Bt毒素在礦物和土壤膠體上的吸附和殘留研究.pdf

1、轉(zhuǎn)Bt基因作物發(fā)展迅速，其釋放的毒素可能在土壤中積累，影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能和生物多樣性，引發(fā)環(huán)境安全問(wèn)題。本文研究了Bt毒素在礦物（蒙脫石、高嶺石、針鐵礦和二氧化硅）和土壤（紅壤、磚紅壤、黃棕壤和黃褐土）膠體表面的吸附特性，用動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方法探討了Bt毒素的吸附規(guī)律和時(shí)間、溫度、pH、低分子量有機(jī)酸鹽、無(wú)機(jī)配體等因素對(duì)吸附的影響，并用紅外光譜、圓二色譜和熒光光譜等觀察了供試膠體吸附對(duì)Bt毒素結(jié)構(gòu)的影響，剖析了被吸附Bt毒素的解吸規(guī)律

2、，還研究了在有或無(wú)外源微生物條件下土壤中外加Bt毒素的殘留特性。本研究將土壤化學(xué)與現(xiàn)代生物技術(shù)相融合，為轉(zhuǎn)Bt基因植物代謝產(chǎn)物的環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)安全評(píng)價(jià)提供參考。主要結(jié)果如下：
　　 1）Bt毒素在供試膠體表面的等溫吸附曲線為L(zhǎng)型，可用Langmuir和Freundlich方程擬合，且Freundlich方程擬合效果更好。在Bt毒素初始濃度為0.1000 mg L-1時(shí)，其在礦物膠體表面的吸附量隨溫度升高而減少，在供試膠體表面吸附

3、的標(biāo)準(zhǔn)自由能（△rGmθ）為負(fù)值，表明該吸附是自發(fā)反應(yīng)。Bt毒素除在蒙脫石表面吸附的標(biāo)準(zhǔn)焓變（ΔrHmθ）為正值是吸熱反應(yīng)外，在其它供試膠體表面吸附的標(biāo)準(zhǔn)焓變均為負(fù)值，是放熱反應(yīng)：且所有吸附的標(biāo)準(zhǔn)焓變值均小于40 kJ mol-1，說(shuō)明該吸附主要是物理吸附。
　　 2）Bt毒素在供試膠體表面能快速吸附，0.25 h的吸附量約占平衡吸附量的64％-80％，1-2 h基本達(dá)平衡。該吸附可用粒子內(nèi)擴(kuò)散模型擬合，常數(shù)C值不為0，表明粒子

4、內(nèi)擴(kuò)散速度不是Bt毒素在供試膠體表面吸附快慢的唯一控制因素。此外，其吸附動(dòng)力學(xué)也符合一級(jí)方程、二級(jí)方程和Elovich方程，以二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的擬合程度最好，說(shuō)明該吸附主要受表面吸附控制。
　　 3）針鐵礦、蒙脫石、高嶺石、黃棕壤和黃褐土等膠體在pH6時(shí)對(duì)Bt毒素的吸附量最大，二氧化硅、紅壤和磚紅壤等膠體在pH7時(shí)吸附量最大，其吸附量一般隨pH的升高而降低，這主要與Bt毒素的等電點(diǎn)及供試膠體的電荷零點(diǎn)有關(guān)。
　　 4）低分

5、子量有機(jī)酸鹽和無(wú)機(jī)配體對(duì)Bt毒素在供試膠體表面的吸附受的影響。對(duì)Bt毒素的吸附低濃度（<10 mmol L-1）有機(jī)酸鹽（乙酸鹽、草酸鹽、檸檬酸鹽）起抑制作用，高濃度有機(jī)酸鹽起促進(jìn)作用；不同有機(jī)酸鹽抑制作用的強(qiáng)弱為草酸鹽<檸檬酸鹽≤乙酸鹽。無(wú)機(jī)配體對(duì)Bt毒素吸附的影響與有機(jī)酸鹽相反，低濃度無(wú)機(jī)鹽促進(jìn)其吸附，高濃度的起抑制作用，不同離子的影響為HzPO4->NO3-，NH4+>K+。
　　 5）吸附態(tài)Bt毒素很難被解吸。用0.1

6、mmol L-1 NaCl作解吸劑時(shí)，供試膠體表面吸附態(tài)Bt毒素的解吸率<5.3％，磷酸緩沖液作解吸劑時(shí)其解吸率<13.1％，表明它只有少部分以靜電和配位的方式吸附在供試膠體表面。在有低分子量有機(jī)酸鹽等配體存在條件下，NaCl和磷酸緩沖液對(duì)吸附態(tài)Bt毒素的解吸率均有顯著增加（除乙酸鹽體系中蒙脫石和磚紅壤吸附態(tài)Bt毒素外），表明有機(jī)酸鹽的存在一定程度上增加了靜電和配位吸附，影響大小為草酸鹽>檸檬酸鹽>乙酸鹽。
　　 6）熒光光譜顯

7、示Bt毒素在282 nm激發(fā)光的作用下有酪氨酸（314.5 nm）和色氨酸（338 nm）熒光峰，其與高嶺石、蒙脫石及土壤等膠體作用后色氨酸熒光峰紅移了5-9.5 nm，酪氨酸熒光峰沒(méi)有變化；與針鐵礦和二氧化硅膠體作用后色氨酸和酪氨酸的熒光峰藍(lán)移了0.5-1 nm，變化不明顯。熒光峰的紅移表明Bt毒素的吸附導(dǎo)致其內(nèi)源熒光基團(tuán)所處的分子環(huán)境極性增強(qiáng)。圓二色光譜表明吸附導(dǎo)致Bt毒素的二級(jí)結(jié)構(gòu)改變，α螺旋和β折疊含量增加，而β轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲

8、含量降低。紅外光譜顯示，吸附后Bt毒素的酰胺Ⅰ帶（1653 cm-1）和酰胺Ⅱ帶（1543 cm-1）等特征光譜峰未發(fā)生明顯位移，只是1055，1240和2362 cm-1處的峰消失，表明C-N殘基在供試膠體吸附Bt毒素中起重要作用，且吸附后毒素的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化不明顯。
　　 7）25℃條件下，初始濃度為0.3μg g-1的游離態(tài)Bt毒素隨時(shí)間增加殘留量逐漸減少，10天時(shí)殘留量小于原始加入量的55％，培養(yǎng)40天后約降解了80％，表

9、明游離態(tài)Bt毒素降解速率較快。有外源微生物存在，其降解速率更快，表明微生物能利用游離態(tài)Bt毒素；雙指數(shù)模型擬合結(jié)果表明，微生物存在下其降解速率更快，且從種植非轉(zhuǎn)Bt植物土壤中提取的微生物對(duì)游離態(tài)Bt毒素的利用更快。Bt毒素在供試滅菌土壤（磚紅壤、黃褐土和黃棕壤）中的殘留量隨著培養(yǎng)時(shí)間的推移先增加（1-2天）后逐步減少，降解50％的時(shí)間（DT50）為10天左右，外源微生物對(duì)土壤中Bt毒素的降解速率影響不明顯。初始階段Bt毒素在3種土壤中降