农业环境领域抗生素抗性基因的文献计量研究

为深入了解农业环境领域抗生素抗性基因(ARGs)研究的整体状况和前沿动态,以科学引文索引(science citation index expanded,简称SCI-E)的在线数据库为基础,对1995—2016年期间全球范围内相关的文献报道开展了计量学分析,全面评价了研究内容、研究热点及发展趋势。自2009年开始,农业环境领域中ARGs相关的文献报道迅速增加,研究范围包括污染调研、安全评价、消减机制与扩散等方面。对作者关键词(author keywords)、附加关键词(keywords plus)、题目(title)及摘要(abstract)综合分析的结果表明,当前研究的热点抗生素类型包括四环素类、磺胺类、喹诺酮类和大环内酯类,它们在未来依然是持续被关注的对象。ARGs相关的热门研究基质包括废水、土壤、地表水、粪便、饮用水等,且我国是相关论文研究最多的区域。根据文献计量分析的结果,ARGs污染引起的微生物群落改变、PCR技术、重金属协同选择抗性、风险评估等是农业环境领域ARGs研究的热门话题。

东北季节性冻融农田土壤CO_2、CH_4、N_2O通量特征研究

为了评估季节性冻融交替对土壤温室气体排放的影响,采用静态暗箱-气相色谱法,监测了东北松嫩平原两种典型农田生态系统(稻田和玉米田)非生长季土壤CO_2、CH_4和N_2O通量变化。研究表明:三种温室气体排放在土壤冻结期、覆雪期、融雪期和解冻期具有明显的季节动态特征。冻结期和融雪期对温室气体排放贡献最大,这两个时期内稻田和玉米田CO_2排放量分别占非生长季总累积排放量的74.9%和68.6%,稻田CH_4排放占非生长季总排放的95.7%,尽管玉米田土壤CH_4以吸收为主,但在融雪过程中存在明显释放峰,短暂的融雪期内N_2O呈集中爆发性释放,稻田和玉米田N_2O通量峰值分别是冻结前的40倍和99倍,排放量占到总累积排放量的73.9%和80.7%,覆雪期土壤CH_4和N_2O存在弱的吸收。另外,土壤温室气体排放存在土地利用方式间的差异,表现在稻田土壤比玉米田(非生长季)具有更高的温室气体排放潜力。稻田土壤CO_2、CH_4和N_2O累积排放量均高于玉米田,表现为净排放(源),而玉米田土壤CH_4通量表现为净吸收(汇);稻田土壤CO_2和CH_4平均排放速率显著高于玉米田;除覆雪期外,其他时期内三种温室气体平均通量在两类农田之间也存在显著差异。总之,在评价季节性冻土区温室气体排放时需要重视土壤冻结和融化过程,同时需要考虑不同土地利用方式间的差异。

兽用抗生素研究的文献计量学分析

为深入了解兽用抗生素研究的整体状况和前沿动态,以Science Citation Index Expanded(SCI-E)的在线数据库为基础,对1995—2016年间全球范围内有关兽用抗生素的文献报道(21 394篇)开展了计量学分析,对研究内容和发展趋势进行了系统的评价。结果表明,近20年来有关兽用抗生素的研究报道增加极快,自1995年的387篇上升到2016年的1601篇,研究内容涉及兽用抗生素的污染残留、环境行为、安全评价、替代研究及毒性效应等方面。特别地,由抗生素引起的细菌耐药性问题日益严重,抗性基因也因此成为近年来的研究热点。综合分析作者关键词(Author keywords)、附加关键词(Keywords Plus)、题目(Title)及摘要(Abstract),四环素类、喹诺酮类和磺胺类是当前热点研究的抗生素类别,也依然是未来持续关注的对象。此外,耐药菌所导致的流行病传播、抗生素在环境中的残留及其检测方法、抗性基因等是畜禽养殖业中抗生素研究的热门主题,兽用抗生素相关的热门研究基质包括食物、饲料、粪便、肉类、奶、土壤等。综合文献计量分析的结果,兽用抗生素仍然是农业环境领域研究的热点,环境介质中四环素类、喹诺酮类等抗生素及其相应的耐药菌污染问题将仍然是研究的主要方向。

