三種抗生素對(duì)土壤呼吸和硝化作用的影響

楊基峰，應(yīng)光國(guó)，賴華杰，趙建亮，劉珊，周麗君

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640；

2. 湖南文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，湖南 常德 415000；3. 湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082

三種抗生素對(duì)土壤呼吸和硝化作用的影響

楊基峰1,2,3，應(yīng)光國(guó)1*，賴華杰1，趙建亮1，劉珊1，周麗君1

1. 中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640；

2. 湖南文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，湖南 常德 415000；3. 湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082

抗生素廣泛用于人體和動(dòng)物疾病治療，但使用后大部分以母體形式排除體外，通過(guò)污泥還田、污灌及其他各種途徑進(jìn)入土壤環(huán)境，對(duì)陸生生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅。為評(píng)價(jià)抗生素對(duì)土壤微生物活性和功能的影響，以3種不同抗生素（磺胺嘧啶、氧四環(huán)素和諾氟沙星）為靶標(biāo)化合物，采用OECD標(biāo)準(zhǔn)土壤呼吸實(shí)驗(yàn)和氮硝化實(shí)驗(yàn)方法，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，考察抗生素對(duì)土壤微生物活性和氮轉(zhuǎn)化功能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在呼吸實(shí)驗(yàn)中，磺胺嘧啶和氧四環(huán)素在初始階段對(duì)土壤呼吸具有一定的抑制作用，并且氧四環(huán)素的抑制強(qiáng)度低于磺胺嘧啶，其最高抑制率分別為76.8%和20.7%；在實(shí)驗(yàn)后期則出現(xiàn)一定激活作用，最高激活率分別為343%和218%，隨著時(shí)間的推移激活效應(yīng)減弱。諾氟沙星在呼吸實(shí)驗(yàn)初期對(duì)微生物活性出現(xiàn)激活作用，最高激活率為15.4%；后期則出現(xiàn)一定的抑制作用，最高抑制率為21.9%。在硝化實(shí)驗(yàn)中，磺胺嘧啶對(duì)土壤A的微生物硝化作用在各處理之間未出現(xiàn)顯著性差異，而對(duì)土壤B則具有一定抑制作用，最高抑制率為20%；氧四環(huán)素和諾氟沙星則相反，在土壤A中對(duì)微生物硝化作用的抑制率分別為50%和19%，這種硝化作用差別性可能是由于土壤pH值和抗生素本身的抗菌譜所引起。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出如下結(jié)論：3種不同類型的抗生素對(duì)土壤的微生物活性和氮轉(zhuǎn)化功能會(huì)產(chǎn)生不同的作用，這種不同主要來(lái)自于抗生素種類、土壤類型及抗生素的濃度等因素的影響。因此，土壤中抗生素的引入將可對(duì)陸生生態(tài)環(huán)境造成一定影響，在實(shí)際糞便還田過(guò)程中應(yīng)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

抗生素；土壤；呼吸作用；硝化作用

抗生素常用于預(yù)防和治療人體和動(dòng)物疾病，也作為動(dòng)物的生長(zhǎng)促進(jìn)劑。抗生素使用后，很大一部分以母體或具活性代謝產(chǎn)物形式排出體外，殘留于糞便中。如張樹(shù)清等（2005）對(duì)中國(guó)7省的典型規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞便中抗生素進(jìn)行分析，其中豬糞中土霉素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.09 mg·kg-1，最高達(dá)135 mg·kg-1；四環(huán)素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.22 mg·kg-1，最高為78.6 mg·kg-1；金霉素平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.57 mg·kg-1，最高為122 mg·kg-1。糞便中含有植物所需要的氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作中常作為肥料施入土壤，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。與此同時(shí)，糞便中所含的抗生素也隨之進(jìn)入土壤環(huán)境中。研究表明：在中國(guó)檢測(cè)到土壤中含有土霉素的可高達(dá)200 mg·kg-1（王冉等，2006），而通過(guò)糞便形式進(jìn)入土壤的抗生素每公頃可達(dá)數(shù)公斤（Kemper, 2008）。由于一些抗生素在環(huán)境條件下的消解速率緩慢，以及糞便的連續(xù)輸入，造成在土壤中抗生素的濃度較高。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)物質(zhì)的循環(huán)和土壤肥力的形成具有重要意義。由于抗生素對(duì)微生物具有一定的抑制甚至殺死作用，對(duì)土壤微生物數(shù)量、活性以及功能產(chǎn)生一定影響。因此，抗生素對(duì)土壤微生物的影響最終會(huì)波及整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)。土壤呼吸作用和土壤氮轉(zhuǎn)化能力是衡量土壤微生物活性的重要指標(biāo)，二者的動(dòng)態(tài)變化直接反應(yīng)了土壤生態(tài)系統(tǒng)功能變化（Malchair and Carnol, 2009）。Kong等（2006）研究發(fā)現(xiàn)土霉素對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的抑制率達(dá)20%，抑制作用最大的濃度為43 μmol·L-1，隨著濃度的增加抑制率反而略有下降。劉鋒等（2009）研究了抗生素對(duì)土壤微生物呼吸的影響，發(fā)現(xiàn)磺胺甲嘧啶、磺胺甲惡唑、氯四環(huán)素、四環(huán)素、泰樂(lè)素和甲氧芐啶對(duì)土壤呼吸的最大抑制率分別為34.3%、34.4%、2.71%、3.08%、7.13%和38.1%，并表現(xiàn)出劑量依賴效應(yīng)。

