不同土壤含水量条件下四环素对农业土壤中砷酸盐还原作用的影响

《Environmental Pollution》：Tetracycline effects on arsenate reduction in agricultural soils under different soil water contents

本研究探讨四环素在土壤不同含水量（50%、75%和淹水）下对砷形态转化的影响。结果表明：添加四环素使50%和75%田间持水量土壤中As(III)浓度分别增加59%和779%，而淹水条件下显著加速As(V)还原但未改变As(III)浓度。这种效应源于土壤氧化还原电位降低及Comamonadaceae、Bacillaceae等砷还原菌丰度增加。研究证实四环素通过生物地球化学机制调控砷形态，75%含水量时协同效应最显著，提示可能通过As(III)生物累积威胁农产品安全。

　　在农业土壤中施用粪肥可能会导致抗生素和重金属的共同污染，这种现象对生态环境和人类健康构成了重大威胁。然而，关于这种共同污染的研究仍显不足。本研究探讨了四环素添加对不同土壤含水量条件下砷酸盐还原的影响。土壤样品在50%田间持水量、75%田间持水量以及淹水条件下进行了30天的培养。结果显示，四环素的添加显著提高了土壤中As(III)的浓度，分别在50%和75%田间持水量条件下分别增加了59%和779%。相比之下，在淹水条件下，四环素加速了As(V)的还原，但并未对As(III)的浓度产生明显影响。这种效应与土壤含水量密切相关，并且在75%田间持水量时达到最大值。As(III)相较于As(V)具有更高的毒性和迁移性，因此其浓度的显著增加意味着环境毒性可能大幅上升，并对农业产品的生物累积风险产生潜在影响。这些发现强调了四环素在土壤干湿循环过程中对砷生物地球化学过程的作用，以及其通过As(III)生物累积对农业产品安全的潜在风险。

四环素是一类广谱抗生素，包括四环素、氧四环素和氯四环素等，广泛应用于家禽养殖业。然而，动物无法完全代谢四环素，导致摄入的四环素中有30%至90%以母体化合物或代谢产物的形式通过粪便排出。四环素通过动物粪便进入土壤环境，途径包括动物群落的径流、有机肥的施用以及使用处理过的废水进行灌溉。在多个国家的农业土壤中，四环素被频繁检测到，其中在中国，其浓度甚至可高达25μg/g。一旦进入土壤，四环素不仅能够杀死某些土壤微生物，还可能改变土壤微生物群落的结构，从而影响土壤中的硫化物还原和氮转化等微生物功能。此外，土壤中的四环素还能增加抗生素抗性基因（ARGs）的丰度，这些基因被视为新兴的生物污染物。最近的研究表明，四环素及其代谢产物，尤其是4-差向异构体，能够在土壤中转化为其母体抗生素，导致四环素的长期残留，这表明土壤中四环素的风险可能被低估。

砷是一种典型的有毒类金属，对食品安全和人类健康构成威胁，因其普遍存在而受到公众关注。砷的毒性和迁移性与其化学形态密切相关，其中As(III)比As(V)更具毒性和迁移性。在土壤中，As通常以As(V)的形式存在，但在淹水条件下，As(V)可以被还原为As(III)。在现实环境中，多种污染物往往同时存在，这种多重污染现象使得研究变得复杂。例如，在As污染的土壤中施用含有四环素的粪肥，以及在畜牧业中使用含砷的饲料添加剂（如 Roxarsone），可能导致动物粪便和土壤中同时检测到As和四环素。Ji等（2012）的研究表明，农田中四环素和As的浓度可能分别达到25μg/g和617μg/g。因此，理解As和四环素在生物地球化学过程中的相互作用具有重要意义。