植物修复农田退水氮、磷污染研究进展

水环境污染是造成全球水资源水质性紧缺非常重要的因素。农业面源污染则是继工业源污染实施清洁生产得到有效治理之后水体污染主要的贡献者,特别是地表水中过量氮、磷的主要来源,受到越来越多的关注和重视。植物修复技术因其可以对受污染水体进行原位修复和避免二次污染等特点,逐渐被人们应用到污染水体的治理中。本文从植物修复农田退水氮、磷污染视角,综述了农田退水氮、磷在主要去除途径与影响因素方面所取得的研究进展,并针对植物修复农田退水实践中存在的问题,提出了继续强化植物组合对水污染负荷消减能力的研究,进一步扩展对植物的经济利用价值、生态景观价值和社会效益开展研究,以及深化植物修复从室内模拟到野外小区域示范、再到大区域的推广应用研究等建议,以期为进一步提升治理农田面源污染效果提供技术支撑。

电动力修复土霉素污染土壤的效果及机理研究

由抗生素引起的细菌耐药性问题日益严峻。为了建立一种高效去除土壤中抗生素和耐药菌污染的方法,文章以土霉素为特征污染物,开展了电动力修复污染土壤的实验研究。经过7 d的电动力修复处理,土壤中土霉素平均去除率达40.8%,这主要源自电场的直接和间接作用、土壤中土著微生物的作用以及水解等过程。经电动力处理后,土壤中的细菌总数(2.42×10^6CFU/g)与空白土壤(2.45×10^6CFU/g)的差异不大,而抗土霉素菌数由空白土壤中的3.73×10^6CFU/g降低到2.24×10^6CFU/g(p<0.05),抗土霉素菌的平均抑制率为15.3%。电动力修复系统中,四环素的降解主要归因于土壤微生物、电场作用下的直接氧化和电极反应产生活性物质的间接氧化以及土壤中的水解等作用。门水平和纲水平的细菌分类研究结果表明,电动力处理前后土壤中的优势菌群发生了改变。综上,电动力修复技术是治理土壤抗生素和耐药菌污染的有效手段。

污水深度处理工艺对抗生素抗性菌和抗性基因去除研究进展

由抗生素的不合理使用产生的抗生素抗性菌(Antibiotic-resistant bacteria,ARB)和抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)已广泛存在于各种环境介质中,对人类健康和生态安全造成了潜在危害。即使抗生素消减后ARB也能在环境中长期存在,ARGs可通过水平基因转移(Horizontal gene transfer,HGT)进一步扩散。污水处理厂是ARB和ARGs的储存库,也是实现其削减的重要环节。因此,探索可高效去除ARB和ARGs的污水深度处理工艺是十分必要的。本文综述了多种深度处理工艺对ARB和ARGs的去除研究进展,分析了氯消毒、紫外和臭氧氧化等传统消毒处理工艺和光/H2O2、光芬顿、光催化等高级氧化技术,以及人工湿地、混凝、膜处理等工艺对ARB和ARGs的去除效果与机理。在此基础上,对今后ARB和ARGs去除相关的研究重点和方向提出建议,以期为我国污水深度处理工艺的选择提供借鉴。

土壤有机污染物电化学修复技术研究进展

综述了有机污染土壤的电动力修复和微生物电化学修复的最新研究进展。分析了电动力修复中电极材料、运行条件等因素对污染物去除效果的影响,总结了添加表面活性剂、引入具有降解能力的基质、与化学或生物联合等方式对土壤修复效果的强化作用,阐述了微生物电化学修复的效果、影响因素和微生物群落演变的规律。电化学技术能够有效去除土壤中的有机污染物,且电动力较微生物电化学具有更好的去除效果。为了实现电化学技术在污染土壤修复中的应用,未来需要从土壤导电性、电极材料以及反应器构型等方面优化以提高修复效果;此外,电化学修复技术的机理、功能微生物的群落特征研究等也是下一步研究的重点。

微生物燃料电池去除废水中抗生素类污染物的研究进展

抗生素被广泛用于医疗、畜牧以及水产养殖等领域,大量抗生素未经代谢就进入环境,由此引起的细菌耐药性问题严重威胁着生态环境和人体健康。因而,如何有效控制废水中的抗生素和抗性基因污染成为近年来的研究重点。微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)利用微生物催化降解有机物,在产电的同时实现废水处理和污染控制,是近些年研究较多的一种处理技术。本文综述了MFCs对废水中抗生素、抗性基因等污染物的去除效果、降解机理以及降解过程中微生物群落的变化规律,分析了MFCs与其它技术耦合的效果和机制,概述了应用MFCs构建传感器在线监测抗生素等方面的研究进展。结果表明:MFCs对多种抗生素都具有良好的去除效果,随着反应器构型、抗生素种类以及浓度和运行时间等参数的不同,抗生素、抗性基因的去除效果以及阳极微生物群落有较大差异;MFCs与人工湿地等技术的耦合,有利于增强抗生素的去除效果,为MFCs的实际应用提供了新方向;利用MFCs作为生物传感器可实现废水中抗生素含量的在线监测,但目前尚处于起步阶段。基于上述结论,MFCs可以有效地去除废水中的抗生素,但对抗生素耐药基因的控制效果还亟待研究;如何实现MFCs的长期稳定运行并实际应用是后续研究的重点方向。

