环境科学  2020, Vol. 41 Issue (10): 4757-4766   PDF    
引用本文
彭秋, 王卫中, 徐卫红. 重庆市畜禽粪便及菜田土壤中四环素类抗生素生态风险评价[J]. 环境科学, 2020, 41(10): 4757-4766.
PENG Qiu, WANG Wei-zhong, XU Wei-hong. Ecological Risk Assessment of Tetracycline Antibiotics in Livestock Manure and Vegetable Soil of Chongqing[J]. Environmental Science, 2020, 41(10): 4757-4766.
重庆市畜禽粪便及菜田土壤中四环素类抗生素生态风险评价
彭秋, 王卫中, 徐卫红     
西南大学资源与环境学院, 重庆 400715
收稿日期: 2020-03-23; 修订日期: 2020-04-05
基金项目: 农业部现代农业产业技术体系建设专项（CARS-23）；国家科技支撑计划项目（2007BAD87B10）；国家重点研发计划项目（2018YFD0201200）
作者简介: 彭秋(1996~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为植物营养与环境生态, E-mail:970273474@qq.com
通信作者: 徐卫红，E-mail:xuwei_hong@163.com
摘要: 近年来新型有机污染物抗生素在环境中的残留及对生态环境的风险成为国内外研究的热点.在畜禽养殖业中四环素类抗生素（tetracycline antibiotics，TCs）使用量最大，在畜禽粪便中的残留量也最高.本文采用调查研究结合室内分析，客观评价了重庆市主要大型养殖场畜禽粪便和主要蔬菜基地菜田土壤中3种农用四环素类抗生素[土霉素（OTC）、四环素（TC）和金霉素（CTC）]可能存在的环境生态风险.结果表明，2014年猪粪和鸡粪中的OTC、TC、CTC和TCs总量（∑TCs）的平均值分别为13.05、91.81、62.48、167.34 mg·kg-1和4.25、4.6、28.55、37.40 mg·kg-1.2019年所调查的样品中猪粪和鸡粪中的OTC、TC、CTC和∑TCs平均含量分别为3.39、4.82、5.92、15.95 mg·kg-1和1.10、1.35、4.22、5.16 mg·kg-1，相比2014年，2019年重庆市畜禽粪便中TCs含量有大幅度的下降，TCs的检出率也有所降低.鸡粪中的TCs生态风险较猪粪要低，2019年畜禽粪便中的TCs生态风险较2014年大幅度降低，不同抗生素间总体比较，风险商值以CTC > OTC > TC.重庆主要蔬菜基地及周边地区菜田土壤中OTC、TC、CTC和∑TCs的平均含量分别为18.92、39.10、21.80和79.81 μg·kg-1.TCs含量大小顺序为养殖场附近菜田>无公害蔬菜基地>普通菜田；在养殖场附近的菜田中，露地TCs含量普遍高于大棚，而在无公害蔬菜基地，TCs含量表现为大棚>露地.从菜田TCs的生态风险商值整体上看，各类种植模式下的HQ均 < 1，即无高风险.3种TCs的HQ值以CTC > OTC > TC.土壤∑TCs含量以叶菜类>瓜类>茄果类>豆类，种植不同类型蔬菜的菜田土壤TCs含量略有差异，可能跟不同蔬菜栽培模式、畜禽粪便种类及施肥量有关系.
关键词: 畜禽粪便      菜田土壤      蔬菜      四环素类抗生素(TCs)      生态风险商值     
Ecological Risk Assessment of Tetracycline Antibiotics in Livestock Manure and Vegetable Soil of Chongqing
PENG Qiu , WANG Wei-zhong , XU Wei-hong     
College of Resources and Environmental Sciences, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract: The residue of new organic pollutant antibiotics in the environment and their risks to the ecological environment have become important research issues at home and abroad. China is the largest country of antibiotic production and antibiotic use. Tetracycline antibiotics (TCs) have been used in large quantities, and they also have the highest residue in animal manure. Tetracycline antibiotics in animal manure are easily accumulated in the soil, and disturb the soil microbial community; furthermore, they are absorbed by crops and remain in agricultural products, thereby threatening human health and ecological security. At present, the pollution of antibiotics in animal manure and soil of southwest China has not been reported. An investigation and analysis were conducted to evaluate the environmental ecological risks of three agricultural tetracycline antibiotics [oxytetracycline (OTC), tetracycline (TC), and chlortetracycline (CTC)] in livestock manure of large farms and soil of main vegetable base in chongqing. The results showed that the average contents of OTC, TC, CTC, and TCs （∑TCs） in pig and chicken manure in 2014 was 13.05, 91.81, 62.48, 167.34 mg ·kg-1, and 4.25, 4.60, 28.55, 37.40 mg ·kg-1, respectively. The average contents of OTC, TC, CTC, and ∑TCs in pig and chicken manure in 2019 were 3.39, 4.82, 5.92, 15.95 mg ·kg-1, and 1.10, 1.35, 4.22, 5.16 mg ·kg-1, respectively. The content of TCs in livestock and poultry manure of Chongqing in 2019 decreased significantly as compared to that in 2014. The ecological risk of TCs in chicken manure was lower than that in pig manure, and the ecological risk of TCs in livestock manure in 2019 was significantly lower than that in 2014. Moreover, the risk quotient was in the order of CTC > OTC > TC. The average contents of OTC, TC, CTC, and ∑TCs in the soil of the main vegetable bases and surrounding areas in Chongqing were 18.92, 39.10, 21.80, and 79.81 μg ·kg-1, respectively. The content of TCs was in the order of vegetable field near the farm > pollution-free vegetable base > common vegetable field. In the vegetable field near the farm, the content of TCs in open vegetable field was generally higher than that in greenhouse field. In contrast, in the pollution-free vegetable base, the content of TCs in the greenhouse field was higher than that in the pen field. The ecological risk quotients (HQ values) of TCs in the vegetable field were lower than 1 under various planting modes. The HQ values of the three TCs were in the order of CTC > OTC > TC. The content of ∑TCs in soil was in the order of leaves > melons > solanoids > legumes. The difference in contents of soil TCs was found in different vegetable fields with different vegetable types, and it may be related to the different vegetable cultivation patterns, type, and amount of livestock manure.
Key words: livestock manure      vegetable soil      vegetables      tetracycline antibiotics (TCs)      ecological risk quotient     

