再生水灌溉不同滴头布置方式下PPCPs在土壤和番茄中的累积

李松旌，樊向阳，崔二苹，胡 超，崔丙健，刘 源，李中阳，景若瑶，李胜曙

·农业生物环境与能源工程·

再生水灌溉不同滴头布置方式下PPCPs在土壤和番茄中的累积

李松旌1,2，樊向阳1,3,4※，崔二苹1,3,4，胡 超1,3,4，崔丙健1,3,4，刘 源1,3,4，李中阳1,3,4，景若瑶2，李胜曙1,2

（1. 中国农业科学院农田灌溉研究所，新乡 453002；2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081；3. 中国农业科学院农业水资源高效安全利用重点开放实验室，新乡 453002；4. 中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站，新乡 453002）

随着药品和个人护理品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，PPCPs）生产和使用量的增加，PPCPs及其代谢产物在再生水中的检出种类、检出量不断增多，再生水灌溉可影响PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统中的分布及累积，但其规律及驱动机制尚不明确。为探明再生水滴灌条件下滴头布置方式对PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统累积的影响，该研究采用盆栽试验比较2种滴头布置方式（在番茄根部、在两番茄中间）对土壤剖面及番茄各器官中PPCPs累积量的影响，并进一步分析PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统累积的驱动机制。结果表明，再生水灌溉条件下不同滴头布置方式造成了PPCPs在土壤、作物（蔬菜）中累积规律的差异性，滴头布置在两番茄中间处理较其他处理而言增加了0～5 cm土层吉非罗齐累积量（<0.05），降低了番茄叶部卡马西平和根部吉非罗齐的累积量（<0.05），较滴头布置在番茄根部处理降低了番茄叶部吉非罗齐和根部三氯生的累积量（<0.05）；不同再生水灌溉方式通过影响土壤微环境指标导致了土壤中PPCPs分布规律的差异性，滴头布置在植株中间处理较其他处理增加了0～5 cm土层pH值，导致该土层下吉非罗齐的累积量高于其他处理（<0.05）。研究可为基于新兴污染物PPCPs防控的再生水农业安全利用提供理论依据。

土壤；蔬菜；药品；个人护理品；滴灌；再生水；行为特征

0 引 言

药品和个人护理品（Pharmaceutical and Personal Care Products，PPCPs）自20世纪末被列为新兴环境污染物以来，日益受到人们关注[1]。PPCPs生产和使用量持续增加[2]，其种类繁杂，主要包括用于治疗人类和动物疾病的药物制剂（如抗生素、抗癫痫药、止痛药、降压药、避孕药、催眠药、减肥药等）以及人类日常使用的各种护理品（如香皂、合成面膜、洗发水、发胶、染发剂等）[3]。目前环境中检出较多的PPCPs主要有咖啡因、三氯生、卡马西平、布洛芬、萘普生、吉非罗齐等，其中卡马西平作为广泛使用的抗癫痫药物，主要用于治疗癫痫病、中枢神经性尿毒症、抗躁狂抑郁症及心律失常等，随着上述病症患病人群日益增多，卡马西平的生产量及使用量持续增加[4]；吉非罗齐为血脂调节药，已被广泛用于治疗高血脂、冠状动脉等疾病，随着高血脂人群不断增加，吉非罗齐及其代谢物在生活污水、水体及土壤中的赋存和累积日益增多[5]；三氯生是一种广谱抗菌剂，广泛用于人们日常使用的香皂、漱口水、牙膏、化妆品、洗涤液等个人护理品，三氯生及其降解产物毒性较强，且具有一定的生物富集作用，对人体肝脏可造成严重损害甚至导致肝癌[6]。PPCPs在人体内代谢率低[2]，因此生活污水是环境中PPCPs的重要来源。传统污水处理工艺难以完全去除生活污水中的PPCPs[7]。虽然污水处理厂进水及出水中PPCPs的检出量在ng/L至mg/L之间，但持续性的环境输入可使其显示出与持久性污染物同等的暴露潜力[8]。因此，人们对PPCPs的环境危害及人体健康影响日益重视，对PPCPs的环境行为特征及调控机制的研究成为热点。