生物炭对宁夏引黄灌区水稻产量及氮素利用率的影响

【目的】氮是作物生长发育所需的主要营养元素,随着宁夏引黄灌区农业生产集约化程度不断提高,氮肥投入亦不断增加,由此导致的土壤板结及氮素利用率低等问题日益突显。鉴于生物炭在改良土壤及提高氮肥利用方面的潜在可行性,本文通过大田试验研究添加不同用量生物炭对水稻产量和氮素利用率的影响,为生物炭在该地区的应用提供参考和依据。【方法】以宁夏灌区具有代表性的集约化水稻田为研究对象,以宁粳43号水稻为试验材料,采用裂区试验设计,施氮量设常规施氮量(N 300,N 300 kg/hm2)和不施氮(N0)2个水平;生物炭设高量炭(C3,9000 kg/hm2)、中量炭(C2,6750 kg/hm2)、低量炭(C1,4500 kg/hm2)和不施炭(C0)4个水平。旨在明确添加生物炭对灌淤土基本理化性质、水稻产量及氮素利用率的影响。【结果】1)添加生物炭种植一季水稻后对灌淤土土壤含水量没有明显影响,土壤p H值亦没有发生明显变化。2)施加氮肥情况下,C3处理较C0处理可显著提高灌淤土全氮、全磷和速效钾含量,但对速效磷含量没有影响,C2和C3处理下土壤全氮、全磷、速效磷和速效钾都没有明显差异,但二者全氮和速效钾含量要显著高于C1处理;不施肥情况下,除C3和C2处理显著增加土壤速效钾含量外,其余处理对土壤养分含量没有影响。3)生物炭和氮肥配施可以显著增加水稻籽粒产量,并随生物炭用量(4500 9000 kg/hm2)增加而增高,增产率在15.26%44.89%之间,水稻籽粒产量与生物炭用量呈显著正相关关系(r=0.962),水稻株高和穗粒数也随生物炭用量增多而增加,同时,水稻地上部总吸氮量随生物炭用量增加而增加,C3处理较C0处理提高66.27 kg/hm2,各处理之间差异显著;不施氮肥情况下,添加生物炭(4500 9000kg/hm2)对水稻籽粒产量没有显著影响,对水稻产量构成因素的影响亦不明显,C1和C2处理可以显著提高水稻地上部总吸氮量,但C3处理对总吸氮量影响不明显,同时各施炭处理之间无显著差异。4)生物炭和氮肥配施时,氮肥农学效率和氮肥利用率均表现为随生物炭用量增加而增加,C3较C0处理氮肥农学效率提高10.87 kg/kg,氮肥利用率提高22.09个百分点。【结论】生物炭和氮肥配施可以提高宁夏引黄灌区水稻产量,本试验以施用9000kg/hm2(C3)的生物炭产量最高(增产率达44.89%),同时水稻株高和穗粒数也随生物炭用量增多而增加,生物炭和氮肥配施,氮肥农学效率和氮肥利用率随生物炭用量增加而增加;不施氮肥情况下,添加生物炭对水稻产量没有显著影响,对水稻产量构成因素的影响亦不明显。。

紫外降解双酚A的因素敏感性分析及机理探讨

以光强(A)、双酚A的初始浓度(B)、pH(C)及转速(D)为变量,设计了4因素4水平的正交试验L_(16)(4~4)以考察水溶液中双酚A紫外降解的因素敏感情况,并初步探讨了其降解机理。实验结果表明,在所研究的范围内,各因素对双酚A紫外降解的敏感程度排序为:A>B>C>D;其中,光强与双酚A的初始浓度对污染物的降解速率的影响非常显著(p<0.05),而pH与转速几乎不产生影响(p>0.05)。以高效液相色谱的谱图为基础,水溶液中双酚A紫外光解的路径受反应条件特别是溶液pH值的影响。碱性条件下(pH=11)以离子形态存在的双酚A与水溶液光解产生的自由基结合形成·OH-双酚A并进一步发生取代或开环反应,酸性或中性条件下双酚A在自由基作用的情况下分解生成苯酚(t_r=4.516 min);并通过标准物质定性推断了可能的中间产物。

