生物质炭降低蔬菜吸收土壤中抗生素的作用

章明奎，顾国平，徐秋桐（浙江大学环境与资源学院，杭州30058；绍兴市农业科学研究院，浙江绍兴3003）

生物质炭降低蔬菜吸收土壤中抗生素的作用

章明奎1，顾国平2，徐秋桐1
（1浙江大学环境与资源学院，杭州310058；2绍兴市农业科学研究院，浙江绍兴312003）

摘要：采用土培方法研究了施用不同量生物质炭（0.75%、1.5%、2.0%）对初始污染浓度为25 mg/kg的土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶、泰乐菌素4种抗生素污染土壤中有效态抗生素含量和蔬菜对土壤中抗生素吸收及蔬菜生长的影响。结果表明：施用生物质炭可减缓土壤中抗生素的降解，但明显降低了土壤中有效态抗生素含量。在培养52天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的有效态土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照下降25.29%与39.09%，16.39%与28.69%，16.97%与23.64%、17.76%与25.70%。施用生物质炭也可减少蔬菜对土壤抗生素的吸收，施用1.5%和2.0%生物质炭后，蔬菜中土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素含量分别比未施生物质炭的对照处理低23.11%与35.93%，15.89%与22.85%，7.64%与16.56%和16.79%与29.50%。与对照相比，施用生物质炭可增加蔬菜的生物量。

关键词：抗生素；有效性；吸收；生物质炭

0　引言

近20年来，抗生素对农业系统的污染已引起了人们广泛的关注[1-2]。农业土壤是人类处方药抗生素和兽用抗生素的主要归宿地，抗生素可通过排泄物、生活垃圾、污水、城市污泥和饲养场垃圾等作为肥料施用进入土壤[3]，从而在土壤中积累。积累在土壤中的抗生素不仅可改变土壤微生物组成，影响土壤碳、氮、硫等元素的循环和养分的有效性；同时，土壤中的抗生素也可被作物吸收，积累在农产品中，对人类的公共健康构成潜在威胁[4-6]。农作物对土壤中的抗生素吸收，除与农作物种类、抗生素类型及土壤性状有关外，还与土壤中抗生素的生物有效性有关，降低土壤中抗生素的生物有效性可减少农作物从土壤中吸收的抗生素数量。据研究，当抗生素被环境中的一些有机或无机物吸附时，其有效性将明显下降[4,6-9]。因此，通过改变农田土壤的物质组成或改变抗生素进入农田的重要载体的畜禽粪便性状均有可能改变进入农田的抗生素对农作物的影响。生物质炭是近年来被农业和环境等领域关注的物质，因其有机碳含量高且稳定性强，比表面积较大，电荷密度较高，对土壤养分的吸附能力较强[10-12]，能改善土壤质量，被众多学者推荐为能同时满足农田固碳和增加土壤养分的改良剂。有研究表明，生物质炭对有机污染物有较强的吸附能力，可净化污水中的抗生素[13-14]。因此，把其施入抗生素污染的土壤中有可能引起土壤中抗生素的化学形态变化，降低抗生素的生物有效性。为了验证这种可能性，本研究设置了不同用量的生物质炭施用试验，探讨了生物质炭对土壤中抗生素有效性及蔬菜对土壤中抗生素吸收的影响。

1　材料与方法

1.1试验方法

试验土壤采自浙江省绍兴市柯桥区，为青紫泥田，采样深度为0～15 cm。土壤有机碳含量为19.2 g/kg，pH 6.13，质地为粘壤土；土壤有效P和有效K分别为8.76 mg/kg和98 mg/kg。分析表明，试验前土壤无恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素等抗生素检出，但含少量土霉素残留（含量为38.6µg/kg）。土样经风干、混匀、过5 mm土筛后用于盆栽试验。

为了便于控制试验的抗生素水平，研究采用人为添加方法添加抗生素，土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素4种抗生素的添加量各为25 mg/kg（占土壤质量）。有机肥的施用量为0.5%（占土壤质量）。试验中生物质炭添加量设置4个水平，其用量分别为0%、0.75%、1.5%和2.0%。施用的有机肥为商品有机肥，有机质含量为45.2%，pH 7.43，全N量为14.43 g/kg，P2O5为9.76 g/kg，K2O为22.65 g/kg。试验用生物质炭为市购产品,由小麦秸秆在350℃下厌氧烧制。经测定，其中有机碳为53.4%，全氮为3.3 g/kg，pH 10.2，含Ca、K和P分别为14.4、32.5、23.3 g/kg。每盆用土量为5 kg，重复3次。在以上处理的基础上，每盆各施复合肥（N-P-K构成为15-15-15）1 g。抗生素、有机肥、化肥及生物质炭同时均匀混入土壤培养1周后，每盆移种4 株15天龄的青菜幼苗（品种为‘苏州青’）。在添加抗生素后的第15天从各盆中采集混合土样，测定土壤中抗生素的残留量及有效态含量。蔬菜生长45天（即抗生素添加第52天）后收获地上部分，测量蔬菜生物量，并分析其抗生素含量。采集的土样经冻干后研磨过2 mm土筛，在分析前冰冻保存。采集的蔬菜样品先后经过自来水、蒸馏水洗净后用吸水纸吸干，置于4℃冰室中保存。

