郭瑞子，羅雪蓮，張 草，張 帆，孫永學(xué)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，廣東廣州510642)

阿散酸在模擬池塘水體中的降解消除規(guī)律及對水生態(tài)的影響

郭瑞子，羅雪蓮，張 草，張 帆，孫永學(xué)

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)獸醫(yī)學(xué)院，廣東廣州510642)

【目的】研究模擬池塘水生態(tài)系統(tǒng)中阿散酸在水體與底泥中的降解規(guī)律及對水生態(tài)功能的影響.【方法】設(shè)立空白豬糞添加50、150和500 mg/L阿散酸的試驗池，采集不同時間池中水及2 cm深處底泥樣品，采用HPLC法測定阿散酸質(zhì)量濃度，HG-AFS法測定總砷含量.【結(jié)果和結(jié)論】阿散酸在水體和底泥中的降解時間隨藥物質(zhì)量濃度的增大而延長，降解半衰期分別為3.73～16.04和35.17～61.27 d，而總砷在底泥中呈現(xiàn)由淺入深的沉降趨勢且消減緩慢.各生態(tài)池用藥后對其溶解氧(DO)、pH和初級生產(chǎn)力(P/R)、底泥堿性磷酸酶、過氧化氫酶以及全氮和全磷含量等指標(biāo)進行定期檢測.結(jié)果表明:阿散酸質(zhì)量濃度≥150 mg/L對水生態(tài)系統(tǒng)可造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，高質(zhì)量濃度阿散酸對過氧化氫酶活性產(chǎn)生明顯的抑制作用，底泥全氮含量呈現(xiàn)“抑制-促進”變化過程，各質(zhì)量濃度下全磷含量均出現(xiàn)下降且呈現(xiàn)濃度依賴性關(guān)系.

阿散酸;水生態(tài)系統(tǒng);降解;生態(tài)影響

阿散酸(Asanilic acid，又名氨苯胂酸)是一種有機胂類化合物，因具有抗菌促生長、改進動物生產(chǎn)品質(zhì)等作用，自1996年被批準(zhǔn)用作飼料添加劑以來，在我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)上應(yīng)用非常廣泛.據(jù)估測，一個年出欄萬頭肉豬的養(yǎng)豬場僅在商品豬飼料中添加阿散酸100 mg/kg，則每年將使用360 kg阿散酸原藥，其經(jīng)糞尿等排放大約124 kg元素砷［1］.有試驗表明，阿散酸經(jīng)豬混料飼喂后經(jīng)胃腸道的吸收較少，生物利用度僅為24.5%，大部分以原形隨糞便排出體外［2-4］，并經(jīng)多種可能途徑(如施肥、糞便堆放、經(jīng)排污口排至魚塘等)進入土壤和水體中，其在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化、降解與潛在生態(tài)毒性以及可能經(jīng)食物鏈等途徑而增加人類的砷暴露風(fēng)險已引起人們的日益關(guān)注.本文通過建立池塘水生態(tài)池模型進行了不同質(zhì)量濃度阿散酸與豬糞混合物在生態(tài)池水及底泥中的降解消除規(guī)律及對水生態(tài)池功能的影響研究.

1 材料與方法

1.1 試驗藥品與主要試劑

阿散酸對照品，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.0%，由德國Dr.Ehrenstorfer公司提供;阿散酸原粉，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.6%，廣州惠華動物保健品公司生產(chǎn);甲醇為進口色譜純，三乙胺、甲酸、二氯甲烷等為國產(chǎn)分析純.

1.2 主要儀器

高效液相色譜儀，Agilent HP1100型，美國AGILENT公司;原子熒光光度儀 (HG-AFS)，AFS-9130型，北京吉天儀器有限公司;微波消解系統(tǒng)，意大利Milestone公司.

