畜禽饲料添加洛克沙胂诱发地下水砷污染机理研究

Groundwater arsenic contamination caused by using roxarsone as feed additive in livestock farms has been validated by field survey，but existing researches focused on the migration and transformation study of roxarsone in animal manure and soil surface or single soil media, failing to identify contamination mechanism and controlling factors in vadose zone from roxarsone to inorganic arsenic. This study intends to use a typical livestock and poultry farm located in north shandong plain with a grounawater arsenic pollution problem as a study area,and base on the preliminary investigations and evaluations, then the core target of revealling the mechanism of migration and transformation of roxarsone in the vadose zone could be grasped. Indoor adsorption - desorption experiments can assist in interpreting the distribution of roxarsone in the cross-section and assessing the ruling influence in the whole transformation progress,which study adsorption - desorption mechanism of roxarsone in the vadose zone media surface under different lithological composition and environmental conditions (pH, salinity, soil organic matter content and phosphorus). The result of project has a very important significance to the arsenic pollution prevention of extensive livestock farms .

野外调查显示畜禽养殖使用洛克沙胂作为饲料添加剂会导致地下水砷污染，现有研究主要集中于洛克沙胂在畜禽粪便以及土壤表层或单一土壤中的迁移转化，而对于洛克沙胂在露天堆粪条件下在包气带环境中如何发生迁移并转化为无机砷及其控制因素尚不清楚。本项研究选择已发现地下水砷污染的鲁北平原某畜禽养殖区为研究区，以已有前期调查评价为基础，以揭示洛克沙胂在包气带中的迁移转化机理为核心目标，采用吸附/解吸实验、一维柱模拟实验、高效液相色谱测试、微生物识别与测试等手段，探求露天堆粪条件下包气带介质条件和洛克沙胂及其衍生物空间分布的对应关系，确定洛克沙胂在包气带中的迁移过程及转化层位，识别包气带不同岩性条件及环境条件（pH、土壤有机质含量、磷酸盐等）对洛克沙胂吸附/解吸的影响机制，评估微生物对于洛克沙胂在包气带中转化的控制作用，研究成果对于畜禽养殖区砷污染防控有着重要的理论和实际指导意义。

洛克沙胂被广泛用作禽畜饲料添加剂，但在禽畜体内吸收很少，绝大部分以原体形式随粪便排出，在生物和非生物的作用下，转化为毒性较高的无机砷化合物，污染土壤、地表水和地下水，包气带作为影响洛克沙胂进入地下水的关键地带，其复杂的环境条件如何影响洛克沙胂的降解及其微生物作用机理尚不清楚。本文通过对研究区露天堆积鸡粪周边的包气带和地下水中砷化合物的检测，发现洛克沙胂的使用导致周边包气带土壤及地下水中砷化合物含量明显异常，在土壤表层含量最高，浓度随深度增加而下降，并在黏土层聚积。通过室内模拟不同环境条件下洛克沙胂的降解行为发现：洛克沙胂浓度、含水率、温度和有机质含量均对洛克沙胂的降解产生巨大影响，并与降解速率呈显著正相关关系，影响程度为含水率>温度>有机质含量>洛克沙胂浓度。洛克沙胂的添加显著改变微生物群落结构，并抑制部分微生物种群的生长。首次证明了不同包气带环境下参与洛克沙胂降解的微生物群落各不相同，是造成不同环境条件下洛克沙胂降解速率各异的关键。与洛克沙胂或其代谢产物密切相关的微生物种群的门水平主要包括Firmicutes和Proteobacteria 门，属水平包括Bacillus、Pseudomonas等，这些抗砷菌、砷氧化菌、砷还原菌、有机胂降解菌以及电化学活跃的菌群共同构成了洛克沙胂降解的微生态环境。首次发现了Symbiobacterium属能够指示洛克沙胂降解产物砷化合物的含量高低。通过比较生物作用和非生物作用下洛克沙胂的降解及微生物群落响应可知，微生物作用和厌氧条件对洛克沙胂降解贡献率较大，光照作用的贡献率较小。洛克沙胂与微生物之间相互作用，洛克沙胂的添加促进微生物的生长，微生物反过来降解洛克沙胂。研究区鸡粪堆积包气带和背景包气带剖面的表层菌群差异最大，由于鸡粪堆积包气带表层直接接触鸡粪，土壤砷含量最多，导致土壤表层的优势菌群均与砷显著相关。本研究有助于评估禽畜废弃物不同处置方法的利弊，指导洛克沙胂引起砷污染的防控措施，提高人们对禽畜废弃物的规范处置意识。