手性除草剂喹禾灵和精喹禾灵对大豆-黑土系统毒性效应研究

来源 :东北农业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:snowin11
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喹禾灵和精喹禾灵是东北地区大豆等作物常用的芳氧苯氧丙酸类除草剂,研究证实其对多种生物具有不良影响。由于它们的对映体比例的不同(喹禾灵为外消旋体,精喹禾灵为R-对映体含量>90%),在土壤中的降解转化动态及毒性效应也不相同。因此开展手性除草剂喹禾灵和精喹禾灵对大豆-黑土系统的毒性效应研究,对明确喹禾灵和精喹禾灵的环境行为和毒性作用,评估喹禾灵和精喹禾灵的环境风险具有重要意义。本研究建立了手性除草剂喹禾灵和精喹禾灵的高效液相色谱(HPLC)的检测方法,研究了喹禾灵和精喹禾灵在黑土中的对映选择性降解和转化过程、喹禾灵和精喹禾灵对土壤酶活性和土壤理化性质的影响,以及喹禾灵和精喹禾灵对大豆幼苗的生理生化特性的影响。通过高通量测序对土壤细菌群落进行Alpha多样性分析、Beta多样性分析、物种组成分析和环境因子关联(RDA)分析,从微生物群落水平层面解析喹禾灵和精喹禾灵对大豆-黑土系统的毒性效应。本研究取得的主要结果和结论如下:(1)建立了手性对映体含量检测方法。利用高效液相色谱仪LC-20A和(R,R)-Whelk-O1手性色谱柱,实现喹禾灵和喹禾灵酸的R-对映体与S-对映体分离。不同添加浓度的喹禾灵对映体和喹禾灵酸对映体在土壤中的平均回收率均在90%以上,变异系数均小于10%,该检测方法的重现性好、准确性较高。(2)喹禾灵对映体和喹禾灵酸对映体在黑土中的降解均表现出对映选择性,R-喹禾灵酸在土壤中的残留具有长效性。R-喹禾灵的降解速度大于S-喹禾灵,在黑土中R-喹禾灵与S-喹禾灵构型稳定,不易发生构型相互转化。R-喹禾灵和S-喹禾灵的次级代谢产物在黑土中的降解也表现出较大差异,在黑土中S-喹禾灵酸优先降解,而R-喹禾灵酸在土壤残留时间较长。R-喹禾灵酸与S-喹禾灵酸的降解半衰期分别为38.96±1.93 d和7.65±0.49 d。S-喹禾灵酸可以向R-喹禾灵酸发生对映体构型转化,而R-喹禾灵酸不能向S-喹禾灵酸的转化。(3)喹禾灵和精喹禾灵影响了黑土的酶活性和理化性质。喹禾灵和精喹禾灵污染暴露7d时,与对照组相比,土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性显著下降(P<0.05)。喹禾灵和精喹禾灵污染暴露35 d时,与对照组相比,土壤脲酶活性显著下降(P<0.05)。相关性分析表明喹禾灵酸对映体含量与脲酶活性呈显著负相关(P<0.01)。在中浓度(5 mg·kg-1)和高浓度(10 mg·kg-1)的精喹禾灵污染暴露下,与对照组相比,土壤可溶性有机碳含量和土壤铵态氮含量显著降低(P<0.05),可溶性有机碳含量分别降低了16.2%和18.5%,铵态氮含量分别降低了19.4%和33.1%。(4)喹禾灵和精喹禾灵对大豆幼苗表现出氧化胁迫。在喹禾灵和精喹禾灵污染暴露下,与对照组相比,大豆幼苗的鲜重、株高、根长显著减小(P<0.05)。在高浓度(10 mg·kg-1)的精喹禾灵污染暴露下,与对照组相比,叶片中的叶绿素a和叶绿素b含量显著降低(P<0.05),分别降低了17.7%和20.0%。在中浓度(5 mg·kg-1)和高浓度(10 mg·kg-1)的喹禾灵和精喹禾灵污染暴露下,叶片净光合速率降低,细胞间二氧化碳浓度增加。在2.5 mg·kg-1~10 mg·kg-1的喹禾灵和精喹禾灵污染暴露下,大豆幼苗叶片细胞的氧化应激性均有不同程度升高,表现为细胞中MDA含量增加、细胞内SOD、CAT、APX活性升高。(5)喹禾灵和精喹禾灵胁迫使土壤细菌群落结构与组成发生变化。Alpha多样性指数分析表明,与喹禾灵处理相比,精喹禾灵处理显著降低了土壤中细菌群落的丰富度和均匀度(P<0.05),说明与外消旋体相比,R-对映体对土壤细菌群落丰富度和均匀度的影响更大。不同污染物的胁迫是影响根际土壤细菌Beta多样性的主导因素。物种组成分析表明,中浓度(5mg·kg-1)和高浓度(10 mg·kg-1)的喹禾灵和精喹禾灵胁迫下,土壤中一些具有降解有机污染物功能的细菌相对丰度增加。精喹禾灵胁迫提高了根际土壤中鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽孢杆菌属(Bacillus)和假单胞菌属(Pseudomonas)的相对丰度,喹禾灵处理提高了非根际土壤中藤黄杆菌属(Luteibacter)相对丰度。RDA分析结果表明,在喹禾灵和精喹禾灵胁迫条件下,DOC和p H是影响非根际土壤细菌的相对丰度与群落组成的主导环境因素。
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