控释氮肥全量基施对宁夏引黄灌区水稻氮素利用效率和淋失的影响

利用田间小区试验研究了控释氮肥全量基施对宁夏水稻产量、氮素利用效率和淋洗损失的影响,为控释氮肥全量基施技术在宁夏引黄灌区应用提供技术依据。以“宁粳50号”水稻品种为研究对象,以不施氮肥(CK)为对照,参考农民常规施肥(FP)施氮量,设置了4个控释氮肥减量施用处理:控释氮肥135 kg/hm^2(C-135)、控释氮肥180 kg/hm^2(C-180)、控释氮肥225 kg/hm^2(C-225)和控释氮肥270 kg/hm^2(C-270)。对水稻产量、氮素吸收和利用效率、水稻生育期不同深度淋溶水浓度和淋失量进行测定和分析。结果表明:C-180处理和C-225处理在氮肥用量分别降低了25%和40%的条件下,水稻籽粒产量没有降低,原因在于提高了水稻的有效穗数和穗粒数。与FP比较,控释氮肥施氮量控制在270 kg/hm^2以下时,控释氮肥全量施用各处理氮肥利用率显著提高,C-135、C-180、C-225处理氮肥利用率分别比FP处理提高了10.22,11.10,12.75个百分点。控释氮肥各处理水稻生育期内田面水和不同土体深度淋溶水中的TN浓度均低于FP处理,且延迟了田面水中TN浓度峰值出现的时间,减少了因稻田排水和径流导致的氮素损失。FP处理全生育期氮素淋洗损失总量为24.57 kg/hm^2,控释氮肥各处理素淋洗损失总量在11.54~17.35 kg/hm^2,其中C-180,C-225处理总氮淋失量分别比常规施肥降低了46.17%和49.40%。综合考虑水稻产量和氮素损失因素,宁夏水稻控释氮肥全量基施适宜施氮量在180~225 kg/hm^2。

电化学氧化降解双酚A的条件优化及效果评价

以Pt片电极为阳极,通过设计5因素4水平的L_(16)(4~5)正交试验考察电流密度(A)、氯离子浓度(B)、双酚A(BPA)初始浓度(C)、pH(D)和转速(E)对BPA降解速率、COD去除率及能量效率的影响,并通过因素敏感性分析确定电化学氧化降解BPA的优化条件。结果表明,在所研究的范围内,各因素对BPA降解速率、COD去除率及能量效率的敏感程度排序分别为:A>C>B>E>D,A>B>C>E>D及B>A>C>E>D。电流密度是影响电化学氧化的最关键的因素,氯离子浓度和BPA初始浓度次之,而转速和pH的影响较小。综合分析得到的优化条件是:电流密度40 mA/cm^2、氯离子浓度40 mmol/L、BPA初始浓度0.02 mmol/L、pH 9、转速1100 r/min。优化条件下反应5 min后BPA就可完全被降解,反应30 min后生物毒性测试结果为阴性,表明电化学氧化技术是一种高效且环境安全的处理BPA的方法。

利用海水汲取液的沼液正渗透浓缩技术

为实现沼液浓缩以提高其应用价值,该试验以海水作为汲取液,采用正渗透技术对山东某海滨猪场的沼液进行浓缩。试验结果表明,正渗透浓缩倍数为2时的膜通量最高可达到9.5 L/(m2·h);沼液浓缩后的总含盐量、总钾、总磷、总氮、化学需氧量的回收率均可以达到96.7%以上,在保证较高膜通量的条件下沼液体积最高可减小为原液的1/4;对数据拟合分析的结果表明,在沼液浓缩倍数为3时,正渗透膜具有较高的浓缩效率,可达到3.9 L2/(m2·h·g)。综上,采用正渗透技术对沼液进行浓缩的方式是可行的,这不仅缓解了沼液不能及时消纳所造成的资源浪费,而且还可以提高沼液作为肥料的应用价值。