我国是抗生素生产和消耗最大的国家[1].抗生素被广泛应用于畜禽养殖业[2].据统计, 我国养殖业中消耗的抗生素达8.4万t, 占抗生素总消耗量的52%, 尽管世界上不少国家对抗生素的使用进行了限制, 但实际上全球养殖业抗生素滥用现象仍然较为普遍.抗生素在动物体内不能完全被吸收, 大约40%~90%以母体或代谢物的形式随粪尿排出体外, 导致畜禽粪便中抗生素残留达到较高水平[3].在Zhang等[4]调查的36种主要的抗生素中, 我国经人体和动物代谢后排泄到环境中的量为5.4万t·a-1, 其中动物占比84.0%(猪占44.4%, 鸡占18.8%).连续、大量地抗生素通过粪肥进入土壤和水体环境并不断积累, 造成了农田土壤和水体的抗生素污染[1, 5].

四环素类药物因其廉价高效和广谱的优势, 在畜禽饲养业使用量最大, 在畜禽粪便中的残留也最高[2].我国每年消耗的四环素类抗生素(tetracycline antibiotics, TCs)为6 950 t, 其中土霉素1 360 t, 四环素1 450 t, 金霉素262 t, 这些四环素类抗生素主要用于畜禽养殖中, 其中养猪消耗3 300 t, 养鸡消耗1 130 t, 分别占总消耗量的44.5%和16.3%[4].四环素类抗生素的固-液吸附分配系数(Kd值)相对其它种类抗生素更高, 在土壤中更容易吸附累积[6].残留在土壤中的四环素类抗生素一方面扰乱土壤微生物群落, 导致抗性基因传播[7], 同时会被蔬菜作物吸收, 在农产品中残留, 进而威胁人体健康与生态安全[1, 8].

