诺氟沙星的土壤环境行为及生态效应研究

论文摘要

抗生素被广泛的用于治疗、预防人类和动物的疾病,但是抗生素进入动物或人体体内,并不被完全吸收,而是以原药或代谢产物的形式排到体外,进入土壤、水体等环境中。而后通过一系列的迁移和转化过程,在环境中广泛分布,进而对环境产生一定的影响。同时抗生素还可以与环境中已有污染物共同作用形成复合污染,对生态环境造成影响。铜是一种重要的工业原料和常用的饲料添加剂,它通过有机肥和污泥农用最终分布在农田土壤中。而且,铜离子能够与抗生素类药物分子中的功能基团结合形成络合物。因此,研究抗生素的环境行为和效应及重金属铜对其的影响有重要的意义。本研究选取诺氟沙星（Norfloxacin, Nor）为代表性污染物,利用HPLC、Biolog、 PCR-DGGE等现代检测和分析技术,研究了抗生素在典型农田土壤环境中的吸附、降解行为,及药物单独和与重金属复合污染条件下,土壤酶活性、土壤微生物群落结构的变化。结合对诺氟沙星植物毒性的研究,探讨抗生素的环境毒理学特性和潜在的环境风险。主要研究结果如下：诺氟沙星在黑土、潮土和红壤中的吸附特性存在差异。随溶液中诺氟沙星浓度的增加,诺氟沙星在三种土壤和相应的去有机质土壤中的吸附量逐渐增加,但是去有机质土壤中的吸附量要高于相应的母体土壤,这说明土壤有机质的存在降低了诺氟沙星在土壤中的吸附量。不同模型对试验数据拟合结果表明,Freundlich方程能够对诺氟沙星在六种土壤（三种原状土壤,三种去有机质土壤）上的吸附特性进行较好的拟合,而Langmuir方程只能拟合在黑土,红壤及它们对应的去有机质土壤中的结果,完全不能用于对潮土的研究结果。该结果说明Freundlich方程比Langmuir方程更适用于土壤中诺氟沙星在吸附特性的研究。在本研究条件下,土壤溶液pH值对诺氟沙星吸附有较大影响,在黑土、潮土和红壤三种供试土壤中最大的吸附量分别出现各自土壤溶液pH为6.1—6.9,6.6—7.4和5.7—6.0的区间内,而且红壤中的KD和Koc值均高于其它两种土壤的。铜离子对诺氟沙星在土壤中的吸附表现出一定的浓度效应,随着添加铜离子浓度的增加,三种土壤中诺氟沙星吸附量、KD和Koc值均表现为先升高,在100mg·L-1达到峰值,而后下降的变化趋势。随着培养时间的增加,无论是在灭菌土壤还是在非灭菌土壤中,诺氟沙星残留浓度均降低,但是其降解特性存在土壤差异。用一级动力学方程拟合结果很好的描述了土壤中诺氟沙星的降解过程,所得结果表明,在本实验条件下,潮土中降解较快,其次为红壤,黑土中降解最慢。在整个培养期间,污染物对土壤酶活性的影响与污染物浓度和处理时间相关,而且土壤之间存在差异。添加污染物后,土壤过氧化氢酶活性无显著变化,而对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性则产生显著影响。土壤中添加铜后,土壤酶活性受到抑制,特别是在培养后期表现出明显的浓度效应。就土壤磷酸酶而言,Norl处理对黑土中磷酸酶活性表现为激活作用,尤其是在培养28天后,该处理酶活比对照处理酶活增加了47%,而在潮土中与对照处理相比,Norl处理在培养前14天,土壤磷酸酶活性升高,而在培养28天后则对土壤酶活性表现为抑制作用。复合污染显著的抑制了黑土土壤磷酸酶活性,然而在潮土中,仅在培养前28天,复合污染处理对磷酸酶活性的影响显著高于污染物单独处理的。对于土壤脲酶和蔗糖酶的影响也表现出了相同的土壤差异的趋势。诺氟沙星单独及与铜复合处理均影响土壤微生物群落代谢功能多样性,且与污染物浓度和处理时间有很大的关系。AWCD值变化与处理强度和处理时间有关,而且与处理时间关系更加密切,污染处理28天后,各处理间差异达最大,Nor1O+Cu100显著低于其它处理。诺氟沙星单独处理对土壤微生物群落多样性和均一性、优势种微生物的影响要比复合污染处理的显著。对于不同碳源的利用,也表现出处理和时间的差异。在整个处理过程中,各处理土壤微生物对聚合物类底物的利用强度均比对其它类型高。在暴露处理7天和28天后,Nor10+Cu50, Nor10+Cu100两个复合污染处理土壤微生物对胺类和氨基酸类培养基利用强度较高；另外,暴露处理14和28天后,土壤微生物则对氨基酸类,醣类和羧酸类培养基利用强度也较高。聚类分析结果也表明不同暴露时间的处理之间碳源利用存在一定的差异,暴露3天后的处理被归为同一簇,而暴露28天后的处理则在不同簇出现。基于16S rDNA PCR-DGGE方法的研究结果表明,诺氟沙星单独或与铜复合污染均对土壤微生物遗传多样性产生影响。污染物处理28天,不同浓度诺氟沙星单独污染和与铜复合污染对土壤微生物区系基因条带的影响有一定的差别。与对照相比,诺氟沙星单独污染对土壤DNA条带数影响较小,诺氟沙星与铜复合污染则显著减少了DNA条带数,尤其是在较高铜浓度的处理中,但是聚类分析结果表明Nor10+Cu100处理与对照被归为同一簇。污染物处理56天后,与对照相比,诺氟沙星单独处理和Nor10+Cu50处理土壤微生物条带增多,Nor10+Cu100处理样品条带数虽少于对照处理,但是却多于同处理第28天时的样品。比较添加污染物处理不同时期与对照处理条带的相似性可以发现,所有处理在处理56天时的相似性均高于处理28天时的。这些结果说明随着处理时间的增加,土壤微生物对污染物胁迫产生了一定的耐性,样品微生物种群丰富度增加,在图谱上即表现为条带数增加,相似性升高。诺氟沙星对小麦幼苗生长和生理过程的影响存在显著的剂量效应。在1.0mg·L-1时,诺氟沙星促进了小麦幼苗地上部和根系生长。当培养液中浓度达到10mg·L-1时,幼苗生物量和叶片叶绿素含量显著低于对照处理。