李松旌，樊向陽，崔二蘋，胡 超，崔丙健，劉 源，李中陽，景若瑤，李勝曙

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

再生水灌溉不同滴頭布置方式下PPCPs在土壤和番茄中的累積

李松旌1,2，樊向陽1,3,4※，崔二蘋1,3,4，胡 超1,3,4，崔丙健1,3,4，劉 源1,3,4，李中陽1,3,4，景若瑤2，李勝曙1,2

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，新鄉(xiāng) 453002；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點開放實驗室，新鄉(xiāng) 453002；4. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站，新鄉(xiāng) 453002）

隨著藥品和個人護理品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，PPCPs）生產(chǎn)和使用量的增加，PPCPs及其代謝產(chǎn)物在再生水中的檢出種類、檢出量不斷增多，再生水灌溉可影響PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)中的分布及累積，但其規(guī)律及驅(qū)動機制尚不明確。為探明再生水滴灌條件下滴頭布置方式對PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)累積的影響，該研究采用盆栽試驗比較2種滴頭布置方式（在番茄根部、在兩番茄中間）對土壤剖面及番茄各器官中PPCPs累積量的影響，并進一步分析PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)累積的驅(qū)動機制。結(jié)果表明，再生水灌溉條件下不同滴頭布置方式造成了PPCPs在土壤、作物（蔬菜）中累積規(guī)律的差異性，滴頭布置在兩番茄中間處理較其他處理而言增加了0～5 cm土層吉非羅齊累積量（<0.05），降低了番茄葉部卡馬西平和根部吉非羅齊的累積量（<0.05），較滴頭布置在番茄根部處理降低了番茄葉部吉非羅齊和根部三氯生的累積量（<0.05）；不同再生水灌溉方式通過影響土壤微環(huán)境指標(biāo)導(dǎo)致了土壤中PPCPs分布規(guī)律的差異性，滴頭布置在植株中間處理較其他處理增加了0～5 cm土層pH值，導(dǎo)致該土層下吉非羅齊的累積量高于其他處理（<0.05）。研究可為基于新興污染物PPCPs防控的再生水農(nóng)業(yè)安全利用提供理論依據(jù)。

土壤；蔬菜；藥品；個人護理品；滴灌；再生水；行為特征

0 引 言

藥品和個人護理品（Pharmaceutical and Personal Care Products，PPCPs）自20世紀(jì)末被列為新興環(huán)境污染物以來，日益受到人們關(guān)注[1]。PPCPs生產(chǎn)和使用量持續(xù)增加[2]，其種類繁雜，主要包括用于治療人類和動物疾病的藥物制劑（如抗生素、抗癲癇藥、止痛藥、降壓藥、避孕藥、催眠藥、減肥藥等）以及人類日常使用的各種護理品（如香皂、合成面膜、洗發(fā)水、發(fā)膠、染發(fā)劑等）[3]。目前環(huán)境中檢出較多的PPCPs主要有咖啡因、三氯生、卡馬西平、布洛芬、萘普生、吉非羅齊等，其中卡馬西平作為廣泛使用的抗癲癇藥物，主要用于治療癲癇病、中樞神經(jīng)性尿毒癥、抗躁狂抑郁癥及心律失常等，隨著上述病癥患病人群日益增多，卡馬西平的生產(chǎn)量及使用量持續(xù)增加[4]；吉非羅齊為血脂調(diào)節(jié)藥，已被廣泛用于治療高血脂、冠狀動脈等疾病，隨著高血脂人群不斷增加，吉非羅齊及其代謝物在生活污水、水體及土壤中的賦存和累積日益增多[5]；三氯生是一種廣譜抗菌劑，廣泛用于人們?nèi)粘Ｊ褂玫南阍?、漱口水、牙膏、化妝品、洗滌液等個人護理品，三氯生及其降解產(chǎn)物毒性較強，且具有一定的生物富集作用，對人體肝臟可造成嚴(yán)重?fù)p害甚至導(dǎo)致肝癌[6]。PPCPs在人體內(nèi)代謝率低[2]，因此生活污水是環(huán)境中PPCPs的重要來源。傳統(tǒng)污水處理工藝難以完全去除生活污水中的PPCPs[7]。雖然污水處理廠進水及出水中PPCPs的檢出量在ng/L至mg/L之間，但持續(xù)性的環(huán)境輸入可使其顯示出與持久性污染物同等的暴露潛力[8]。因此，人們對PPCPs的環(huán)境危害及人體健康影響日益重視，對PPCPs的環(huán)境行為特征及調(diào)控機制的研究成為熱點。

