朱秀輝,曾巧云,解啟來,丁 丹,茹淑玲
廣州市北郊蔬菜基地土壤四環(huán)素類抗生素的殘留及風(fēng)險評估
朱秀輝,曾巧云*,解啟來,丁 丹,茹淑玲
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣州 510642)
為了解蔬菜基地土壤中四環(huán)素類抗生素的殘留及風(fēng)險狀況,采集了廣州市北郊20個蔬菜基地30個土壤樣品,利用固相萃?。⊿PE)-高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(HPLC-MS/MS)分析方法,檢測土壤中四環(huán)素類抗生素(四環(huán)素、土霉素和金霉素)的殘留狀況,并引入層次分析法、風(fēng)險商值法和指示克里金法,分析研究區(qū)域土壤抗生素的主要來源、生態(tài)風(fēng)險以及空間分布。結(jié)果表明,廣州市北郊蔬菜基地土壤四環(huán)素(Tetracycline,TC)、土霉素(Oxytetracycline,OTC)和金霉素(Chlorotetracycline,CTC)的含量范圍分別為ND~30.37 μg·kg-1、ND~903.13 μg·kg-1和 ND~103.02 μg·kg-1,其平均值分別為 5.64、38.39 μg·kg-1和 8.92 μg·kg-1,3 種 TCs在土壤中的平均含量高低順序為:OTC>CTC>TC。糞肥是土壤3種TCs的主要來源,其貢獻(xiàn)率大于50%;其次是商業(yè)性有機肥,其權(quán)重系數(shù)為24%左右。廣州市北郊蔬菜基地土壤中3種TCs的生態(tài)風(fēng)險整體較低,但西部部分區(qū)域處于中、高風(fēng)險等級,首要防控污染物為OTC,其次是CTC。
抗生素;土壤污染;廣州市北郊;蔬菜基地;風(fēng)險評估
畜禽糞便農(nóng)用是目前處置方法中最有前景和主要的方法,且綠色蔬菜基地和有機蔬菜基地等經(jīng)有關(guān)機構(gòu)認(rèn)證的蔬菜基地也強調(diào)有機肥的施用,以改善耕作土壤質(zhì)量。由于畜禽糞便普遍含有抗生素,且含量較高[1-2],蔬菜基地大量直接使用含有抗生素的畜禽糞便和/或由畜禽糞便堆制的有機肥,勢必會造成土壤中抗生素的積累和污染。
土壤抗生素污染一方面破壞土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)與功能,干擾生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動[3],甚至被農(nóng)作物吸收累積[4]而危及農(nóng)產(chǎn)品安全;另一方面土壤抗生素污染作為面型污染源通過淋濾、地表徑流等造成地表水和地下水抗生素污染[5],對水生生物造成各種毒害,最終危及人類健康。因此,近年來抗生素已經(jīng)成為一類新型的重要環(huán)境有機污染物。
城市近郊,作為城市生活與生產(chǎn)資料的來源地,該地段土壤污染情況將直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和人們的身體健康。廣州市北郊全年蔬菜種植面積約13 186 hm2,占全市總種植面積的9.06%,位居第二。在眾多的抗生素中,四環(huán)素類抗生素的用量達(dá)全國抗生素總用量的7%[6]。因此,本研究針對廣州市北郊,調(diào)查其蔬菜基地土壤中四環(huán)素類抗生素的殘留情況,并引入層次分析法、風(fēng)險商值法和指示克里金法,分析研究區(qū)域土壤抗生素的主要來源、生態(tài)風(fēng)險以及空間分布,以期為蔬菜基地土壤質(zhì)量管理和畜禽糞便農(nóng)用抗生素的污染控制提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 研究區(qū)概況
研究區(qū)位于廣州市北部,112°56′56″~113°28′1″E,23°14′53″~23°37′1″N,亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,屬于東南丘陵的一部分,海拔高度介于1.2~581.1 m。
1.2 儀器設(shè)備與試劑
本研究所用儀器設(shè)備:Agilent 1200型高效液相色譜儀,6410三重四極桿質(zhì)譜儀,IKA Voterx 1漩渦混合器,2101TH超聲波清洗器,TGL-18MS高速冷凍離心機和VisiprepTM-DL型固相萃取裝置(Supelco)。
