铺地黍-养殖塘系统四环素迁移动态规律*

佘婷婷 黄容容 叶 凡 董玟秀 林 霞 叶诗怡 李志丹

(广东第二师范学院生物与食品工程学院,广东 广州 510303)

抗生素作为一种新型污染物,在废水系统中频频被测出,对环境中的生物构成了严重威胁[1]1,已有超过100种抗生素被用于人类和动物,其中有75%的抗生素在粪便中保持不变[2-3]。土壤、植物、食品和动物排泄物中存在的四环素(TC)类抗生素残留最终归趋自然水体,通过水体再向动植物和人体迁移,已对自然界生态平衡系统和人类健康构成了严重威胁[4-5]。大规模的水产养殖和未经处理直接排放的牲畜粪便是造成自然流域抗生素污染严重的主要原因。赵富强等[6]研究显示,我国典型七大流域水体中TC质量浓度为未检出至349.7 ng/L。抗生素因挥发性较差,吸附于土壤后能长期存在并积累,对土壤中微生物的种群、群落结构、耐药性和植物的生长等产生影响[7]。既低成本、高效率又快速降解抗生素是国内外学者和生态环境部门相当重视与关注的科研热点。

植物修复与自然净化法利用水生植物净化污水,是一种成本低廉、低碳环保、效益明显的简便易行的方法,己成为各地改善水质的关注热点。铺地黍(Panicumrepens)为禾本科多年生草本植物,因其较强的抗污染和快速繁殖能力,具备了生态修复污染土壤和水体的潜力与优势[8-9],可广泛用于受污染河岸消落带(极端干旱和水淹交替环境)的生态修复。临近农村的河岸消落带主要污染源之一便是畜禽养殖废水的排放。通过对广东省大量的农村养殖废水排放区域实地调研,发现铺地黍分布广泛,生长状态良好,但针对其净化养殖废水的效果和机理研究尚处空白[10]。本研究聚焦铺地黍对养殖废水中抗生素的污染治理效果开展试验。

TC属于广谱抗生素,是目前畜禽养殖方面使用广泛、用量较大的抗生素类型,特设置为本研究的处理因素。目前,针对抗生素污染水体修复植物(紫花苜蓿、大漂、凤眼莲等[11])的研究以短期急性毒性净化试验为主,对抗生素长期暴露下的变化与影响研究非常少,因此探究种植铺地黍后,污染水体中TC随时间动态迁移与变化的规律是重点。拟解决3个方面的问题:(1)以单一暴露浓度TC为处理因素,探究铺地黍对TC的动态迁移规律;(2)揭示随着时间动态,铺地黍不同种植方式对TC的吸收富集作用;(3)铺地黍在抗生素暴露下的生理响应。

1 材料与方法

1.1 试验材料

铺地黍为广东水生型植物,采用同一株系进行扩繁盆栽培植,两个月后,选取生长状态一致且株高为15 cm的植株体作为供试材料。鸡粪取自广州某养鸡场,晒干密封储存,选用干鸡粪配制成相应浓度的试验污水。土壤来源于广州市花都区花都镇普通稻田土。

1.2 试验设计

试验于2021年5月至2022年6月,在广东第二师范学院(23°6′N、113°18′E)楼顶温室棚内进行,采用盆栽-人工浮板模式,水下部分保持避光状态。培养盆长×宽×高为0.6 m×0.5 m×0.6 m,种植密度5 cm×3 cm,每盆15株,构建人工铺地黍-鸡粪养殖废水系统。查阅相关资料显示,畜禽养殖废水TC检出值为0.967～31.05 μg/L[12-13],因此试验按照明显超过最高质量浓度设置TC为5 mg/L[14]。本研究初次揭示随着时间动态,铺地黍不同的种植方式对TC的净化效果,是试验研究重点,也是创新性工作,因此只设置单一TC浓度。不同TC浓度或不同抗生素种类的净化效果比较研究将是下一步的研究重点。

试验处理设置详见表1,每种处理3个重复。

表1 试验处理设置Table 1 Experimental treatment settings

1.3 指标测定

各指标均在处理1、14、28 d时取样测定。株高采用尺子测量,茎粗采用游标卡尺测量;鲜质量采用万分之一天平称量,干质量通过烘箱60 ℃烘48 h后称量;丙二醛(MDA)、可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素含量、电导率均采用李玲[15]的方法进行测量;使用便携式光合系统测定仪测定光合特性指标(叶片净光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、气孔导度(Gs,mmol/(m2·s))、胞间CO2(Ci,μmol/mol)和蒸腾速率(Tr,mmol/(m2·s)));植物和土壤中TC样品提取方法参考文献[16]、[17],采用固相萃取高效液相色谱法检测分析。

生物富集系数(BCF)、迁移系数(TF)、叶片相对电导率(REC)计算方法如下:

XBCF=A/B

(1)

XTF=C/D

(2)

XREC=(R2-R1)/R2×100%

(3)