1.3 模型建立

采集一未污染的魚塘底表層底泥，充分混合并等量加入5 cm厚度的底泥到4個模擬生態(tài)池中(60 cm×30 cm×40 cm水族箱)，立即加入40 L已暴露脫氯24 h自來水，同時加入相當(dāng)于1 mg/L總氮(TN)的KNO3、0.1mg/L總磷(TP)的NaH2PO4及加入NaHCO3.分別在1號池加入100 g空白豬糞，2～4號池各加入100 g空白豬糞并分別添加50、150和500 mg/L阿散酸溶液，自然條件下培育1個月后池中出現(xiàn)藻類、浮游動物、小田螺等生物，系統(tǒng)逐漸成熟.

1.4 樣品采集及前處理

1.4.1 水體和底泥中阿散酸降解規(guī)律試驗 給藥前采空白水樣和底泥，用藥后分別于0.25、0.5、1、2、3、 5、7、10、14、21、30、40、54、75、103、142和170 d采水面下10 cm處水樣，并分別于1、3、7、14、21、49、63、91、119、147、203 d采集池底2 cm處底泥，-20℃保存?zhèn)溆?水樣前處理:充分混勻，取1 mL經(jīng)12 000 r/min離心10 min，過0.22μm有機微孔濾膜，上機檢測.底泥樣前處理:稱1.0 g底泥于15 mL離心管中，加入3 mL甲醇-乙腈混合液，旋渦混勻，8 000 r/min離心10 min，傾上清液，重復(fù)提取，合并2次上清液，40℃氮氣吹干后取1 mL流動相復(fù)溶，加入0.2 mL二氯甲烷經(jīng)渦旋振蕩2min，12 000 r/min離心10min.過0.22μm有機微孔濾膜，上機檢測.

1.4.2 底泥中總砷降解規(guī)律試驗 給藥前采空白底泥，用藥后分別于1、3、7、14、21、49、63、91、119、147、203 d采集2 cm處底泥.取0.5 g底泥樣于消解罐中，依次加入消解液(3 mL HF+3 mL HCl+3 mL HNO3)進行微波消解預(yù)處理.

1.5 樣品測定

1.5.1 水體和底泥中阿散酸濃度測定(HPLC法)

色譜條件:色譜柱ODS-2 HYPERSIL column(250mm× 4.6 mm，5μm);流動相:甲醇-磷酸鹽緩沖液(含0.005 mol/L磷酸二氫鉀，0.005 mol/L四丁基溴化銨和1.4 mL/L三乙胺，甲酸調(diào)pH至4.64～4.70)［V(甲醇)∶V(磷酸鹽)=4∶96］;紫外檢測波長244 nm.水體與底泥中阿散酸檢測限為0.05μg/g，定量限為0.1μg/g;絕對回收率86.5%～92.9%，變異系數(shù)日內(nèi)2.15%～3.51%，日間3.26%～3.99%.

1.5.2 底泥中總砷測定(HG-AFS法) 以體積分?jǐn)?shù)為2%鹽酸作載液，氬氣作載氣，體積分?jǐn)?shù)為1%硼氫化鉀為還原劑，采用HG-AFS法測定.底泥中總砷檢測限為0.05 ng/g，回收率為96.8%～101.5%，符合檢測要求.

1.5.3 生態(tài)池溶解氧(DO)和初級生產(chǎn)力(P/R)測定 溶解氧參照“水質(zhì)溶解氧的測定碘量法”(GB 7489-87)測定;P/R參照“水質(zhì)初級生產(chǎn)力測定法-黑白瓶測定法”(SL 354-2006)測定.

1.5.4 底泥酶活性、全氮和全磷測定 全氮按“HClO4-H2SO4法”測定［5］;全磷按“鉬銻抗比色法”測定［5］;底泥堿性磷酸酶活性按“磷酸苯二鈉比色法(2)”測定［6］;過氧化氫酶活性按“容量法”測定［6］.