本研究采用OasisRHLB固相萃取小柱(500 mg,6cc),填料為N-乙烯基吡啶烷酮和二乙烯苯共聚物,美國Waters公司生產(chǎn)。CNWBOND SAX(Strong anion exchanger,強陰離子交換)固相萃取小柱(500 mg,6 mL)德國CNW科技公司生產(chǎn)(CNW TECHNOLOGIES GMBH)。
本論文選擇3種四環(huán)素類抗生素(TCs),分別是四環(huán)素(TC)、金霉素(CTC)和土霉素(OTC),均購買于 CATO(Cato R esearch Chemicals Inc,美國),純度均大于96.2%。選擇地美環(huán)素(DMC)作為內(nèi)標(biāo)(IS),購于Dr.Ehrenstorfer(德國),純度大于99.0%。
甲醇、甲酸(色譜純)購買于CNW公司,純度大于98%。實驗用水均為超純水,其他化學(xué)試劑均為分析純。
抗生素標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確稱取各種抗生素標(biāo)準(zhǔn)品溶于甲醇,配制成1000 μg·mL-1的各種抗生素標(biāo)準(zhǔn)儲備液。取各種儲備液適量,用甲醇稀釋成混合標(biāo)準(zhǔn)母液,取混合標(biāo)準(zhǔn)母液以甲醇逐步稀釋,配成校正曲線工作液,避光儲備于冰箱。
提取液配制:稱取一水合檸檬酸10.5 g,二水合檸檬酸鈉14.7 g,乙二胺四乙酸鈉(Na2EDTA)1.86 g溶于500 mL純凈水,得到含1 mmol·L-1Na2EDTA的0.1 mol·L-1檸檬酸緩沖液(pH=4),然后與 500 mL 甲醇 1∶1混合即得含 1 mmol·L-1Na2EDTA 的 0.1 mol·L-1檸檬酸緩沖液(pH=4)。
1.3 土壤樣品的采集和制備
2015年7月采集土壤樣品。根據(jù)研究區(qū)蔬菜基地空間分布及種植規(guī)模,采集土樣共30個,涉及生產(chǎn)基地20個,其中17個傳統(tǒng)蔬菜基地,2個無公害蔬菜基地,1個大棚蔬菜基地(來自同一蔬菜基地的采樣點編號分別為:S1/S2;S12/S13;S14/S15;S16/S17;S18/S19;S21/S22;S24/S25;S26/S27;S28/S29/S30)。
樣品采集方法主要依照《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166—2004)中的相關(guān)要求,采用S形多點取樣(深度為0~20 cm),然后用四分法保留相當(dāng)于1.0 kg風(fēng)干土壤樣品裝入牛皮紙信封,再裝入塑料袋,并寫好標(biāo)簽,用GPS記錄中心點位置。采樣點具體信息見圖1。
采集的土壤運回實驗室后,放在陰涼、干燥、通風(fēng)、無特殊氣味和灰塵污染的室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干和碾碎。在土壤樣品半干時,須將土樣捏碎,以免完全干后結(jié)成硬塊,難以磨細(xì),并要剔除枯枝落葉、根莖和動物殘體等雜物。風(fēng)干后,采用四分法,取一部分磨碎過60目尼龍篩,用于測定土壤抗生素含量。
1.4 樣品測試
1.4.1 樣品預(yù)處理
準(zhǔn)確稱取4.00 g樣品置于100 mL玻璃離心管中,加入5 mL提取液(1.2所述)于樣品中,渦旋混勻1 min((IKA Voterx 1);然后再加入 5 mL 提取液,常溫下超聲 15 min;在 4500 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心 10 min,轉(zhuǎn)移上清液于250 mL平底燒瓶。殘留物繼續(xù)按上述提取步驟重復(fù)5次,將上清液合并至同一平底燒瓶中。于40℃下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)趕除有機溶劑至溶液無氣泡產(chǎn)生(20~25 mL)。加入0.1 g Na2EDTA以消除金屬離子干擾,并量取175 mL超純水稀釋。
圖1 土壤采樣點分布情況Figure 1 The distribution of soil sampling sites
1.4.2 富集與凈化
