驗按照明顯超過最高質量濃度設置TC為5 mg/L[14]。本研究初次揭示隨著時間動態,鋪地黍不同的種植方式對TC的凈化效果,是試驗研究重點,也是創新性工作,因此只設置單一TC濃度。不同TC濃度或不同抗生素種類的凈化效果比較研究將是下一步的研究重點。

試驗處理設置詳見表1,每種處理3個重復。

表1 試驗處理設置Table 1 Experimental treatment settings

1.3 指標測定

各指標均在處理1、14、28 d時取樣測定。株高采用尺子測量,莖粗采用游標卡尺測量;鮮質量采用萬分之一天平稱量,干質量通過烘箱60 ℃烘48 h后稱量;丙二醛(MDA)、可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素含量、電導率均采用李玲[15]的方法進行測量;使用便攜式光合系統測定儀測定光合特性指標(葉片凈光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、氣孔導度(Gs,mmol/(m2·s))、胞間CO2(Ci,μmol/mol)和蒸騰速率(Tr,mmol/(m2·s)));植物和土壤中TC樣品提取方法參考文獻[16]、[17],采用固相萃取高效液相色譜法檢測分析。

生物富集系數(BCF)、遷移系數(TF)、葉片相對電導率(REC)計算方法如下:

XBCF=A/B

(1)

XTF=C/D

(2)

XREC=(R2-R1)/R2×100%

(3)

式中:XBCF為BCF;A、B分別為植物不同部位中、環境中TC質量濃度,mg/kg;XTF為TF;C、D分別為地上、地下部分抗生素殘留量,mg/kg;XREC為REC,%;R1、R2分別為煮前、煮沸后浸提液電導率,S/m。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0進行各處理樣本之間的方差分析和t檢驗,用平均值和標準誤表示測定結果。

2 結果與分析

2.1 鋪地黍生長特性變化

2.1.1 鋪地黍形態特征變化

根據表2計算,P1TC0、P1TC1組株高增長率(29.16%、33.70%)、分蘗數增長率(46.67%、68.75%)都在第14天達到最大值。P1TC1組的株高、分蘗數增長率分別為P1TC0組的1.2、1.5倍;P1TC1組莖粗的增長率在14 d達到最大值(36.95%),是P1TC0組的38.3倍。實驗前期(≤14 d)TC對鋪地黍的生長表現為促進作用。

表2 TC暴露對鋪地黍株高、莖粗和分蘗數的影響1)Table 2 Effects of TC exposure on plant height,stem diameter and tiller number of Panicum repens

2.1.2 鋪地黍生理特性變化

TC暴露對鋪地黍生理特性的影響見表3。同一處理組不同時間之間、同一時間不同處理之間的MDA、REC變化差異均不顯著(P>0.05),5 mg/L的TC沒有加深鋪地黍細胞膜脂質過氧化程度與通透性。隨著時間延長,可溶性糖和可溶性蛋白總體呈下降趨勢,除P1TC1組可溶性糖外第1天與其他取樣時間差異顯著。REC主要與植物對逆境脅迫的適應性響應強弱程度相關,值越小,表明植物受到傷害越大。在TC處理1 d后鋪地黍REC達到最大值(92.05%)。隨著時間延長,P1TC1組REC呈下降趨勢,而P1TC0組則先升后降。

表3 TC暴露對鋪地黍生理特性的影響Table 3 Effects of TC exposure on physiological characteristics of Panicum repens

2.1.3 鋪地黍光合特性變化

TC暴露對鋪地黍葉綠素的影響見表4,其中葉綠素a、b質量濃度比簡寫為葉綠素a/b。鋪地黍葉片的葉綠素a、b、總量均在第1天達到最大值(見表4),P1TC1組分別比P1TC0組顯著高出29.41%、39.13%、32.71%(P<0.05),隨時間的延長,28 d時差異不顯著(P>0.05)。P1TC0組葉綠素a/b呈上升趨勢;P1TC1組先降后升,且1、14、28 d時分別比P1TC0組降低7.00%、40.00%和18.81%。

表4 TC暴露對鋪地黍葉綠素的影響Table 4 Effects of TC exposure on chlorophyll of Panicum repens

隨著時間延長,鋪地黍Gs和Ci總體表現出下降的變化趨勢,Tr呈先升后降趨勢(見表5)。P1TC1和P1TC0組鋪地黍Pn差異顯著(P<0.05),Gs、Ci和Tr均差異不顯著(P>0.05)。第1天,P1TC1組Pn、Gs和Tr分別明顯比P1TC0組提高40.90%、30.43%、13.09%。第14天,P1TC1和P1TC0組Tr均達到最大值。

表5 TC暴露對鋪地黍Pn、Gs、Tr和Ci的影響Table 5 Effects of TC exposure on Pn,Gs,Tr and Ci of Panicum repens

2.2 養殖塘系統不同介質TC遷移轉運規律

由表6可見,TC殘留量為鋪地黍根部>底泥中>水體中;隨著時間延長,根部與水體中TC殘留量逐漸降低,而底泥中則呈現先升后降的趨勢。水體中TC殘留量為P0TC1組>P1TC1組,底泥中TC殘留量為P1TC1組>P0TC1組,根部TC殘留量均值為在第1天達到18 555.48 μg/kg。P1TC1組水體中TC殘留量在第1天比P0TC1組顯著減少近70%(P<0.01)。鋪地黍根部BCF在第1天達到最大值。

表6 不同介質不同時間的TC殘留情況1)Table 6 TC residue in different media at different times

2.3 TC在鋪地黍體內遷移分布

TC具有光解、水解和熱不穩定性等物理特點。

有研究表明,在黑暗條件下TC半衰期為18 d[18]。當廢水體系中TC含量穩定后,TC暴露下鋪地黍不同器官中TC殘留量為葉(23.54 mg/kg)>莖(4.78 mg/kg)>根(3.09 mg/kg),地上部分的TC殘留量比地下部分高出8.17倍;鋪地黍TF為9.17,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62。

