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畜禽粪便作为有机肥施入土壤,残留在土壤中的重金属和抗生素通过食物链进入人体,对人体健康产生影响。为了研究环丙沙星和镉复合污染土壤中Cd的生物可给性,本研究通过向无污染土壤中添加不同浓度的环丙沙星(CIP浓度分别为0、5、25、50mg·kg-1)和镉(Cd浓度80mg·kg-1)进行老化实验,运用in vitro和SHIME模型评估老化后土壤镉对人体健康的潜在风险。为研究不同浓度环丙沙星和镉复合污染土壤对肠道细菌群落结构的影响,本研究采集SHIME模型中降结肠菌液样本,应用16SrRNA基因序列分析技术研究不同老化时间下的6个处理肠道细菌的群落变化情况,以期为科学评价复合污染对人体健康的风险提供理论依据。主要研究结论如下:
1.环丙沙星在土壤中的降解动态及降解产物的测定
1)单一污染和复合污染土壤中不同初始添加浓度的CIP在土壤中稳定性均较高,且降解比例随初始浓度增加而降低。
2)土壤中的重金属Cd会减缓土壤中环丙沙星的降解,且Cd对高浓度CIP的降解缓解作用更明显。
3)本研究得到了CIP的三种降解产物,分别为C17H16N3O5F、C16H16N3O4F、C15H17N3O3。
2.环丙沙星和镉复合污染土壤中镉的生物可给性及其动态变化研究
1)不同老化天数(第1天:D1;第30天:D30;第60天:D60)复合污染土壤中Cd的生物可给性有所差异。随着土壤老化时间的延长,重金属Cd的生物可给性不断降低,表现为D60<D30<D1。
2)复合污染土壤中随着环丙沙星浓度的增加,D1、D30和D60胃阶段的Cd的生物可给性有所变化,但处理间差异均不显著(P>0.05);与D1和D30小肠阶段的Cd的生物可给性呈逐渐降低的趋势,D60小肠阶段Cd的生物可给性呈增加的趋势;对于结肠阶段,D30和D60各处理(除D30CIPⅠ+Cd外)Cd的生物可给性均高于CK+Cd(对照),且在CIPⅢ+Cd浓度时达到最大。
3)胃阶段不同停留时间(20、40、60min)生物可给性动态变化研究发现,60min时镉的生物可给性达到最大。20min时,各处理土壤中Cd的生物可给性变化幅度最大;Cd的生物可给性在胃阶段不同停留时间变化呈先快后慢趋势;复合污染土壤中各处理镉生物可给性在胃阶段的变化趋势相似,但增长幅度有所不同。
3.环丙沙星和镉复合污染土壤中经口暴露对人体肠道微生物的影响
1)不同浓度环丙沙星和镉复合污染经口暴露于人体处理改变了肠道细菌群落结构。对于D30,与CK+Cd相比,CIPⅠ+Cd、CIPⅡ+Cd处理明显增加了克雷伯菌属(Klebsiella)、红球菌属(Rhodococcus)的丰度,降低了拟杆菌属(Bacteroides)、寄生菌属(Parasutterella)的丰度;对于D60,与CK相比,CIPⅠ+Cd、CIPⅡ+Cd处理明显增加了芽孢杆菌属(Cloacibacillus)、优杆菌属(Eubacterium)的丰度,降低了克雷伯菌属(Klebsiella)、拟杆菌属(Bacteroides)的丰度。结果表明不同老化天数不同处理对肠道细菌群落组成的影响不同。
