本發(fā)明屬于農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法。

背景技術(shù)：

由于抗生素不僅能夠防治疾病，而且能夠提高飼料利用效率、促進(jìn)畜禽生長，因此，獸用抗生素作為飼料添加劑在集約化畜禽養(yǎng)殖場得到了廣泛使用。2010年，中國是全球抗生素消費(fèi)最大國，約占世界抗生素使用量的23％。但抗生素不能在動物體內(nèi)完全代謝降解、吸收，30％～90％的抗生素以母體的形式隨糞便排出體外，導(dǎo)致畜禽糞便中殘留高濃度的抗生素。并且這些抗生素是耐藥菌有效的選擇器，它的濫用會導(dǎo)致抗生素抗性基因的增加。由于未經(jīng)處理的畜禽糞便農(nóng)用、地表徑流、污水灌溉，抗生素和抗性基因會在土壤中富集，促使土壤成為抗生素和抗性基因的重要儲存庫。這些抗性基因作為一種新型環(huán)境污染物，不僅能在菌株間垂直傳播，還可以整合到一些可移動基因元件上(如質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子、整合子等)，通過基因水平轉(zhuǎn)移在微生物之間轉(zhuǎn)移，一旦通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人類的致病菌中，將會導(dǎo)致抗生素治療失效，人類無藥可用。因此，土壤和作物中抗生素和抗性基因的有效去除是未來確保食品安全和人類健康的重要研究課題。

使用土壤吸附劑是降低土壤中抗生素有效性的一種主要方式，以此防止抗生素向植物體內(nèi)積累和轉(zhuǎn)移，從而減少抗生素對植物和人類的影響。研究表明傳統(tǒng)的吸附劑例如沸石、高嶺石等對有機(jī)物的吸附能力較生物炭弱。生物炭可通過它與抗生素所帶的芳香環(huán)組成的π-π鍵來吸附抗生素，降低土壤中抗生素的有效性，并且生物炭巨大的比表面積和微孔結(jié)構(gòu)為土壤微生物提供更大的空間和營養(yǎng)物質(zhì)，便于其生長繁殖，從而促進(jìn)抗生素的微生物降解。一般情況下，高溫生物炭比低溫生物炭對有機(jī)物的吸附效果更明顯，所以，選擇合適的生物炭裂解溫度是極為重要的?，F(xiàn)有研究中對生物炭修復(fù)土壤有機(jī)物的添加比例沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。根據(jù)土壤性質(zhì)、作物種類和生物炭性質(zhì)的不同，生物炭的添加比例一般為1％、2％或5％，如果生物炭添加過多或過少都會損害土壤質(zhì)量，降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)，這就需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選擇最優(yōu)的生物炭添加比例來作為土壤改良材料。另外，雖然生物炭的添加對土壤質(zhì)量和有機(jī)物的吸附方面有了大量研究，但是對土壤和植物中抗性基因的影響尚未報道。因此，尋找一種高效低成本的土壤改良劑來降低土壤和蔬菜中抗生素和抗性基因是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，通過制備吸附效果較強(qiáng)的生物炭，并將其施入受抗生素和抗性基因污染的土壤中，實(shí)現(xiàn)土壤修復(fù)，以保護(hù)食品安全和人類健康。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，包括如下步驟：

(1)生物炭原料和預(yù)處理；

(2)炭化裂解；

(3)生物炭的生成；

(4)有機(jī)肥來源：將曬干的畜禽糞便和作物秸稈進(jìn)行混合，調(diào)節(jié)c:n比為25:1，含水量為55％～60％，好氧堆肥50天左右制成腐熟的有機(jī)肥；

(5)農(nóng)田培肥：將所得有機(jī)肥和生物炭作為添加物施入土壤，充分混勻；

(6)蔬菜種植過程：平衡兩周后種植蔬菜，種子發(fā)芽后進(jìn)行間苗，培養(yǎng)期間保持土壤含水量為最大持水量的70％，待蔬菜成熟后收獲。

所述步驟(1)中，生物炭原料選用修剪果樹后的廢棄枝條，初步烘干后粉碎至1cm左右，所述步驟(2)中，將果樹枝條放入炭化爐內(nèi)，高溫缺氧炭化3h進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)，所述步驟(3)中，待固體冷卻至室溫后取出黑色殘?jiān)ニ檫^1mm篩得到生物炭。