近年来，一些研究将As和四环素的共同污染视为一个综合的污染情景，探讨农业实践和修复策略对这些复杂系统的影响。例如，Yan等（2022）发现，猪粪衍生的溶解性有机质（DOM）在As和氧四环素共同污染的稻田土壤中，有助于有毒As(III)的积累，并通过水平基因转移促进ARGs的扩散。Wu等（2022）则研究了铜-锰复合氧化物在同时去除四环素和As(III)中的机制。其他研究则关注As和四环素之间的相互作用及其对As形态、微生物群落及相关功能基因的影响。Deng等（2022）和Tong等（2023）表明，四环素可以通过反应性氧物种（如•OH和O2?•）促进As(III)的氧化，这表明类似的现象可能在稻田土壤中发生。然而，四环素对As动态的影响在淹水土壤中有所不同。Yamamura等（2014）发现，在50μg/mL四环素存在下，从小型静水区域收集的沉积物中As(V)的还原在0-7天内有所增强。Shen等（2022）也发现，四环素在淹水土壤中促进了As(V)向As(III)的释放和还原，通过共选择作用增加了砷酸盐还原菌和相关基因的相对丰度。这些不同的研究结果表明，土壤微生物活动可能在As和四环素共同污染的土壤中对As动态的影响大于地质化学过程。此外，在农业活动中，土壤含水量经常经历干湿循环，这种变化会调节As和四环素的动态，并进而影响它们之间的相互作用。

为了阐明As和四环素在农业土壤中的潜在相互作用，本研究考察了四环素对不同土壤含水量条件下As形态分布的影响。我们假设四环素能够促进砷酸盐的还原，而这种效应的强度会受到土壤含水量的影响。具体而言，本研究旨在实现两个目标：一是评估四环素对不同含水量土壤中As形态分布的影响；二是阐明在四环素存在下土壤微生物在As形态转化中的作用。通过这一研究，我们期望更深入地理解四环素在农业土壤中的行为及其对As形态和环境风险的影响。

本研究的土壤样本采集自中国杭州余杭农场的表层20厘米土壤，时间是在2023年11月。该地块在2020年前种植水稻，此后一直未进行耕作。总共采集了大约150公斤的土壤，来自10个采样点，相邻采样点之间的间隔约为5米。所有样本均取自0-20厘米的深度层。采集后的土壤进行了风干、过筛（<2毫米）和充分混合处理。这些土壤样本随后被用于实验，以研究四环素对As形态的影响。

在As60和AsTC处理中，不同含水量条件下H3PO4可提取As的浓度如图1A所示。在30天培养后，AsTC处理的平均可提取As浓度分别为50%田间持水量和75%田间持水量条件下41.3μg/g和32.8μg/g，分别比As60处理低10%和12%（p<0.05）。然而，在淹水条件下，As60和AsTC处理的可提取As浓度没有显著差异。这一结果表明，四环素在一定程度上降低了As的可提取性，尤其是在较低含水量条件下。这种降低可能是由于四环素与As之间的络合作用，从而减少了As在土壤中的生物可利用性。然而，在淹水条件下，这种络合作用的效果不明显，可能是因为高水分环境促进了As的还原，从而改变了其形态和生物可利用性。

在不同的土壤含水量条件下，四环素对As形态的影响存在显著差异。在50%和75%田间持水量下，四环素的添加显著提高了As(III)的浓度，而在淹水条件下，四环素则主要促进了As(V)的还原。这一现象可能与土壤氧化还原电位（Eh）的变化以及微生物群落的组成有关。四环素的添加可能降低了土壤的氧化还原电位，从而促进了As(V)的还原反应。此外，四环素的存在可能通过选择压力改变了土壤微生物群落的结构，增加了砷酸盐还原菌的相对丰度。这种微生物群落的变化可能是四环素促进As(V)还原的主要机制。

研究结果还表明，四环素对As形态的影响在75%田间持水量条件下最为显著。这一含水量水平在农业生产中具有重要意义，因为它通常与作物生长的最佳条件相吻合。因此，四环素对As形态的影响可能在农业实践中更为关键。此外，As(III)的增加意味着土壤中砷的毒性和迁移性可能显著上升，这可能对农业产品的安全性构成潜在威胁。因此，农业土壤中四环素和As的共同存在可能会导致砷形态的改变，从而影响其在环境中的迁移和生物累积。

综上所述，本研究揭示了四环素在农业土壤中对As形态的显著影响，并表明这种影响受到土壤含水量的调控。四环素通过降低土壤氧化还原电位和改变微生物群落结构，促进了As(V)的还原，并在某些条件下降低了As的可提取性。这些发现对于理解农业土壤中抗生素和重金属的共同污染机制具有重要意义，并为制定有效的土壤修复和管理策略提供了科学依据。未来的研究应进一步探讨四环素对As形态的具体影响机制，以及其在不同土壤类型和环境条件下的作用差异。此外，还需关注四环素与其他污染物的相互作用，以全面评估其对生态环境和人类健康的潜在风险。