2)不同浓度环丙沙星和镉复合污染经口暴露于人体打破了原有菌群稳定的结构关系,肠道功能也有所改变。相较于CK+Cd处理,CIPⅠ+Cd和CIPⅡ+Cd处理中RNA加工与修饰、氨基酸转运与代谢、核苷酸转运与代谢、细胞运动、仅一般功能预测类群均有所增加;CIPⅠ+Cd和CIPⅡ+Cd处理中“能源生产和转换”、“细胞周期控制,细胞分裂,染色体分裂”、辅酶转运与代谢、脂质转运与代谢、“翻译、核糖体结构与生物发生”、转录、“次生代谢产物的生物合成、运输和分解代谢”、信号转导机制、“细胞内运输、分泌和囊泡转运”、防御机制、细胞骨架COG预测功能丰度相较于CK+Cd均下降。
1.环丙沙星在土壤中的降解动态及降解产物的测定
1)单一污染和复合污染土壤中不同初始添加浓度的CIP在土壤中稳定性均较高,且降解比例随初始浓度增加而降低。
2)土壤中的重金属Cd会减缓土壤中环丙沙星的降解,且Cd对高浓度CIP的降解缓解作用更明显。
3)本研究得到了CIP的三种降解产物,分别为C17H16N3O5F、C16H16N3O4F、C15H17N3O3。
2.环丙沙星和镉复合污染土壤中镉的生物可给性及其动态变化研究
1)不同老化天数(第1天:D1;第30天:D30;第60天:D60)复合污染土壤中Cd的生物可给性有所差异。随着土壤老化时间的延长,重金属Cd的生物可给性不断降低,表现为D60<D30<D1。
2)复合污染土壤中随着环丙沙星浓度的增加,D1、D30和D60胃阶段的Cd的生物可给性有所变化,但处理间差异均不显著(P>0.05);与D1和D30小肠阶段的Cd的生物可给性呈逐渐降低的趋势,D60小肠阶段Cd的生物可给性呈增加的趋势;对于结肠阶段,D30和D60各处理(除D30CIPⅠ+Cd外)Cd的生物可给性均高于CK+Cd(对照),且在CIPⅢ+Cd浓度时达到最大。
3)胃阶段不同停留时间(20、40、60min)生物可给性动态变化研究发现,60min时镉的生物可给性达到最大。20min时,各处理土壤中Cd的生物可给性变化幅度最大;Cd的生物可给性在胃阶段不同停留时间变化呈先快后慢趋势;复合污染土壤中各处理镉生物可给性在胃阶段的变化趋势相似,但增长幅度有所不同。
3.环丙沙星和镉复合污染土壤中经口暴露对人体肠道微生物的影响
1)不同浓度环丙沙星和镉复合污染经口暴露于人体处理改变了肠道细菌群落结构。对于D30,与CK+Cd相比,CIPⅠ+Cd、CIPⅡ+Cd处理明显增加了克雷伯菌属(Klebsiella)、红球菌属(Rhodococcus)的丰度,降低了拟杆菌属(Bacteroides)、寄生菌属(Parasutterella)的丰度;对于D60,与CK相比,CIPⅠ+Cd、CIPⅡ+Cd处理明显增加了芽孢杆菌属(Cloacibacillus)、优杆菌属(Eubacterium)的丰度,降低了克雷伯菌属(Klebsiella)、拟杆菌属(Bacteroides)的丰度。结果表明不同老化天数不同处理对肠道细菌群落组成的影响不同。
2)不同浓度环丙沙星和镉复合污染经口暴露于人体打破了原有菌群稳定的结构关系,肠道功能也有所改变。相较于CK+Cd处理,CIPⅠ+Cd和CIPⅡ+Cd处理中RNA加工与修饰、氨基酸转运与代谢、核苷酸转运与代谢、细胞运动、仅一般功能预测类群均有所增加;CIPⅠ+Cd和CIPⅡ+Cd处理中“能源生产和转换”、“细胞周期控制,细胞分裂,染色体分裂”、辅酶转运与代谢、脂质转运与代谢、“翻译、核糖体结构与生物发生”、转录、“次生代谢产物的生物合成、运输和分解代谢”、信号转导机制、“细胞内运输、分泌和囊泡转运”、防御机制、细胞骨架COG预测功能丰度相较于CK+Cd均下降。