猪场粪污中典型重金属和抗生素的去除及农用风险评估

为了解规模化猪场粪污中重金属和抗生素的残留水平,选取山东省某规模化养猪场,采集不同处理阶段废水(暂存池、初沉池、二沉池、终沉池和氧化塘)和好氧反应器进出料,采用原子吸收法/电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)及超高效液相色谱-串联质谱(UPLC-MS-MS)分别对6种主要重金属(Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb)和6种典型抗生素(土霉素、金霉素、强力霉素、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑)进行测定,并采用内梅罗污染指数法和生态风险商值对氧化塘出水和堆肥产品中重金属或抗生素进行生态风险评估。结果表明:6种重金属和6种抗生素在废水和堆肥产品中均有检出,废水中重金属主要为Cu和Zn,最高浓度分别为15042.5μg·L^-1和20890.3μg·L^-1;主要残留抗生素为土霉素、金霉素和强力霉素,其中土霉素最高浓度可达234.1μg·L^-1。猪场废水处理工艺中"固液分离+UASB+多级A/O+氧化塘"组合工段能有效去除重金属和抗生素,重金属的去除率为74.8%~99.7%(Pb除外),抗生素的去除率为39.4%~99.8%,其出水水质满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)。猪粪中抗生素在好氧反应器堆肥过程中的降解率为49.8%~90.9%;好氧堆肥产品中Pb、Zn含量超过了我国《有机肥料》(NY 525—2012)或《农用污泥污染物控制标准》(GB 4284—2018)。研究表明,强力霉素和土霉素为氧化塘出水中主要的高风险污染物,排入环境会造成一定的生态风险,需要采取减量等消减措施;Pb、Zn是堆肥产品中主要的污染物,直接施用农田会带来潜在风险。     

不同锌水平对低剂量镉在水稻中迁移能力的影响

本研究利用水稻作为供试植物,在轻度镉(Cd)污染[镉浓度分别为0 mg·L~(-1)、0.01 mg·L~(-1)(低剂量)、0.03 mg·L~(-1)(中剂量)、0.09 mg·L~(-1)(高剂量)]水培条件下,通过外源添加不同剂量锌(Zn,浓度分别为0 mg·L~(-1)、0.025 mg·L~(-1)、0.05 mg·L~(-1)、0.1 mg·L~(-1)、0.2 mg·L~(-1))研究水稻生物量变化及Cd在水稻体内分布和迁移,探索Zn、Cd间的相互关系,并筛选治理水稻Cd污染的最适外源Zn浓度。结果表明,施加外源Zn水稻根茎叶的生物量均有所增加,且Zn浓度为0.05 mg·L~(-1)效果最显著。缺Zn条件(0 mg·L~(-1))下,水稻根细胞质和细胞壁中的Cd含量比值随外源Cd浓度增加而降低;加入外源Zn后,细胞质与细胞壁中Cd含量比值有上升趋势,0.03 mg·L~(-1) Cd水平下变化显著。中低剂量(0.01~0.03 mg·L~(-1))Cd水平下,施加Zn可降低水稻根部对Cd的吸收和转运。其中Zn浓度为0.05 mg·L~(-1)时,水稻根、茎、叶中的Cd含量下降最为显著,分别下降38%、71%、65%(低剂量Cd)和44%、79%、69%(中剂量Cd),且水稻根与茎、根与叶的转移系数分别降低53%和44%(低剂量Cd)、62%和40%(中剂量Cd);而后随Zn浓度增加水稻各部位Cd含量及转移系数无显著变化。在高剂量Cd环境下,施加外源Zn对水稻根、茎、叶Cd含量没有显著的抑制作用。因此,在中低剂量的Cd污染条件下,Zn、Cd间存在明显的拮抗作用,且外源添加0.05 mg·L~(-1) Zn是降低水稻Cd吸收迁移及增加水稻产量的最适浓度。     

我国典型农田土壤中Cr（Ⅵ）的老化过程及主控因子

土壤性质对外源Cr(Ⅵ)的老化具有重要影响。我国土壤类型多样,对Cr(Ⅵ)在不同农田土壤中的老化过程及主控因子的研究尚不完善。本研究采集了我国12种性质不同的农田土壤,采用0.05 mol·L^-1 EDTA作为有效态提取剂,耦合HPLC-ICP-MS联用技术、动力学模型拟合和多元线性回归等手段,探讨了外源Cr(Ⅵ)在老化过程中有效态Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)动态变化过程及主控因子。结果表明,外源Cr(Ⅵ)添加到土壤后起初60 d,土壤中有效态Cr(Ⅵ)从6.71%~68.71%迅速下降到4.53%~45.17%,之后趋势变缓并逐渐平稳(3.25%~34.35%)。二级动力学模型可以较好地描述所有土壤中有效Cr(Ⅵ)的老化过程(R^2>0.99);土壤性质与二级动力学模型中老化速率的逐步回归分析结果表明,土壤pH是控制Cr(Ⅵ)老化速率的主控因子。基于二级动力学模型,推导得出Cr(Ⅵ)进入土壤后的近似老化平衡时间为6~158 d,其主控因子为pH和有机质。此外,Cr(Ⅵ)老化过程中,还原产生的有效态Cr(Ⅲ)在2 d到30 d呈现快速上升,到达最高值(0.27%~3.27%)后迅速下降,最后趋于稳定(0.01%~2.19%),其老化过程可能与Cr(Ⅵ)的还原与老化及Cr(Ⅲ)自身老化有关。     