1.2分析方法

蔬菜样品中抗生素采用超声提取-固相萃取预处理和高效液相色谱-串联质谱(HPLC-MS/MS)分析法测定，用乙腈-硫酸钠-乙酸钠-Na2EDTA溶液/超声波进行提取[15]，用正已烷液-液萃取，用旋转蒸发法浓缩，并用乙腈-0.086 mol/L磷酸(15:85，V:V)定容至5 mL，隔夜沉渣，吸取1 mL过0.2µm滤膜后用HPLC-MS/MS法测定。土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的回收率分别为83.43%～112.3%、79.67%～106.54%、85.67% ～103.43%和86.34% ～99.34%，平均分别为96.4%、93.6%、95.8%和96.7%，最低检测限分别为0.13、0.095、0.12、0.15µg/kg。土壤中抗生素用pH 4的EDTA- McIlvaine（0.05 mol/L EDTA + 0.06 mol/L Na2HPO4+0.08 mol/L柠檬酸）缓冲液提取。有效态抗生素采用0.1 mol/L CaCl2提取[16]，土液比1:50，振荡提取时间30 min；提取液经离心、用0.45µm滤膜过滤；测定方法同上。

2　结果与分析

2.1施用生物质炭对土壤中抗生素有效性的影响

分析结果表明，土壤中抗生素含量随培养时间的增加呈现显著的下降，在试验结束时（培养时间为52天）土壤中土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量明显低于培养15天时的含量。从土壤中残留的抗生素含量来看，4种供试抗生素在土壤中的降解速率以磺胺二甲嘧啶最高，其次为恩诺沙星，泰乐菌素最低。

施用生物质炭可增加土壤中抗生素的残留量，土壤中抗生素含量随生物质炭用量的增加而增加（表1）。培养15天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照高5.51%、11.51%、5.62%、12.69%和12.15%、17.29%、11.66%、23.63%；培养52天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照高12.92%、33.45%、26.39%、27.94%和22.84%、33.33%、17.88%、24.22%。因施用生物质炭引起的抗生素残留增加的相对比例随培养时间增加呈提高的趋势。施用生物质炭增加了土壤中抗生素的残留量可能与生物质炭的施用增加了土壤对抗生素的吸附量，从而降低了土壤中抗生素的活性，减弱了抗生素的降解速率有关。

表1　施用生物质炭对土壤中抗生素总量与有效态含量的影响

表2　蔬菜地上部分抗生素含量　µg/(kg·FW)

施用生物质炭对土壤中有效态抗生素含量的影响与总量不同，前者随生物质炭用量的增加而下降（表1）。培养15天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的有效态土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照下降26.42%、41.98%、8.72%、19.48%和12.23%、17.39%、10.75%、16.77%；培养52天的土壤中，生物质炭用量为1.5%和2.0%的2个处理的有效态土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照下降25.29%、39.09%、16.39%、28.69%和16.97%、23.64%、17.76%、25.70%。

2.2施用生物质炭对蔬菜中抗生素含量的影响

经抗生素处理的土壤中生长的蔬菜中均有明显的4类抗生素检出，这表明土壤中抗生素可被供试蔬菜吸收，积累在蔬菜组织中。总体上，蔬菜中4类抗生素含量以泰乐菌素最高，其次为土霉素，而恩诺沙星和磺胺二甲嘧啶含量相对较低。施用生物质炭对蔬菜中抗生素含量有较大的影响（表2），其含量明显低于未施生物质炭的处理，并随生物质炭用量的增加而下降。施用0.75%生物质炭后，蔬菜中4类抗生素均有所降低，但它们与未施生物质炭处理之间的差异不明显。施用1.5%生物质炭后，蔬菜中土霉素和泰乐菌素含量明显低于未施生物质炭的土壤，但恩诺沙星和磺胺二甲嘧啶含量虽比未施生物质炭的土壤有所下降，但下降程度没有达到显著水平。施用2.0%生物质炭后，蔬菜中4种抗生素含量均明显低于未施生物质炭的土壤。施用1.5%和2.0%生物质炭后，蔬菜中土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素含量分别比未施生物质炭的对照处理低23.11%、35.93%、15.89%、22.85% 和7.64%、16.56%、16.79%、29.50%。总体上，施用生物质炭降低蔬菜中土霉素和泰乐菌素含量的效果高于恩诺沙星和磺胺二甲嘧啶。蔬菜中各类抗生素含量的变化及不同处理间同类抗生素含量的变化与土壤中残留的有效态抗生素水平基本一致。这一结果表明，生物质炭的施用不仅影响了土壤中有效态抗生素的水平，同时也明显了降低了蔬菜对土壤中抗生素的吸收。