近年來，再生水農(nóng)業(yè)灌溉因其可有效緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺矛盾并降低污水、再生水直接排放對環(huán)境的影響日益受到重視，然而其中所含的PPCPs可隨灌溉在土壤中富集，并通過食物鏈對人體造成潛在危害。國內(nèi)外學(xué)者對PPCPs在土壤中遷移累積行為的研究主要集中在不同種類PPCPs在土壤系統(tǒng)的遷移累積規(guī)律。已有研究表明，PPCPs在土壤中的分布累積與土壤的理化特性、微生態(tài)環(huán)境及PPCPs自身性質(zhì)密切相關(guān)。Carr等[9]對雌酮、17β-雌二醇、雌三醇和17α-炔雌醇等環(huán)境污染物在土壤中有氧和無氧條件下的降解速率進行了研究，結(jié)果表明部分可被好氧微生物降解，而另一部分受厭氧微生物降解；Tadkaew等[10]研究表明可電離化合物（磺胺甲惡唑、雙氯芬酸、布洛芬和酮洛芬）在pH值為5時主要以疏水形式存在，容易被土壤吸附；Qin等[11]發(fā)現(xiàn)土壤的有機質(zhì)含量可改變土壤孔隙結(jié)構(gòu)進而對PPCPs（雙酚A、布洛芬等）在土壤中的吸附產(chǎn)生影響。灌水方式作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一項重要措施，在保障作物水分需求的同時，對土壤理化特性及微生物群落結(jié)構(gòu)也具有一定的影響作用。如滴灌可保持土壤表層的疏松狀態(tài)[12]，增加土壤通透性，并有利于土壤中好氧微生物的生理活動。然而，對中國較為常見的卡馬西平、吉非羅齊、三氯生等PPCPs的研究涉及較少，且再生水滴灌可能對PPCPs的土壤空間分布和遷移累積及作物吸收轉(zhuǎn)運等產(chǎn)生影響，進而造成PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)累積規(guī)律的差異性，但該方面的研究尚未見報道。

為此，本研究以番茄和典型PPCPs（卡馬西平、吉非羅齊、三氯生）為研究對象，采用盆栽試驗方式，以小畦灌為對照，開展再生水滴灌條件下不同滴頭布置方式下PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)的累積規(guī)律及影響機制研究，以期為基于再生水PPCPs污染防控的適宜灌水方式選型提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗用土取自試驗站周邊未受PPCPs污染的農(nóng)田0～20 cm耕層土壤，質(zhì)地為砂壤土。土樣經(jīng)自然風(fēng)干后剔除動植物殘體及石塊等，過5 mm篩，混合均勻后取部分土樣裝入密封袋，帶回實驗室用于測定土壤基本理化性狀及供試PPCPs含量（表1），其余土樣用于盆栽試驗。供試作物（蔬菜）為千禧矮生番茄（矮湯姆），研究對象為卡馬西平（Carbamazepine，CBZ）、吉非羅齊（Gemfibrozil，GEM）和三氯生（Triclosan，TCS），基本理化特性如表2所示；其中，地下水污染指數(shù)（Groundwater Ubiquity Score，GUS）表征淋溶遷移能力、有機碳-水系數(shù)（lgK）表征土壤吸附能力、正辛醇-水分配系數(shù)（lgK）表征疏水能力[13]。