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用WINNONLIN軟件對數(shù)據(jù)進行分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)池水與底泥中阿散酸的降解規(guī)律

阿散酸在水體與底泥中的降解藥-時曲線見圖1、圖2，其降解動力學(xué)參數(shù)見表1(1號池水、底泥中阿散酸質(zhì)量濃度均為0).

圖1 不同質(zhì)量濃度阿散酸在水中降解的藥-時曲線Fig.1 Concentration-time curve of degradation of arsanilic acid at different contents in water

圖2 不同質(zhì)量濃度阿散酸在底泥中降解的藥-時曲線Fig.2 Concentration-time curve of degradation of arsanilic acid at different contents in sediment

表1 各生態(tài)池水中和底泥中阿散酸的降解動力學(xué)參數(shù)Tab.1 Pharmacokinetic parameters of degradation of arsanilic acid in all ecological pools

2號池(50 mg/L)水體中阿散酸降解速度較快，第21天已降至0.28μg/mL，第30天時已檢不出阿散酸.3號池(150 mg/L)和4號池(500 mg/L)水體中阿散酸降解較慢，第54天時原形藥物質(zhì)量濃度分別為1.19和55.54μg/mL(圖1).2、3和4號池水中阿散酸降解半衰期分別為3.73、10.15和16.04 d，平均滯留時間分別為3.40、10.38和29.32 d(表1).可見不同質(zhì)量濃度阿散酸在水中的降解半衰期和平均滯留時間存在明顯差異，水體中阿散酸質(zhì)量濃度越高，其降解半衰期和平均滯留時間越長.

阿散酸在底泥中經(jīng)歷了從沉積到降解的變化過程，低、中和高劑量池底泥中阿散酸最高濃度分別出現(xiàn)在第21、21和49天.在第203天時，2號池(50 mg/L)已檢不到藥物，而3號和4號池原形藥物分別為9.11和35.37μg/g(圖2).2、3和4號池底泥中阿散酸的降解半衰期分別為35.17、45.55和61.27 d，平均滯留時間分別為55.13、68.71和79.63 d (表1).阿散酸在底泥中的降解半衰期和平均滯留時間隨給藥質(zhì)量濃度的增高而延長.

2.2 底泥中總砷的降解規(guī)律

底泥中總砷降解的藥-時曲線見圖3，降解動力學(xué)參數(shù)見表2(1號池底泥中阿散酸質(zhì)量濃度為0，底泥中總砷濃度可忽略).生態(tài)池底泥中總砷的變化趨勢與阿散酸的原形相似，即出現(xiàn)從沉積到消減的過程，2、3和4號池底泥中總砷的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別出現(xiàn)在第49、49和63 d.給藥后第203天時在3個池底泥中檢出的總砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 2.22、7.55和50.79μg/g(圖3).3個池底泥中總砷的消除半衰期分別為46.45、52.44和104.05 d，平均滯留時間分別為78.05、77.23和92.56 d(表2).結(jié)果表明，添加不同質(zhì)量濃度阿散酸的底泥中總砷的消減特征與水體和底泥中的阿散酸原形不同，添加低質(zhì)量濃度與中質(zhì)量濃度阿散酸的底泥中總砷消減相接近.

圖3 總砷在底泥中降解的藥-時曲線Fig.3 Concentration-time curve of degradation of total arsenic in sediment

表2 底泥中總砷降解動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Pharmacokinetic parameters of degradation of total arsenic in sediment

2.3 底泥中阿散酸在總砷中所占比例

將阿散酸按照其結(jié)構(gòu)中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)34.52%進行折算，與總砷比較，阿散酸占總砷百分比呈現(xiàn)先升高、后降低的變化趨勢(圖4).表明底泥中阿散酸在降解過程中可能轉(zhuǎn)化為其他砷形態(tài).