低强度超声波强化A^2/O工艺处理猪场养殖废水

规模化猪场养殖排放的废水对周边水环境的影响不容忽视。该研究采用复合处理的方法,探索了以低强度超声波强化A2/O生物反应器高效处理规模化猪场养殖废水的新工艺。经检测,通过间歇超声的强化模式对水质改善有明显作用但波动性较大;而采用连续超声模式,处理后出水中各污染物的去除率在原有A2/O生物反应器处理的基础上大大提高,COD、BOD5、氨氮、总磷的浓度分别下降到了41~57、3~8、6~12、0.09~0.8 mg/L的范围内,达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B的水质要求。猪场养殖废水处理的实际运行效果表明,该强化方法处理效果良好,运行稳定,可实现猪场养殖废水的达标排放。

长期不同施肥处理黑土磷的吸附-解吸特征及对土壤性质的响应

【目的】长期不同施肥处理影响土壤磷库和土壤性质的变化。研究不同施肥处理下黑土磷的吸附解析特征及其与土壤性质的响应关系,为黑土合理施用磷肥,提高磷有效性提供理论依据。【方法】本研究依托于公主岭黑土肥力长期定位试验,供试作物为玉米。选取不施肥(CK)、施氮、钾肥(NK)、氮磷钾平衡施肥(NPK)、氮磷钾+有机肥(NPKM)4个处理。取1990、2000和2010年的0—20 cm土层的土壤样品,分析土壤性质,测定磷的吸附解吸值,并用Langmuir方程拟合了磷的吸附曲线,计算磷最大吸附量(Qmax)、磷吸附常数(K)、最大缓冲容量(MBC)、磷吸附饱和度(DPS)以及土壤易解吸磷(RDP)。【结果】Langmuir吸附等温线方程能很好的拟合土壤吸附磷和相应的平衡溶液磷浓度曲线(R2=0.93—0.99)。不同施肥处理磷吸附解吸特征参数具有明显的差异。随试验年限的增加,不同处理各特征参数变化不尽相同,与1990年相比,2010年不施磷处理(CK和NK),Qmax值分别增加了1.83和1.61倍,MBC值分别增加了0.80%和49.40%,DPS值分别降低了92.04%和87.50%,RDP值分别降低了20.00%和82.83%;NPK处理Qmax和DPS值分别增加了81.39%和90.74%,MBC和RDP值分别降低了79.37%和48.57%;NPKM处理Qmax和MBC值分别降低了33.35%和78.52%,DPS和RDP值分别增加了11.36倍和1.48倍。施肥21年后,与CK和NPK处理相比,NPKM处理的Qmax值降低了64.66%和49.52%,MBC值降低了81.87%和79.56%,DPS值增加了110和3.81倍,RDP值增加了4.36倍和78.57%。NPKM处理显著增加了土壤全磷(Total-P)、有效磷(Olsen-P)、有机质(SOM)和CaCO3含量,降低了比表面积,维持pH、游离铁铝氧化物值不变。冗余分析结果表明:SOM和Total-P是造成磷吸附解吸特征参数差异的主要因素,分别解释了全部变异的49.5%和18.7%(P<0.05)。【结论】长期有机无机配施可显著增加SOM和土壤中磷素累积,降低土壤对磷的吸附能力,增加土壤对磷的解吸,提高土壤磷的有效性,但同时显著提高了土壤磷吸附饱和度,易引起磷素流失的风险,对于NPKM处理应考虑有机肥与无机肥的投入量。

植物对土壤养分空间异质性分布响应的荟萃分析

为了描述植物响应养分异质性的普遍规律,解析造成不同研究间的结论存在差异可能原因,本研究收集了55篇已发表的文章进行荟萃分析(meta-analysis),用以评估植物功能群分类、驯化水平和研究周期对7个有关植物地上部分和根系生长变量(地上部生物量、根系生物量、根冠比、地上部氮累积量、地上部磷累积量、根长密度和根系觅食精度)响应养分异质性环境的影响。分析结果表明,除了根冠比,养分异质性分布对其他6个植物响应变量均有正效应。根系形态的改变比率(26.5%~44.1%)显著高于植物生物量分配(7.3%~13.8%)和地上部养分含量(14.8%~18.0%)。非豆科类双子叶植物和禾本科植物相比,养分异质性分布对豆科根系形态的改变比率显著高于禾本科植物,而对植物生物量分配和地上部养分含量没有显著的影响。农作物与野生植物的生物量和养分累积量对养分异质性的响应程度相同,但农作物具有更高的根系觅食精度。养分异质性分布对植物生长响应的正效应表现出随研究周期的延长而呈下降的趋势。