表1 供試土壤基本理化性狀及供試藥品和個人護理品含量

表2 供試PPCPs基本特性

試驗用再生水原水取自河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠，污水來源主要為城市生活污水和部分工業(yè)廢水，污水處理工藝為A/O（Anoxic Oxic）反硝化生物濾池及臭氧氧化組合工藝，試驗期間再生水原水基本理化性質(zhì)如表3所示。試驗再生水水質(zhì)指標(biāo)均符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 508—2005）和城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 20922—2007）?？紤]到再生水原水中供試PPCPs目標(biāo)污染物含量的不穩(wěn)定性，本研究采用外源添加的方法配置供試再生水。由于目前污水處理、排放及再生水灌溉領(lǐng)域尚無該3種供試污染物的排放及利用標(biāo)準(zhǔn)，因此，本研究試驗再生水中3種供試PPCPs濃度參考中國近年來污水處理廠出水檢出濃度的最大值[14-16]配置，即卡馬西平、吉非羅齊和三氯生的濃度控制標(biāo)準(zhǔn)分別為10、5和10g/L。

1.2 試驗設(shè)計與過程

試驗于2019年11月—2020年1月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗站（35°15'N、113°55'E，海拔73.20 m）智能人工氣候室進行。室內(nèi)設(shè)環(huán)控、通風(fēng)、補光及加溫系統(tǒng)等，采用飛利浦GreenPower LED照明，光照強度為300mol/(m2·s)，每天光照時間為06:00—20:00，白天控制溫度為（28±0.5）℃，晚間溫度為（15±0.5）℃，相對濕度為60%。

表3 試驗用再生水原水基本理化性質(zhì)

試驗以小畦灌為對照（CK），以地表滴灌的滴頭布置方式為試驗因子，設(shè)滴頭布置于番茄根部（DR）和兩番茄中間（DM）2個處理。采用隨機化區(qū)組設(shè)計，每個處理重復(fù)3次。

試驗裝置規(guī)格綜合考慮番茄種植株間距、滴灌濕潤體形狀及滴頭與番茄的相對位置等確定，以灌水不影響作物生長為原則，DR和CK處理土箱規(guī)格為70 cm（長）× 40 cm（寬）×30 cm（高），DM處理土箱規(guī)格為100 cm（長）× 40 cm（寬）×30 cm（高）。DR、CK處理種植2株番茄，隨機取一株番茄作為取樣對象；DM處理種植3株番茄，以中間番茄為取樣對象；番茄株間距30 cm（圖1）。以容重為1.42 g/cm3計算每5 cm土層所需裝填的土壤質(zhì)量，并自下而上裝入試驗裝置內(nèi)，裝填高度為25 cm，分5次裝填。裝填過程中均保證土壤顆粒分布均勻，并嚴(yán)格將裝置內(nèi)壁邊緣土壤壓實，確保灌水時無貼壁水流入滲，避免邊緣效應(yīng)。

DR、CK處理在每株番茄根部設(shè)置滴頭1個，共計2個滴頭，DM處理分別在相鄰的兩株番茄中間位置地表設(shè)置1個滴頭，滴頭間距為30 cm，滴頭流量8 L/h。小畦灌與滴灌的濕潤比分別為100%、60%[17]，計劃濕潤土層深度為15 cm，田間持水率低于65%時開始灌水。滴灌采用蠕動泵設(shè)定灌水總量和流量實現(xiàn)按計劃供水，小畦灌以模擬灌水方式將灌溉水緩慢倒入裝置使其形成均勻水層入滲。試驗期間滴灌處理單個滴頭再生水灌水總量保持一致，均為68.84 L，小畦灌處理總灌水量為110.14 L。

供試番茄采用先行室內(nèi)育苗，兩葉期時移栽，定植后先使用超純水灌溉一周進行緩苗并使其適應(yīng)環(huán)境，而后采用配置好的再生水進行灌溉試驗。番茄整枝打芽、蘸花、?；ū９筒∠x害防治等同常規(guī)田間管理方法。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性狀

試驗結(jié)束后，以取樣植株為中心，沿半徑方向均勻布置土壤取樣點，分別取中心以外5、10、15 cm處同一土層土壤混合樣品，每個混合樣品為8個取樣點位的混合樣，土層深度分別為0～5、>5～10、>10～15 cm。

經(jīng)自然風(fēng)干研磨后，土壤有機質(zhì)采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測量[18]測定；pH值采用pH S-1型酸度計（美國Orion奧立龍公司，±0.1%）測定；土壤電導(dǎo)率（Electric Conductivity，EC）采用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，±1.0%）測定。其余土樣用于PPCPs、土壤微生物群落的檢測。