將SAX柱(去除腐植酸)和Oasis HLB柱串接起來,預(yù)先用3×2 mL甲醇、3×2 mL超純水活化處理,然后加入約4 mL的酸化超純水(pH=3),至接近充滿HLB小柱。連接管路,將樣品和SPE小柱及SPE裝置連接,開啟真空泵,調(diào)節(jié)減壓閥,控制樣品以5 mL·min-1的流速經(jīng)過萃取小柱。
1.4.3 樣品的濃縮與定容
柱富集完成后,取下SAX小柱,用10 mL純凈水沖洗HLB柱,真空干燥后、分析物用2 mL甲醇洗脫3次,洗脫液接至10 mL的玻璃比色管中,在40℃水浴下用柔和氮氣吹掃至近干,最后用含有20 μg·kg-1濃度的地美環(huán)素(IS)的甲醇/水(1∶9,V/V)定容至 1 mL,0.2 μm針頭式濾膜過濾樣品至1.5 mL棕色進(jìn)樣瓶中。
1.5 HPLC-MS/MS分析與質(zhì)量控制
采用Agilent 1200型高效液相色譜儀串聯(lián)6410(QQQ)質(zhì)譜測試,色譜條件:色譜柱Atlantics C18(Waters 150×2.1 mm,3 μm);保護(hù)柱 GuardTMC18(4.0×3.0 mm)。流動相 A 為含 5 mmol·L-1醋酸銨和0.1%甲酸水溶液,流動相B為甲醇;進(jìn)樣體積20 mL;流速 0.3 mL·min-1;柱溫 25℃。梯度洗脫:初始保持 B 相 10%,0~5 min;50%,5~13 min;90%,保持 2 min;15~20 min,返回初始相。
質(zhì)譜條件:選擇電噴霧離子源(ESI),正離子模式;干燥氣溫度350℃;干燥氣流速10 L·min-1;毛細(xì)管電壓4500 V;MS1與MS2溫度均勻100℃,噴霧針壓力40 psi(276 kPa);碰撞氣:氮氣;多離子反應(yīng)監(jiān)測(MRM)掃描模式。以 10.0、50.0、100.0 μg·kg-1加標(biāo)濃度進(jìn)行四環(huán)素類化合物的回收率測定,并根據(jù)2 μg·L-1混合工作液色譜峰的10倍信噪比(S/N)確定定量限,結(jié)果見表1。
為控制實驗過程中人為污染,保證操作準(zhǔn)確,每10個樣品間隔設(shè)置空白樣、樣品平行樣、樣品加標(biāo)樣,并且在進(jìn)樣過程中同時進(jìn)固定濃度標(biāo)樣進(jìn)行質(zhì)量控制??瞻拙礄z出3種抗生素,平行樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差均<3%。整個分析流程的回收率為70.43%~96.79%,所提供的樣品分析結(jié)果尚未經(jīng)回收率校正。
1.6 土壤抗生素殘留的來源分析方法
層次分析法(AHP)可通過判斷矩陣確定每個層次的權(quán)重,是確定權(quán)重的較好方法[7]。目前,層次分析法廣泛運用于農(nóng)田土壤重金屬污染評價和水質(zhì)評價方面,提高土壤環(huán)境質(zhì)量評價的有效性和準(zhǔn)確性,增強重金屬污染物權(quán)重值的科學(xué)性。但層次分析法在污染源解析方面的運用還未見報道。本文嘗試引用這種方法對蔬菜基地中四環(huán)素類抗生素的來源進(jìn)行權(quán)重分析。此方法通常分為三個步驟,具體描述如下:
表1 土壤中3種TCs的回收率、檢測限與定量限Table 1 The recovery rates,detecting limitations and quantitative limitations of the three TCs
①建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。本研究分為三個層次:抗生素的殘留為目標(biāo)層;3種抗生素為準(zhǔn)則層;抗生素污染來源為措施層。
②構(gòu)造出各層次中所有的判斷矩陣。首先確定準(zhǔn)則層中3種抗生素的影響排序;然后確定措施層中污染源對準(zhǔn)則層的影響大小順序;其次構(gòu)造TC、OTC和CTC對抗生素殘留影響的判斷矩陣和不同污染源對TC、OTC和CTC影響的判斷矩陣。
③層次單排序及一致性檢驗和層次總排序及一致性檢驗。
最后通過Matlab計算獲得權(quán)重系數(shù),確定污染源對土壤中3種抗生素殘留的貢獻(xiàn)率。
1.7 土壤抗生素殘留的風(fēng)險評估方法
1.7.1 風(fēng)險商值法
