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抗生素土壤污染及其修复探讨

  来源:《资源节约与环保》  作者:江大可  2019/9/23 15:36:45  我要投稿  
所属频道:   关键词:抗生素土壤污染 抗生素污染 植物修复

:摘 要:抗生素土壤污染和危害日益被人们所发现 和重视。 由于其进入土壤方式的隐蔽性及危害的潜伏性, 土壤中抗生素污染及治理研究一直滞后于常规土壤污染 物。 文章简要介绍了抗生素在环境中存在的严峻形势,以 及进入土壤环境途径、迁移转化及生态风险,进一步分析 了土壤抗生素污染植物修复的原理和研究应用前景。

关键词:抗生素;土壤污染;生态风险;植物修复

1 环境中的抗生素

1.1 抗生素的存在现状

抗生素指的是由微生物产生或者是化学合成的具有抗病原 体或其它生物活性的一类物质,主要有四环素类、喹诺酮类、大 环内酯类、氯霉素类等。而环丙沙星(Ciprofloxacin,CIP)是人工合 成使用最为广泛的喹诺酮类抗生素,是恩诺沙星的代谢产物,对 革兰氏阴性和革兰氏阳性菌都具有广谱抗菌性。它通过抑制 DNA 旋转酶和拓扑异构酶来阻止细胞分裂,已被证明具有基因毒性。

幸运飞艇抗生素广泛地应用于医疗、畜牧养殖及农业生产。据估计全 球每年使用的抗生素达 100000 到 200000 吨,而中国每年的使用量超过 22000 吨,其中超过 70%是以药物原形随粪尿排出而进入 污水处理系统或直接进入环境。在农业生产中,粪便常被用作肥 料,粪便中的抗生素会渗出进入土壤及底下水,极大地威胁到农 产品的安全,如珠三角地区农场土壤及蔬菜被普遍检出抗生素, 含量高达 1537.4 μg·kg-1,而每份土壤及蔬菜样品中环丙沙星都被 检出,浓度范围为 5.3-119.8μg·kg-1,这些农场都普遍使用粪肥[1,2], 由此可见粪肥的使用是导致农场被抗生素污染的重要原因之一。 在水环境系统的试验中,大多数化合物都是持久性的,只有少数 才是可生物降解的。有基因毒性的化合物如喹诺酮类和甲硝唑类 并不能够被去除,喹诺酮类抗生素会强烈吸附到污泥、土壤和沉 积物当中而不被生物降解。此外,由于污水处理系统对抗生素的 去除率低于 50%,污水厂出水中仍然含有高浓度的抗生素,这些 抗生素未能在污水处理过程或环境中降解或消除,它们将进入到 地表水或地下水甚至是饮用水中,直接威胁到人身安全。由此可 见,施用粪肥和废水排放是导致农业土壤污染的主要途径。

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1.2 环境中抗生素的危害及迁移

近年来,环境中不断被发现的抗生素引起了人们的极大关 注,一方面是由于它潜在的生态风险如对环境中微生物参与的 关键进程具有潜在的负面影响,如养分的再生、碳氮循环以及污 染物的降解等过程。抗生素可通过各种途径进入环境中,但我们 对其环境行为及对生态系统的影响却了解甚少。土壤中环丙沙 星并不易被生物降解和矿化作用,而通常是通过阳离子交换作 用强烈的吸附于土壤。抗生素泛滥带来并传播着抗性作用及抗 性基因,环境中的这些抗性基因在特定的条件下通过遗传机制 能在微生物间进行水平转移和放大,进而可能转移至人类病原 细菌,给人类和动物健康带来灾难性的后果。另一方面,抗生素 对人类健康的威胁,抗生素可在动植物食品(肉、奶、蛋、蜂蜜等) 中残留污染,严重危害人体健康,包括“三致”(致癌、致畸、致突 变)作用、生殖与发育毒害、神经毒害、过敏反应、免疫力降低、耐 药性等。对孕妇和胎儿危害尤其严重,如四环素、链霉素、磺胺类 等可造成胎儿畸形、器官功能异常和溶血性贫血等。因此,抗生 素已成为新型重要环境有机污染物和近年来环境科学研究的国 际前沿课题。