我国蔬菜种植面积约20万km2(3亿亩), 蔬菜年产量7.9亿t, 接近全世界的1/2[9].在蔬菜生产中, 粪便作为有机肥的施入量大且大多不经过无害化处理, 是菜田抗生素的主要来源, 也导致菜田土壤抗生素污染尤为严重[1, 8].菜田土壤抗生素污染是农业面源污染研究的重要课题, 调查土壤及施用的有机肥(主要是畜禽粪便)中的抗生素残留, 对认识抗生素污染现状和进行环境风险评估非常必要.目前有关我国土壤抗生素残留的资料多见于东部沿海省份[10~12].我国西南地区每年消耗四环素类抗生素1 880 t[4], 有关该区域畜禽粪便和土壤中抗生素污染调查却鲜见报道.本文通过调查重庆地区大型养殖场畜禽粪便及主要蔬菜基地土壤中四环素类抗生素残留含量, 客观评价重庆地区畜禽粪便及菜田土壤中四环素类抗生素可能的环境生态风险, 以期为畜禽粪便合理利用及蔬菜的安全生产提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 调查区域概况

重庆市城区29°35′N、106°33′E, 属于亚热带季风性湿润气候, 幅员面积8.24万km2, 常住人口3 048.43万人(2016年), 包括38个区县(26区、8县和4自治县).据统计, 重庆2018年出栏肉猪1 758万头, 产值244亿元; 出栏家禽2.1亿只, 产值176亿元[13].畜禽养殖业较为密集的区域为城市发展新区和部分都市功能扩展区, 下辖：合川、长寿、璧山、铜梁、潼南、荣昌、江津、綦江、南川、大足、永川、涪陵、北碚和渝北等区.

1.2 采样时间、地点与方法

采样分别于2014年9月下旬和2019年4~5月, 其中2014年采集了有代表性的14家养猪场和12家养鸡场的畜禽粪便样品, 2019年采集了31家养猪场和24家养鸡场的畜禽粪便样品, 104个菜田土壤样品, 其中养殖场附近菜田43个样品, 5个无公害蔬菜基地42个样品, 普通菜田19个样品.

猪粪样品采自养猪场粪便堆放处, 鸡粪样品采自鸡舍内, 随机多点取样, 保留约500 g左右置入洁净的塑料样品盒, 放入装有冰盒的采样箱带回实验室, 样品采集具体方法按照《GB/T 25169-2010畜禽粪便监测技术规范》操作.土壤样品采用5点混合采样法采集菜田表层土壤(0~15 cm), 四分法留取500 g左右放入样品盒.使用Magellan Triton GPS手持机(E300)记录采样点的坐标信息, 采用ArcGIS 10.3.1绘制采样点分布示意, 猪粪和鸡粪采样点见图 1, 土壤样品采样点见图 2.

图 1 猪粪和鸡粪采样点分布示意 Fig. 1 Schematic diagram of pig manure and chicken manure sampling location

图 2 土壤采样点分布示意 Fig. 2 Schematic diagram of soil sampling location

5个无公害蔬菜基地详细信息如下.

重庆市璧山区七塘蔬菜基地, 29.78°N, 106.29°E.属于中亚热带湿润季风气候, 年平均气温18℃左右, 年降雨量1 000 mm左右, 年平均日照时数1 051.0 h; 土壤为紫色土.栽培模式为抱子芥菜、四季豆、菊花菜、青豆和辣椒等蔬菜产品轮作.

重庆市璧山区八塘蔬菜基地, 29.84°N, 106.30°E.属于中亚热带湿润季风气候, 年平均气温18℃左右, 年降雨量1 000 mm左右, 年平均日照时数1 051.0 h.土壤为紫色土.栽培模式为小胡萝卜、卷心菜、绿叶菜、秋葵和葱等蔬菜产品轮作.

重庆市潼南区桂林蔬菜基地, 30.24°N, 105.81°E.属亚热带湿润季风气候, 年平均气温17.9℃, 无霜期长, 年平均霜期仅5.5 d.年均降雨量为990 mm左右, 年平均日照时数为1 228.4 h.土壤为沙壤土.栽培模式为辣椒、番茄、冬瓜、苦瓜、黄瓜和萝卜等蔬菜产品轮作.

重庆市铜梁区平摊镇蔬菜基地, 29.84°N, 105.88°E.属亚热带季风性湿润气候, 年平均气温18.0℃左右, 年均无霜期325 d, 年均降雨量1 000 mm左右, 年平均日照1 090.0 h, 土壤类型为紫色土.栽培模式为番茄、苦瓜、莴苣和油麦菜等蔬菜产品轮作.