本研究采用風(fēng)險商值法(RQ)對土壤污染物進(jìn)行風(fēng)險評估。這也是目前土壤污染物風(fēng)險評估的主要方法[8],即測定環(huán)境濃度(MEC)或預(yù)測環(huán)境濃度(PEC)與預(yù)測無效應(yīng)濃度(PNEC)的比值。
PNEC可參考?xì)W洲委員會頒布的風(fēng)險評估技術(shù)指導(dǎo)文件中提出的使用急性或慢性數(shù)據(jù)和評估因子(AF)估算。敏感物種毒性數(shù)據(jù)可從USEPA ECOTOX數(shù)據(jù)庫(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)和生態(tài)毒理文獻(xiàn)[9-11]中篩選獲取。土壤無效應(yīng)濃度(PNECsoil)可根據(jù)土壤固相-水相的濃度分配關(guān)系,用相平衡分配法計算獲得。其估算方程式如下:
式中:Kd為土壤-水分配系數(shù),其值從文獻(xiàn)[12-14]中篩選獲??;PNECwater為基于文獻(xiàn)報道的最小急性毒性數(shù)據(jù)與充分考慮種間差異為1000的評價因子所得。
本文選用銅綠微囊藻類的藍(lán)細(xì)菌作為土壤中四環(huán)素類抗生素敏感物種進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評價。計算土壤中3種TCs的PNECsoil,土壤-水分配系數(shù)見表2。風(fēng)險等級的劃分參考?xì)W洲委員會指導(dǎo)文件劃分等級,分為三個層次:RQ≤0.1為低風(fēng)險;0.1 1.7.2 指示克里金法 本研究根據(jù)1.7.1的生態(tài)風(fēng)險商值,使用指示克里金法(Kriging)對周邊區(qū)域土壤3種TCs進(jìn)行風(fēng)險估值,并繪制區(qū)域風(fēng)險空間分布圖,具體操作參考文獻(xiàn)[15]。 1.8 圖形制作與數(shù)據(jù)處理 本研究采用ArcGIS 10.2軟件繪制采樣點分布圖以及克里金插值圖,使用Origin、Matlab2009和Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 2.1 土壤中3種TCs的含量與組成特征 土壤中3種TCs的含量與組成特征見表3和圖2。采樣點土壤中TC、OTC和CTC的檢出率分別為90%、90%和 63%;3種 TCs總含量(∑TCS)在 ND(低于檢測限)~1 036.52 μg·kg-1之間,平均含量為 17.65 μg·kg-1(表3),其中14個樣品(占樣品總數(shù)的47%)的含量低于 10 μg·kg-1,18 個樣品(占總樣品數(shù)的60%)同時檢出3種目標(biāo)抗生素,10個樣品(占總樣品數(shù)的33%)同時檢出2種目標(biāo)抗生素。 土壤中TC、OTC和CTC的含量范圍分別為ND~30.37 μg·kg-1、ND~903.13 μg·kg-1和 ND~103.02 μg·kg-1,其平均值分別為 5.64、38.39 μg·kg-1和 8.92 μg·kg-1,3種抗生素在土壤中的平均含量高低順序為:OTC>CTC>TC(表3)。從圖3也可以看出,絕大部分樣品中OTC的含量百分比大于50%,TC的含量百分比在25%左右。 已有大量文獻(xiàn)對復(fù)種指數(shù)較高的城市周邊農(nóng)業(yè)土壤抗生素含量分布進(jìn)行報道(表4)。如:珠江三角洲蔬菜基地土壤中TC、OTC和CTC的檢出率分別為84%、89%和 59%,含量范圍分別在 ND~7.24 μg·kg-1、ND~103.40 μg·kg-1和 ND~76.00 μg·kg-1,OTC 的平均含量高于TC和CTC[16];長三角地區(qū)典型設(shè)施蔬菜基地TC、OTC和CTC的檢出率分別為100%、100%、97%,含量范圍介于 0.97~48.9、1.73~432 μg·kg-1和0~102 μg·kg-1之間,3 種 TCs的平均含量高低順序為OTC(28.51 μg·kg-1)>CTC(4.10 μg·kg-1)>TC(3.30 μg·kg-1)[17],與本研究結(jié)果相似。