3 討 論

3.1 TC暴露對鋪地黍生長特性的影響

生長速度是植物生長的指示性指標,代表著外源添加有機污染物是否對植物造成脅迫和毒害作用[1]5。遲蓀琳等[17]937研究發現,低濃度TC促進植物生長,而高濃度則抑制生長;TC能提高小白菜地上部和地下部鮮質量,在一定程度上增加了生菜和小白菜的Gs和Tr。這與本研究是一致的,TC一定程度上增加植物的光合特性,這可能是由于TC進入植物體后能影響光合電子傳遞速率和光合色素的合成,或與植物體內的某些組分相互作用對植物體的新陳代謝功能產生影響[19]。其他研究人員發現,水環境中處于ng/L或μg/L級別濃度,水平很低的抗生素能直接對水生生物產生毒性[20]。姜蕾等[21]研究發現,TC通過抑制銅綠微囊藻、綠藻蛋白質的合成和葉綠體中酶的活性從而抑制植物的生長,并且對其根系產生較大毒性。低濃度TC對鋪地黍的生長卻是促進的,鋪地黍可作為修復水體參考的水生植物。

植物在逆境下可通過調節自身滲透壓來抵抗逆境對植物的危害,MDA是膜脂質發生過氧化的最終分解產物,常用來表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反映的強弱[22],可溶性蛋白含量可直接反映污染對植物的毒性,可溶性糖含量可反映碳水化合物的轉運情況和植物在逆境中的生理狀況[23]。相比正常植株,受到污染的植物其可溶性糖含量低[24]。REC可衡量植物的受害程度。本試驗中TC暴露組與非暴露組MDA、可溶性蛋白、REC差異均不顯著(P>0.05)。YAN等[25]105374研究表明,在低濃度環丙沙星處理下,浮萍葉片中的可溶性蛋白含量增加。相比之下,鋪地黍在5 mg/L TC暴露環境下依然正常生長,體內的滲透調節并沒有受到影響。

光合色素是常用于判斷植物光合性能和反映植物逆境脅迫狀況的重要指標之一,可表征植物組織和器官的損害程度及衰老狀況[26]。研究表明,抗生素脅迫條件會導致植物代謝異常、葉綠素含量低、光照作用弱[27],這與本研究結論是不同的。通常有機污染物通過阻斷光系統Ⅱ到光系統Ⅰ的電子傳輸流,引起光系統Ⅱ反應中心電子過度飽和,再加上光化學氧化被誘導[28],導致葉綠素a/b增加。本研究TC暴露組葉綠素a/b呈先降后升的趨勢,與鋪地黍生長特性、生理生化特性一同說明5 mg/L的TC在實驗前期(≤14 d)并沒有對鋪地黍造成毒害作用,反而促進了植物的生長。

植物通過蒸騰作用將抗生素從根部遷移到莖葉,在這個過程中抗生素可被生物降解或轉化并產生新的產物[25]105374。本研究TC暴露總體沒有對Tr和Gs產生抑制作用,降低了Ci。在實驗前期(≤14 d)TC暴露提高了Pn,這可能與TC可作為光合磷酸化與電子傳遞的偶聯劑有關;28 d時TC暴露組Pn低于非暴露組,這可能是跟TC半衰期及其物理特性有關。

3.2 養殖塘中不同介質TC殘留情況

LU等[29]研究了鳳眼蓮對水體中TC的去除效果,12 h后高達70%,隨著時間推移逐漸降低,這與本研究結果是一致的。種植鋪地黍后,水體中TC殘留量大幅度降低,主要往底泥和植物體內遷移轉化,這可能是植物和微生物相互響應、共同作用的結果[30]227。曠遠文等[31]也支撐了該推論,其研究結果顯示,植物根部微環境極其復雜,水溶性TC被植物根部吸附后通過各種分子間作用力與植物根系表面進行離子交換、配位、絡合、螯合、吸附和微相沉淀等各種復雜反應,經由植物根系往植物地上部分遷移轉運,最終污染水體得到修復凈化。

3.3 TC在鋪地黍體內遷移分布規律

植物根系主要通過吸收、分解和轉移來修復污染水體,TC的分子量、親水性和辛醇-水分配系數決定了它是留在根系的脂膜還是被輸送到其他部位[30]228。TC在鋪地黍體內殘留量分布為葉>莖>根,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62,這與HU等[32]研究結果一致。鋪地黍與蘆葦、柳樹[33-34]對TC的富集特征是不同的,可能跟栽培方式、時間和TC濃度有關。抗生素通過植物根系中的凱氏帶運輸被動擴散,再通過木質部和韌皮部分別轉運至莖葉和果實[35],TF主要受植物蒸騰作用的影響,Tr的增加會加速植物體對土壤中抗生素的吸收[36],實驗第1天TC暴露組Tr和Ci均比非暴露組高。遲蓀琳等[17]940研究發現,蔬菜(小白菜和生菜)對TC的TF為0.546～1.116,BCF為0.012～0.055。本研究中鋪地黍的TF和BCF比蔬菜高出好幾倍,與蔬菜相比顯然可見鋪地黍有作為養殖廢水抗生素凈化的優選材料的潛力。

4 結 論

TC(5 mg/L)不僅對鋪地黍生理特性未造成毒害作用,甚至實驗前期(≤14 d)對鋪地黍的形態生長有促進作用。TC殘留量為植物根部>底泥中>水體中。TC在鋪地黍體內分布為葉>莖>根,地上、地下部分BCF分別為5.67、0.62,TF為9.17。