重庆市合川区肖家镇蔬菜基地, 30.16°N, 106.28°E.属亚热带季风性气温, 年平均气温18.4℃左右, 年平均降雨量1 552.7 mm, 年日照时间1 342.6 h, 土壤类型为紫色土.栽培模式为茄子、苦瓜、甘蓝和萝卜等蔬菜产品轮作.

1.3 实验方法 1.3.1 样品的前处理

样品在-20℃下冷冻3 d, 使用冷冻干燥机冻干, 研磨过1 mm筛, 置于-20℃下低温保存备测.

土壤样品提取：准确称取2.000 0 g土壤样品放入50 mL离心管中, 加入10 mL提取液, 漩涡振荡混匀1 min, 超声10 min, 然后在4 000 r·min-1下离心10 min, 收集上清液; 再分别用8 mL和6 mL重复提取两次, 合并3次提取的上清液, 然后于40℃旋转蒸发至体积浓缩为12 mL左右.固相萃取：SPE小柱依次用5 mL甲醇和5 mL超纯水活化, 提取液以1 mL·min-1的流速全部通过小柱, 然后分别用5 mL超纯水和5 mL 5%的甲醇溶液淋洗小柱, 真空抽干20 min, 以5 mL 0.01 mol·L-1的草酸甲醇溶液洗脱小柱, 收集洗脱液, 在40℃下氮吹至近干, 用甲醇定容至1 mL, 过0.22 μm滤膜, 存于自动进样瓶中.

粪便样品提取：准确称取1.000 0 g猪粪/鸡粪样品于50 mL离心管中, 加入提取液提取(过程同土壤样品), 合并后的提取液加入5 mL正己烷除脂, 然后于40℃旋转蒸发至体积浓缩为12 mL左右.SPE小柱和SAX小柱依次用5 mL甲醇和5 mL超纯水活化, 提取液以1 mL·min-1的流速全部通过小柱, 其余样品处理过程和土壤样品处理过程相同.

前处理方法主要参考Jacobsen等的方法[14]并进行了优化.粪便样品采用高效液相色谱仪(HPLC)测定, 土壤样品采用液相色谱串联质谱仪(LC-MS/MS)测定.

1.3.2 液相(HPLC)条件

HPLC分析条件：设置柱温25℃; 进样量10 μL; 检测波长355 nm; 以0.01 mol·L-1草酸溶液为水相(A相), 乙腈:甲醇=2:1的混合液为有机相(B相), 流动相比例为76:24(体积比)等度洗脱25 min, 流速为1 mL·min-1.

1.3.3 超高效液相色谱串联质谱(UPLC-MS/MS)测定条件

HPLC测定条件：色谱柱为ZORBAX SB-C18(1.8 μm, 2.1×100 mm, Agilent, America); 柱温40℃, 流速为0.4 mL·min-1, 进样量2 μL, 流动相A为水相(含0.3%甲酸的水溶液); 流动相：含0.3%甲酸的水溶液(A相)和含0.3%甲酸的乙腈溶液(B相), 梯度洗脱程序为：1~3 min 15%~40% B相; 3~4 min, 40%~95% B相; 4~5 min 95% B相; 5~5.1 min, 15%B相; 5.1~8 min, 15% B相.

质谱条件：离子源为电喷雾离子源(ESI); 离子源温度为120℃; 扫描方式为正离子扫描; 监测模式为多反应监测模式(MRM); 干燥气为N2; 干燥气温度为400℃; 干燥气流速：15L·min-1; 雾化器压力：30 psi; 毛细管电脉压：4 500 V. TC、OTC和CTC的母离子(质核比m/z)分别为445.10、461.15和479.5, 子离子(质核比m/z)分别为410.05/426.97、426.10/442.93和444.15/153.76, 锥孔电压分别为33、35和35 V, 碰撞能分别为18、17和20 V.

1.3.4 质量控制

用TCs混合标准工作液配制系列浓度梯度的混合液做标准曲线, 用内标法测定量限, 用外标法测回收率, 定量限和回收率结果如表 1.