式中:XBCF为BCF;A、B分别为植物不同部位中、环境中TC质量浓度,mg/kg;XTF为TF;C、D分别为地上、地下部分抗生素残留量,mg/kg;XREC为REC,%;R1、R2分别为煮前、煮沸后浸提液电导率,S/m。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0进行各处理样本之间的方差分析和t检验,用平均值和标准误表示测定结果。

2 结果与分析

2.1 铺地黍生长特性变化

2.1.1 铺地黍形态特征变化

根据表2计算,P1TC0、P1TC1组株高增长率(29.16%、33.70%)、分蘖数增长率(46.67%、68.75%)都在第14天达到最大值。P1TC1组的株高、分蘖数增长率分别为P1TC0组的1.2、1.5倍;P1TC1组茎粗的增长率在14 d达到最大值(36.95%),是P1TC0组的38.3倍。实验前期(≤14 d)TC对铺地黍的生长表现为促进作用。

表2 TC暴露对铺地黍株高、茎粗和分蘖数的影响1)Table 2 Effects of TC exposure on plant height,stem diameter and tiller number of Panicum repens

2.1.2 铺地黍生理特性变化

TC暴露对铺地黍生理特性的影响见表3。同一处理组不同时间之间、同一时间不同处理之间的MDA、REC变化差异均不显著(P>0.05),5 mg/L的TC没有加深铺地黍细胞膜脂质过氧化程度与通透性。随着时间延长,可溶性糖和可溶性蛋白总体呈下降趋势,除P1TC1组可溶性糖外第1天与其他取样时间差异显著。REC主要与植物对逆境胁迫的适应性响应强弱程度相关,值越小,表明植物受到伤害越大。在TC处理1 d后铺地黍REC达到最大值(92.05%)。随着时间延长,P1TC1组REC呈下降趋势,而P1TC0组则先升后降。

表3 TC暴露对铺地黍生理特性的影响Table 3 Effects of TC exposure on physiological characteristics of Panicum repens

2.1.3 铺地黍光合特性变化

TC暴露对铺地黍叶绿素的影响见表4,其中叶绿素a、b质量浓度比简写为叶绿素a/b。铺地黍叶片的叶绿素a、b、总量均在第1天达到最大值(见表4),P1TC1组分别比P1TC0组显著高出29.41%、39.13%、32.71%(P<0.05),随时间的延长,28 d时差异不显著(P>0.05)。P1TC0组叶绿素a/b呈上升趋势;P1TC1组先降后升,且1、14、28 d时分别比P1TC0组降低7.00%、40.00%和18.81%。

表4 TC暴露对铺地黍叶绿素的影响Table 4 Effects of TC exposure on chlorophyll of Panicum repens

随着时间延长,铺地黍Gs和Ci总体表现出下降的变化趋势,Tr呈先升后降趋势(见表5)。P1TC1和P1TC0组铺地黍Pn差异显著(P<0.05),Gs、Ci和Tr均差异不显著(P>0.05)。第1天,P1TC1组Pn、Gs和Tr分别明显比P1TC0组提高40.90%、30.43%、13.09%。第14天,P1TC1和P1TC0组Tr均达到最大值。

表5 TC暴露对铺地黍Pn、Gs、Tr和Ci的影响Table 5 Effects of TC exposure on Pn,Gs,Tr and Ci of Panicum repens

2.2 养殖塘系统不同介质TC迁移转运规律

由表6可见,TC残留量为铺地黍根部>底泥中>水体中;随着时间延长,根部与水体中TC残留量逐渐降低,而底泥中则呈现先升后降的趋势。水体中TC残留量为P0TC1组>P1TC1组,底泥中TC残留量为P1TC1组>P0TC1组,根部TC残留量均值为在第1天达到18 555.48 μg/kg。P1TC1组水体中TC残留量在第1天比P0TC1组显著减少近70%(P<0.01)。铺地黍根部BCF在第1天达到最大值。

表6 不同介质不同时间的TC残留情况1)Table 6 TC residue in different media at different times

2.3 TC在铺地黍体内迁移分布

TC具有光解、水解和热不稳定性等物理特点。

有研究表明,在黑暗条件下TC半衰期为18 d[18]。当废水体系中TC含量稳定后,TC暴露下铺地黍不同器官中TC残留量为叶(23.54 mg/kg)>茎(4.78 mg/kg)>根(3.09 mg/kg),地上部分的TC残留量比地下部分高出8.17倍;铺地黍TF为9.17,地上、地下部分BCF分别为5.67、0.62。