圖4 底泥中阿散酸在總砷中所占比例Fig.4 Proportion of arsenilic acid in total arsenic in sediment

2.4 阿散酸對模擬生態(tài)池的影響

2.4.1 對水體清亮度的影響 施藥后可觀察到，與1號池相比，2號和3號池水均由清亮變?yōu)楹诤稚?號池水發(fā)黑，各池面均有一層油狀膜持續(xù)達(dá)1個月之久.用藥后40 d時各池水面均漂著厚厚的綠色青苔，用藥后70 d，2號池水開始恢復(fù)清亮;而3、4號池水無明顯改善.

2.4.2 對生態(tài)池溶解氧、pH和P/R的影響 1號空白豬糞對照池溶解氧和pH在初期稍下降，隨后又恢復(fù)正常;2號低質(zhì)量濃度池溶解氧在第1天小幅上升后趨于平穩(wěn);3號和4號池溶解氧在第1天即出現(xiàn)快速下降，其后一直維持低水平狀態(tài)，其中4號高質(zhì)量濃度池溶解氧下降更為明顯.不同質(zhì)量濃度阿散酸均可影響生態(tài)池的pH，2號池pH先出現(xiàn)降低隨后得到恢復(fù)，其恢復(fù)正常的時間約為21 d.3號和4號池的pH一直呈現(xiàn)下降變化趨勢，其中3號池在第7天時pH下降到最低值3.77，4號池下降更明顯，在第5天時pH下降到最低值3.03，此后2個池的pH一直維持較低水平.各用藥生態(tài)池P/R均出現(xiàn)下降變化，質(zhì)量濃度越高對P/R的影響也越大，3號和4號生態(tài)池在給藥后P/R值迅速下降，其后一直處于很低的水平，可觀察到其中水生植物，尤其浮游藻類幾乎全部死亡，幾乎已喪失初級生產(chǎn)能力，水生態(tài)系統(tǒng)接近“死亡”，生態(tài)池外觀性狀表現(xiàn)為黑色池水且有輕微惡臭味.結(jié)果表明，阿散酸的用藥質(zhì)量濃度越高，對生態(tài)池P/R值影響越大.

2.4.3 對底泥全氮、全磷含量和酶活性的影響 由試驗結(jié)果可知，不同質(zhì)量濃度阿散酸用藥池的全氮含量均經(jīng)歷了抑制-促進的過程，最后恢復(fù)初始水平;3個給藥池底泥中全磷含量均出現(xiàn)下降，且在暴露第2—19天低、中質(zhì)量濃度阿散酸組底泥全磷含量低于高質(zhì)量濃度組.不同質(zhì)量濃度阿散酸對底泥堿性磷酸酶活性的影響差異不大，各池基本維持在初始水平.2號低質(zhì)量濃度與3號中質(zhì)量濃度池底泥中過氧化氫酶變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)“抑制-激活”的變化過程，最后低于初始水平，而4號高質(zhì)量濃度池在用藥后第2天活性即呈現(xiàn)急劇下降，此后一直處于低水平的狀態(tài)，表明高質(zhì)量濃度阿散酸對水生態(tài)系統(tǒng)中過氧化氫酶活性可產(chǎn)生明顯抑制作用.