表 1 3种TCs在土壤、猪粪和鸡粪中的定量限和回收率 Table 1 Recovery and quantity limits of TCs in soil, swine, and chicken manure

1.3.5 抗生素生态风险与健康风险评估方法

土壤中抗生素的生态风险评估常用风险系数(hazard quotient, HQ)来表示[15], 见公式(1).畜禽粪便的风险系数可以通过畜禽粪便施入土壤后土壤抗生素的含量来评估, 土壤中抗生素的预测环境浓度(predicted environmental concentrations, PECs)通过公式(2)计算[16, 17].土壤环境中的抗生素预测无影响浓度(predicted no-effect concentrations, PNECs)根据公式(3)计算[18].

(1)
(2)
(3)

式中, Cm代表畜禽粪便中抗生素的含量(mg·kg-1); M代表畜禽粪便的施入量(kg·hm-2), 本研究取常规施用量猪粪22.5 t·hm-2, 鸡粪15 t·hm-2; D代表土壤质量(kg·hm-2), 通常用单位面积(1 hm2)耕层土壤(0~20 cm)的质量, 这里按土壤容重平均值1 500 kg·m-3计算[19], AF为评价因子.

TOX为抗生素对环境中的生物毒性值, 用中位有效剂量(median effective concentration, EC50)表示.目前对抗生素的EC50以其所参考的毒理学测试物种而异, 大体可以分为3种类型：①以环境敏感生物蓝细菌和铜绿微囊藻作为环境敏感生物, 敏感物种的抗生素毒理学数据可以通过USEPA ECOTOS数据库(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)查询[20], 土壤中的抗生素浓度或预测浓度值除以抗生素的水土分配系数(Kd)所得到的环境抗生素预测浓度[21, 22], 查询和计算出的毒理学数据见表 2; ②直接以抗生素对土壤的微生物的EC50值(见表 2)作为评估标准, 该值可以从文献[23]中查到; ③以生长在土壤上单作物作为敏感物种, 如Jin等[24]和Zhang等[25]采用抗生素对大白菜根伸长的抑制EC50值作为风险评估的标准.

(4)
表 2 四环素类抗生素(TCs)生态风险参数 Table 2 Ecological risk parameters for tetracycline antibiotics (TCs)

3种评估方法各有优劣, 以蓝细菌作为环境敏感生物的优点是蓝细菌的毒理学数据比较可靠, 缺陷是该方法需要通过复杂的计算, 因而难免会出现较大的误差; 以土壤微生物作为敏感生物的方法比较直接, 但土壤微生物容易产生抗性, 因而其EC50值易发生变化; 以蔬菜的EC50值作为评估标准有利于计算有机肥带来的抗生素对蔬菜生长及产量的影响, 但由于蔬菜的EC50值往往较高, 因而容易低估抗生素的风险.

1.4 图形制作与数据处理

采用ArcGIS 10.3.1绘制采样点分布示意图, 采用SPSS23.0对数据进行统计分析.

2 结果与分析 2.1 重庆地区畜禽粪便中TCs含量变化特征

3种四环素类抗生素在猪粪和鸡粪中的含量变化特征及检出率如表 3所示. 2014年在所调查的重庆市14个养猪场和12个养鸡场的畜禽粪便中, TC检出率达到100%, 其次是CTC和OTC, 在猪粪和鸡粪样品中的检出率分别为85.7%、85.7%和91.7%、58.3%, 总体检出率(3种TCs检出率的平均值):猪粪(90.5%)＞鸡粪(83.3%).从含量来看, OTC、TC和CTC在猪粪中的最低含量为低于检测限(ND)~1.04 mg·kg-1, 最高值分别为53.71、427.39和493.26 mg·kg-1, 平均值分别为13.1、91.8和62.5 mg·kg-1; 在鸡粪中的最低含量为低于检测限(ND)~0.12 mg·kg-1, 最高值分别为23.0、23.0和163.8 mg·kg-1, 平均值为4.3、4.6和28.6 mg·kg-1; 猪粪的TCs总含量平均值为167.3 mg·kg-1, 鸡粪的TCs总含量平均值为37.4 mg·kg-1, 猪粪是鸡粪的4.5倍.残留量最高的样品来自于綦江区的一家母猪养殖场, OTC、TC和CTC残留分别高达10.92、313.39和493.26 mg·kg-1, 残留量最低的样品是长寿区一家大型养鸡场(存栏量约20万只)发酵处理过的鸡粪, OTC、TC和CTC残留量分别为ND、0.68 mg·kg-1和ND.总体来看, 3种TCs的污染程度猪粪＞鸡粪, 猪粪中TC＞CTC＞OTC, 鸡粪中CTC＞TC＞OTC.