京津冀地區(qū)土壤抗生素污染也較嚴(yán)重,天津、沈陽施用糞肥改良后的土壤中TCs的檢出率為100%[18];北京郊區(qū)大規(guī)模大棚蔬菜基地土壤TC、OTC和CTC的檢出率分別為94.6%,100%,83.9%,平均含量高低順序為 OTC(80 μg·kg-1)>CTC(17 μg·kg-1)>TC(5.2 μg·kg-1),OTC 和 CTC 的平均含量是本研究的2倍左右[19]。 表2 3種TCs的最敏感物種和無效應(yīng)濃度預(yù)測值Table 2 The most sensitive species to and PNEC of the three TCs in water and soil 表3 土壤中3種TCs含量情況的統(tǒng)計性描述Table 3 Statistical summary of the three TCs in soils 圖3 各采樣點土壤中3種TCs的含量比率Figure 3 Proportions of 3 kinds of TCs in each sample 歐盟成員國針對土壤中TCs殘留早在2002年已有報道。Hamscher等[20]采集了3個時間段3個剖面的土壤調(diào)查,其中TC和CTC都可被檢出,但OTC均未檢出。經(jīng)統(tǒng)計后,TC和CTC含量范圍分別為9.2~293.5 μg·kg-1和 7.2~96.6 μg·kg-1,平均含量高低順序為TC>CTC>OTC,與Pawelzick等[21]的調(diào)查結(jié)果并不一致(OTC是土壤中主要的TCs)。西班牙[22]、丹麥[14]和荷蘭[23]等國家的土壤TCs的檢出率低于50%,而且平均含量比國內(nèi)大部分區(qū)域低。這可能是因為1996年開始?xì)W盟頒布禁用獸藥指令后,歐盟各國使用量急劇減少。 土壤四環(huán)素類抗生素含量水平不僅與抗生素種類的基本理化性質(zhì)有關(guān)[24],還受外在因素的影響,如影響抗生素降解的土壤溫度和濕度。Hu等[2]的研究表明,冬季天津市的蔬菜土壤中OTC的含量是夏季的2~180倍。 2.2 土壤中3種TCs的來源分析 根據(jù)文獻(xiàn)報道[2,16]及本文調(diào)查結(jié)果,蔬菜基地土壤中3種抗生素的含量大小順序為:OTC>CTC>TC。因此,本文確定3種TCs對總殘留的影響排序為:OTC>CTC>TC。根據(jù)研究區(qū)3種TCs均量和Saaty提出標(biāo)度,構(gòu)造 OTC(C1)、CTC(C2)和 TC(C3)對抗生素殘留影響的判斷矩陣,見表5。 根據(jù)采樣過程中對本研究區(qū)施肥情況及生產(chǎn)狀況的調(diào)查,確定研究區(qū)域蔬菜基地土壤中四環(huán)素類抗生素的主要來源有糞肥、商業(yè)有機肥、魚塘底泥還田和魚塘灌溉水。為了改善土壤質(zhì)量,蔬菜基地大量施用糞肥和商業(yè)性有機肥,由于四環(huán)素類抗生素在糞肥中含量高于商業(yè)性有機肥[17,25],且研究區(qū)蔬菜基地糞肥的施用量高于商業(yè)性有機肥,我們認(rèn)為糞肥對土壤中四環(huán)素類抗生素殘留高低的影響大于商業(yè)性有機肥。魚塘底泥還田次數(shù)每年一般1~2次,使用魚塘水(溝渠水)進(jìn)行灌溉的基地和灌溉次數(shù)均較少(本研究區(qū)大部分采樣點灌溉設(shè)施齊全),且四環(huán)素類抗生素中底泥中的含量遠(yuǎn)高于水體[26],因此我們判斷魚塘底泥對土壤中3種四環(huán)素類抗生素含量的影響大于魚塘灌溉水。從平均含量水平(四環(huán)素類抗生素在有機肥和水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物中的平均含量分別為19.5、15.52 μg·kg-1)和施用數(shù)量分析,判斷有機肥對土壤中四環(huán)素類抗生素含量的影響大于水產(chǎn)養(yǎng)殖沉積物。綜上所述,我們判斷4種來源對土壤中TC、OCT和CTC的影響排序為:糞肥>商業(yè)有機肥>魚塘底泥>魚塘灌溉水。然后構(gòu)建糞肥(P1)、商業(yè)性有機肥(P2)、魚塘底泥(P3)和魚塘水(P4)對 TC、OCT和CTC 影響的判斷矩陣,見表6。 表4 文獻(xiàn)中各區(qū)域土壤中四環(huán)素類抗生素的含量(μg·kg-1,干重)Table 4 TC concentrations in soil from the literatures(μg·kg-1,dry weight) 表5 3種TCs對總殘留的評判矩陣Table 5 Evaluation matrix of 3 kinds of TCs for total residues 通過Matlab軟件,可得出糞肥、商業(yè)性有機肥、魚塘底泥和魚塘灌溉水對土壤中3種TCs的殘留貢獻(xiàn)率,見表7。 