1.3.2 樣品PPCPs含量

試驗結(jié)束后，將取樣植株連根拔起，采用超純水沖洗5 min，瀝干后將其不同器官（根、莖、葉、果實）分離，并檢測水樣、土壤樣品以及番茄不同器官供試的3種PPCPs含量。采用固相萃取（Solid-phase Extraction，SPE）法對樣品進行預(yù)處理，通過液相二級串聯(lián)質(zhì)譜（Liquid Chromatography-tandem Mass Spectrometry，LC-MS/MS）實現(xiàn)對3種PPCPs的定量分析，其定量離子信息表及其回收率參數(shù)見表4。

水樣中PPCPs的預(yù)提取及檢測方法步驟：水樣通過0.45m濾膜，每1 L濾液中加0.8 g乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA）二鈉鹽，調(diào)pH值至4.8～5.0；HLB（Hydrophile-Lipophile Balance）固相萃取小柱中依次加入甲醇、超純水，排除樣品混合液空氣；用甲醇-乙腈進行洗脫，洗脫液氮吹濃縮，甲醇-水混合液定容混勻，放置于-80 ℃冰箱內(nèi)儲存[19]；最后進行定量分析。

土樣預(yù)處理為冷凍干燥后過0.15 mm篩，植物樣品預(yù)處理為液氮研磨后冷凍干燥。取0.1 g樣品，加5 mL甲醇和5 mL EDTA-麥?zhǔn)显噭曊鹗幒筮M行離心，取上清液并加超純水稀釋，使有機溶劑（指甲醇）體積分?jǐn)?shù)在2%以下，過0.22m濾膜；后續(xù)的萃取、洗脫、氮吹濃縮及檢測同水樣。

表4 供試PPCPs對應(yīng)的液相二級串聯(lián)質(zhì)譜分析過程中的運行參數(shù)及其回收率

1.3.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)通過16S rRNA微生物多樣性測序。具體方法步驟如下：稱取土壤樣品2 g，采用Fast DNA試劑盒提取DNA，利用瓊脂糖凝膠電泳和NanoDrop2000檢測DNA濃度和純度；以DNA為模板，選擇V3-V4區(qū)域進行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）擴增；使用帶barcode的特異引物進行PCR，PCR產(chǎn)物純化回收后進行Qubit定量；等量混樣后上機測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行匯總；處理間差異性及Pearson相關(guān)性分析采用SAS 9.4軟件進行；相關(guān)性熱圖采用R語言pheatmap、psych包繪制；不同處理土壤及番茄PPCPs檢出圖采用Origin 2020b軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴頭布置方式下土壤PPCPs分布

試驗條件下不同滴頭布置方式下供試PPCPs在不同土層的分布情況如圖2所示。各處理下，卡馬西平（CBZ）含量在各土層間的差異均未達到顯著水平（>0.05）（圖 2a）。0～5 cm土層，滴頭布置在兩植株中間處理（DM）與滴頭布置在植株根部處理（DR）、對照組處理（CK）對土壤吉非羅齊（GEM）累積量的影響差異達到顯著水平（<0.05），DM分別為DR、CK處理的8.91倍、9.72倍，但DR、CK處理間影響差異未達顯著水平（>0.05）；>5～10、>10～15 cm土層，各處理對土壤GEM累積量的影響差異均未達顯著水平（圖2b）。各土層中，不同處理對三氯生（TCS）累積的影響差異均未達到顯著水平（>0.05）（圖2c）。

2.2 不同滴頭布置方式下番茄不同器官PPCPs累積量

試驗條件下供試PPCPs在番茄根、莖、葉、果實的累積情況如圖3所示。各處理下，卡馬西平（CBZ）主要累積在葉中，累積量達4.71～7.71g/g，與其他器官的差異達到了顯著水平（<0.05）；滴頭布置在兩番茄中間處理（DM）下葉部CBZ累積量較對照處理（CK）、滴頭布置在番茄根部處理（DR）分別降低了38.90%、32.23%（<0.05）；對CBZ在根、莖和果實中的累積量而言，不同處理間的差異均未達到顯著水平（>0.05）（圖3a）。