表 3 猪粪、鸡粪中TCs残留情况 Table 3 Tetracyclines residues in swine and chicken manure

2019年所调查的31份猪粪样品和24份鸡粪样品中, TCs总检出率较2014年略有降低, 分别为82.8%和77.8%, 其中OTC的检出率分别为83.9%和79.2%, TC的检出率分别为83.9%和83.3%, CTC的检出率分别为80.6%和70.8%, 各类四环素类抗生素在猪粪中的检出率均高于鸡粪.粪便中的TCs含量均较2014年有大幅度地下降, 其中猪粪中的OTC、TC、CTC和 Σ TCs 平均值分别为3.39、4.82、5.92和15.95 mg·kg-1, 最小值均低于检出限, 最大值分别为11.59、53.14、23.06和71.9 mg·kg-1; 鸡粪中的OTC、TC、CTC和 ΣTCs 平均值分别为1.10、1.35、4.22和5.16 mg·kg-1, 最小值均低于检出限, 最大值分别为9.17、11.21、5.90和18.11 mg·kg-1. 3种TCs的污染程度猪粪＞鸡粪, CTC＞TC＞OTC.

2019年猪粪和鸡粪中的四环素类抗生素含量及检出率均较2014年有大幅度地下降, 猪粪中OTC、TC、CTC和 ΣTCs含量分别降低了74%、94.75和90.5%.

2.2 重庆地区畜禽粪便中TCs风险评估

计算得到的猪粪、鸡粪中TCs的PNECs值和HQ值列入表 4.在所调查的畜禽粪便样品中, 2014年猪粪样品中的OTC、TC和CTC预测环境浓度分别高达97.15、683.45和465.11μg·kg-1, 鸡粪样品3种TCs浓度分别为21.14、22.89和142.04μg·kg-1, 而到了2019年, 猪粪样品分别降低到7.86、14.13和19.84μg·kg-1, 鸡粪样品分别降低到了6.40、5.04和4.00 μg·kg-1, 总体上猪粪TCs的PNECs仍高于鸡粪.

表 4 猪粪和鸡粪中TCs的风险评估 Table 4 Risk assessment of TCs in pig manure and chicken manure

根据HQ值的大小可以将风险系数分为3类, 即HQ＞1属于高风险, 1≥HQ＞0.1属于中等风险, HQ≤0.1属于低风险[27].以蓝细菌为环境敏感生物评估畜禽粪便的生态风险商时, 2014年猪粪中OTC、TC和CTC的高风险比例分别为50%、43%和43%, 中等风险比例分别为21%、43%和36%, 低风险比例分别为29%、14%和21%;鸡粪中OTC、TC和CTC的高风险比例分别为25%、0和50%, 中等风险比例分别为17%、33%和36%, 低风险的比例分别为58%、83%和17%; 2019年猪粪中OTC、TC和CTC的高风险比例为0、0和7%, 中等风险的比例分别为53%、13%和70%, 低风险比例分别为47%、87%和23%;鸡粪中OTC、TC和CTC的高风险比例均为0, 中等风险的比例分别为50%、4%和29%, 低风险的比例分别为50%、96%和71%.由于蓝细菌对TCs的生物毒性更加敏感, 其次为土壤微生物, 大白菜最不敏感, 所以3种评估方法得到的HQ值分别为:蓝细菌＞土壤微生物＞大白菜, 综合比较, 鸡粪中的TCs生态风险较猪粪要低, 2019年畜禽粪便中的TCs生态风险较2014年大幅度降低, 不同抗生素间总体比较, 风险值:CTC＞OTC＞TC.

2.3 重庆地区菜田土壤中TCs含量特征

重庆地区菜田土壤中TCs的含量特征见表 5.在调查的104块菜田中, 土壤中OTC、TC、CTC和 ΣTCs的平均含量分别为18.92、39.10、21.80和79.81μg·kg-1.不同类型的菜田中, TCs含量表现为:养殖场附近菜田＞无公害蔬菜基地＞普通菜田; 在养殖场附近的菜田中, 露地普遍TCs含量高于大棚, 而在无公害蔬菜基地, TCs含量普遍表现为大棚＞露地, 普通菜田中TCs含量表现各不相同.