近年来，再生水农业灌溉因其可有效缓解农业水资源短缺矛盾并降低污水、再生水直接排放对环境的影响日益受到重视，然而其中所含的PPCPs可随灌溉在土壤中富集，并通过食物链对人体造成潜在危害。国内外学者对PPCPs在土壤中迁移累积行为的研究主要集中在不同种类PPCPs在土壤系统的迁移累积规律。已有研究表明，PPCPs在土壤中的分布累积与土壤的理化特性、微生态环境及PPCPs自身性质密切相关。Carr等[9]对雌酮、17β-雌二醇、雌三醇和17α-炔雌醇等环境污染物在土壤中有氧和无氧条件下的降解速率进行了研究，结果表明部分可被好氧微生物降解，而另一部分受厌氧微生物降解；Tadkaew等[10]研究表明可电离化合物（磺胺甲恶唑、双氯芬酸、布洛芬和酮洛芬）在pH值为5时主要以疏水形式存在，容易被土壤吸附；Qin等[11]发现土壤的有机质含量可改变土壤孔隙结构进而对PPCPs（双酚A、布洛芬等）在土壤中的吸附产生影响。灌水方式作为农业生产的一项重要措施，在保障作物水分需求的同时，对土壤理化特性及微生物群落结构也具有一定的影响作用。如滴灌可保持土壤表层的疏松状态[12]，增加土壤通透性，并有利于土壤中好氧微生物的生理活动。然而，对中国较为常见的卡马西平、吉非罗齐、三氯生等PPCPs的研究涉及较少，且再生水滴灌可能对PPCPs的土壤空间分布和迁移累积及作物吸收转运等产生影响，进而造成PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统累积规律的差异性，但该方面的研究尚未见报道。

为此，本研究以番茄和典型PPCPs（卡马西平、吉非罗齐、三氯生）为研究对象，采用盆栽试验方式，以小畦灌为对照，开展再生水滴灌条件下不同滴头布置方式下PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统的累积规律及影响机制研究，以期为基于再生水PPCPs污染防控的适宜灌水方式选型提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用土取自试验站周边未受PPCPs污染的农田0～20 cm耕层土壤，质地为砂壤土。土样经自然风干后剔除动植物残体及石块等，过5 mm筛，混合均匀后取部分土样装入密封袋，带回实验室用于测定土壤基本理化性状及供试PPCPs含量（表1），其余土样用于盆栽试验。供试作物（蔬菜）为千禧矮生番茄（矮汤姆），研究对象为卡马西平（Carbamazepine，CBZ）、吉非罗齐（Gemfibrozil，GEM）和三氯生（Triclosan，TCS），基本理化特性如表2所示；其中，地下水污染指数（Groundwater Ubiquity Score，GUS）表征淋溶迁移能力、有机碳-水系数（lgK）表征土壤吸附能力、正辛醇-水分配系数（lgK）表征疏水能力[13]。

表1 供试土壤基本理化性状及供试药品和个人护理品含量

表2 供试PPCPs基本特性

试验用再生水原水取自河南省新乡市骆驼湾污水处理厂，污水来源主要为城市生活污水和部分工业废水，污水处理工艺为A/O（Anoxic Oxic）反硝化生物滤池及臭氧氧化组合工艺，试验期间再生水原水基本理化性质如表3所示。试验再生水水质指标均符合农田灌溉水质标准（GB 508—2005）和城市污水再生利用农田灌溉用水水质标准（GB 20922—2007）。考虑到再生水原水中供试PPCPs目标污染物含量的不稳定性，本研究采用外源添加的方法配置供试再生水。由于目前污水处理、排放及再生水灌溉领域尚无该3种供试污染物的排放及利用标准，因此，本研究试验再生水中3种供试PPCPs浓度参考中国近年来污水处理厂出水检出浓度的最大值[14-16]配置，即卡马西平、吉非罗齐和三氯生的浓度控制标准分别为10、5和10g/L。

1.2 试验设计与过程

试验于2019年11月—2020年1月在中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站（35°15'N、113°55'E，海拔73.20 m）智能人工气候室进行。室内设环控、通风、补光及加温系统等，采用飞利浦GreenPower LED照明，光照强度为300mol/(m2·s)，每天光照时间为06:00—20:00，白天控制温度为（28±0.5）℃，晚间温度为（15±0.5）℃，相对湿度为60%。

表3 试验用再生水原水基本理化性质

试验以小畦灌为对照（CK），以地表滴灌的滴头布置方式为试验因子，设滴头布置于番茄根部（DR）和两番茄中间（DM）2个处理。采用随机化区组设计，每个处理重复3次。

试验装置规格综合考虑番茄种植株间距、滴灌湿润体形状及滴头与番茄的相对位置等确定，以灌水不影响作物生长为原则，DR和CK处理土箱规格为70 cm（长）× 40 cm（宽）×30 cm（高），DM处理土箱规格为100 cm（长）× 40 cm（宽）×30 cm（高）。DR、CK处理种植2株番茄，随机取一株番茄作为取样对象；DM处理种植3株番茄，以中间番茄为取样对象；番茄株间距30 cm（图1）。以容重为1.42 g/cm3计算每5 cm土层所需装填的土壤质量，并自下而上装入试验装置内，装填高度为25 cm，分5次装填。装填过程中均保证土壤颗粒分布均匀，并严格将装置内壁边缘土壤压实，确保灌水时无贴壁水流入渗，避免边缘效应。