不同處理下吉非羅齊（GEM）在番茄不同器官的累積規(guī)律不同，DR和CK下吉非羅齊的累積量最高，分別為0.33、0.29g/g，且與其他器官的差異均達到了顯著水平（<0.05），而在DM下各器官的差異均未達到顯著水平（>0.05）；在根部，DM較CK、DR分別降低了49.07%、55.61%（<0.05）；在葉中，DM較DR降低了53.40%（<0.05）；不同處理下GEM在莖、果實中的累積量的差異均未達到顯著水平（>0.05）（圖3b）。

DR和CK下，三氯生（TCS）主要在番茄的根部累積，累積量分別為0.61、0.96g/g，且與其他器官的差異均達到了顯著水平（<0.05），在DM下各器官的差異均未達到顯著水平（>0.05）；在根部，DM較CK降低了32.17%（<0.05）；對TCS在莖、葉和果實中的累積量而言，不同處理間的差異均未達到顯著水平（>0.05）（圖3c）。

2.3 PPCPs累積與土壤微環(huán)境的相關(guān)性分析

為了探明土壤微環(huán)境對再生水灌溉PPCPs在土壤中累積的影響，將卡馬西平、吉非羅齊、三氯生在土壤中的分布累積狀況與土壤pH值、EC、有機質(zhì)（Organic Matter，OM）、門水平微生物群落（TOP15物種）進行相關(guān)性分析，如圖4所示。由圖可知，卡馬西平在土壤中的累積與土壤變形菌門（Proteobacteria）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、迷蹤菌門（Elusimicrobia）呈正相關(guān)，與放線菌門（Actinobacteria）呈負(fù)相關(guān)（<0.05）；吉非羅齊與pH值、Patescibacteria有正相關(guān)關(guān)系（<0.05）；三氯生在土壤中的累積與土壤變形菌門、硝化螺旋菌門和迷蹤菌門呈正相關(guān)（<0.05）。

注：1.迷蹤菌門；2.變形菌門；3.硝化螺旋菌門；4.電導(dǎo)率；5.有機質(zhì)；6.酸桿菌門；7.疣微菌門；8.pH值；9.Patescibacteria；10.芽孢桿菌門；11.綠彎菌門；12.放線菌門；13.腸桿菌門；14.纖維桿菌門；15.厚壁菌門；16.Dependentiae；17.擬桿菌門；18.匿桿菌門。*，P<0.05；**，P<0.01。.

為分析不同滴頭布置方式通過改變土壤微環(huán)境指標(biāo)進而對PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)的遷移累積規(guī)律造成的影響，將不同處理下與PPCPs累積顯著相關(guān)的土壤微環(huán)境指標(biāo)整理如表5所示。由表可知，在各土層中滴頭布置在兩植株中間處理（DM）下土壤pH值最高，且與其他處理的差異達到了顯著水平（<0.05）；在各土層中，DM、滴頭布置在植株根部處理（DR）下變形菌門的相對豐度均低于對照組處理（CK），且差異達均到了顯著水平（<0.05）；在各土層中，DR較DM、CK均可增加放線菌門的相對豐度，且差異均達到了顯著水平（<0.05）；各處理對各土層中硝化螺旋菌門、迷蹤菌門相對豐度的影響未達到顯著水平（>0.05）；對于Patescibacteria而言，僅在0～5 cm土層DM下的相對豐度高于DR、CK，且差異達到了顯著水平（<0.05），而在其他土層中各處理的差異未達到顯著水平（>0.05）。

表5 不同處理對部分土壤微環(huán)境指標(biāo)的影響

3 討 論

3.1 滴頭布置方式對再生水PPCPs在土壤-蔬菜系統(tǒng)累積的影響

PPCPs種類繁多，且其包含的不同類別化合物具有不同的理化性質(zhì)，加之土壤理化特性不同、灌溉水中PPCPs濃度水平差異等，使其在土壤中呈現(xiàn)不同的累積規(guī)律。本研究由于試驗周期短，連續(xù)灌溉可能導(dǎo)致了PPCPs在土壤中的降解速率低于土壤累積速率。此外，卡馬西平、三氯生具有較低的淋溶遷移性和較高的土壤吸附力[13,20]，這可能也是導(dǎo)致不同土層中卡馬西平累積差異及三氯生累積差異不顯著的主要原因。吉非羅齊具有較高的淋溶遷移性、低的土壤吸附力[5]，已有研究表明灌水量一致的情況下，滴頭流量越大，形成的飽和進水帶越大，且隨時間的延長增長迅速，水平方向運移越快[21]，可以推測滴頭布置在兩番茄中間處理可造成吉非羅齊隨水分運移至番茄附近土壤，使其含量較高。