2.3生物质炭对蔬菜生长的影响

图1为4个不同处理的土壤上生长45天的蔬菜地上部分鲜重。从中可知，与未施用生物质炭的对照比较，施用生物质炭可增加蔬菜的生物量，其中施用2.0%生物质炭处理土壤上的蔬菜生物量显著高于对照处理。施用0.75%、1.5%和2.0%生物质炭处理土壤上的蔬菜生物量分别比对照高3.10%、4.91%和13.95%。

3　结论

结果表明施用生物质炭可增加土壤对抗生素的吸附，降低抗生素的生物有效性，减少蔬菜对土壤中抗生素的吸收；生物质炭对抗生素生物有效性的降低效果随生物质炭添加量的增加而增加，对土霉素、泰乐菌素的影响一般要大于对磺胺二甲嘧啶、恩诺沙星的影响。当生物质炭用量为2.0%时，土壤有效态土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素的含量分别比对照下降39.09%、28.69%、23.64%和25.70%，蔬菜中土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶和泰乐菌素含量分别比未施生物质炭的对照处理低35.93%、22.85%、16.56% 和29.50%。

图1　施用生物质炭对蔬菜地上部分产量的影响

4　讨论

土壤中污染物的生物有效性与土壤中污染物的存在形态有关。污染物在土壤中可与土壤组分发生作用，土壤中矿物质、有机质等组分通过与污染物形成沉淀物、络合物及其它稳定的化合物可降低污染物在土壤中的生物有效性[4,6-9]。生物质炭是生物质在低氧或无氧条件下通过高温裂解而形成的一类高度芳香化固态物[17]，因具有的多孔性、比表面积较大、电荷密度较高等特性，可以吸附土壤阴阳离子[18-20]，从而降低土壤中阴阳离子的活性。研究已表明[21-24]，在废水中或土壤中添加生物质炭可大大降低有效态有机污染物的浓度，从而降低有机污染物对环境的毒害作用。本研究中，施用生物质炭降低了土壤中有效态抗生素的含量，显然与生物质炭的施用增加了土壤对抗生素的吸附量，降低了土壤中抗生素的活性有关。同时，由于生物质炭具有多孔性，施用生物质炭后，部分抗生素进入了生物质炭的孔隙中，减弱了土壤微生物对其的降解作用，这可能是施用生物质炭后抗生素呈增加的原因之一。而对于生物质炭处理后，抗生素对蔬菜生长的抑制变得不明显可能有以下2个方面的原因：一是生物质炭降低了土壤中有效态抗生素含量，减弱了抗生素对蔬菜生长的影响；二是生物质炭的施用增加了土壤有效养分，这在一定程度上促进了蔬菜的生长。本研究的培养试验进行了50天，有关施用生物质炭对土壤中抗生素的长期作用还有待进一步研究。

参考文献

[1]Samah A K, Meyer M T, Boxall A B A. A global perspective on the use, sales, exposure pathways, occurrence, fate and effects of veterinary antibiotics in the environment[J].Chemosphere,2006,65: 725-759.

[2]Diaz- Cruz M S, Lopez D E, Alda M J, et al. Environmental behavior and analysis of veterinary and human drugs in soils, sediments and sludge[J].Trends in Analytical Chemistry,2003,22(6): 340-350.

[3]田野,刘善江.有机肥料中抗生素在农田土壤和植物间的迁移研究[J].安徽农业科学,2012,40(8):4523-4525.

[4]Halling-Sorensen B, Nielsen S N, Lansky P F, et al. Occurrence, fate, and effects of pharmaceuticals in the environment—A review [J].Chemosphere,1998,36:357-365.

[5]Kummer K, Henninger A. Promoting resistance by the emission of antibiotics from hospitals and households into effluent[J].Clinical Microbiology and Infection,2003,9(12):1203-1214.

[6]Thiele-Bruhn S. Pharmaceutical antibiotic compounds in soils—a review[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science,2003,166:145-167.

[7]Heberer T. Occurrence, fate, and removal of pharmaceutical residues in the aquatic environment: A review of recent research data[J].Taxicological Letter,2000,131:5-17.

[8]Tolls J. Sorption ofvctcrinary pharmaceuticals in soils：a review[J]. Environmental Science and Technology,2001,35:3397-3406.

[9]齐会勉,吕亮,乔显亮.抗生素在土壤中的吸附行为研究进展[J].土壤,2009,41(5):703-708.