DR、CK处理在每株番茄根部设置滴头1个，共计2个滴头，DM处理分别在相邻的两株番茄中间位置地表设置1个滴头，滴头间距为30 cm，滴头流量8 L/h。小畦灌与滴灌的湿润比分别为100%、60%[17]，计划湿润土层深度为15 cm，田间持水率低于65%时开始灌水。滴灌采用蠕动泵设定灌水总量和流量实现按计划供水，小畦灌以模拟灌水方式将灌溉水缓慢倒入装置使其形成均匀水层入渗。试验期间滴灌处理单个滴头再生水灌水总量保持一致，均为68.84 L，小畦灌处理总灌水量为110.14 L。

供试番茄采用先行室内育苗，两叶期时移栽，定植后先使用超纯水灌溉一周进行缓苗并使其适应环境，而后采用配置好的再生水进行灌溉试验。番茄整枝打芽、蘸花、保花保果和病虫害防治等同常规田间管理方法。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性状

试验结束后，以取样植株为中心，沿半径方向均匀布置土壤取样点，分别取中心以外5、10、15 cm处同一土层土壤混合样品，每个混合样品为8个取样点位的混合样，土层深度分别为0～5、>5～10、>10～15 cm。

经自然风干研磨后，土壤有机质采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测量[18]测定；pH值采用pH S-1型酸度计（美国Orion奥立龙公司，±0.1%）测定；土壤电导率（Electric Conductivity，EC）采用DDB-303A型便携式电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司，±1.0%）测定。其余土样用于PPCPs、土壤微生物群落的检测。

1.3.2 样品PPCPs含量

试验结束后，将取样植株连根拔起，采用超纯水冲洗5 min，沥干后将其不同器官（根、茎、叶、果实）分离，并检测水样、土壤样品以及番茄不同器官供试的3种PPCPs含量。采用固相萃取（Solid-phase Extraction，SPE）法对样品进行预处理，通过液相二级串联质谱（Liquid Chromatography-tandem Mass Spectrometry，LC-MS/MS）实现对3种PPCPs的定量分析，其定量离子信息表及其回收率参数见表4。

水样中PPCPs的预提取及检测方法步骤：水样通过0.45m滤膜，每1 L滤液中加0.8 g乙二胺四乙酸（Ethylene Diamine Tetraacetic Acid，EDTA）二钠盐，调pH值至4.8～5.0；HLB（Hydrophile-Lipophile Balance）固相萃取小柱中依次加入甲醇、超纯水，排除样品混合液空气；用甲醇-乙腈进行洗脱，洗脱液氮吹浓缩，甲醇-水混合液定容混匀，放置于-80 ℃冰箱内储存[19]；最后进行定量分析。

土样预处理为冷冻干燥后过0.15 mm筛，植物样品预处理为液氮研磨后冷冻干燥。取0.1 g样品，加5 mL甲醇和5 mL EDTA-麦氏试剂，超声震荡后进行离心，取上清液并加超纯水稀释，使有机溶剂（指甲醇）体积分数在2%以下，过0.22m滤膜；后续的萃取、洗脱、氮吹浓缩及检测同水样。

表4 供试PPCPs对应的液相二级串联质谱分析过程中的运行参数及其回收率

1.3.3 土壤微生物群落结构

土壤微生物群落结构通过16S rRNA微生物多样性测序。具体方法步骤如下：称取土壤样品2 g，采用Fast DNA试剂盒提取DNA，利用琼脂糖凝胶电泳和NanoDrop2000检测DNA浓度和纯度；以DNA为模板，选择V3-V4区域进行聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）扩增；使用带barcode的特异引物进行PCR，PCR产物纯化回收后进行Qubit定量；等量混样后上机测序。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2019进行汇总；处理间差异性及Pearson相关性分析采用SAS 9.4软件进行；相关性热图采用R语言pheatmap、psych包绘制；不同处理土壤及番茄PPCPs检出图采用Origin 2020b软件绘制。

2 结果与分析

2.1 不同滴头布置方式下土壤PPCPs分布

试验条件下不同滴头布置方式下供试PPCPs在不同土层的分布情况如图2所示。各处理下，卡马西平（CBZ）含量在各土层间的差异均未达到显著水平（>0.05）（图 2a）。0～5 cm土层，滴头布置在两植株中间处理（DM）与滴头布置在植株根部处理（DR）、对照组处理（CK）对土壤吉非罗齐（GEM）累积量的影响差异达到显著水平（<0.05），DM分别为DR、CK处理的8.91倍、9.72倍，但DR、CK处理间影响差异未达显著水平（>0.05）；>5～10、>10～15 cm土层，各处理对土壤GEM累积量的影响差异均未达显著水平（图2b）。各土层中，不同处理对三氯生（TCS）累积的影响差异均未达到显著水平（>0.05）（图2c）。

2.2 不同滴头布置方式下番茄不同器官PPCPs累积量

试验条件下供试PPCPs在番茄根、茎、叶、果实的累积情况如图3所示。各处理下，卡马西平（CBZ）主要累积在叶中，累积量达4.71～7.71g/g，与其他器官的差异达到了显著水平（<0.05）；滴头布置在两番茄中间处理（DM）下叶部CBZ累积量较对照处理（CK）、滴头布置在番茄根部处理（DR）分别降低了38.90%、32.23%（<0.05）；对CBZ在根、茎和果实中的累积量而言，不同处理间的差异均未达到显著水平（>0.05）（图3a）。