3 討論與結(jié)論

3.1 試驗濃度的選擇

本研究中對模擬池塘水生態(tài)系統(tǒng)添加阿散酸的質(zhì)量濃度選擇為50、150和500mg/L，按阿散酸中As元素含量為34.52%計，折合添加As質(zhì)量濃度分別為17.26、51.78和172.6 mg/L.以上質(zhì)量濃度選擇主要依據(jù)對我國部分豬場周邊環(huán)境砷污染狀況監(jiān)測調(diào)查.曾婧［7］對我國7個主要養(yǎng)殖省份43個豬場周邊環(huán)境土壤、水體和植物中總砷含量進行監(jiān)測，結(jié)果表明大部分豬場土壤砷含量均超過我國土壤砷最高背景值(15 mg/kg)2～3倍，水體砷含量均大大超過我國漁業(yè)水質(zhì)和地表水砷含量標(biāo)準(zhǔn)(50μg/L)2～6倍和飲用水標(biāo)準(zhǔn)(上限為10μg/L)10～30倍，達(dá)到84.6～296.5μg/L.張樹清等［8］對我國7省區(qū)畜禽糞中重金屬含量調(diào)查顯示豬糞、雞糞中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別可達(dá)65.4和19.6 mg/kg.李銀生等［9］對長期使用洛克沙胂的2個豬場周圍環(huán)境調(diào)查顯示，離排污口較近處砷含量最高達(dá)到43.29 mg/kg.目前多數(shù)豬場一般是將豬糞尿直接或先行沼氣處理后排放到魚塘中，長期應(yīng)用后砷經(jīng)排泄可在池塘水體底泥中蓄積，因此本研究選擇了17.26、51.78和172.6 mg/L (以As計)3個系列質(zhì)量濃度進行阿散酸水體底泥降解及對水生態(tài)影響的初步研究.

3.2 水體與底泥中阿散酸及總砷的降解

本研究中阿散酸在生態(tài)池水中的質(zhì)量濃度出現(xiàn)迅速降低，主要由于大部分藥物沉降到底泥表層，隨著滯留時間延長，靜置水中砷越少［10］;部分原形發(fā)生降解，其降解形式可能有以下幾種:1)微生物降解.據(jù)報道禽糞排泄物的水提取物中洛克沙胂能迅速被降解為砷酸鹽，但該提取物被滅菌后，其中藥物未能被降解，證實微生物可引起有機胂的降解轉(zhuǎn)化［11］.本試驗中添加空白糞便使得水體中含大量微生物，這可能是引起阿散酸降解的主要原因.2)物理化學(xué)因素.曾婧［7］報道，阿散酸在光照下不穩(wěn)定，可發(fā)生不同程度降解，生態(tài)池中浮游植物的死亡亦造成池內(nèi)呈缺氧環(huán)境，厭氧菌大量繁殖，導(dǎo)致水體pH變化較大.生態(tài)池中阿散酸的質(zhì)量濃度越高，其pH降低越多，降解半衰期和平均滯留時間也越長，因此pH變化可能是阿散酸降解的原因之一.

底泥中阿散酸經(jīng)歷了從沉積到降解的過程，總砷變化趨勢與原形相似，但滯后于原形降解約2周.Woolson［12］研究表明阿散酸在土壤中消除很快，能與土壤中Al、Fe、Ca等以砷酸鹽和磷酸鹽相同的方式形成鹽.本研究中阿散酸占總砷百分比呈現(xiàn)先升高后降低的變化，表明底泥中的阿散酸可能轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)砷.荊紅衛(wèi)等［13］報道砷在土壤環(huán)境中具有低至中等的遷移能力，環(huán)境條件變化對其化學(xué)行為和活動水平影響顯著.

3.3 阿散酸對模擬池塘水生態(tài)系統(tǒng)的影響

生態(tài)池中加入中高質(zhì)量濃度阿散酸溶液和空白豬糞后，很快出現(xiàn)藻類等生物部分或全部死亡，殘體與豬糞沉入底泥層進行有機降解，有機降解為耗氧過程，結(jié)果觀察到溶解氧長期處于低水平狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)幾乎失去初級生產(chǎn)能力.

王力平等［14］報道土壤固氮菌與砷量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明砷會引起土壤有益菌含量降低，從而影響土壤正常代謝即氮改變.陳靜等［15］報道砷與磷在土壤中常為共生，土壤砷一定程度上隨著土壤有效磷含量的增加而增加.本研究中全氮含量經(jīng)歷了抑制-促進過程，最后恢復(fù)到初始水平，其原因可能與藥物對微生物的影響有關(guān)，高濃度藥物抑制細(xì)菌的生長.后期隨阿散酸的降解而濃度降低，細(xì)菌群落亦趨于穩(wěn)定，全氮含量逐漸恢復(fù)到初始水平.楊四坤等［16］報道土壤總砷與全磷存在顯著負(fù)相關(guān)，這與本研究結(jié)果一致.