不同作物器官對PPCPs的吸收累積量不同。Bax等[22]研究表明，PPCPs在作物根系中的累積效應(yīng)明顯，并可向莖、葉等其他部位遷移；Sharma等[20]通過研究卡馬西平等12種有機污染物在苜蓿中的累積規(guī)律發(fā)現(xiàn)，卡馬西平在苜蓿中的累積濃度高于其他有機污染物；Zheng等[23]通過對再生水灌溉后蔬菜對藥物和激素的吸收積累的研究表明，所有PPCPs均在番茄根中檢測到，其中三氯生、吉非羅齊在根中濃度最高，卡馬西平在番茄葉中的檢出濃度最高。本研究中PPCPs在番茄不同器官的分布累積規(guī)律與以上研究結(jié)果基本一致。有研究表明，PPCPs在植物中的分布與其正辛醇-水分配系數(shù)（lgK）密切相關(guān)，lgK在0～3之間時lgK越大其親脂性越強，細(xì)胞對該化合物的吸收越好[24]；卡馬西平和三氯生的lgK值分別為2.45和4.76，因此，盡管土壤中卡馬西平和三氯生的輸入量相同，但番茄各器官對卡馬西平的吸收累積量較高；卡馬西平為中性化合物，Dodgen等[25]研究表明，中性化合物在葉片組織中更易吸收，這可能是造成葉片中卡馬西平累積的原因之一。吉非羅齊、三氯生在番茄根部的累積量較高，可能是因為吉非羅齊與三氯生均為可電離化合物，番茄細(xì)胞器中的電荷對其有排斥作用，導(dǎo)致根部吸收后向其他器官轉(zhuǎn)移時受到了阻礙。

3.2 土壤PPCPs分布累積與土壤微環(huán)境的互作機制

滴灌不同滴頭布置方式對土壤pH值、微生物群落結(jié)構(gòu)等可造成影響，進而對再生水中PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系統(tǒng)累積規(guī)律造成影響。黃德亮等[26]對清水灌區(qū)、再生水灌區(qū)以及濕地類型不同深度土壤常規(guī)指標(biāo)和15種PPCPs的檢測結(jié)果表明，PPCPs溶解性越差，被土壤有機質(zhì)吸附越容易，而本研究中，土壤有機質(zhì)、土壤微生物群落與土壤PPCPs的分布規(guī)律并無顯著相關(guān)性，這可能是因為供試土壤中有機質(zhì)含量較低，對土壤微生物、PPCPs等未產(chǎn)生迅猛的激發(fā)效應(yīng)所致；此外，再生水中富含氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，可以直接被土壤微生物利用，從而削弱了土壤有機質(zhì)對微生物的影響。Cirja等[27]發(fā)現(xiàn)在不同的pH條件下，PPCPs的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)（吸附性、光反應(yīng)性、抗菌活性和毒性）會發(fā)生一定的變化，吉非羅齊由于羧基的存在呈弱酸性，其在土壤中的分布與pH值呈正相關(guān)，這也表明在吉非羅齊的主要降解過程并非基于酸堿中和反應(yīng)，而是在酸性條件下發(fā)生取代反應(yīng)。由表5可知，滴頭布置在植株中間處理較其他處理而言可增加土壤pH值（<0.05），因此導(dǎo)致該處理下土壤中吉非羅齊的累積量高于其他處理。