不同处理下吉非罗齐（GEM）在番茄不同器官的累积规律不同，DR和CK下吉非罗齐的累积量最高，分别为0.33、0.29g/g，且与其他器官的差异均达到了显著水平（<0.05），而在DM下各器官的差异均未达到显著水平（>0.05）；在根部，DM较CK、DR分别降低了49.07%、55.61%（<0.05）；在叶中，DM较DR降低了53.40%（<0.05）；不同处理下GEM在茎、果实中的累积量的差异均未达到显著水平（>0.05）（图3b）。

DR和CK下，三氯生（TCS）主要在番茄的根部累积，累积量分别为0.61、0.96g/g，且与其他器官的差异均达到了显著水平（<0.05），在DM下各器官的差异均未达到显著水平（>0.05）；在根部，DM较CK降低了32.17%（<0.05）；对TCS在茎、叶和果实中的累积量而言，不同处理间的差异均未达到显著水平（>0.05）（图3c）。

2.3 PPCPs累积与土壤微环境的相关性分析

为了探明土壤微环境对再生水灌溉PPCPs在土壤中累积的影响，将卡马西平、吉非罗齐、三氯生在土壤中的分布累积状况与土壤pH值、EC、有机质（Organic Matter，OM）、门水平微生物群落（TOP15物种）进行相关性分析，如图4所示。由图可知，卡马西平在土壤中的累积与土壤变形菌门（Proteobacteria）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、迷踪菌门（Elusimicrobia）呈正相关，与放线菌门（Actinobacteria）呈负相关（<0.05）；吉非罗齐与pH值、Patescibacteria有正相关关系（<0.05）；三氯生在土壤中的累积与土壤变形菌门、硝化螺旋菌门和迷踪菌门呈正相关（<0.05）。

注：1.迷踪菌门；2.变形菌门；3.硝化螺旋菌门；4.电导率；5.有机质；6.酸杆菌门；7.疣微菌门；8.pH值；9.Patescibacteria；10.芽孢杆菌门；11.绿弯菌门；12.放线菌门；13.肠杆菌门；14.纤维杆菌门；15.厚壁菌门；16.Dependentiae；17.拟杆菌门；18.匿杆菌门。*，P<0.05；**，P<0.01。.

为分析不同滴头布置方式通过改变土壤微环境指标进而对PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统的迁移累积规律造成的影响，将不同处理下与PPCPs累积显著相关的土壤微环境指标整理如表5所示。由表可知，在各土层中滴头布置在两植株中间处理（DM）下土壤pH值最高，且与其他处理的差异达到了显著水平（<0.05）；在各土层中，DM、滴头布置在植株根部处理（DR）下变形菌门的相对丰度均低于对照组处理（CK），且差异达均到了显著水平（<0.05）；在各土层中，DR较DM、CK均可增加放线菌门的相对丰度，且差异均达到了显著水平（<0.05）；各处理对各土层中硝化螺旋菌门、迷踪菌门相对丰度的影响未达到显著水平（>0.05）；对于Patescibacteria而言，仅在0～5 cm土层DM下的相对丰度高于DR、CK，且差异达到了显著水平（<0.05），而在其他土层中各处理的差异未达到显著水平（>0.05）。

表5 不同处理对部分土壤微环境指标的影响

3 讨 论

3.1 滴头布置方式对再生水PPCPs在土壤-蔬菜系统累积的影响

PPCPs种类繁多，且其包含的不同类别化合物具有不同的理化性质，加之土壤理化特性不同、灌溉水中PPCPs浓度水平差异等，使其在土壤中呈现不同的累积规律。本研究由于试验周期短，连续灌溉可能导致了PPCPs在土壤中的降解速率低于土壤累积速率。此外，卡马西平、三氯生具有较低的淋溶迁移性和较高的土壤吸附力[13,20]，这可能也是导致不同土层中卡马西平累积差异及三氯生累积差异不显著的主要原因。吉非罗齐具有较高的淋溶迁移性、低的土壤吸附力[5]，已有研究表明灌水量一致的情况下，滴头流量越大，形成的饱和进水带越大，且随时间的延长增长迅速，水平方向运移越快[21]，可以推测滴头布置在两番茄中间处理可造成吉非罗齐随水分运移至番茄附近土壤，使其含量较高。