表 5 土壤中TCs残留情况 Table 5 Residues of Tetracyclines in soil

表 6 不同种植蔬菜类别土壤中TCs残留情况 Table 6 Residue of TCs in soil of different vegetable classes

按照不同类别蔬菜来划分菜田种类得到的结果如表 6所示.本次调查中叶菜类有莴苣、牛皮菜、木耳菜、甘蓝、空心菜和苕尖这6种蔬菜, 茄果类包括番茄、辣椒、茄子和秋葵4种蔬菜, 瓜类蔬菜包括丝瓜、南瓜、黄瓜、苦瓜、冬瓜和西葫芦这6种蔬菜, 豆类蔬菜只有豇豆1种.4类蔬菜菜田土壤中的TCs含量比较可知, OTC含量:瓜类＞豆类≈叶菜类≈茄果类, TC含量:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类, CTC含量:叶菜类＞瓜类≈茄果类＞豆类, TCs总含量:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类, 种植不同类型蔬菜的菜田TCs略微有所差异, 可能跟不同蔬菜的施肥种类及施肥量有关系.

2.4 重庆地区菜田土壤中TCs风险评估

根据公式(1)计算得到不同类型菜田TCs的生态风险值(HQ)如表 7所示.整体上看, 各类种植方式下的HQ均＜1, 其中CTC＞OTC＞TC.其中OTC、TC和CTC的HQ均以养殖场附近的露地种植模式最高, 其次为养殖场附近的大棚模式, 无公害蔬菜基地和普通菜田均较低, 其中无公害蔬菜基地各种TC的HQ均低于0.1;普通菜田在大棚种植模式下TC的HQ及两种种植模式下的CTC的HQ均＞0.1而＜1, 其它均低于0.1.

表 7 不同类型菜田TCs生态风险值 Table 7 Hazard quotient values of TCs for different types of vegetable fields

不同种类蔬菜的菜田土壤TCs的HQ值如表 8所示.各类蔬菜的菜田TCs的HQ值均没有显著性差异.

表 8 种植不同类蔬菜菜田土壤TCs生态风险 Table 8 Hazard quotient values of TCs in different vegetable fields

3 讨论

由于大型养鸡场养殖密度大, 防疫要求高, 抗生素使用量相对较大, 加之鸡的消化道短, 鸡粪中抗生素含量较高, 且更容易通过粪便在土壤和农产品中富集[22].但本次调查的重庆市畜禽粪便样品中, 2014年和2019年猪粪的TCs生态风险均高于鸡粪.原因可能是大型养鸡场在鸡饲养过程中使用了其它抗生素, 而四环素类抗生素施用量相对较少, 此外可能也跟采样时间、次数有关.提示重庆市大型、规模化生猪养殖场排放的未经处理粪便所带来的抗生素潜在污染应引起广泛的关注.本次调查发现, 除2014年猪粪样品中TC的平均值最高外, 其余3类样品均为CTC的平均值最高.张志强[28]对天津地区的部分畜禽粪便调研结果也发现四环素类抗生素中CTC的含量高于其余2种抗生素.总体来讲, 3种抗生素的检出率均较高, 同一个样品中经常可以同时检测到2~3种四环素类抗生素, 个别粪样抗生素残留水平高达数十甚至数百个mg·kg-1.不同地区间粪样的TCs含量表现出较大的差异, 这主要受养殖场规模和光温条件、抗生素用量及种类偏好, 取样时距给药时间长短等因素影响.

按照欧盟规定的标准[15], 引发环境风险的土壤中抗生素含量0.1 mg·kg-1估算, 菜田每年种植2~3茬, 每公顷以鸡粪、猪粪、牛粪为主要成分的有机肥施入总量大多在75 t以上(湿基, 按60%含水量计), 当有机肥中抗生素含量在7.5 mg·kg-1以上时, 由当季有机肥带入土壤中的抗生素就会超过生态安全触发线.从重庆地区畜禽粪样及有机肥的调查结果看, OTC、TC和CTC残留超过这个触发线的猪粪和鸡粪样品比例分别为50%、85.7%、42.9%和25%、16.7%、58.3%.根据笔者的估算, OTC、TC和CTC残留在猪粪和鸡粪的风险系数HQ平均值除了鸡粪中OTC和TC的HQ值低于1外, 其余都高于1, 猪粪和鸡粪中OTC、TC和CTC的高风险比例为50%、43%、43%和25%、0、50%. Li等[27]调查的东北三省的畜禽粪便中OTC、TC和CTC的HQ同样高达15.75、1.40和7.60, 相比较而言, 重庆地区畜禽粪便的总体HQ值要低于东三省, 但TC和CTC略高于东三省.