[10]Lehmann J, Gaunt J, Rondon M A. Biochar sequestration in terrestrial ecosystems: a review[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11:403-427.

[11]Arezoo T T, Time J C, Robert R S, et al. Biochar adsorbed ammonia is bioavailable[J].Plant and Soil,2012,350:57-69.

[12]Yanai Y, Toyota K, Okazaki M. Effects of charcoal addition on N2O emissions from soil resulting from rewetting air-dried soil in shortterm incubation experiments[J].Soil Science and Plant Nutrition, 2007,53(2):181-188.

[13]方嫒,隋铭皓,盛力,等.磺胺嘧啶在颗粒活性炭和碳纳米管上的吸附特性[J].水处理技术,2012,38(1):23-26.

[14]Elif C, Sinem G. Adsorption characteristics of sulfamethoxazole and meu'onidazole on activated carbon[J].Separation Science and Technology,2010,45:244-255.

[15]刘虹,张国平,刘丛强.固相萃取-色谱测定水、沉积物及土壤中氯霉素和3种四环素类抗生素[J].分析化学,2007,35(3):315-319.

[16]余强,鲍艳宇,李艳梅,等.三种土壤中土霉素浸提方法的比较研究[J].中国环境科学,2011,31(6):951-957.

[17]Lehmann J, Gaunt J, Rondon M A. Biochar sequestration in terrestrial ecosystems: a review[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2006,11:403-427.

[18]Warnock D D, Lehmann J, Kuyper T W, et al. Mycorrhizal responses to biochar in soil - concepts and mechanisms[J].Plant and Soil,2007,300(1-2):9-20.

[19]Busscher W J, Novak J M, Evans D E, et al. Influence of pecan biochar on physical properties of a norfolk loamy sand[J].Soil Science,2010,175(1):10-14.

[20]Arezoo T T, Time J C, Robert R S, et al. Biochar adsorbed ammonia is bioavailable[J].Plant and Soil,2012,350:57-69.

[21]张景环.不同类型土壤及黑炭对诺氟沙星的吸附[J].青岛科技大学学报:自然科学版,2012,33(6):568-574.

[22]孙璇,李恋卿,潘根兴,等.不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特性[J].农业环境科学学报,2014,33(8):1637-1643.

[23]史明,胡林潮,黄兆琴,等.生物质炭的加入对土壤吸附菲能力以及玉米幼苗对菲吸收量的影响[J].农业环境科学学报,2011,30(5): 912-916.

[24]余向阳,王冬兰,母昌立,等.生物质炭对敌草隆在土壤中的慢吸附及其对解吸行为的影响[J].江苏农业学报,2011,27(5):1011-1015.

Effect of Biochar Application on the Reduction of Antibiotics Uptake by Vegetable Crop

Zhang Mingkui1, Gu Guoping2, Xu Qiutong1
(1College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, Zhejiang, China;2Shaoxing Academy of Agricultural Sciences, Shaoxing 312003, Zhejiang, China)

Abstract:A soil culture experiment was carried out to study the effects of different biochar application rates of 0.75%, 1.5% and 2.0% on the content of effective antibiotics in soil, the uptake amount of antibiotics by vegetables and the growth of vegetable. The soil was treated with 4 antibiotics (oxytetracycline, enrofloxacin, sulfamethazine, and tylosin) with the concentration of 25 mg/kg. The results showed that the application of biochar could slow down the degradation of antibiotics, but it significantly decreased the concentration of available antibiotics in soil. After 52 days incubation, the application of 1.5% and 2.0% biochar decreased the concentrations of soil available antibiotics by 25.29% and 39.09% for oxytetracycline, 16.39% and 28.69% for enrofloxacin, 16.97% and 23.64% for sulfamethazine and 17.76% and 25.70% for tylosin, respectively. The application of biochar could also reduce the uptake amount of antibiotics by vegetable plants. After the application of 1.5% and 2.0% biochar, antibiotics content in vegetable reduced by 23.11% and 35.93% for oxytetracycline, 15.89% and 22.85% for enrofloxacin, 7.64% and 16.56% for sulfamethazine and 16.79% and 29.50% for tylosin, respectively. The application of biochar could increase the biomass of vegetable plants compared to CK.

Key words:Antibiotics; Availability; Uptake; Biochar

中图分类号：X826，X53

文献标志码：A论文编号：cjas15040009

基金项目：国家自然科学基金项目“兽用抗生素在农田土壤中的活性及其在蔬菜中的积累特征与生理效应”(21177108)。

第一作者简介：章明奎，男，1964年出生，浙江绍兴人，教授，博士，主要从事土壤资源管理方面的研究。

通信地址：310058杭州市浙江大学紫金港校区环境与资源学院，Tel：0571-86946076，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn。

收稿日期：2015-04-13，修回日期：2015-06-15。