稻田土壤CH4排放及其关联微生物功能基因丰度对磺胺二甲嘧啶和铜污染的响应

摘要

为了研究畜禽粪便中磺胺类兽用抗生素磺胺二甲嘧啶(Sulfamethazine,SMZ)和典型重金属铜(Copper,Cu)复合污染对稻田土壤CH4排放及其微生物相关功能基因丰度的影响,以猪粪为肥源,设置无污染、低、中、高4种SMZ和Cu不同污染水平的浓度,SMZ分别为0、0.1、1、5 mg·kg-1,Cu分别为0、100、500、1500 mg·kg-1,两两组合共计16个处理,通过长时间室内模拟淹水培养实验,定期测定CH4排放速率和相关土壤功能基因丰度,以期探索SMZ和Cu单一及复合污染影响CH4排放和相关功能基因丰度的浓度效应及影响时长.结果表明:培养前期(0～12 d),不同浓度的SMZ和Cu未显著影响CH4排放速率(P>0.05);培养中后期(13～71 d),单一低浓度SMZ(0.1 mg·kg-1)处理对CH4排放具有促进作用,高浓度SMZ(≥1 mg·kg-1)则反之,单一Cu污染及与不同浓度的SMZ复合污染处理均显著降低了CH4排放速率(P<0.05).与对照(SMZ和Cu零添加)相比,除单一低浓度SMZ(0.1 mg·kg-1)处理的CH4累积排放量增加了19.7％外,其他处理均显著降低了CH4排放,尤其Cu和SMZ(≥1 mg·kg-1)复合污染处理显著降低了约77％(P<0.05).SMZ单一污染对16S rRNA-CH4、mcrA和pmoA的基因丰度均有明显的浓度效应和输入时间效应,Cu单一污染则未有明显的浓度和时间效应,两者复合污染的联合作用比较复杂,主要取决于两污染物的起始浓度及SMZ输入土壤的时间.无论SMZ和Cu单一还是复合污染,中高浓度在培养的后期对三大基因丰度的影响均以降低为主,且pmoA基因丰度对Cu和SMZ单一及复合污染响应更敏感.研究表明,SMZ和Cu在一定程度上会降低稻田土壤CH4排放及相关微生物基因丰度,有利于温室气体减排,但规模化养殖业畜禽粪便还田后导致抗生素和重金属高残留的环境风险仍不可忽视.