持续污染下洛克沙胂在土柱中的迁移转化及其风险评估_杨学磊.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1338-13462023年6月杨学磊，赵心怡，刘雅慈.持续污染下洛克沙胂在土柱中的迁移转化及其风险评估J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1338-1346.YANG X L,ZHAO X Y,LIU Y C.Migration and transformation of roxarsone in the soil column and its risk assessment under continuous pollutionJ.Journalof Agro-Environment Science,2023,42（6）：1338-1346.持续污染下洛克沙胂在土柱中的迁移转化及其风险评估杨学磊1，赵心怡2，刘雅慈3，4*（1.河北正润环境科技有限公司，石家庄 050061；2.河北水文工程地质勘察院有限责任公司，石家庄 050061；3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050061；4.福建省水循环与生态地质过程重点实验室，福建 厦门 361000）Migration and transformation of roxarsone in the soil column and its risk assessment under continuouspollutionYANG Xuelei1,ZHAO Xinyi2,LIU Yaci3,4*（1.Hebei Zhengrun Environmental Technology Co.Ltd,Shijiazhuang 050061,China;2.Hebei Hydrology Engineering Geological SurveyInstitute Co.Ltd,Shijiazhuang 050061,China;3.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of GeologicalSciences,Shijiazhuang 050061,China;4.Fujian Provincial Key Laboratory of Water Cycling and Eco-Geological Processes,Xiamen361000,China）Abstract：Poultry waste is typically disposed in the open without seepage prevention,leading to the feed additive roxarsone（ROX）entering the environment and causing inorganic arsenic（As）pollution.In this study,157-day one-dimensional soil column simulationwas conducted to explore the spatial and temporal variations of As compound morphology and concentration in the vertical vadose zoneunder continuous ROX contamination.The microbial response at different depths was analyzed using high-throughput sequencingtechnology.The results showed that during the 157-day simulation of continuous ROX contamination,the degradation rate of ROX wasvery high,being significantly higher than the migration rate.The degradation and adsorption of ROX occurred in the shallow soil layer（0收稿日期：2022-11-22录用日期：2023-02-08作者简介：杨学磊（1987），男，河北邯郸人，学士，研究方向为环境污染防治。E-mail：*通信作者：刘雅慈E-mail：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（41907175）Project supported：The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China（41907175）摘要：由于禽畜粪便未做防渗的露天堆积，导致饲料添加剂洛克沙胂（ROX）进入环境从而诱发无机砷污染。本研究通过157 d的一维土柱模拟探究了ROX长期持续污染的前提下，垂向包气带上砷化合物形态和含量的时空变化，并通过高通量测序技术揭示了不同深度的微生物群落结构响应。结果显示，在157 d的ROX持续污染模拟过程中，ROX降解速率很高，显著高于迁移速率，ROX的降解与吸附均发生在土壤浅层（010 cm）。ROX降解产物主要为As（）和As（），其中As（）含量明显高于As（）含量，砷化合物均主要聚集在040 cm深度，土壤中砷化合物含量显著高于土壤溶液中的含量，土壤对砷化合物的固定能力很强，砷化合物的迁移速度十分缓慢，157 d最大迁移深度为40 cm。由此可见，土壤一旦被砷污染，其长期危害难以消除。表层土壤中微生物群落结构与其他深度显著不同，结合RDA 与PERMANOVA分析证明深度和ROX含量是控制不同深度土壤中微生物群落多样性的主要影响因素。