2 植物修复污染物概况

2.1 土壤污染现状

随着经济工业全球化的不断发展,人为向土壤环境中排放 的污染物急剧增加,如固体废弃物的堆放倾倒,各类废水向土壤 排放渗透,机动车尾气和大气中有毒有害物质的沉降等等,较普 遍的污染物有石油烃(PHC)、多环芳烃(PAHs)、卤代烃、杀虫剂、 溶剂、金属等,近年研究较热的有抗生素、矿山药剂、藻毒素等都是新型的土壤污染物,由此带来的对人类和生态环境的危害都 有据可查。土壤是众多动植物赖以生存繁衍的基础物质,当污染 物源源不断进入到土壤中超过土壤本身的自净能力或超过土壤 的基准值时,就会给生态环境带来威胁。工业的快速发展使得世 界各国都面临着不同程度的土壤污染,特别是农业生产用地,作 为人类粮食生产的基础,土壤健康状况会影响到农作物产量和 质量,通过粮食、蔬菜、水果等间接影响人体健康,故土壤的健康 状况与人类健康息息相关[4],在一次对珠三角主要农场的调查中 发现,抗生素污染普遍存在农场中的土壤和蔬菜,其来源和所施 用的粪肥密切相关,可怕的是我们尚不清楚吃进这些受污染的蔬菜会有何种危害[1]。各种化学肥料及农药的大量使用使得农业 用地的状况堪忧,与此同时,各种工业污染物如重金属、抗生素、 矿山药剂通过各种途径进入到农业用地,农业用地污染日益严 重。据统计,我国现有 1 亿耕地 hm2 ,其中受到重金属污染的土地 达 2000 万 hm2,受农业和化学试剂污染的农田达到 6000 多万 hm2 ,污染程度达到世界之最[5],污染土壤特别是农业用地的修复 已经到了“不得不为”的地步。

2.2 植物修复机理

幸运飞艇植物修复是以植物忍耐和超量积累某种或某些化学元素的 理论为基础利用植物及其共存微生物体系清除环境中的污染物 的一门环境污染治理技术[6]。虽然直至上世纪五十年代植物修复 才尝试用于放射性土壤的修复,但在八十年代后得到了飞速发 展。植物修复现在被视为一种有前途的战略修复技术。针对不同 的污染物,植物去除的方式不太一样,就有机污染物来讲,主要 有三种去除方式,一是植物直接吸收代谢污染物,体内的污染物 要么通过蒸腾作用挥发到大气中,要么在植物生长代谢活动中 被分解;二是通过植物根或茎本身所分泌的酶等分泌物降解污 染物;三是根际对有机污染物的降解,即根际修复。植物修复和 根际修复有着其它技术方法所没有的优势,相比传统的土壤修复方法如焚烧、挖掘、淋洗等方法,植物修复有着费用低廉,操作 简单的显著优势,同时通过植物的种植,不断向土壤中传输有机 物和氮氧,有效改善土壤质地,维持生态平衡。当然,植物修复或 者是根际修复它的劣势就是见效慢,还有就是可能会由于植物 生长条件的限制而不能达到修复的目的,如生长气候、污染土壤 的深度等等。 目前,通过基因工程来改良植物的方法已经在实 验室普遍展开,虽然已经获得了一些非常有前景的成果,但是限 于一些管理制度还不能被现场应用。这是因为经过基因改造的 植物存在着生态危险,如基因的转移、抗性基因的产生等等。所 以,植物修复的一大研究方向是不断的减小和消除植物修复的限制条件。

微生物辅助的根际修复是一种最为有效的从土壤中去除或降解有机污染物的方法。我们知道,根际是植物根和土壤及微生 物相互接触最为活跃的区域,植物和微生物的相互作用可以促 使植物通过释放螯合剂、酸性物质、溶解磷及氧化还原剂来增强 污染物的迁移率和生物有效性。植物根际和根际微生物所产生 的根基分泌物包含一系列物质如糖类、氨基酸、铁载体和酶,同时也会有一些化学性质类似于污染物的物质产生,这些物质通 过非特定的污染物类似行为会增强根际修复。这些根际分泌物 并不是一成不变的,他们会随着植物的种类以及它的生长阶段 而不断变化,除此之外,植物也会因为某种化学刺激而改变根际 分泌物的成分和量。总之,植物根际分泌物的变化都会同时引起 根际微生物的活性和群落结构的变化,进而植物吸收累积和降 解污染物的状况也会发生变化。有研究表明,植物根际微生物的 数量比非根际区高十几倍至几百倍,其代谢活动也高许多,这也 许就是污染物根际修复效率高的原因之一。通过强化根定植微 生物来增强有机污染物的降解是根际修复的常见手段,因为在 根际修复过程中根定植微生物起着主要的作用,然而植物和微 生物复杂的相互作用至今也没有被很好的理解。

3 土壤抗生素污染植物修复研究展望

抗生素进入土壤后,能直接杀死土壤环境中某些微生物或 抑制其生长,尤其是对细菌的作用最为显著。残留的抗生素可以 影响微生物群落的组成,粪便和土壤中有机质的腐烂和分解,土 壤肥力,并同时降低土壤微生物对其他污染物的固定或降解能 力。抗生素对微生物产生各种毒性效应,影响微生物活性和群落 功能多样性。因此抗生素会对“根际微生物—植物—土壤”整个 微生态产生复杂的影响。如何修复污染土壤环境和保障农产品 质量安全,有效评估抗生素环境风险,筛选出对抗生素有抗性或 能吸收的植物和根际微生物,是污染土壤植物修复的必经之路, 对人类土壤环境安全与健康有着重大意义。

结语

幸运飞艇抗生素作为近年来才受重视的土壤新型污染物,其在土壤 中带来的危害已在上文提到,虽然我们对它了解甚少,但无论如 何,查明抗生素污染土壤中植物根际微生物的组成将是研究土壤植物修复的首要步骤。

幸运飞艇原标题:抗生素土壤污染及其修复探讨

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