两种磺胺药物在土壤-植物系统中迁移、转化的C-14示踪研究

In modern animal agriculture, large amounts of sulfonamides are excreted by livestock, therefore, as a consequence of field application of contaminated manure and slurry, these kind of pollutions are ubiquitous in Chinese agriculture soil. The fate of sulfonamides in soil-crop plants system cause great concern, while the degradation, transformation, metabolism and bound residues of sulfonamides in soil and the impact by plants still remains unknown. Using 14C-tracter, in this proposal we propose to investigate the impact of crop plants on the fate of sulfadiazine and sulfamethoxazole in soil-plants system and the uptake of sulfadiazine and sulfamethoxazole by crop plants and its bioaccumulation, distribution and metabolism within plants. The results from this study will help to clarify the environment behavior of sulfonamides in agriculture soil-plant system and the to assess the risk of their accumulation in crops edible part.

现代畜牧业中大量使用的磺胺类药物会通过畜禽粪便有机肥的施用进入农田，对农田生态系统造成严重的抗生素污染。农田是环境中磺胺类药物主要的接收场所，然而由于技术手段不足，目前有关磺胺类药物在农田土壤-植物系统中的迁移、转化和残留等过程和机理尚不清楚。本项目拟以两种常见的磺胺类药物为代表，以水稻和青菜分别为水田和旱田的典型作物，采用C-14标记技术和盆栽实验，研究淹水土壤-水稻体系、好氧土壤-青菜体系中磺胺类药物在植物根系作用下的矿化、降解、转化和结合态残留的形成过程和机理以及磺胺类药物在作物体内的富集、代谢和残留物赋存形态。研究结果将为阐明农田系统中磺胺类药物的环境行为和生态风险提供科学依据。

本项目依照计划书开展相关研究工作。通过自主制备14C标记的磺胺嘧啶和磺胺甲噁唑，采用室内温室培养的方式研究两种磺胺类药物在土壤-植物系统中的环境归趋、转化过程以及植物吸收的情况，阐明了污染物在农田土壤中潜在的环境风险和作物栽种的影响机制。本研究首先改进优化了传统的磺胺四部合成过程，并探索出了更适合在实验室微量条件进行的五步合成反应，提高了反应产率节省了研究成本。接着进行的栽培研究显示，磺胺嘧啶和磺胺甲噁唑在红壤中消散速度非常快，而矿化量却非常少。两种磺胺药物及其代谢产物主要以不可提取态残留的形式积累在土壤中。青菜的种植并未显著影响磺胺药物在土壤中的消散，但是却在生长的后期显著降低了磺胺代谢产物在土壤中的累积，并且改变了磺胺甲噁唑的代谢路径，使其在土壤中能生成更多的极性代谢产物，有利于磺胺甲噁唑在土壤中的彻底去除。而在长江中下游典型的水稻土中，磺胺嘧啶和磺胺甲噁唑呈现出了极高的矿化量。同时在土壤中形成的不可提取态残留要显著低于好氧红壤。磺胺甲噁唑的矿化以及结合态残留的形成都要高于磺胺嘧啶，并且在实验后期的水相中发现了大量的磺胺药物及其代谢产物。两种作物都能吸收土壤中的磺胺及其产物，青菜在种植10天后就在全株都发现了放射性信号。进一步的分析显示根部的放射性量大多以不可提取态残留的形式存在，而对于可食用部分的茎叶则大部分以可提取态残留的形式存在，具有潜在的环境风险。水稻的生长对磺胺类药物的吸收较慢，培养50天后发现放射性依然主要集中在植物根部。本研究为磺胺药物在农田中的降解转化提供了重要的室内实验数据，项目执行期间共发表研究成果论文6篇，其中SCI论文5篇（含TOP期刊论文1篇），EI论文1篇，均标注本项目资助（第二标注2篇，第三标注2篇，第四标准2篇）。