不同作物器官对PPCPs的吸收累积量不同。Bax等[22]研究表明，PPCPs在作物根系中的累积效应明显，并可向茎、叶等其他部位迁移；Sharma等[20]通过研究卡马西平等12种有机污染物在苜蓿中的累积规律发现，卡马西平在苜蓿中的累积浓度高于其他有机污染物；Zheng等[23]通过对再生水灌溉后蔬菜对药物和激素的吸收积累的研究表明，所有PPCPs均在番茄根中检测到，其中三氯生、吉非罗齐在根中浓度最高，卡马西平在番茄叶中的检出浓度最高。本研究中PPCPs在番茄不同器官的分布累积规律与以上研究结果基本一致。有研究表明，PPCPs在植物中的分布与其正辛醇-水分配系数（lgK）密切相关，lgK在0～3之间时lgK越大其亲脂性越强，细胞对该化合物的吸收越好[24]；卡马西平和三氯生的lgK值分别为2.45和4.76，因此，尽管土壤中卡马西平和三氯生的输入量相同，但番茄各器官对卡马西平的吸收累积量较高；卡马西平为中性化合物，Dodgen等[25]研究表明，中性化合物在叶片组织中更易吸收，这可能是造成叶片中卡马西平累积的原因之一。吉非罗齐、三氯生在番茄根部的累积量较高，可能是因为吉非罗齐与三氯生均为可电离化合物，番茄细胞器中的电荷对其有排斥作用，导致根部吸收后向其他器官转移时受到了阻碍。

3.2 土壤PPCPs分布累积与土壤微环境的互作机制

滴灌不同滴头布置方式对土壤pH值、微生物群落结构等可造成影响，进而对再生水中PPCPs在土壤-作物（蔬菜）系统累积规律造成影响。黄德亮等[26]对清水灌区、再生水灌区以及湿地类型不同深度土壤常规指标和15种PPCPs的检测结果表明，PPCPs溶解性越差，被土壤有机质吸附越容易，而本研究中，土壤有机质、土壤微生物群落与土壤PPCPs的分布规律并无显著相关性，这可能是因为供试土壤中有机质含量较低，对土壤微生物、PPCPs等未产生迅猛的激发效应所致；此外，再生水中富含氮磷等营养物质，可以直接被土壤微生物利用，从而削弱了土壤有机质对微生物的影响。Cirja等[27]发现在不同的pH条件下，PPCPs的物理、化学和生物性质（吸附性、光反应性、抗菌活性和毒性）会发生一定的变化，吉非罗齐由于羧基的存在呈弱酸性，其在土壤中的分布与pH值呈正相关，这也表明在吉非罗齐的主要降解过程并非基于酸碱中和反应，而是在酸性条件下发生取代反应。由表5可知，滴头布置在植株中间处理较其他处理而言可增加土壤pH值（<0.05），因此导致该处理下土壤中吉非罗齐的累积量高于其他处理。

土壤中微生物对污染物的分解、吸附等功能也起着重要作用[28]。本研究通过连续灌溉，导致PPCPs源源不断地输入到土壤-蔬菜系统，因此图4中与污染物成正相关的微生物群落通过分解PPCPs为自身提供营养物质，但微生物的作用仍需进一步商榷。土壤中变形菌门可通过新陈代谢将各种形式的碳、氮的化合物进行转化[29]，卡马西平是一种氮化合物、三氯生是一种碳化合物，理论上可以被变形菌门分解，与此同时各处理下卡马西平含量随土层增加呈下降趋势可能是变形菌门相对丰度随土壤深度的增加而显著降低（<0.05）的原因之一；放线菌门拥有完全降解多种有毒化合物的生化和遗传特征，包括2-氯苯酚（2-CP）、对氯苯酚（4-CP）、苯甲酸盐、苯酚、甲酚、对甲苯甲酯和其他可生物降解的有机化合物[30]，结合相关性分析放线菌可以降解卡马西平，但该生物群系的分布与卡马西平的分布呈负相关关系，这种现象可能是变形菌门消耗了大量的氮化合物诱导放线菌门形成囊样休眠细胞；硝化螺旋菌门在铵态氮、硝酸盐、亚硝酸盐循环系统起着重要作用[31]，卡马西平和三氯生各有4个硝基取代位置，均可发生硝化反应，但各处理下硝化螺旋菌门相对丰度的差异并不显著，因此该菌群养分的主要供给可能来自土壤或再生水中的其他营养物质；Patescibacteria可参与氮、硫和铁循环[32]，但吉非罗齐并不包含这3种元素，因此该群落对吉非罗齐的作用仍有待商榷；迷踪菌门为自养或异养生活方式，通过依赖硝酸盐/亚硝酸盐的呼吸作用或者把各种有机化合物（包括核糖、半乳糖、葡萄糖、乙酸和丙酸和丁酸）作为基质生成醋酸供能[33]，尽管迷踪菌门与卡马西平和三氯生的分布呈正相关关系，但迷踪菌门的营养物质可能是由硝化螺旋菌门提供，微生物群落是否对卡马西平和三氯生有分解作用尚不确定。此外，相关微生物对PPCPs的作用机理、附属产物及其环境风险等方面仍需进一步研究。

