一种利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法与流程

本发明属于农田土壤修复技术领域，特别涉及一种利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法。

背景技术：

由于抗生素不仅能够防治疾病，而且能够提高饲料利用效率、促进畜禽生长，因此，兽用抗生素作为饲料添加剂在集约化畜禽养殖场得到了广泛使用。2010年，中国是全球抗生素消费最大国，约占世界抗生素使用量的23％。但抗生素不能在动物体内完全代谢降解、吸收，30％～90％的抗生素以母体的形式随粪便排出体外，导致畜禽粪便中残留高浓度的抗生素。并且这些抗生素是耐药菌有效的选择器，它的滥用会导致抗生素抗性基因的增加。由于未经处理的畜禽粪便农用、地表径流、污水灌溉，抗生素和抗性基因会在土壤中富集，促使土壤成为抗生素和抗性基因的重要储存库。这些抗性基因作为一种新型环境污染物，不仅能在菌株间垂直传播，还可以整合到一些可移动基因元件上(如质粒、转座子、整合子等)，通过基因水平转移在微生物之间转移，一旦通过食物链转移到人类的致病菌中，将会导致抗生素治疗失效，人类无药可用。因此，土壤和作物中抗生素和抗性基因的有效去除是未来确保食品安全和人类健康的重要研究课题。

使用土壤吸附剂是降低土壤中抗生素有效性的一种主要方式，以此防止抗生素向植物体内积累和转移，从而减少抗生素对植物和人类的影响。研究表明传统的吸附剂例如沸石、高岭石等对有机物的吸附能力较生物炭弱。生物炭可通过它与抗生素所带的芳香环组成的π-π键来吸附抗生素，降低土壤中抗生素的有效性，并且生物炭巨大的比表面积和微孔结构为土壤微生物提供更大的空间和营养物质，便于其生长繁殖，从而促进抗生素的微生物降解。一般情况下，高温生物炭比低温生物炭对有机物的吸附效果更明显，所以，选择合适的生物炭裂解温度是极为重要的。现有研究中对生物炭修复土壤有机物的添加比例没有统一的认识。根据土壤性质、作物种类和生物炭性质的不同，生物炭的添加比例一般为1％、2％或5％，如果生物炭添加过多或过少都会损害土壤质量，降低农产品产量和品质，这就需要大量实验验证，选择最优的生物炭添加比例来作为土壤改良材料。另外，虽然生物炭的添加对土壤质量和有机物的吸附方面有了大量研究，但是对土壤和植物中抗性基因的影响尚未报道。因此，寻找一种高效低成本的土壤改良剂来降低土壤和蔬菜中抗生素和抗性基因是具有现实意义的。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，通过制备吸附效果较强的生物炭，并将其施入受抗生素和抗性基因污染的土壤中，实现土壤修复，以保护食品安全和人类健康。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，包括如下步骤：

(1)生物炭原料和预处理；

(2)炭化裂解；

(3)生物炭的生成；

(4)有机肥来源：将晒干的畜禽粪便和作物秸秆进行混合，调节c:n比为25:1，含水量为55％～60％，好氧堆肥50天左右制成腐熟的有机肥；

(5)农田培肥：将所得有机肥和生物炭作为添加物施入土壤，充分混匀；

(6)蔬菜种植过程：平衡两周后种植蔬菜，种子发芽后进行间苗，培养期间保持土壤含水量为最大持水量的70％，待蔬菜成熟后收获。

所述步骤(1)中，生物炭原料选用修剪果树后的废弃枝条，初步烘干后粉碎至1cm左右，所述步骤(2)中，将果树枝条放入炭化炉内，高温缺氧炭化3h进行热解气化反应，所述步骤(3)中，待固体冷却至室温后取出黑色残渣，磨碎过1mm筛得到生物炭。

所述步骤(2)中，炭化炉设定热解终温为500℃。

所述有机肥施用比例为土壤质量的10％，以保证为作物生长提供足够的营养成分，生物炭施用比例为土壤质量的2％。

本发明所修复的土壤为长期施用畜禽粪肥导致抗生素和抗性基因含量较高的土壤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中生物炭的制备方法简单，原料丰富，时间和经济成本较小。用果树枝条为原料和热解温度为500℃条件下生产的生物炭比一般秸秆生物炭的比表面积较大，微孔结构较多，是较理想的土壤改良材料。

(2)本发明的施肥方式操作简单，适用于小型盆栽种植也可应用于农田土壤改良。

(3)生物炭对土壤的改良可增加抗生素的光解、水解和微生物降解，同时降低抗生素的选择性压力，改变土壤抗性微生物群落组成和基因水平转移。结果使生菜叶、根和土壤中土霉素降低39.0％、30.1％和10.7％，总抗生素抗性基因的相对丰度降低了51.8％,43.4％和44.1％。

(4)生物炭的土壤应用不仅降低了土壤中抗生素和抗性基因的含量，同时还改善了土壤质量，促进植物生长，提高作物品质。

附图说明

图1为本发明生物炭结构扫描电镜图。

图2为本发明收获生菜后土壤、生菜叶和根的土霉素含量。

图3为本发明土壤和新鲜生菜组织中抗生素抗性基因的相对丰度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，包括如下步骤：

(1)生物炭的制备：生物炭原料选用苹果树废弃枝条，65℃烘干后粉碎至1cm左右，将果树枝条放入炭化炉内，500℃高温缺氧炭化3h进行热解气化反应，待固体冷却至室温后取出黑色残渣，磨碎过1mm筛得到生物炭。

(2)有机肥的制备：将晒干的牛粪和小麦秸秆进行混合，调节c:n比约为25:1，含水量为55％～60％，将堆料充分混匀后装入体积为31cm×28cm×52cm，壁厚5cm的塑料泡沫盒，堆制50天，定时进行翻堆以保证充足的氧气。最终制成成熟有机肥。

(3)盆栽种植生菜：盆栽在内径18厘米、深度15厘米的塑料盆中进行。土壤来自长期施用粪便导致抗生素含量较高的大棚土壤。盆栽分为2组，分别为ck(加10％有机肥):2.25kg土+0.25kg堆肥；bc(加10％有机肥和2％生物炭)：2.20kg土+0.25kg有机肥+0.05kg生物炭。将每盆土壤和添加物充分混匀。平衡两周后种植生菜种子，种子发芽后进行间苗，培养期间保持土壤含水量为最大持水量的70％，注意除草除虫。60天生菜成熟收获后，测定土壤和生菜根、叶中土霉素和抗生素抗性基因的丰度。

由生物炭的扫描电镜sem图像(图1)可以看出，苹果树枝条生物炭有较多的微孔结构，增大了其比表面积，为土霉素等其它物质提供更大的空间和吸附位点。图2表明向土壤中施加2％的生物炭比不施加生物炭处理的生菜叶、根和土壤中土霉素降低39.0％、30.1％和10.7％。图3中的bc与ck比较，总抗生素抗性基因的相对丰度降低了51.8％,43.4％和44.1％。土壤中tetc、tetg和tetw降低幅度最大。本方法可减少土壤和植物中抗生素、抗生素抗性基因的积累和转移，为有效降低抗生素和抗性基因对食品安全和人类健康造成的危害提供一种简单、方便、低成本的技术指导。