由表7可知,糞肥的直接施用對土壤中3種TCs的殘留貢獻(xiàn)率超過50%,為研究區(qū)蔬菜基地土壤TCs殘留的主要來源;商業(yè)性有機肥對土壤中3種TCs的殘留貢獻(xiàn)率為24%左右;糞肥和商業(yè)性有機肥對土壤中3種TCs的殘留貢獻(xiàn)率達(dá)77%。TC、OTC和CTC判斷矩陣一致性檢驗系數(shù)(CR)分別為:0.007 8、0.018 9和0.034 9(當(dāng)CR<0.10時,判斷矩陣是可接受的),層次總排序檢驗系數(shù)(CR)為 0.021 9(<0.10)。這表明,3種抗生素的評判矩陣及總排序具有較滿意的一致性,該分析結(jié)果是可以接受的。 表7 不同污染源對土壤中3種TCs殘留的貢獻(xiàn)率Table 7 Contribution of different sources to 3 kinds of antibiotic in soils 表6 4種污染源對3種TCs的評判矩陣Table 6 Evaluation matrix of 3 kinds of TCs for 4 pollution sources 含有抗生素的畜禽糞便農(nóng)用是土壤抗生素的主要來源[27]。我國浙江地區(qū)施用畜禽糞便的土壤中TC、OTC和CTC的殘留量分別是未施用畜禽糞便農(nóng)田的38倍、13倍和12倍[28-29]。鮑陳燕等[30]研究了不同施肥方式對蔬菜基地土壤中各類抗生素殘留的影響,結(jié)果表明,土壤中各類抗生素的檢出率和均量的大小順序為:施用畜禽糞便的蔬菜地>施用商業(yè)性有機肥的蔬菜地>施用沼渣的蔬菜地>單施化肥的蔬菜地。Zhang等[31]的研究也表明,施用商業(yè)性有機肥的耕作土壤四環(huán)素類抗生素的殘留量比施用各種糞肥及混合糞肥低。這可能是由于堆制過程中畜禽糞便中部分抗生素發(fā)生了降解[32]。本研究采樣點所涉及的20個蔬菜基地包括無公害蔬菜生產(chǎn)基地和傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)基地,施肥方式和有機肥的施用量變化均較大,因此土壤中3種抗生素的含量變異系數(shù)較大(表3),分別為115%(TC),426%(OTC)和 234%(CTC)。無公害蔬菜基地以糞肥(22 500 L·hm-2)和商業(yè)性有機肥(4500 kg·hm-2)為主,輔施化肥;而傳統(tǒng)蔬菜基地以化肥為主,輔施有機肥。進(jìn)一步分析表明,無公害蔬菜基地TCs平均含量(294.77 μg·kg-1)高于傳統(tǒng)蔬菜基地(13.57 μg·kg-1),前者是后者的22倍(圖4)。抗生素含量較高的采樣點,如,S1、S9 、S21、S22、S23 和 S28(見圖 2)均是以糞肥為主,輔施化肥的蔬菜生產(chǎn)基地,從而進(jìn)一步說明含有抗生素的畜禽糞便的農(nóng)用是研究區(qū)蔬菜基地土壤中3種TCs的主要來源。 灌溉水對土壤中四環(huán)素類抗生素的貢獻(xiàn)率較低,為8.44%,與Chen等[33]的研究結(jié)果一致,廢水灌溉土壤中OTC和CTC的檢出率和平均含量均小于施用糞肥土壤或毗鄰養(yǎng)殖場的土壤。 綜上所述,本文運用層次分析法對研究區(qū)蔬菜基地土壤中四環(huán)素類抗生素的來源分析的結(jié)果是可以接受的。 2.3 土壤抗生素殘留的風(fēng)險評估 陸地環(huán)境污染物風(fēng)險評估時,可選生物體毒性數(shù)據(jù)較少,而水體生物的毒性數(shù)據(jù)已有大量報道[34]。USEPA ECOTOX數(shù)據(jù)庫也都是針對水體濃度而言。事實上,土壤固相-水相(孔隙水)間存在物質(zhì)交換,土壤吸附的抗生素可能釋放到孔隙水或水體中被生物利用,土壤中能被生物直接利用的只有土壤水相即孔隙水中抗生素[35]。因此,土壤中污染物的風(fēng)險評估可以采用水、土壤共生的生物毒性數(shù)據(jù)。 