畜禽粪便中结合态天然雌激素在农田土壤中的转化机制及其生物效应研究

Natural estrogens have been one of the hot topics because of their adverse effects. Research showed that livestock manure were main source of natural estrogens in the environment, while the conjugated natural estrogens were the most important form in the livestock manure. In the environment, conjugated estrogens are nontoxic but may hydrolyze to their potent unconjugated, ‘free’ forms. Compared to free estrogens, conjugated estrogens would be more mobile in the environment because of their higher water solubility. The transformation mechanism and biological effect of conjugated natural estrogens in the farmland soils were still unclear to date. To address these deficiencies, the present research choose conjugated natural estrogens as the target, research on their transformation mechanism the farmland soils. The aims of this study are: ① To clarify the transformation mechanism of conjugated natural estrogens in the farmland soils; ② To clarify the influencing factors of the transformation mechanism; ③ To study the characteristics of the transformation and release of the conjugated natural estrogens after returning application; ④ Study the ecological risk during the transformation of the conjugated natural estrogens. Base on this study, basal research and judgment basis were reserved for the research of risk control measures on the pollution of estrogens from the agricultural activities.

天然雌激素作为一种新型污染物已引起人们的高度重视。畜禽粪便是水环境中天然雌激素的最主要来源，而结合态雌激素是畜禽粪便中雌激素的最重要赋存形态。在环境中，结合态雌激素通常是不具有雌激素效应的，但其可以转化为具有很强雌激素效应的自由态。与自由态雌激素相比，结合态雌激素具有更高的水溶性，因而更易在环境中迁移。目前，结合态雌激素在农田土壤中的转化机制及其生物效应仍不明确。为此，本课题以畜禽粪便中的结合态天然雌激素为研究对象，对其在农田土壤中的转化机制开展研究，通过研究：①确定结合态天然雌激素在土壤环境中的转化机制和流失特征；②明确结合态天然雌激素转化流失的主要影响因子；③确定结合态天然雌激素在实际还田后的转化流失特征；④对结合态天然雌激素转化过程中的雌激素效应进行评价。从而为加强农业源天然雌激素污染风险控制提供有效的研究基础和判断依据。

结合态天然雌激素是天然雌激素的重要赋存形态，主要存在于动物排泄物中。本研究选择天然雌激素及其葡萄糖苷结合物和硫酸盐结合物等为目标化合物，研究其在畜禽粪便还田过程中各形态的转化、流失特征及其构成的生态风险。建立了地表水、农业污水、粪便和土壤等环境基质中自由态和结合态天然雌激素的前处理和分析方法，能够对样品中的目标物有效测定；奶牛尿液中天然雌激素以结合形式存在的比例高于粪便，该比例会随着不同生长阶段变化。奶牛场粪污中的雌激素均以结合态形式存在，在μg·kg-1-mg·kg-1、μg·L-1水平检出，污水经厌氧发酵处理能有效去除约2/3的雌激素活性物质，残留浓度仍在μg·L-1水平。农田土壤中检出的雌激素种类和含量与施肥模式无明显关系，硫酸盐结合态具有更高的检出浓度和检出比例，土壤中雌激素活性大小在6.24-50.42 μg·kg-1，存在一定的环境风险；E1、E2和EE2的吸附动力学满足拟二级反应动力学方程（R2>0.997），可用Freundlich吸附等温式描述（R2>0.990），土壤对3种雌激素的吸附均为非线性吸附，高岭土能促进土壤对雌激素的吸附，而猪粪DOM的添加会抑制土壤对雌激素的吸附。在堆肥中，雌激素主要在堆肥0-36 d发生降解，在野外农田土壤中的降解主要发生在施肥后一个月内，且降解过程与种植模式或施肥模式无关。结合态雌激素在堆肥过程中水解为以E1为主的自由态，其降解符合一级动力学模型，葡糖苷酸盐结合态比硫酸盐结合态降解速率更快且降解更彻底。堆肥结束后目标雌激素降解率均达95.75%以上，堆肥后产物EEQ为75.18 μg·kg-1，存在一定的生态风险；采用鲜粪或有机肥喂食白线蚓，会在其一定生长阶段内对其卵黄蛋白原合成产生影响，培养14 d明显发现喂食鲜粪和有机肥的白线蚓体内卵黄蛋白原合成量均高于对照组。土壤中存在的雌激素会影响白线蚓的生长繁殖，由EEQ表征发现喂食的鲜粪雌激素活性高于有机肥，喂食鲜粪的白线蚓繁殖旺盛，出现新的世代，而堆肥组未出现新的世代。