土壤中微生物對污染物的分解、吸附等功能也起著重要作用[28]。本研究通過連續(xù)灌溉，導(dǎo)致PPCPs源源不斷地輸入到土壤-蔬菜系統(tǒng)，因此圖4中與污染物成正相關(guān)的微生物群落通過分解PPCPs為自身提供營養(yǎng)物質(zhì)，但微生物的作用仍需進一步商榷。土壤中變形菌門可通過新陳代謝將各種形式的碳、氮的化合物進行轉(zhuǎn)化[29]，卡馬西平是一種氮化合物、三氯生是一種碳化合物，理論上可以被變形菌門分解，與此同時各處理下卡馬西平含量隨土層增加呈下降趨勢可能是變形菌門相對豐度隨土壤深度的增加而顯著降低（<0.05）的原因之一；放線菌門擁有完全降解多種有毒化合物的生化和遺傳特征，包括2-氯苯酚（2-CP）、對氯苯酚（4-CP）、苯甲酸鹽、苯酚、甲酚、對甲苯甲酯和其他可生物降解的有機化合物[30]，結(jié)合相關(guān)性分析放線菌可以降解卡馬西平，但該生物群系的分布與卡馬西平的分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這種現(xiàn)象可能是變形菌門消耗了大量的氮化合物誘導(dǎo)放線菌門形成囊樣休眠細(xì)胞；硝化螺旋菌門在銨態(tài)氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽循環(huán)系統(tǒng)起著重要作用[31]，卡馬西平和三氯生各有4個硝基取代位置，均可發(fā)生硝化反應(yīng)，但各處理下硝化螺旋菌門相對豐度的差異并不顯著，因此該菌群養(yǎng)分的主要供給可能來自土壤或再生水中的其他營養(yǎng)物質(zhì)；Patescibacteria可參與氮、硫和鐵循環(huán)[32]，但吉非羅齊并不包含這3種元素，因此該群落對吉非羅齊的作用仍有待商榷；迷蹤菌門為自養(yǎng)或異養(yǎng)生活方式，通過依賴硝酸鹽/亞硝酸鹽的呼吸作用或者把各種有機化合物（包括核糖、半乳糖、葡萄糖、乙酸和丙酸和丁酸）作為基質(zhì)生成醋酸供能[33]，盡管迷蹤菌門與卡馬西平和三氯生的分布呈正相關(guān)關(guān)系，但迷蹤菌門的營養(yǎng)物質(zhì)可能是由硝化螺旋菌門提供，微生物群落是否對卡馬西平和三氯生有分解作用尚不確定。此外，相關(guān)微生物對PPCPs的作用機理、附屬產(chǎn)物及其環(huán)境風(fēng)險等方面仍需進一步研究。

4 結(jié) 論

1）滴頭布置在兩番茄中間處理較滴頭布置在番茄根部處理、對照小畦灌處理顯著增加了0～5 cm土層吉非羅齊的累積量，分別為滴頭布置在番茄根部處理、對照組小畦灌處理的8.91、9.72倍。各處理未對土壤中卡馬西平和吉非羅齊的累積規(guī)律造成影響。

2）滴頭布置在兩番茄中間處理較對照小畦灌處理降低了番茄葉中卡馬西平的累積量、根部吉非羅齊和三氯生的累積量，降幅分別為38.90%、49.07%和32.17%，較滴頭布置在番茄根部處理降低了根部卡馬西平的累積量、葉和根部吉非羅齊的累積量，降幅分別為32.23%、53.40%和55.61%。

3）不同滴頭布置方式可通過影響土壤微環(huán)境指標(biāo)，造成土壤中PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）累積的差異性。在0～5 cm土層，滴頭布置在兩番茄中間處理較其他處理增加了的pH值，導(dǎo)致該處理下吉非羅齊的累積量最高。

本研究從再生水灌溉方式作為PPCPs在土壤-蔬菜系統(tǒng)調(diào)控的切入點，比較了不同滴頭布置方式下再生水PPCPs在土壤-蔬菜系統(tǒng)的累積情況。目前，滴灌灌溉制度的不同入滲方式對不同土壤類型、不同作物類型PPCPs的累積規(guī)律及其作用機理尚不明確，仍需進一步探索研究。

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Impacts of different emitter layouts on the accumulation of Pharmaceuticals And Personal Care Products (PPCPs) in soil and tomato under reclaimed water irrigation