土壤中Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)生态毒性的差异性研究

土壤铬(Cr)的毒性与其价态密切相关,为了比较不同价态Cr对多种生物指标和生态系统的毒性差异,并为Cr污染土壤的生态风险评价提供依据。本文通过文献搜集的基于中国土壤的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)生态毒理学数据,分别建立了Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)对各生物指标的半数有效浓度(EC_(50))和10%有效浓度(EC_(10))与土壤性质关系的预测模型,在模型种间外推和归一化处理后,利用BurrⅢ构建了中性土壤情景下Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的物种敏感性分布(SSD)曲线,并根据潜在影响比例(PAF)的公式反推出在不同PAF下Cr(Ⅵ)与Cr(Ⅲ)在生态系统水平上的毒性差异。结果表明:小白菜根伸长和土壤脱氢酶活性分别是对土壤Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)污染最敏感的生物指标;在物种水平上,两种价态Cr的毒性差异因生物指标的变化而不同;在生态系统水平上,两种价态Cr的毒性差异随PAF而发生变化,在较大的PAF范围内(基于EC_(50)和EC_(10)数据的PAF分别在84.4%和87.3%以下)和通常的保护水平(PAF为5%)下,Cr(Ⅵ)的生态毒性显著高于Cr(Ⅲ)。本研究表明Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)的生态毒性存在着显著差异,根据Cr的价态组成从生态系统毒性水平上进行研究,能够综合反映土壤Cr污染的生态风险并为土壤修复管理等提供参考。     

土壤外源铬的作物毒性响应及富集差异研究

为了研究土壤外源铬（Cr）对不同作物毒性和有效性的差异，本研究选用生菜、小麦和玉米作为受试植物，分别采用K₂CrO₄溶液和某化工厂Cr污染土壤作为土壤外源Cr污染来源开展了作物根伸长实验和田间试验。结果表明：两种外源Cr处理土壤中，小麦根伸长的EC₁₀和EC₅₀值（10%和50%效应浓度）分别为生菜相应值的2.22~2.35倍和1.45~1.87倍，说明生菜对土壤Cr污染更为敏感。外源添加化工厂Cr污染土壤的处理中EC₁₀值大约为外源添加K₂CrO₄处理土壤中的14~15倍，而对于EC₅₀值该倍数为4~5倍。田间试验中，与对照处理相比，两种外源Cr处理均显著增加了土壤中乙二胺四乙酸提取态Cr（EDTA-Cr）含量。生菜-小麦-玉米轮作过程中，在生菜种植的3个月内，土壤中EDTA-Cr含量下降迅速，不同外源Cr处理中下降了75.2%~89.4%。在小麦和玉米种植期间，EDTA-Cr含量下降速率变慢，到玉米收获后EDTA-Cr含量共下降了89.0%~94.9%，并且外源添加K₂CrO₄处理的土壤中EDTA-Cr含量的下降速率高于添加化工厂Cr污染土壤的处理。三种作物可食用部分Cr含量均低于国家食品安全标准，但生菜对Cr的富集显著大于小麦和玉米的。     

小麦对土壤铬富集和转运的品种差异性研究

为了筛选铬(Cr)的低累积小麦品种从而为农产品安全生产提供依据,本文通过生物试验研究了小麦对土壤Cr富集和转运的品种差异性。设置0(CK)、5.6 mg·kg^-1(T1)和10.0 mg·kg^-1(T2)3个浓度的Cr(Ⅵ)处理,采用温室盆栽试验研究山东潮土和江西红壤中12个品种的小麦对土壤Cr的富集和转运规律。结果表明:在Cr(Ⅵ)处理浓度相同的情况下,同一品种小麦秸秆和籽粒Cr含量在两种土壤之间存在显著差异(P<0.05),山东潮土中的小麦籽粒Cr含量是江西红壤中的1.07~2.50倍。山东潮土中,不同品种小麦秸秆Cr含量在T1和T2处理下均无显著差异,籽粒Cr含量在T2处理下除轮选988和百农AK58外,其他品种间均有显著差异(P<0.05);江西红壤中,小麦秸秆Cr含量仅在扬麦20和轮选988中有显著差异(P<0.05),籽粒Cr含量在不同品种间无显著差异。T1和T2处理下,山东潮土和江西红壤中12个品种小麦的生物富集系数(小麦Cr含量与土壤有效态Cr浓度的比值)分别为0.19~1.38和0.18~2.08,Cr从秸秆到籽粒的转运系数(TF)分别为0.14~0.61和0.04~0.49。研究发现,小麦籽粒Cr含量和TF值呈显著正相关(P<0.05),土壤性质对小麦籽粒Cr含量影响的贡献率最大(P<0.001),山东潮土中有效态Cr浓度更高,对小麦的生物有效性更大。研究结果表明,山农17是Cr的低累积小麦品种,百农AK58是Cr的高累积小麦品种。