畜禽粪便有机肥是土壤抗生素的重要来源[5].孔晨晨等[29]研究农用地土壤抗生素的积累规律认为, 施用畜禽粪便是造成土壤抗生素污染的主要途径, 同时土壤性质也对土壤抗生素含量有一定的影响.抗生素从畜禽粪便向土壤中转移是一个复杂的过程, 转移过程存在吸附与解吸, 降解、渗滤等理化反应, 抗生素总量会有所减少.在本次调查的样品中, 土壤中TCs含量和畜禽粪便中TCs呈现良好的相关性, 同时土壤中实际TCs含量要低于畜禽粪便的PECs值, 说明畜禽粪便在转移过程中有所减少.

不同的土壤利用方式也会造成土壤抗生素含量的差异.潘霞等[30]的研究发现, 菜园土壤抗生素含量大于果园和林地.本研究发现菜园土壤OTC含量大小顺序为:瓜类＞豆类≈叶菜类≈茄果类; 菜园土壤TC含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类; 菜园土壤CTC含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类≈茄果类＞豆类; 菜园土壤TCs总含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类.说明种植不同种类蔬菜的土壤抗生素含量也不相同.这可能与不同种类蔬菜的抗生素吸收富集能力和施用的畜禽粪便种类及施用量有关.

重庆地区农田土壤中OTC、TC和CTC的HQ值均＜1, 其中OTC、TC和CTC的HQ值均以养殖场附近的露地种植模式最高, 其次为养殖场附近的大棚模式, 无公害蔬菜基地和普通菜田均较低, 其中无公害蔬菜基地各种TCs的HQ均低于0.1;普通菜田在大棚种植模式下TC的HQ及两种种植模式下CTC的HQ值为0.1 < HQ < 1, 其它均低于0.1.该结果与Li等[2]的报道相似.各类种植方式下均以CTC＞OTC＞TC.其中OTC、TC和CTC的HQ以养殖场附近的露地种植模式最高, 其次为养殖场附近的大棚模式, 无公害蔬菜基地和普通菜田均较低, 其中无公害蔬菜基地各种TCs的HQ均低于0.1;普通菜田在大棚种植模式下TC的HQ及两种种植模式下CTC的HQ值为0.1 < HQ < 1, 其它均低于0.1.

由于此项调查的土壤均来自随机选取的农田, 畜禽粪便有机肥来源、质量以及种植作物均存在较大差异, 尚不能得出施肥量、有机肥种类以及施用时间与TCs残留之间的直接关系.因此, 从源头上控制进入土壤的四环素类抗生素总量才是防治四环素类抗生素残留的最佳途径.

4 结论

(1) 2014年调查的重庆市畜禽粪便中, 猪粪的TCs总含量比鸡粪高4.47倍.2019年畜禽粪便中的TCs生态风险较2014年大幅度降低, TCs的风险值以CTC＞OTC＞TC, 鸡粪中的TCs生态风险仍低于猪粪.

(2) 重庆主要蔬菜基地及周边菜田土壤TC＞CTC＞OTC.不同类型的菜田中, TCs含量表现为:养殖场附近菜田＞无公害蔬菜基地＞普通菜田; 在养殖场附近的菜田中, 露地普遍TCs含量高于大棚, 而在无公害蔬菜基地TCs含量普遍表现为大棚＞露地, 普通菜田中TCs含量表现各不相同.

(3) 种植不同类别蔬菜的土壤OTC含量大小顺序为:瓜类＞豆类≈叶菜类≈茄果类; 土壤TC含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类; 土壤CTC含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类≈茄果类＞豆类; 土壤TCs总含量大小顺序为:叶菜类＞瓜类＞茄果类＞豆类.

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