木本植物根系对环丙沙星和泰乐菌素在土壤中迁移的影响

《Journal of Contaminant Hydrology》：Effects of woody plant roots on migration of ciprofloxacin and tylosin in soil

抗生素迁移与木质植物根系互作机制研究，以紫荆、花梨木、海棠三种木质植物为对象，通过土壤柱实验比较不同根系类型对环丙沙星（CIP）和泰乐菌素（TYL）吸附与迁移的影响。结果表明木质植物根系显著提高土壤渗透能力（39.53%-56.29%），促进抗生素向中下层根系迁移（紫荆增幅最大18.10%-47.29%），其中CIP吸附增加30.41%-101.22%，TYL吸附减少62.41%-86.49%。研究进一步发现土壤有机质（SOM）对CIP吸附无显著相关（p>0.05, r=0.41），但显著负相关于TYL吸附（p<0.01, r=-0.91）。

　　本研究聚焦于抗生素在土壤中迁移过程中的植物根系影响，特别是木质植物根系对两种常见抗生素——环丙沙星（CIP）和泰乐菌素（TYL）的迁移特性。随着全球人口的快速增长和城市化进程的加快，非点源污染问题日益严重，尤其是与农业和畜牧业相关的新兴污染物，如抗生素，已成为全球普遍关注的环境问题。抗生素通过地表径流和渗透作用进入水体和其他环境介质，广泛存在于土壤-植物-微生物系统中，对生态环境和人类健康构成潜在威胁。因此，探索有效的抗生素污染控制和治理技术具有重要意义。

在土壤修复技术中，植物根系的作用尤为突出。植物根系不仅能够改变土壤结构，还能通过其生长过程促进土壤有机质的积累，从而提升土壤的渗透性和孔隙度。这些改变有助于提高污染物的迁移效率，同时也可能影响污染物的吸附和降解过程。例如，一些研究表明，植物根系能够显著提升土壤的渗透率，进而影响抗生素在土壤中的迁移路径。此外，植物根系周围形成的根际环境，通过微生物活动、酶促反应以及根系分泌物，对污染物的迁移和转化产生重要影响。

木质植物，如树木，其根系结构通常包括主根和须根系统，且往往具有发达的侧根。这种复杂的根系结构不仅能够改变土壤的物理特性，还可能对化学物质的迁移路径产生深远影响。与草本植物相比，木质植物的根系更加发达，延伸范围更广，深度更深，这使得它们能够更直接地与地下水系统相连，从而对地下水质量产生显著影响。木质植物根系的这种特性，使其在抗生素迁移研究中成为一个重要的研究对象。

本研究选择了三种具有不同根系类型的木质植物：日本槐（S. japonica）以主根系统为主，山丁子（M. baccata）则以须根系统为主，而苹果树（M. pumila）则兼具主根和须根系统。研究通过设置不同类型的土壤柱实验，分析了植物根系对CIP和TYL迁移行为的影响。结果显示，植物根系能够显著提升土壤的渗透能力，与未种植的压实土壤相比，渗透能力提升了39.53%至56.29%。这一变化直接导致了土壤柱出水中的抗生素质量增加，其中CIP的出水质量增加了0.05至0.52倍，而TYL的出水质量增加了1.36至2.59倍。值得注意的是，TYL的迁移受植物根系的影响更为显著，其出水质量比未种植土壤增加了更多的倍数。

植物根系对CIP和TYL的吸附能力也表现出明显的差异。对于CIP而言，植物根系的吸附能力提升了30.41%至101.22%，而在TYL的吸附过程中，植物根系则表现出抑制作用，吸附量减少了62.41%至86.49%。这种差异可能与两种抗生素的理化性质有关。CIP分子量较小，且在水和有机相之间的分配系数较低，这使其更容易被植物根系吸收。相比之下，TYL分子量较大，且具有较高的水溶性，这可能导致其在土壤中的吸附行为与CIP不同。研究还发现，TYL的吸附与土壤有机质含量之间存在显著的负相关关系，而CIP的吸附与土壤有机质之间的相关性则不显著。

此外，植物根系还影响了抗生素在土壤柱中的分布。与未种植土壤相比，植物根系促进了CIP和TYL向土壤中层和下层迁移。其中，日本槐的根系对CIP的迁移促进作用最为显著，达到了18.10%至47.29%的增幅；山丁子的根系对CIP的迁移促进作用次之，为13.69%至26.10%；而苹果树的根系对CIP的迁移促进作用相对较小，为11.93%至17.38%。这一结果表明，不同根系类型的植物对抗生素迁移的影响存在差异，主根系统可能在促进抗生素迁移方面更具优势。

在植物根系对抗生素迁移的影响机制中，根系结构和根际环境扮演了重要角色。植物根系的生长不仅增加了土壤的有机质含量，还改变了土壤的结构和孔隙度，从而影响了抗生素的迁移路径。同时，根际环境中的微生物活动和酶促反应也对抗生素的迁移和转化产生影响。一些研究指出，根际微生物可以通过生物降解和生物吸附的方式减少抗生素在土壤中的残留。例如，某些假单胞菌株能够完全降解氧氟沙星，而土壤中的酶则可以辅助微生物降解抗生素。此外，植物根系分泌物能够促进微生物和酶的活性，从而进一步影响抗生素的迁移和转化过程。

研究还发现，植物根系对CIP和TYL的迁移影响并非单一因素所致，而是多种机制共同作用的结果。一方面，植物根系的生长改变了土壤的物理结构，增加了土壤的渗透能力，从而促进了抗生素的迁移。另一方面，植物根系对不同抗生素的吸附能力也存在差异，这可能与抗生素的分子特性有关。CIP由于分子量较小，更容易被植物根系吸收，而TYL由于具有较高的水溶性，其迁移可能更多地受到土壤物理结构的影响。此外，根际微生物的活动也对两种抗生素的迁移产生了不同的影响，这可能与微生物对不同抗生素的降解能力有关。

综上所述，木质植物根系对抗生素迁移的影响是多方面的，既包括物理结构的改变，也包括化学吸附和生物降解等过程。这些影响机制的复杂性使得植物根系在抗生素污染治理中具有重要的应用潜力。然而，目前关于木质植物根系对抗生素迁移影响的研究仍较为有限，尤其是在根系类型对抗生素迁移的具体影响机制方面，仍需进一步探讨。未来的研究可以结合更多的植物种类和抗生素类型，深入分析植物根系对污染物迁移的影响规律，为抗生素污染的生态修复提供更全面的理论支持和技术手段。