铺地黍-养殖塘系统四环素迁移动态规律.pdf
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1、第一作者:佘婷婷,女,1 9 8 4年生,本科,实验师,主要从事生态修复与微生物应用研究。#通讯作者。*广东省普通高校重点科研平台和科研项目(N o.2 0 1 8 KQN C X 1 8 3);广东省普通高校重点领域专项(N o.2 0 2 1 Z D Z X 4 0 0 4);广东第二师范学院大学生创新创业训练计划项目(N o.2 0 2 1 1 4 2 7 8 0 0 7、N o.S 2 0 2 3 1 4 2 7 8 0 3 8);广东第二师范学院生态学科研团队项目(广东二师2 0 2 05 8号)。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
2、李志丹#(广东第二师范学院生物与食品工程学院,广东 广州5 1 0 3 0 3)摘要 以广东水生型铺地黍(P a n i c u mr e p e n s)为单一修复植物,人工模拟构建添加四环素(T C)的鸡粪养殖泥塘系统,探究T C在植物体内、水体及底泥中迁移转运动态变化规律及植物对T C的响应。结果表明:5m g/LT C不仅对铺地黍生理特性未造成毒害作用,甚至实验前期(1 4d)对铺地黍的形态生长有促进作用;T C残留量为植物根部底泥中水体中,随时间延长,根部与水体中T C残留量逐渐降低;T C在铺地黍体内分布为叶茎根,地上、地下部生物富集系数分别为5.6 7、0.6 2,迁移系数为9.
3、1 7。关键词 铺地黍 养殖废水 四环素 生长特性 迁移转运 D O I:1 0.1 5 9 8 5/j.c n k i.1 0 0 1-3 8 6 5.2 0 2 3.0 8.0 0 3D y n a m i co f t e t r a c y c l i n em i g r a t i o n i nP a n i c u mr e p e n s-b r e e d i n gp o n ds y s t e m SHET i n g t i n g,HU ANGR o n g r o n g,Y EF a n,D ONG W e n x i u,L I N X i a,Y E S
4、h i y i,L IZ h i d a n.(S c h o o lo f B i o l o g ya n d F o o d E n g i n e e r i n g,G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fE d u c a t i o n,G u a n g z h o uG u a n g d o n g5 1 0 3 0 3)A b s t r a c t:U s i n gG u a n g d o n ga q u a t i cg r o u n dc o v e r i n gm i l l e t(P a n i c u mr e
5、 p e n s)a sas i n g l er e m e d i a t i o np l a n t,a nc h i c k e nm a n u r eb r e e d i n gb o gs y s t e m w i t ht e t r a c y c l i n e(T C)a d d e dw a sa r t i f i c i a l l ys i m u l a t e dt oe x p l o r et h ed y n a m i cc h a n g e s i nT Cm i g r a t i o na n d t r a n s p o r t i
6、np l a n t b o d i e s,w a t e rb o d i e s,a n ds e d i m e n t,a sw e l l a s t h e r e s p o n s eo f p l a n t s t oT C.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t 5m g/LT Ch a dn ot o x i ce f f e c to nt h ep h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fP a n i c u mr e p e n s,b u tp r o
7、m o t e dt h em o r p h o l o g i c a l g r o w t h i ne a r l ye x p e r i m e n t(1 4d).T h e a m o u n t o fT Cr e s i d u ew a s i np l a n t r o o t s i ns e d i m e n t i nw a t e rb o d y.W i t ht i m e,t h ea m o u n t o fT Cr e s i d u e i nr o o t sa n dw a t e rb o d yg r a d u a l l yd e
8、 c r e a s e s.T Ci ne a c ht i s s u eo fP a n i c u mr e p e n sw a sl e a f s t e mr o o t.T h eb i o c o n c e n t r a t i o nf a c t o ro fa b o v e g r o u n da n du n d e r g r o u n dw e r e5.6 7a n d0.6 2,a n dt h e t r a n s p o r t c o e f f i c i e n tw a s9.1 7.K e y w o r d s:P a n i c
