畜禽养殖还田沼液DOM对热区土壤中抗生素环境行为的影响及归趋模拟研究

Application of biogas slurry in farming is an important way to solve the livestock farm wastewater in Hainan province. This study will target the DOM obtained from various types of livestock farm wastewater in tropical region, analyze the composition and structure of DOM by the means of UV-vis, EEMs, 1H NMR, FTIR and UHPLC-Q-TOF-MS. The use of organic manure and biogas slurry in the agricultural production of tropical region will result in veterinary antibiotics, which would pose serious threats to the quality and safety of water, soil and agricultural products. To solve the above problem, this study will focus on the basis of analyzing the combined effect of antibiotics and the DOM, systematically discusses the effects of DOM, origin from different irrigation modes (conventional and drip irrigation) of biogas slurry to agricultural soil, on the environmental behavior of antibiotics (e.g. adsorption, desorption, migration and degradation, etc.). Markov theory will be coupled with the transfer of antibiotics, and then be used to simulate the fate of antibiotics with the presence of DOM in tropical soil environment. A comprehensive mathematical model will be also established to study the dynamic prediction model, and the leaching risk assessment of the antibiotics in tropical agricultural soil with the input of DOM with biogas slurry. This above work will provide a theoretical basis for reasonable use of biogas slurry, predicting the destination of antibiotics, and ensuring the safety of soil and water environment and the quality of agricultural products in tropical region as well.

沼液农用是目前海南省解决畜禽养殖业废水出路的重要途径。本研究以热带地区不同类型畜禽养殖场产生的废水沼液中的DOM作为对象，运用UV-vis、EEMs、1H NMR、FTIR及UHPLC-Q-TOF-MS表征手段，对DOM的组成、结构进行解析。热区农业生产中有机肥和沼液使用均会引入兽药抗生素，对水、土壤和农产品质量安全带来严重威胁。本研究将在分析DOM与抗生素结合作用的基础上，系统探讨在不同灌溉条件下（常规和滴灌）沼液输入农业土壤后DOM对抗生素主要环境行为（主要包括吸附、解吸、迁移和降解等）的影响。尝试将Markov理论与抗生素在热带土壤环境中的迁移与转化过程相耦合，定量模拟DOM存在时抗生素在热带土壤环境中的环境归趋过程；建立数学模型构造农田尺度下沼液DOM输入时抗生素在热带农业土壤中淋溶的动态预报模式与淋溶风险评估。为热区合理施用沼液并预测抗生素归宿、保障热区环境安全提供科学参考。

本项目以沼液、微生物肥、有机肥、猪炭等前驱物提取了不同来源的DOM，并对其性质表征。探讨了不同灌溉模式下（喷灌和滴灌）不同来源DOM对热带农业土壤理化性质及抗生素环境行为的影响，同时定量模拟了沼液DOM输入对抗生素在热带农业土壤环境中迁移、转化与归趋过程的影响，实现了农田尺度淋溶风险评价及数值模拟。实验结果表明：不同来源DOM的理化性质差异明显。通过90d不同灌溉条件输入不同来源DOM对土壤理化性质的影响实验表明，不同来源DOM的输入均使土壤中的速效氮、速效磷、速效钾的含量上升，沼液DOM对土壤速效氮和速效钾含量的增加影响最大。整体上，不同来源DOM在不同灌溉条件下对土壤理化性质的影响差异明显。荧光滴定淬灭实验结果表明，随着不同来源DOM的加入，抗生素荧光发射谱的荧光强度发生显著变化，表明不同来源DOM与抗生素之间存在着强烈的相互作用。吸附实验结果表明：外源DOM的添加抑制了土壤对抗生素的吸附，这是因为DOM可能会与抗生素竞争吸附位点或者吸附的DOM会堵塞土壤的孔隙，从而降低抗生素吸附。对添加和未添加沼液DOM的土壤进行淋溶实验，结果表明DOM的输入增强了抗生素在土壤中的迁移，可能增强了其对土壤和地下水的危害。利用Hydrus-1D软件对抗生素在农田尺度上通过非饱和土壤的淋溶风险进行评价，能有效对抗生素在热带地区农田尺度下非饱和土壤中的淋溶风险进行评价。项目资助在国内外学术刊物上发表论文10篇，其中SCI收录6篇。依托本基金项目，培养4名硕士研究生，1名博士，20余名本科生参与了项目，在试验设计、动手操作能力等方面得到了很好的锻炼，并完成学位毕业论文。