3 讨 论

3.1 TC暴露对铺地黍生长特性的影响

生长速度是植物生长的指示性指标,代表着外源添加有机污染物是否对植物造成胁迫和毒害作用[1]5。迟荪琳等[17]937研究发现,低浓度TC促进植物生长,而高浓度则抑制生长;TC能提高小白菜地上部和地下部鲜质量,在一定程度上增加了生菜和小白菜的Gs和Tr。这与本研究是一致的,TC一定程度上增加植物的光合特性,这可能是由于TC进入植物体后能影响光合电子传递速率和光合色素的合成,或与植物体内的某些组分相互作用对植物体的新陈代谢功能产生影响[19]。其他研究人员发现,水环境中处于ng/L或μg/L级别浓度,水平很低的抗生素能直接对水生生物产生毒性[20]。姜蕾等[21]研究发现,TC通过抑制铜绿微囊藻、绿藻蛋白质的合成和叶绿体中酶的活性从而抑制植物的生长,并且对其根系产生较大毒性。低浓度TC对铺地黍的生长却是促进的,铺地黍可作为修复水体参考的水生植物。

植物在逆境下可通过调节自身渗透压来抵抗逆境对植物的危害,MDA是膜脂质发生过氧化的最终分解产物,常用来表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反映的强弱[22],可溶性蛋白含量可直接反映污染对植物的毒性,可溶性糖含量可反映碳水化合物的转运情况和植物在逆境中的生理状况[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。本试验中TC暴露组与非暴露组MDA、可溶性蛋白、REC差异均不显著(P>0.05)。YAN等[25]105374研究表明,在低浓度环丙沙星处理下,浮萍叶片中的可溶性蛋白含量增加。相比之下,铺地黍在5 mg/L TC暴露环境下依然正常生长,体内的渗透调节并没有受到影响。

光合色素是常用于判断植物光合性能和反映植物逆境胁迫状况的重要指标之一,可表征植物组织和器官的损害程度及衰老状况[26]。研究表明,抗生素胁迫条件会导致植物代谢异常、叶绿素含量低、光照作用弱[27],这与本研究结论是不同的。通常有机污染物通过阻断光系统Ⅱ到光系统Ⅰ的电子传输流,引起光系统Ⅱ反应中心电子过度饱和,再加上光化学氧化被诱导[28],导致叶绿素a/b增加。本研究TC暴露组叶绿素a/b呈先降后升的趋势,与铺地黍生长特性、生理生化特性一同说明5 mg/L的TC在实验前期(≤14 d)并没有对铺地黍造成毒害作用,反而促进了植物的生长。

植物通过蒸腾作用将抗生素从根部迁移到茎叶,在这个过程中抗生素可被生物降解或转化并产生新的产物[25]105374。本研究TC暴露总体没有对Tr和Gs产生抑制作用,降低了Ci。在实验前期(≤14 d)TC暴露提高了Pn,这可能与TC可作为光合磷酸化与电子传递的偶联剂有关;28 d时TC暴露组Pn低于非暴露组,这可能是跟TC半衰期及其物理特性有关。

3.2 养殖塘中不同介质TC残留情况

LU等[29]研究了凤眼莲对水体中TC的去除效果,12 h后高达70%,随着时间推移逐渐降低,这与本研究结果是一致的。种植铺地黍后,水体中TC残留量大幅度降低,主要往底泥和植物体内迁移转化,这可能是植物和微生物相互响应、共同作用的结果[30]227。旷远文等[31]也支撑了该推论,其研究结果显示,植物根部微环境极其复杂,水溶性TC被植物根部吸附后通过各种分子间作用力与植物根系表面进行离子交换、配位、络合、螯合、吸附和微相沉淀等各种复杂反应,经由植物根系往植物地上部分迁移转运,最终污染水体得到修复净化。

3.3 TC在铺地黍体内迁移分布规律

植物根系主要通过吸收、分解和转移来修复污染水体,TC的分子量、亲水性和辛醇-水分配系数决定了它是留在根系的脂膜还是被输送到其他部位[30]228。TC在铺地黍体内残留量分布为叶>茎>根,地上、地下部分BCF分别为5.67、0.62,这与HU等[32]研究结果一致。铺地黍与芦苇、柳树[33-34]对TC的富集特征是不同的,可能跟栽培方式、时间和TC浓度有关。抗生素通过植物根系中的凯氏带运输被动扩散,再通过木质部和韧皮部分别转运至茎叶和果实[35],TF主要受植物蒸腾作用的影响,Tr的增加会加速植物体对土壤中抗生素的吸收[36],实验第1天TC暴露组Tr和Ci均比非暴露组高。迟荪琳等[17]940研究发现,蔬菜(小白菜和生菜)对TC的TF为0.546～1.116,BCF为0.012～0.055。本研究中铺地黍的TF和BCF比蔬菜高出好几倍,与蔬菜相比显然可见铺地黍有作为养殖废水抗生素净化的优选材料的潜力。

4 结 论

TC(5 mg/L)不仅对铺地黍生理特性未造成毒害作用,甚至实验前期(≤14 d)对铺地黍的形态生长有促进作用。TC残留量为植物根部>底泥中>水体中。TC在铺地黍体内分布为叶>茎>根,地上、地下部分BCF分别为5.67、0.62,TF为9.17。