Li Songjing1,2, Fan Xiangyang1,3,4※, Cui Erping1,3,4, Hu Chao1,3,4, Cui Bingjian1,3,4, Liu Yuan1,3,4, Li Zhongyang1,3,4, Jing Ruoyao2, Li Shengshu1,2

(1.,,453002,;2.,100081,;3.-,,453002,;4.,,453002,)

Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs) have emerged in recent years as prevalent environmental pollutants subjected to the ever-growing global population and occurrence of new diseases. PPCPs can easily enter the soil-plant system via reclaimed wastewater irrigation and sludge applicationin modern agriculture. A multitude of biotic and abiotic processes directly determine the PPCPs metabolismin soil. However, the effects of soil moisture on PPCPs accumulation still remain unclear. In this study, a new irrigation arrangement was proposed to facilitate the PPCPs degradation while retard the root uptake during translocation in plants. Three typical PPCPs were taken as research materials, including carbamazepine (CBZ), gemfibrozil (GEM), and triclosan (TCS), under different dripper arrangements (at the root of tomato and between two tomatoes), with conventional border irrigation (CK) as the control. Subsequently, the soil at different depths was selected to measure the PPCPs contents of plant tissues, physicochemical properties, and microflora. The results showed that there was no significant difference in the cumulative amounts of CBZ and TCS in the 0-5, >5-10, and >10-15 cm soil layers under each treatment. The cumulative amount of GEM under CK and the treatment of emitters placed at root (DR) were lower than the treatment of emitters placed between two plants (DM) (<0.05). The cumulative amount of CBZ in leaves under DM reduced by 38.90% and 32.23% compared with CK and DR respectively (<0.05). In terms of thecumulative amount of GEM in tomato roots, DM decreased by 49.07% and 55.61% compared with CK and DR treatment separately, the cumulative amount of GEM in leaves under DM treatment was reduced by 53.40% compared with DR (<0.05). The cumulative amount of TCS in roots under DM was 32.17% lower than that under CK (<0.05). The correlation analysis indicated that the distribution of CBZ in the soil was positively correlated with Proteobacteria, Nitrospirae, and Elusimicrobia (<0.05), whereas negatively correlated with Actinobacteria (<0.05). GEM was positively correlated with the soil pH and Patescibacteria (<0.05). TCS was also positively correlated with Proteobacteria, Nitrospirae, Nitrospirae, Elusimicrobia, and Verrucomicrobia (<0.05). DM treatment in reclaimed water irrigation made a great contribution to the accumulation of GEM in the 0-5 cm soil layer, significantly higher than other treatments (<0.05), and where there was a significant reduction in accumulative amount of CBZ in tomato leaves and the accumulation of GEM in roots (<0.05). The small border irrigation significantly reduced the accumulation of CBZ in fruits, as well as GEM in tomato stems, leaves and fruits. The main reason was that CBZ and TCS were decomposed by Proteobacteria and Nitrospirae whereas Actinobacteria was used to degrade CBZ. Substitution reactions under acidic conditions dominated the degradation of GEM with relation to the soil pH. The finding can contribute to better understanding the common processes of PPCPs transport and distribution in soil-vegetable systems using reclaimed water irrigation in agriculture.

soils; vegetables; pharmaceuticals; personal care products; drip irrigation; reclaimed water; behavior characteristics

李松旌，樊向陽，崔二蘋，等. 再生水灌溉不同滴頭布置方式下PPCPs在土壤和番茄中的累積[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(8)：187-194.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021 http://www.tcsae.org

Li Songjing, Fan Xiangyang, Cui Erping, et al. Impacts of different emitter layouts on the accumulation of Pharmaceuticals And Personal Care Products (PPCPs) in soil and tomato under reclaimed water irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 187-194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021 http://www.tcsae.org

2020-10-01

2021-01-13

國家自然科學(xué)基金項目（51479201）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項（FIRI202003-01）；河南省科技攻關(guān)項目（192102110094）

李松旌，研究方向為農(nóng)業(yè)水資源安全高效利用。Email：627888123@qq.com

樊向陽，研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)水資源與水環(huán)境。Email：fxy0504@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021

S19；S274

A

1002-6819(2021)-08-0187-08