小麦幼苗丙二醛含量均随着诺氟沙星处理水平的升高而明显增加,而且根系中MDA含量显著地高于地上部。诺氟沙星胁迫同样使小麦幼苗叶片和根系超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）酶活性发生变化。在地上部,与对照处理相比,诺氟沙星胁迫条件下,地上部SOD酶和POD酶活性显著升高,CAT酶活性仅在10.0和20.0mg·L-1两个处理下有显著的促进作用,而APX酶活性则在1.0和5.0mg·L-1两个处理浓度下有所下降,其它添加处理酶活均显著升高。而在根系中,与对照处理相比,诺氟沙星胁迫使SOD酶活性显著降低,CAT酶活性的变化则为先降低而后升高。另外,添加诺氟沙星显著的抑制了小麦幼苗根系POD酶活,但是促进了APX酶活性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 文献综述
• 1.1.1 抗生素的主要来源
• 1.1.2 抗生素在土壤中的环境行为及残留水平
• 1.1.3 抗生素的生态毒性
• 1.1.4 土壤生毒理学研究方法进展
• 1.1.5 喹诺酮类抗生素作用机理和检测方法
• 1.2 课题研究意义和技术路线
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究目的
• 1.2.3 主要研究内容
• 1.2.4 技术路线
• 第二章 土壤中诺氟沙星提取及降解特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试剂与样品
• 2.2.2 试验设计
• 2.2.3 试验方法
• 2.2.4 数据处理
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 标准曲线
• 2.3.2 提取剂和提取条件选择
• 2.3.3 不同土壤中诺氟沙星提取回收率及变异系数
• 2.3.4 黑土中诺氟沙星的降解
• 2.3.5 潮土中诺氟沙星的降解
• 2.3.6 红壤中诺氟沙星的降解
• 2.3.7 不同土壤中诺氟沙星降解效率比较
• 2.4 讨论
• 第三章 诺氟沙星在土壤中的吸附及影响因素研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试剂与样品
• 3.2.2 诺氟沙星在土壤上的吸附平衡时间确定
• 3.2.3 诺氟沙星在农田土壤及其去有机质土壤上的吸附等温线
• 3.2.4 pH对诺氟沙星在土壤中的吸附特性的影响
• 3.2.5 铜对诺氟沙星在土壤中的吸附特性的影响
• 3.2.6 诺氟沙星的测定
• 3.2.7 数据统计
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 诺氟沙星在土壤上吸附平衡时间的确定
• 3.3.2 诺氟沙星在土壤中的吸附特性
• 3.3.3 土壤有机质对诺氟沙星吸附特性的影响
• 3.3.4 pH对诺氟沙星吸附特性的影响
• 3.3.5 铜离子对诺氟沙星吸附特性的影响
• 3.4 讨论
• 第四章 诺氟沙星与铜对土壤酶活性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 测定方法
• 4.2.4 数据处理
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 污染物对土壤过氧化氢酶活性的影响
• 4.3.2 污染物对土壤磷酸酶活性的影响
• 4.3.3 污染物对土壤脲酶活性的影响
• 4.3.4 污染物对土壤蔗糖酶活性的影响
• 4.4 讨论
• 第五章 诺氟沙星与铜的土壤微生物效应
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试验设计
• 5.2.3 土壤微生物群落功能多样性的测定
• 5.2.4 土壤微生物群落遗传多样性的测定
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 Biolog-ECO板的碳源类型
• 5.3.2 土壤微生物利用碳源的动力学特征
• 5.3.3 污染物对土壤微生物多样性指数的影响
• 5.3.4 污染物对土壤微生物利用不同种类碳源的影响
• 5.3.5 不同处理因子分析
• 5.3.6 土壤微生物群落功能多样性的主成分分析
• 5.3.7 土壤样品总DNA的提取与纯化
• 5.3.8 PCR扩增产物
• 5.3.9 培养第28天土壤总DNA的DGGE分析
• 5.3.10 培养第56天土壤总DNA的DGGE分析
• 5.4 讨论
• 第六章 诺氟沙星对小麦幼苗生长的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料与植物培养
• 6.2.2 试验设计
• 6.2.3 测定方法
• 6.2.4 数据处理
• 6.3 试验结果
• 6.3.1 诺氟沙星对植物生物量的影响
• 6.3.2 诺氟沙星对植物叶绿素含量的影响
• 6.3.3 诺氟沙星对MDA含量的影响
• 6.3.4 诺氟沙星对APX活性的影响
• 6.3.5 诺氟沙星对CAT活性的影响
• 6.3.6 诺氟沙星对POD活性的影响
• 6.3.7 诺氟沙星对SOD活性的影响
• 6.3.8 诺氟沙星浓度与抗氧化酶相对活性的关系
• 6.4 讨论
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文