何念祖等［17］報道土壤中磷酸酶活性與砷含量呈顯著或極顯著相關(guān)性.Zantua等［18］發(fā)現(xiàn)土壤具有保護酶的能力.本研究中不同質(zhì)量濃度阿散酸對堿性磷酸酶活性的影響差異不大，基本都維持在初始水平.可判斷本研究中底泥對砷的緩沖容量和對堿性磷酸酶活性的保護容量較大.王力平等［14］報道土壤中砷投入量大于5 mg/kg時，多酚氧化酶和過氧化氫酶活性的抑制率分別達(dá)5%～20%和25%.本研究的低與中質(zhì)量濃度組中過氧化氫酶變化規(guī)律相似，呈抑制-激活變化過程，但高質(zhì)量濃度組在用藥后第2天即呈急劇下降，此后一直處于低水平的狀態(tài)，表明高濃度阿散酸對水生態(tài)系統(tǒng)中過氧化氫酶活性可產(chǎn)生抑制作用.

本研究結(jié)果表明，水體與底泥中阿散酸的降解半衰期隨藥物暴露濃度的增大而延長，總砷在底泥中有自上而下沉降的趨勢.較高質(zhì)量濃度(150 mg/L以上)阿散酸對模擬池塘生態(tài)系統(tǒng)的外觀性狀、溶解氧、pH、P/R、過氧化氫酶活性等均可造成嚴(yán)重影響.

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【責(zé)任編輯 柴 焰】

Degradation-elim ination rules and influences on aquatic ecosystem s of arsenilic acid in simulating pond

GUO Ruizi，LUO Xuelian，ZHANG Cao，ZHANG Fan，SUN Yongxue
(College of Veterinary Medicine，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

【Objective】In this paper，by simulating the pond water ecosystem，degradation rule in water and sediment and the impact on aquatic ecosystem of arsanilic acid were studied.【Method】Fourminiaquatic pond ecosystemswere established;the control was added 100 g pigmanure and treated with differentmass concentrations of50，150 and 500 mg/L of arsanilic acid.Samples ofwater and 2 cm-depthsedimentwere taken.Arsanilic acid was determined by HPLC and the total arsenic contents were determined by HG-AFS.【Result and conclusion】The half-life of arsanilic acid increased with the extension of the delivery drug concentration in pond water and surface sediment，which was 3.73 to 16.04 d and 35.17 to 61.27 d，respectively，and the total arsenic showed a distinguished subsidence trend in sediment and degraded slowly.The values of dissolved oxygen(DO)，pH，primary productivity(P/R)，activities of sediment alkaline phosphatase and catalase，and the content of total nitrogen and phosphorus indicatorswere regularly detected.The results showed that500，and 150mg/L arsanilic acid could cause irreversibly detectable effects on the ponds.Highmass concentration of arsanilic acid obviously inhibited catalase activities.The total nitrogen contentof sediment showed an inhibition-promotion-change process，and allmass concentrations of the total phosphorus content declined and presented a concentration dependent relationship.

arsanilic acid;aquatic ecosystem;degradation;ecotoxicity

S859

A

1001-411X(2015)01-0009-05

郭瑞子，羅雪蓮，張 草，等.阿散酸在模擬池塘水體中的降解消除規(guī)律及對水生態(tài)的影響［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，36(1):9-13.

2014-01-18 優(yōu)先出版時間:2014-12-02

優(yōu)先出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.7671/j.issn.1001-411X.2015.01.002.html

郭瑞子(1989—)，女，碩士研究生，E-mail:874518231@qq.com;通信作者:孫永學(xué)(1969—)，男，教授，博士，E-mail:sunyx@scau.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(31172368);廣東省自然科學(xué)基金(S2011010001090)