作物根—土界面磺胺类药物环境行为及有机酸响应机制

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兽药及饲料添加剂的大量使用,一方面使动物性食品中药物残留越来越严重,对人类的健康和公共卫生构成威胁;同时也对土壤环境、表层水体等带来不良影响,并通过食物链对生态环境产生毒害作用,影响其中的动植物和微生物的生命活动以及生态系统平衡。采用根际袋盆栽实验,研究了在小麦和玉米根际效应作用下,土壤对SD(Sulfadiazine, SD)吸附/解吸热力学与动力学特性。结果表明,小麦和玉米根际与非根际对SD的吸附/解吸均较快,描述2种作物根际与非根际对SD吸附过程最优动力学方程皆为Elovich方程,其次是双常数方程和抛物线方程。在实验所采用的SD浓度范围内,不同处理小麦和玉米根际与非根际对SD的吸附量均随着SD浓度的增加而增加,但根际土壤对SD的吸附能明显高于非根际土壤。用Freundlich方程描述小麦和玉米根际与非根际对SD等温吸附行为最为适宜。SD在小麦和玉米根际与非根际的解吸过程都是非线性的,且在根际的解吸能力明显低于非根际。此外,将小麦和玉米根际与非根际的平均吸附常数(Kf-ads)及平均解吸常数(Kf-des)与土壤有机质、pH、黏粒3种理化性质关系进行逐步回归分析发现,有机质是影响根际SD吸附/解吸行为的关键因素。采用室内培养方法,研究了磺胺嘧啶在驯化和未驯化的玉米根际与非根际土壤中的降解规律。结果表明:磺胺嘧啶在玉米根际和非根际土壤中,驯化与未驯化状态下的降解速率常数差异显著,都达到了差异显著水平(p<0.05)。磺胺嘧啶在土壤中的降解符合一级动力学反应模型,降解速率常数约为0.0430.015d-1,半衰期约为16.846.5d。磺胺嘧啶浓度的高低影响其在土壤中的降解速率,随着浓度的增高,磺胺嘧啶的降解率逐渐降低。根际土壤中磺胺嘧啶的降解速率均大于非根际土壤,且磺胺嘧啶在受磺胺嘧啶驯化后的土壤中的降解速率普遍大于未驯化的对照土壤。适当的驯化及根系的协同作用,可显著提高磺胺嘧啶在土壤中的降解速率,有利于磺胺嘧啶的降解。采用高效液相色谱法,测定了不同培养天数下,小麦、玉米根际土壤和非根际土壤中草酸、乙酸、柠檬酸、苹果酸4种有机酸含量。结果表明,4种有机酸在小麦和玉米根际土壤中的含量均大于其非根际土壤。在小麦根际土壤与非根际土壤中,草酸含量最高,柠檬酸含量最低,根际土壤与非根际土壤中草酸平均含量分别达到6.78mg/kg、4.09mg/kg;柠檬酸平均含量仅为1.80mg/kg、1.33mg/kg,4种有机酸在小麦根际与非根际土壤中含量高低顺序依次是:草酸>乙酸>苹果酸>柠檬酸。而在玉米根际与非根际土壤中,苹果酸含量最高,乙酸次之,草酸含量最低,草酸最低含量仅为0.01mg/kg。4种有机酸在玉米根际与非根际土壤中含量高低顺序依次是:苹果酸>乙酸>柠檬酸>草酸。此外,随着培养天数的增加,小麦和玉米根际与非根际土壤中,4种有机酸的含量动态变化趋势也不尽相同。采用特制根际箱,研究了玉米根际效应作用下,磺胺嘧啶在土壤中的生物降解动态。在空间上将根-土界面(05mm)细化到1mm,箱内磺胺嘧啶的浓度分别设置为1mg.kg-1和5mg.kg-1;在时间上将取样时间分为20、40和60d,并将土壤对磺胺嘧啶的降解率与根-土界面4种有机酸的含量进行相关分析,从而得出影响磺胺嘧啶在根际土壤中降解的关键因素。结果表明,植物的种植可有效促进磺胺嘧啶的降解,且磺胺嘧啶的最大消减水平发生在距离根室3mm的近根区,降解顺序依次为近根际>根室>远根际。在两个磺胺嘧啶污染水平胁迫下,随着培养天数的增加,4种有机酸在玉米根际土壤的动态变化趋势不尽相同。但有机酸丰度也在距离根室3mm的近根区达到最大。通过对不同磺胺嘧啶浓度胁迫下有机酸的响应的相关分析得出,苹果酸和乙酸是影响磺胺嘧啶在根际土壤中降解的关键因素之一。
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