所述步驟(2)中，炭化爐設(shè)定熱解終溫為500℃。

所述有機(jī)肥施用比例為土壤質(zhì)量的10％，以保證為作物生長提供足夠的營養(yǎng)成分，生物炭施用比例為土壤質(zhì)量的2％。

本發(fā)明所修復(fù)的土壤為長期施用畜禽糞肥導(dǎo)致抗生素和抗性基因含量較高的土壤。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明中生物炭的制備方法簡單，原料豐富，時間和經(jīng)濟(jì)成本較小。用果樹枝條為原料和熱解溫度為500℃條件下生產(chǎn)的生物炭比一般秸稈生物炭的比表面積較大，微孔結(jié)構(gòu)較多，是較理想的土壤改良材料。

(2)本發(fā)明的施肥方式操作簡單，適用于小型盆栽種植也可應(yīng)用于農(nóng)田土壤改良。

(3)生物炭對土壤的改良可增加抗生素的光解、水解和微生物降解，同時降低抗生素的選擇性壓力，改變土壤抗性微生物群落組成和基因水平轉(zhuǎn)移。結(jié)果使生菜葉、根和土壤中土霉素降低39.0％、30.1％和10.7％，總抗生素抗性基因的相對豐度降低了51.8％,43.4％和44.1％。

(4)生物炭的土壤應(yīng)用不僅降低了土壤中抗生素和抗性基因的含量，同時還改善了土壤質(zhì)量，促進(jìn)植物生長，提高作物品質(zhì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明生物炭結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。

圖2為本發(fā)明收獲生菜后土壤、生菜葉和根的土霉素含量。

圖3為本發(fā)明土壤和新鮮生菜組織中抗生素抗性基因的相對豐度。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

本發(fā)明一種利用生物炭降低土壤及蔬菜中抗生素和抗性基因的方法，包括如下步驟：

(1)生物炭的制備：生物炭原料選用蘋果樹廢棄枝條，65℃烘干后粉碎至1cm左右，將果樹枝條放入炭化爐內(nèi)，500℃高溫缺氧炭化3h進(jìn)行熱解氣化反應(yīng)，待固體冷卻至室溫后取出黑色殘?jiān)?，磨碎過1mm篩得到生物炭。

(2)有機(jī)肥的制備：將曬干的牛糞和小麥秸稈進(jìn)行混合，調(diào)節(jié)c:n比約為25:1，含水量為55％～60％，將堆料充分混勻后裝入體積為31cm×28cm×52cm，壁厚5cm的塑料泡沫盒，堆制50天，定時進(jìn)行翻堆以保證充足的氧氣。最終制成成熟有機(jī)肥。

(3)盆栽種植生菜：盆栽在內(nèi)徑18厘米、深度15厘米的塑料盆中進(jìn)行。土壤來自長期施用糞便導(dǎo)致抗生素含量較高的大棚土壤。盆栽分為2組，分別為ck(加10％有機(jī)肥):2.25kg土+0.25kg堆肥；bc(加10％有機(jī)肥和2％生物炭)：2.20kg土+0.25kg有機(jī)肥+0.05kg生物炭。將每盆土壤和添加物充分混勻。平衡兩周后種植生菜種子，種子發(fā)芽后進(jìn)行間苗，培養(yǎng)期間保持土壤含水量為最大持水量的70％，注意除草除蟲。60天生菜成熟收獲后，測定土壤和生菜根、葉中土霉素和抗生素抗性基因的豐度。

由生物炭的掃描電鏡sem圖像(圖1)可以看出，蘋果樹枝條生物炭有較多的微孔結(jié)構(gòu)，增大了其比表面積，為土霉素等其它物質(zhì)提供更大的空間和吸附位點(diǎn)。圖2表明向土壤中施加2％的生物炭比不施加生物炭處理的生菜葉、根和土壤中土霉素降低39.0％、30.1％和10.7％。圖3中的bc與ck比較，總抗生素抗性基因的相對豐度降低了51.8％,43.4％和44.1％。土壤中tetc、tetg和tetw降低幅度最大。本方法可減少土壤和植物中抗生素、抗生素抗性基因的積累和轉(zhuǎn)移，為有效降低抗生素和抗性基因?qū)κ称钒踩腿祟惤】翟斐傻奈：μ峁┮环N簡單、方便、低成本的技術(shù)指導(dǎo)。