污泥农用的土壤重金属与抗生素及抗性基因污染研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:XFJ1988
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污泥是污水处理的副产物,富含养分和有机质,常用作有机肥料施用于农田土壤。我国已颁布多项标准规范管控农用污泥中污染物的浓度,但监管范围仅限于重金属等传统污染物。近年来的诸多调查研究结果显示,污泥中存在种类繁多且浓度较高的新兴污染物(Emerging Contaminants)。污泥农用也被认为是新兴污染物进入土壤环境的主要途径之一。新兴污染物的土壤污染行为及环境风险已成为热点研究问题。但至今仍缺乏污泥长期农用的田间定位试验结果,论证连续施用下污泥源的新兴污染物在土壤中的累积特征及环境行为。  本研究在监测传统重金属污染物的同时,选取银为代表的无机类新兴污染物,抗生素为代表的有机类新兴污染物以及抗生素抗性基因为代表的生物类新兴污染物,基于田间长期定位试验观测结果,开展温室盆栽试验及实验室模拟试验,研究连续污泥农用下新兴污染物在土壤中累积规律及农作物的污染物吸收状况,并探讨土壤性质对各类新兴污染物在土壤-作物系统迁移、转化的影响,以期为污泥资源化利用及农用污泥的管理提供理论依据和实践指导。本研究得到的主要结果如下:  (1)以200kg亩-1季-1施用量连续7年施用污泥,不会导致土壤中铜锌镉及作物籽粒中镉浓度超标;然而,如果施用污泥导致土壤镉浓度超过国家土壤环境质量三级标准,则依靠土壤自净能力很难在短时间内显著降低土壤重金属浓度。稻麦轮作制度下连续施用污泥,供试小麦的重金属污染风险明显高于水稻。污泥中重金属的积累性与污染风险可能与作物类型及土壤氧化还原条件有关。因此,建议将作物类型(水田,旱作和蔬菜)纳入污泥农用政策考量的范围。  (2)连续污泥农用导致银在农田土壤耕层累积,且累积程度主要取决于污泥源银的输入量。耕层银累积浓度越高其向下迁移的距离越长,银在潮土(旱耕人为土)中的迁移能力强于水稻土(水耕人为土)。玉米-小麦和水稻-小麦两种轮作制度下,小麦籽粒均表现出更强的银富集能力,但其作用机制可能存在差异。玉麦轮作下的差异源自作物的重金属富集能力的不同,而稻麦轮作制度下的差异可能是由土壤氧化还原条件的不同造成。盆栽试验进一步证明,还原条件下土壤中硫元素多以S2-形态存在,Ag2S可显著降低土壤中银的生物有效性。  (3)连续施用污泥,土壤中抗生素的累积程度随污泥施用年限的增加而增大。过量施用污泥导致土壤镉累积量超过《食用农产品环境质量评价标准(HJ332-2006)》时,土壤中抗生素浓度也会超过土壤中抗生素生态毒害效应触发值(100μg kg-1)。盆栽试验表明单种抗生素最高检出浓度为水稻土中诺氟沙星浓度,达155μgkg-1,相应的理论半衰期为3.69年。污泥源喹诺酮类抗生素残留量和半衰期大于其它三类供试抗生素,但四环素类抗生素和磺胺类抗生素同样具有较高的食物链污染风险。其进入土壤环境后,与土壤存在相互作用关系。一方面,土壤颗粒对抗生素的吸附可增大抗生素的环境持久性,吸附能力与土壤pH和阳离子交换量(CEC)等性质有关;另一方面,抗生素可与土壤中重金属发生竞争吸附、螯合等一系列复杂的相互作用,促进土壤可溶性有机质(特别是腐殖酸)的溶出。  (4)外源抗生素抗性基因会随农用污泥进入土壤,并能够转移进入农产品,进而威胁人体健康。污泥农用主要通过外源输入的方式影响土壤中抗生素抗性水平和抗性组结构。表面灭菌的叶片和无菌水冲洗的叶片中丰度最高的4种抗生素抗性基因相同,均为catB8、php、vanB和str,四者丰度之和占抗生素抗性基因总丰度的50%以上。分别统计表面灭菌和无菌水冲洗的叶片丰度最高的20种抗生素抗性基因并进行比较,发现其中有近一半的抗生素抗性基因相同,而这些抗生素抗性基因在土壤和生菜根内均可检测到。这表明日常食用的生菜中,抗生素抗性基因主要存在于生菜叶内。施用污泥后,抗生素抗性基因从土壤进入植物体内可能主要经由植物内部途径。此外,污泥施用会影响抗生素抗性基因由土壤向生菜的传播能力,施用污泥可加快多种抗性类抗生素抗性基因向作物体内传播。污泥农用下,抗生素抗性基因的传播以水平转移为主,这意味着抗生素抗性基因的传播不受亲缘关系的束缚,将具有更高的环境风险。
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