圖4 傳統(tǒng)蔬菜生產(chǎn)基地(TR)和無公害蔬菜生產(chǎn)基地(NP)土壤中TCs平均含量特征Figure 4 Three kinds of TCs concentrations in soils from traditional(TR)and non-environmental pollution(NP)vegetable farms 本研究采用風(fēng)險商值法,計算和評估研究區(qū)蔬菜基地土壤中3種TCs的風(fēng)險商值(RQ介于0~1.59,數(shù)據(jù)未列出)和風(fēng)險等級。26個采樣點(占樣品總數(shù)的87%)3種TCs均處于低風(fēng)險,只有1個蔬菜基地的2個樣點(S21和S22)OTC處于高風(fēng)險(圖5)。因此,OTC是研究區(qū)TCs高風(fēng)險的主要成分,與Zhang等[31]的報道相似。 此外,參考獸藥國際籌劃指導(dǎo)委員會(VICH)提出土壤抗生素生態(tài)毒害效應(yīng)觸發(fā)值(100 μg·kg-1),除S22采樣點處于高風(fēng)險外,本研究區(qū)域其他采樣點單個化合物含量和3種TCs總含量均低于觸發(fā)值,屬于低生態(tài)毒害效應(yīng)區(qū)域,低于北京市蔬菜基地土壤(39.3%的樣點屬于高風(fēng)險)。 2.4 抗生素生態(tài)風(fēng)險空間分布 指示克里金(Kriging)在重金屬污染的環(huán)境風(fēng)險評估已成為熱點,但在抗生素的生態(tài)風(fēng)險中鮮見報道。本研究嘗試采用該方法獲得研究區(qū)蔬菜基地土壤抗生素生態(tài)風(fēng)險空間分布情況。 圖5 采樣點土壤3種TCs的風(fēng)險等級分布圖Figure 5 The distribution of risk ranks of 3 kinds of TCs in all soil samples 克里金法插值的閾值根據(jù)風(fēng)險商值(RQ)的等級劃分值(0.1和1)設(shè)定,但結(jié)合Arcgis克里金插值默認(rèn)最低等級為3。因此,本研究在臨界值0.1的基礎(chǔ)上取其中值0.05,來區(qū)分風(fēng)險更低區(qū)域。通過0.05、0.1、1和預(yù)測無觀察效應(yīng)濃度計算獲得克里金插值的閾值,再對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,并獲得研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險空間分布圖(圖6)。 從圖6可以看出,研究區(qū)蔬菜基地土壤四環(huán)素的生態(tài)風(fēng)險較低,基本處于低風(fēng)險等級。部分區(qū)域土霉素和金霉素的生態(tài)風(fēng)險處于中風(fēng)險等級,個別地區(qū)土壤土霉素處于高風(fēng)險狀態(tài),主要位于該區(qū)域西部,其他地區(qū)基本處于低風(fēng)險。樣品采集過程中,還對研究區(qū)作物種植和畜禽養(yǎng)殖的基本分布情況進(jìn)行了調(diào)查,研究區(qū)西南部主要分布蔬菜生產(chǎn)基地、養(yǎng)殖魚塘和畜禽業(yè),東北部主要以水稻種植和果園為主。研究區(qū)蔬菜基地主要施用糞肥(雞糞)和商業(yè)有機肥,而且復(fù)種指數(shù)較高,都可能導(dǎo)致土壤抗生素的殘留??偟膩碚f,廣州市北郊蔬菜基地土壤抗生素污染雖未到達(dá)嚴(yán)重惡化的程度,但值得關(guān)注,其中土霉素的生態(tài)風(fēng)險相對較高,重點防控區(qū)域為研究區(qū)的西部。 (1)廣州市北郊蔬菜基地土壤TC、OTC和CTC的含量范圍分別為 ND~30.37、ND~903.13 μg·kg-1和ND~103.02 μg·kg-1,其平均值分別為 5.64、38.39 μg·kg-1和 8.92 μg·kg-1,3 種 TCs在土壤中的平均含量高低順序為:OTC>CTC>TC。 (2)基于層次分析法可知,糞肥是土壤中3種TCs的主要來源,其貢獻(xiàn)率大于50%;其次是商業(yè)性有機肥,其貢獻(xiàn)率為24%左右。 (3)廣州市北郊蔬菜基地土壤中3種TCs的生態(tài)風(fēng)險整體較低,但西部部分區(qū)域處于中、高風(fēng)險等級,首要防控污染物為OTC,其次是CTC。 圖6 研究區(qū)3種TCs生態(tài)風(fēng)險空間分布圖Figure 6 The spatial distribution of ecological risk of 3 kinds of TCs in the study area [1]孫 剛.畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素檢測分析及其在堆肥中的降解研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010,25. 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Residues and risk assessment of tetracycline antibiotics in vegetable-growing soils from suburban areas of northern Guangzhou ZHU Xiu-hui,ZENG Qiao-yun*,XIE Qi-lai,DING dan,RU Shu-ling From 20 different vegetable-growing farms in suburban areas of northern Guangzhou city,30 soil samples were collected.They were analyzed for the contents of three different tetracycline-based antibiotics:tetracycline(TC),oxytetracycline(OTC),and chlorotetracycline(CTC),using a solid phase extraction(SPE)method and high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry(HPLCMS/MS).The results showed that the concentrations ranged between ND~30.37(mean:5.64),ND~903.13(mean:38.39),and ND~103.02(mean:8.92)μg·kg-1for TC,OTC,and CTC,respectively.Source analysis using an analytic hierarchy procedure indicated that manure used for growing vegetables was the principle source,accounting for more than 50%of the three antibiotics,whereas commercial organic fertilizers were the secondary source,accounting for 24%.Risk assessment using a combined approach of risk quotients and Kriging showed that the three antibiotics have low risks,with a few hotspots located in the western part of the studied area,where OTC possessed the highest risk,followed by CTC. antibiotic;soil pollution;suburban district of north Guangzhou City;vegetable production farms;risk assessment X820.4 A 1672-2043(2017)11-2257-10 10.11654/jaes.2017-0549 朱秀輝,曾巧云,解啟來,等.廣州市北郊蔬菜基地土壤四環(huán)素類抗生素的殘留及風(fēng)險評估[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(11):2257-2266. 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3 結(jié)論
(College of Natural Resources and Environment,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)