9、 u m r e p e n s;a q u a c u l t u r e w a s t e w a t e r;t e t r a c y c l i n e;g r o w t hc h a r a c t e r i s t i c s;m i g r a t i o na n dt r a n s p o r t 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11,已有超过1 0 0种抗生素被用于人类和动物,其中有7 5%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(T C)类抗生素残留最终归趋自然水体,通过水体再向动植
10、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T C质量浓度为未检出至3 4 9.7n g/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(P a n i c u m
11、r e p e n s)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1 0。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。T C属于广谱抗生素,是目前畜禽养殖方面使用3601佘婷婷等 铺地黍-养殖塘系统四环素迁移动态规律广泛、用量较大的抗生素类型,特设置为本研究的处理因素。目前,
12、针对抗生素污染水体修复植物(紫花苜蓿、大漂、凤眼莲等1 1)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T C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T C为处理因素,探究铺地黍对T C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T C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1 5c m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
13、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2 0 2 1年5月至2 0 2 2年6月,在广东第二师范学院(2 3 6 N、1 1 3 1 8 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0.6m0.5m0.6m,种植密度5c m3c m,每盆1 5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T C检出值为0.9 6 73 1.0 5g/L1 2-1 3,因此试验按照明显超过最高质量浓度设置T C为5m g/L1 4。本研究初次揭示随着时间动态,铺地黍不同的种植方式对T C的净化效
14、果,是试验研究重点,也是创新性工作,因此只设置单一T C浓度。不同T C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。1.3 指标测定 各指标均在处理1、1 4、2 8d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6 0 烘4 8h后称量;丙二醛(MD A)、可溶性糖、可溶性蛋白、叶绿素含量、电导率均采用李玲1 5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,m o l/(m2s)、气孔导度(Gs,mm o l/(m2s)、胞间C O2(Ci,m o l/m
15、 o l)和蒸腾速率(Tr,mm o l/(m2s);植物和土壤中T C样品提取方法参考文献1 6、1 7,采用固相萃取高效液相色谱法检测分析。生物富集系数(B C F)、迁移系数(T F)、叶片相对电导率(R E C)计算方法如下:XB C F=A/B(1)XT F=C/D(2)XR E C=(R2-R1)/R21 0 0%(3)式中:XB C F为B C F;A、B分别为植物不同部位中、环境中T C质量浓度,m g/k g;XT F为T F;C、D分别为地上、地 下 部 分 抗 生 素 残 留 量,m g/k g;XR E C为R E C,%;R1、R2分别为煮 前、煮 沸 后 浸 提 液
16、 电 导率,S/m。1.4 数据处理 采用S P S S2 0.0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,P 1 T C 0、P 1 T C 1组株高增长率(2 9.1 6%、3 3.7 0%)、分 蘖 数 增 长 率(4 6.6 7%、6 8.7 5%)都在第1 4天达到最大值。P 1 T C 1组的株高、分蘖数增长率分别为P 1 T C 0组的1.2、1.5倍;P 1 T C 1组 茎 粗 的 增 长 率 在1 4 d达 到 最 大 值(3 6.9 5%),是P 1 T C 0
17、组的3 8.3倍。实验前期(1 4d)T C对铺地黍的生长表现为促进作用。2.1.2 铺地黍生理特性变化 T C暴露对铺地黍生理特性的影响见表3。同表1 试验处理设置T a b l e1 E x p e r i m e n t a l t r e a t m e n t s e t t i n g s处理组池塘水/L底泥/k g干鸡粪/(m g/L)T C/(m g/L)铺地黍/株P 0 T C 11 24550P 1 T C 01 24501 5P 1 T C 11 24551 5对照(C K)1 240004601 环境污染与防治 第4 5卷 第8期 2 0 2 3年8月表2 T C暴露对
