重金属和抗生素对土壤氨氧化过程及其微生物的复合影响机制

The problem of the barren and acidification of organic nutrients in red soil makes the livestock manure used in agriculture as important way to achieve coupling soil fertility improvement and the disposal of waste resources. It is an meaningful thing for security use of livestock waste resources by explicit stress effect and mechanism of soil nitrogen cycling through the input of heavy metals and antibiotics as a results from composite manure used in agriculture. The application is to: (1) to reveal the effects and laws on soil ammonia oxidation process and its key features microorganisms with the composite input of heavy metals and tetracycline antibiotics which influence the aging and transformation in soil and other environmental behavior, on the basis of investigating the characteristics of residual from typical contaminants of organic nutrient status, heavy metals and tetracycline antibiotics etc ,that derived from scale farms waste ; (2) we will study deeply in kinetics and mechanisms of heavy metal and tetracycline in single and combined pollution on ammonia oxidation process in soil and its key function of microbial stress use the controlled experimental model system, combined with stable isotope probe technology (DNA-SIP), real-time PCR and high-throughput sequencing technology. Our study will provide scientific knowledge to safeguard the efficient transformation and safe use of livestock waste resource, improving the quality of cultivated land, controlling environmental risks and achieving the sustainable use of agricultural resources.

红壤有机养分贫瘠和酸化问题使禽畜粪便农用成为耦合地力提升和废弃物资源处置的重要途径，明确猪粪农用导致的重金属和抗生素复合输入对土壤氮循环的胁迫效应与机制，对实现禽畜废弃物资源安全利用具有重要意义。本研究拟在调查规模养猪场废弃物有机养分状况，重金属和四环素类抗生素等典型污染物残留特征基础上，设计田间定位试验研究猪粪重金属和四环素类抗生素的土壤老化和转化等环境行为，揭示复合输入对土壤氨氧化过程及其关键功能微生物的影响效应和规律。利用模拟体系控制性实验，结合稳定性同位素探针技术（DNA-SIP）、实时荧光定量PCR和高通量测序技术深入研究重金属和四环素单一和复合污染对土壤氨氧化过程及其关键功能微生物胁迫的动力学过程和机制。为保障禽畜废弃物资源高效转化和安全利用,提升耕地质量和控制环境风险,实现农业资源的可持续利用提供科学依据。

明确猪粪农用导致的重金属和抗生素复合输入对土壤氮循环的胁迫效应以及环境风险评价，对实现畜禽废弃物资源安全利用具有重要意义。研究结果表明，施加猪粪对土壤物理指标无显著影响，但可以显著提高红壤pH和阳离子交换量。猪粪中4种重金属的含量分别介于85.67-750.37 mg/kg（Zn），84.82-808.18 mg/kg（Cu），7.91-32.84 mg/kg（Pb），1.99-37.96 mg/kg（As）；3种TCs的浓度分别介于21.93-2681.34 μg/kg（TC）、29.77-6099.19 μg/kg（OTC）和134.43-13232.35 μg/kg（CTC）。添加3种TCs后，TC对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响程度最大，其次为CTC，最小为OTC。畜禽粪肥是土壤3种TCs的主要来源，其贡献率大于50%。施用含有TCs的畜禽粪肥后，蔬菜可以吸收TCs，其含量介于2.18-135.44 μg/kg，健康风险评价表明，人体通过食用蔬菜而摄入的TC、OTC和CTC的量分别为0.3 μg、1.1 μg 和0.5 μg，低于我国动物性食品规定最高限值（10 μg），也远低于世界卫生组织规定的人体日允许摄入量（1800 μg）。土壤中3 种TCs的残留浓度介于85.27-1013.68 μg/kg，生态风险评价表明，施肥前期土壤中TCs 的风险较大。随着时间的推迟，风险逐渐降低，均处于中等风险。基于畜禽粪肥施用后抗生素的流失率，预测畜禽粪肥农用可能导致广州市地表水和地下水体中3 种TCs的浓度分别为6.02 ng/L和1.36 ng/L（TC）、17.17 ng/L和2.09 ng/L（OTC）和14.26 ng/L 和4.93 ng/L（CTC），其健康风险商值介于6.8×10-8-3.9×10-5，均未超过美国环保署推荐的最大可接受风险水平（10-4）；其生态风险商值介于4.61×10-4-5.21×10-3，远低于0.1，均处于低风险。