4 结 论

1）滴头布置在两番茄中间处理较滴头布置在番茄根部处理、对照小畦灌处理显著增加了0～5 cm土层吉非罗齐的累积量，分别为滴头布置在番茄根部处理、对照组小畦灌处理的8.91、9.72倍。各处理未对土壤中卡马西平和吉非罗齐的累积规律造成影响。

2）滴头布置在两番茄中间处理较对照小畦灌处理降低了番茄叶中卡马西平的累积量、根部吉非罗齐和三氯生的累积量，降幅分别为38.90%、49.07%和32.17%，较滴头布置在番茄根部处理降低了根部卡马西平的累积量、叶和根部吉非罗齐的累积量，降幅分别为32.23%、53.40%和55.61%。

3）不同滴头布置方式可通过影响土壤微环境指标，造成土壤中PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）累积的差异性。在0～5 cm土层，滴头布置在两番茄中间处理较其他处理增加了的pH值，导致该处理下吉非罗齐的累积量最高。

本研究从再生水灌溉方式作为PPCPs在土壤-蔬菜系统调控的切入点，比较了不同滴头布置方式下再生水PPCPs在土壤-蔬菜系统的累积情况。目前，滴灌灌溉制度的不同入渗方式对不同土壤类型、不同作物类型PPCPs的累积规律及其作用机理尚不明确，仍需进一步探索研究。

[1] Ferrari B, Mons R, Vollat B, et al. Environmental risk assessment of six human pharmaceuticals: Are the current environmental risk assessment procedures sufficient for the protection of the aquatic environment?[J]. Environmental Toxicology & Chemistry, 2010, 23(5): 1344-1354.

[2] 王斌，黄俊，邓述波，等. 我国PPCPs环境风险研究需求和建议[C]. 持久性有机污染物论坛2011暨第六届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集. 哈尔滨：第六届持久性有机污染物全国学术研讨会议组委会，2011.

[3] 杨月琴. 人工湿地去除污水中PPCPs的现状及研究进展[J]. 应用化工，2018，47(9)：1996-2000.

Yang Yueqin. Present situation and research progress in the treatment of PPCPs in sewage by constructed wetland[J]. Applied Chemical Industry, 2018, 47(9): 1996-2000. (in Chinese with English abstract)

[4] Zhang Y J, Sven-Uwe G, Carmen G. Carbamazepine and diclofenac: Removal in wastewater treatment plants and occurrence in water bodies[J]. Chemosphere, 2008, 73(8): 1151-1161.

[5] Yu F, Karnjanapiboonwong A, Chase D A, et al. Occurrence, fate, and persistence of gemfibrozil in water and soil[J]. Environmental Toxicology & Chemistry, 2012, 31(3): 550-555.

[6] Mezcua M J, Gomez M J, Ferrer I, et al. Evidence of 2, 7/2, 8-dibenzodichloro-p-dioxin as a photodegradation product of triclosan in water and wastewater samples[J]. Analytica Chimica Acta, 2004, 524(1): 241-247.

[7] Chen W, Xu J, Lu S, et al. Fates and transport of PPCPs in soil receiving reclaimed water irrigation[J]. Chemosphere, 2013, 93(10): 2621-2630.

[8] 秦秦，宋科，孙丽娟，等. 药品和个人护理品(PPCPs)在土壤中的迁移转化和毒性效应研究进展[J]. 生态环境学报，2019，28(5)：1046-1054.

Qin Qin, Song Ke, Sun Lijuan, et al. Transference-transformation and toxicological effect of pharmaceuticals and personal care products in soils[J]. Ecology and Environment Sciences, 2019, 28(5): 1046-1054. (in Chinese with English abstract)

[9] Carr D L, Morse A N, Zak J C, et al. Microbially mediated degradation of common pharmaceuticals and personal care products in soil under aerobic and reduced oxygen conditions[J]. Water Air and Soil Pollution, 2011, 216(1): 633-642.

[10] Tadkaew N, Sivakumar M, Khan S J, et al. Effect of mixed liquor pH on the removal of trace organic contaminants in a membrane bioreactor[J]. Bioresource Technology, 2010, 101(5): 1494-1500.

[11] Qin Q, Chen X, Jie Z. The surface-pore integrated effect of soil organic matter on retention and transport of pharmaceuticals and personal care products in soils[J]. Science of the Total Environment, 2017, 599(600): 42-49.

[12] 臧明，雷宏军，潘红卫，等. 增氧地下滴灌改善土壤通气性促进番茄生长[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：117-126.

Zang Ming, Lei Hongjun, Pan Hongwei, et al. Aerated subsurface drip irrigation improving soil aeration and tomato growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)，2018，34(23): 117-126. (in Chinese with English abstract)

[13] 吴林，李峰，杜蓓蓓. 药物及个人护理品在土壤中的淋溶迁移性评价[J]. 环境科学与技术，2015，38(5)：169-173，212.