通过健康风险评估得知，表层土壤中ROX持续污染会诱发较大的砷致癌风险。因此，建议全面执行我国禁止使用ROX的规定，在仍然允许使用ROX的国家和地区，要加强对禽畜废弃物的规范处理，避免长期在未防渗的地面上露天堆积。关键词：洛克沙胂；持续污染；无机砷；迁移转化；微生物多样性中图分类号：X820.4；X713文献标志码：A文章编号：1672-2043（2023）06-1338-09doi:10.11654/jaes.2022-1196杨学磊，等：持续污染下洛克沙胂在土柱中的迁移转化及其风险评估2023年6月洛克沙胂（Roxarsone，ROX）是一种低毒化合物，在世界范围内被广泛用作禽畜饲料添加剂，用于促进家畜生长、增强肉类色素沉着和对抗肠道寄生虫。然而，大于95%的ROX通过家禽尿液和粪便排泄到环境中1，家禽粪便通常露天堆积或施于农田，ROX进入环境后能够在生物作用和非生物作用下迅速降解转化为无机砷。虽然 ROX 毒性较低，但其降解产物 As（）、As（）、二甲基胂酸（DMA）、甲基胂酸（MMA）、3-氨基-4-羟基苯胂酸（HAPA）和其他砷化合物的危害更大2。无机砷I-As，包括As（）和As（）化合物不仅毒性更大，而且比ROX更具流动性3。家禽粪便的土地利用将砷化合物引入环境，并增加砷污染土壤和水的风险4-5，同时，施用含ROX的肥料可显著提高植物对不同砷的吸收，这些植物包括水稻、蔬菜等6-7。例如：利用含有ROX及其代谢物的鸡粪改良土壤，土壤生物质量降低，在此土壤中生长的萝卜组织中发现了As（）、As（）和DMA，且其中砷含量随着鸡粪施用量的增加而增加8-9。考虑到人类和环境健康问题，欧盟（1999年）、美国（2013年）和我国（2018年）禁止使用ROX。然而，许多国家，包括墨西哥、印度和阿根廷仍然允许使用10，而且，ROX使用了几十年，已经导致环境中大量砷的积累。因此，有必要研究ROX进入土壤后的环境归宿。ROX可以在生物和非生物作用下转化。微生物在 ROX降解中起着关键作用11，在厌氧或好氧环境条件下可以将ROX转化为不同的砷化合物。ROX和微生物之间有着密切的关系，ROX可以促进微生物生长，反过来，微生物可以更快地降解ROX12。在厌氧条件下，ROX可在鸡粪富集物中被Clostridium快速转化，主要产物为HAPA和I-As13，分离出的第一个能够转化ROX的厌氧细菌是嗜碱菌Alkaliphilus oremlandii OhILAs14。另外两种菌株Shewanella oneidensisMR-1 和 Shewanella putrefaciens CN32 也可以在厌氧条件下转化ROX15-16。在好氧条件下，从砷污染的水稻土中分离出一株纯培养的细菌Enterobacter sp.CZ-1，并确定了一种ROX生物转化的新途径，其中ROX首先被还原为HAPA，然后乙酰化为N-AHPAA17。除微生物作用外，光照可使ROX发生光降解或光催化氧化转化，随着光强的增大，ROX降解效率逐渐提高。紫外线（UV）与其他氧化剂可形成高级氧化工艺，更加高效降解去除 ROX，例如 UV/Cl18、UV/ZnO19、UV/TiO220、UV/H2O221、UV/赤铁矿/草酸系统22。因为砷酸官能团的存在，ROX在土壤中的吸附表现出和As（）相似的性质，土壤中的金属氧化物和黏土矿物等对ROX均有很强的吸引力，而且土壤的理化性质对吸附过程都有影响23。影响ROX吸附的环境因素包括：矿物类型、金属离子、离子强度、pH值、溶解性有机质（DOM）等。吸附法被认为是处理ROX污染的一种经济且有效的方法，然而，对ROX的吸附若要达到吸附平衡通常耗费时间比较长，此外，与有机砷相比，通过吸附去除无机砷更彻底，且技术更成熟，因此，ROX的去除往往将吸附与降解或氧化相结合进行，首先由降解或光照氧化产生无机砷，进而通过吸附材料对生成的无机砷进行吸附，以达到彻底去除砷的目的24。向土壤中施用含ROX的禽畜粪便，会对土壤、水和植物造成砷污染的风险，因此有必要调查ROX进入环境后造成的砷污染。以往的研究多集中于ROX的转化或吸附，而对迁移的研究较少，尤其是在ROX持续污染的情景下，对ROX诱发砷污染和迁移的全过程缺乏研究。本研究通过一维土柱实验探究ROX持续污染的前提下，垂向包气带上砷化合物形态和含量的时空变化，揭示ROX使用导致的生态风险，提高人们规范使用饲料添加剂的意识，并重视对禽畜废弃10 cm）.ROX degradation products were mainly As（）and As（）,and the concentration of As（）was significantly higher than that ofAs（）,and As compounds were mainly clustered at a depth of 040 cm.The concentration of As compounds in soil was significantlyhigher than that in soil solution.Soil had a strong ability to fix As compounds,and the migration rate of As compounds was very slow.Themaximum migration depth was 40 cm in 157 days,which showed that once the soil was contaminated by As,the long-term harm caused byits compounds was difficult to eliminate.The microbial community structure of surface soil differed significantly from that at other depths.Combined with RDA and PERMAN