18、铺地黍株高、茎粗和分蘖数的影响1)T a b l e2 E f f e c t so fT Ce x p o s u r eo np l a n th e i g h t,s t e md i a m e t e ra n dt i l l e rn u m b e ro fP a n i c u mr e p e n s时间/d株高/c mP 1 T C 0P 1 T C 1茎粗/mmP 1 T C 0P 1 T C 1分蘖数P 1 T C 0P 1 T C 114 3.3 83.2 2 b3 6.6 75.0 9 b2.7 70.0 8 b2.0 70.2 0 b5.0 00.5 8 b5
19、.3 30.3 3 c1 45 6.0 34.5 9 a b4 9.0 34.9 9 a b2.7 30.1 6 b2.8 30.0 5 a7.3 30.8 8 a b9.0 00.5 8 b2 86 0.5 43.7 3 a5 7.1 33.3 3 a3.3 10.0 7 a3.1 90.1 7 a1 0.0 01.1 5 a1 1.0 00.5 8 a 注:1)不同字母表示同一处理不同时间之间差异显著(P0.0 5),5m g/L的T C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P 1 T C 1组可溶性糖外第1天与其他取样时间差异显著
20、。R E C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T C处理1d后铺地黍R E C达到最大值(9 2.0 5%)。随着时间延长,P 1 T C 1组R E C呈下降趋势,而P 1 T C 0组则先升后降。2.1.3 铺地黍光合特性变化 T C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),P 1 T C 1组分别比P 1 T C 0组显著高出2 9.4 1%、3 9.1 3%、3 2.7 1%(P0.0 5)。P 1 T C 0组叶绿素a/b呈上升趋势;P 1 T
21、 C 1组先降后升,且1、1 4、2 8d时分别比P 1 T C 0组降低7.0 0%、4 0.0 0%和1 8.8 1%。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)。P 1 T C 1和P 1 T C 0组铺地黍Pn差异显著(P0.0 5)。第1天,P 1 T C 1组Pn、Gs和Tr分别明显比P 1 T C 0组提高4 0.9 0%、3 0.4 3%、1 3.0 9%。第1 4天,P 1 T C 1和P 1 T C 0组Tr均达到最大值。2.2 养殖塘系统不同介质T C迁移转运规律 由表6可见,T C残留量为铺地黍根部底泥中水体中;随着时间延长,根
22、部与水体中T C残留量逐渐降低,而底泥中则呈现先升后降的趋势。水体中T C残留量为P 0 T C 1组P 1 T C 1组,底泥中T C残留量为P 1 T C 1组P 0 T C 1组,根部T C残留量均值为在第1天达到1 85 5 5.4 8g/k g。P 1 T C 1组水体中T C残留量在第1天比P 0 T C 1组显著减少近7 0%(P茎(4.7 8m g/k g)根(3.0 9m g/k g),地上部分的T C残留量比地下部分高出8.1 7倍;铺地黍T F为9.1 7,地上、地下部分B C F分别为5.6 7、0.6 2。3 讨 论3.1 T C暴露对铺地黍生长特性的影响 生长速度是
23、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15。迟荪琳等1 79 3 7研究发现,低浓度T C促进植物生长,而高浓度则抑制生长;T C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,T C一定程度上增加植物的光合特性,这可能是由于T C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1 9。其他研究人员发现,水环境中处于n g/L或g/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2 0。姜蕾等2 1研究发现,T C通过抑制铜绿微囊藻、绿藻蛋白
24、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T C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,MD A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2 2,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2 3。相比正常植株,受到污染的植物其可溶性糖含量低2 4。R E C可衡量植物的受害程度。本试验中T C暴露组与非暴露组MD A、可溶性蛋白、R E C差异均不显著(P0.
25、0 5)。YAN等2 51 0 5 3 7 4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5m g/LT C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2 6。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2 7,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到光系统的电子传输流,引起光系统反应中心电子过度饱和,再加上光化学氧化被诱导2 8,导致叶绿素a/b增加。本研究T C暴露组叶绿素a/b呈先降后升的趋势
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