Wu Lin, Li Feng, Du Beibei. Evaluation of leachability of pharmaceuticals and personal care products in soils[J]. Environmental Science and Technology, 2015, 38(5): 169-173,212. (in Chinese with English abstract)

[14] 杨林，薛罡. 给水系统中卡马西平含量测定方法的研究[J]. 环境科学与技术，2010，33(12)：143-145，154.

Yang Lin, Xue Gang. Determination of carbamazepine in tap water supply system[J]. Environmental Science & Technology, 2010, 33(12): 143-145,154. (in Chinese with English abstract)

[15] 张翠平. 药物活性物质在污水处理过程中的迁移转化研究[D]. 邯郸：河北工程大学，2013.

Zhang Cuiping. The Distribution, Migration and Transformation of PhACs in Wastewater Treatment Process[D]. Handan: Hebei University of Engineering, 2013. (in Chinese with English abstract)

[16] 胡金龙. 典型PPCPs在污水处理厂中的迁移转化规律研究[D]. 上海：东华大学，2014.

Hu Jinlong. Occurrence and Removal of Typical Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs)in a Wastewater Treatment Plant[D]. Shanghai: Donghua University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[17] 晏清洪，王伟，任德新，等. 滴灌湿润比对成龄库尔勒香梨树根系分布的影响[J]. 灌溉排水学报，2011，30(2)：63-67.

Yan Qinghong, Wang Wei, Ren Dexin, et al. Effects of wetted percentage on the root redistribution of mature korla fragrant pear trees under drip irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(2): 63-67. (in Chinese with English abstract)

[18] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京：中国农业科技出版社，2000：13-110.

[19] Wu X, Conkle J L, Gan J. Multi-residue determination of pharmaceutical and personal care products in vegetables[J]. Journal of Chromatography A, 2012, 1254: 78-86.

[20] Sharma P, Poustie A, Verburg P, et al. Trace organic contaminants in field-scale cultivated alfalfa, soil, and pore water after 10 years of irrigation with reclaimed wastewater[J]. Science of the Total Environment, 2020, 744: 140698.

[21] 安巧霞，孙三民，徐镕，等. 不同流量对间接地下滴灌湿润体特征的影响[J]. 人民黄河，2016，38(6)：154-156.

An Qiaoxia, Sun Sanmin, Xu Rong, et al. Effects of different dripper discharge on wetting soil characteristics of indirect subsurface drip irrigation[J]. Yellow River, 2016, 38(6): 154-156. (in Chinese with English abstract)

[22] Bax R. Antibiotic resistance: A view from the pharmaceutical industry[J]. Pharmacochemistry Library, 1998, 29: 237-241.

[23] Zheng W, Wiles Kelsey N, Dodge L. Uptake and accumulation of pharmaceuticals and hormones in vegetables after irrigation with reuse water[R]. Chicago: Illinois Sustainable Technology Center, 2016.

[24] Chen Q F, Briggs G G, Evans A A. The relationship between the absorption, transfer, and distribution of non-ionizing pesticides by rice roots and the lipophilicity of pesticides[J]. Journal of Nuclear Agriculture Science, 1989 (1): 3-10.

[25] Dodgen L K, Ueda A, Wu X, et al. Effect of transpiration on plant accumulation and translocation of PPCP/EDCs[J]. Environmental Pollution, 2015, 198: 144-153.

[26] 黄德亮，何江涛，杨蕾，等. 某市再生水灌区水土环境中PPCPs污染特征分析[J]. 中国环境科学，2016，36(9)：2614-2623.

Huang Deliang, He Jiangtao, Yang Lei, et al. Distribution characteristics of pharmaceuticals and personal care products in water and soil environment in reclaimed water irrigation area of a city[J]. China Environmental Science, 2016, 36(9): 2614-2623. (in Chinese with English abstract)

[27] Cirja M, Ivashechkin P, Schffer A, et al. Factors affecting the removal of organic micropollutants from wastewater in conventional treatment plants (CTP) and membrane bioreactors (MBR)[J]. Reviews in Environmntal Science and Biotechnology, 2008, 7(1): 61-78.

[28] 杨秀清，刘亚妮. 联苯代谢对微生物的生长胁迫及分裂抑制[J]. 中国环境科学，2019，39(9)：3941-3950.

Yang Xiuqing, Liu Yani. Growth stress and division inhibition of biphenyl metabolism on microorganisms[J]. China Environmental Science, 2019, 39(9): 3941-3950. (in Chinese with English abstract)

[29] Campbell B J, Engel A S, Porter M L, et al. The versatile epsilon-proteobacteria: Key players in sulphidic habitats[J]. Nature Reviews Microbiology, 2006, 4(6): 458-68.

[30] Solyanikova I P, Golovleva L A. Physiological and biochemical properties of Actinobacteria as the basis of their high biodegradative activity[J]. Applied Biochemistry & Microbiology, 2015, 51(2): 132-139.

[31] Lin W, Christian J, Dirk S, et al. Metagenomic analysis reveals unexpected subgenomic diversity of magnetotactic bacteria within the phylum Nitrospirae[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2011, 77(1): 323-326.

[32] Herrmann M, Wegner C E, Taubert M, et al. Predominance of Cand. Patescibacteria in groundwater is caused by their preferential mobilization from soils and flourishing under oligotrophic conditions[J]. Frontiers in Microbiology, 2019, 10: 1407.

[33] Méheust R, Castelle C J, Carnevali P, et al. Groundwater Elusimicrobia are metabolically diverse compared to gut microbiome Elusimicrobia and some have a novel nitrogenase paralog[J]. The ISME Journal, 2020, 14: 2907–2922.

Impacts of different emitter layouts on the accumulation of Pharmaceuticals And Personal Care Products (PPCPs) in soil and tomato under reclaimed water irrigation

Li Songjing1,2, Fan Xiangyang1,3,4※, Cui Erping1,3,4, Hu Chao1,3,4, Cui Bingjian1,3,4, Liu Yuan1,3,4, Li Zhongyang1,3,4, Jing Ruoyao2, Li Shengshu1,2

(1.,,453002,;2.,100081,;3.-,,453002,;4.,,453002,)

Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs) have emerged in recent years as prevalent environmental pollutants subjected to the ever-growing global population and occurrence of new diseases. PPCPs can easily enter the soil-plant system via reclaimed wastewater irrigation and sludge applicationin modern agriculture. A multitude of biotic and abiotic processes directly determine the PPCPs metabolismin soil. However, the effects of soil moisture on PPCPs accumulation still remain unclear. In this study, a new irrigation arrangement was proposed to facilitate the PPCPs degradation while retard the root uptake during translocation in plants. Three typical PPCPs were taken as research materials, including carbamazepine (CBZ), gemfibrozil (GEM), and triclosan (TCS), under different dripper arrangements (at the root of tomato and between two tomatoes), with conventional border irrigation (CK) as the control. Subsequently, the soil at different depths was selected to measure the PPCPs contents of plant tissues, physicochemical properties, and microflora. The results showed that there was no significant difference in the cumulative amounts of CBZ and TCS in the 0-5, >5-10, and >10-15 cm soil layers under each treatment. The cumulative amount of GEM under CK and the treatment of emitters placed at root (DR) were lower than the treatment of emitters placed between two plants (DM) (<0.05). The cumulative amount of CBZ in leaves under DM reduced by 38.90% and 32.23% compared with CK and DR respectively (<0.05). In terms of thecumulative amount of GEM in tomato roots, DM decreased by 49.07% and 55.61% compared with CK and DR treatment separately, the cumulative amount of GEM in leaves under DM treatment was reduced by 53.40% compared with DR (<0.05). The cumulative amount of TCS in roots under DM was 32.17% lower than that under CK (<0.05). The correlation analysis indicated that the distribution of CBZ in the soil was positively correlated with Proteobacteria, Nitrospirae, and Elusimicrobia (<0.05), whereas negatively correlated with Actinobacteria (<0.05). GEM was positively correlated with the soil pH and Patescibacteria (<0.05). TCS was also positively correlated with Proteobacteria, Nitrospirae, Nitrospirae, Elusimicrobia, and Verrucomicrobia (<0.05). DM treatment in reclaimed water irrigation made a great contribution to the accumulation of GEM in the 0-5 cm soil layer, significantly higher than other treatments (<0.05), and where there was a significant reduction in accumulative amount of CBZ in tomato leaves and the accumulation of GEM in roots (<0.05). The small border irrigation significantly reduced the accumulation of CBZ in fruits, as well as GEM in tomato stems, leaves and fruits. The main reason was that CBZ and TCS were decomposed by Proteobacteria and Nitrospirae whereas Actinobacteria was used to degrade CBZ. Substitution reactions under acidic conditions dominated the degradation of GEM with relation to the soil pH. The finding can contribute to better understanding the common processes of PPCPs transport and distribution in soil-vegetable systems using reclaimed water irrigation in agriculture.

soils; vegetables; pharmaceuticals; personal care products; drip irrigation; reclaimed water; behavior characteristics

李松旌，樊向阳，崔二苹，等. 再生水灌溉不同滴头布置方式下PPCPs在土壤和番茄中的累积[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：187-194.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021 http://www.tcsae.org

Li Songjing, Fan Xiangyang, Cui Erping, et al. Impacts of different emitter layouts on the accumulation of Pharmaceuticals And Personal Care Products (PPCPs) in soil and tomato under reclaimed water irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 187-194. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021 http://www.tcsae.org

2020-10-01

2021-01-13

国家自然科学基金项目（51479201）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（FIRI202003-01）；河南省科技攻关项目（192102110094）

李松旌，研究方向为农业水资源安全高效利用。Email：627888123@qq.com

樊向阳，研究员，研究方向为农业水资源与水环境。Email：fxy0504@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.021

S19；S274

A

1002-6819(2021)-08-0187-08