目前雖對(duì)抗生素對(duì)土壤微生物功能開(kāi)展一定研究，當(dāng)關(guān)于不同抗生素對(duì)土壤氮硝化作用和土壤性質(zhì)在抗生素對(duì)土壤微生物功能方面的影響研究較少。因此，本實(shí)驗(yàn)以土壤呼吸作用和土壤氮硝化能力為指標(biāo)，研究磺胺嘧啶、氧四環(huán)素和諾氟沙星對(duì)土壤微生物活性的影響，同時(shí)考察不同土壤性質(zhì)對(duì)抗生素作用的影響，實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果將為抗生素的陸生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 化學(xué)品

磺胺嘧啶標(biāo)樣（純度為99.5%）購(gòu)自美國(guó)IL公司；氧四環(huán)素（純度為98.5%）和諾氟沙星標(biāo)樣（純度為98%）購(gòu)自南京德寶生化有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 供試土壤

本實(shí)驗(yàn)用土采自從不同地點(diǎn)的0～20 cm表層土壤，去除樹(shù)枝等雜質(zhì)，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，用密封袋封存后置于4 ℃下，備用。土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

呼吸實(shí)驗(yàn)方法參照OECD（2000a），氮轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)參照OECD（2000b）標(biāo)準(zhǔn)方法。

1.4 數(shù)據(jù)的處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel處理，Duncan檢驗(yàn)采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件處理。

表1 土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical property of the two soils

表2 抗生素對(duì)土壤呼吸作用的影響Table 2 The effect of antibiotics on respiration of soils CO2mg·100 g干土-1

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 磺胺嘧啶對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響

經(jīng)過(guò)21 d的培養(yǎng)，土壤呼吸強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可看出，在土壤A中0～2 d內(nèi)與對(duì)照土壤比較，磺胺嘧啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)低（1.0～10.0 mg·kg-1）的土壤呼吸強(qiáng)度未發(fā)生顯著變化；在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下（50.0～200 mg·kg-1）土壤呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)為抑制作用，且隨著含量的提高，抑制程度也相應(yīng)地增強(qiáng)；當(dāng)土壤中磺胺嘧啶添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg·kg-1時(shí)，其抑制強(qiáng)度達(dá)到76.8%。在2～4 d內(nèi)50和100 mg·kg-1的土壤呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的激活作用，激活作用分別為68.3%和64.2%，且這兩者之間處于同一水平。其他處理土壤與對(duì)照相比，呼吸強(qiáng)度未表現(xiàn)出任何抑制作用。在4～8 d內(nèi)，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下（1～10 mg·kg-1），呼吸強(qiáng)度基本未發(fā)生顯著變化，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，其呼吸強(qiáng)度進(jìn)一步被激活，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg·kg-1時(shí)，其激活強(qiáng)度高達(dá)343%。在8～14d內(nèi)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（除1 mg·kg-1）呼吸強(qiáng)度沒(méi)有明顯改變；而在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，雖然表現(xiàn)為激活作用，但其強(qiáng)度減弱，最高僅為101%（200 mg·kg-1）。在最后的7 d培養(yǎng)時(shí)間里，與對(duì)照相比，僅1 mg·kg-1土壤未表現(xiàn)出任何抑制和激活作用，其他處理土壤均表現(xiàn)出一定的激活作用。

在土壤B中0～2 d內(nèi)，與對(duì)照相比，幾種處理土壤呼吸強(qiáng)度表現(xiàn)出抑制作用，而且隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加抑制作用更強(qiáng)；在200 mg·kg-1土壤中其抑制率達(dá)29.7%。在2～4 d內(nèi)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1和5 mg·kg-1）處理土壤的呼吸抑制作用解除；而在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下其抑制作用反而增加，抑制率最高達(dá)到68.4%。在4～8 d內(nèi)10和50 mg·kg-1土壤的呼吸強(qiáng)度明顯被激活，激活率分別達(dá)到65.4%和158%，而其他處理土壤均未表現(xiàn)出任何抑制或激活效應(yīng)。在8～14 d內(nèi)與對(duì)照處理相比，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1、5和10 mg·kg-1）土壤呼吸強(qiáng)度均未發(fā)生明顯變化，而在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的激活作用，其最高激活率達(dá)到324%。在14～21 d內(nèi)100和200 mg·kg-1土壤呼吸強(qiáng)度仍表現(xiàn)出強(qiáng)烈的激活作用，而其他處理土壤和對(duì)照相比，呼吸強(qiáng)度未發(fā)顯著變化。

從總體來(lái)看，磺胺嘧啶在初始階段對(duì)土壤呼吸作用具有一定的抑制作用，而在后期則具有一定激活作用，這與其他研究結(jié)果相似（Kotzerke等，2008；Thiele-Bruhn和Beck，2005）。Kotzerke等（2008）研究發(fā)現(xiàn)在前4 d內(nèi)，2種濃度的磺胺嘧啶對(duì)土壤K的呼吸產(chǎn)生抑制作用，而在土壤M中僅高濃度產(chǎn)生抑制；但無(wú)論怎樣，在第32天后所有抑制作用都解除。由于磺胺嘧啶在土壤中消解速率較快，并且可能與土壤形成結(jié)合殘留。當(dāng)磺胺嘧啶添加至土壤后，土壤的呼吸作用受到一定程度的抑制，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)磺胺嘧啶逐漸消減并與土壤形成結(jié)合殘留，其抑制作用解除。而且，土壤微生物能夠降解磺胺嘧啶，能夠利用磺胺嘧啶作為碳源或能源。因此，在實(shí)驗(yàn)后期磺胺嘧啶對(duì)土壤呼吸具有一定激活作用。

2.2 氧四環(huán)素對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響

氧四環(huán)素對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，土壤A中0～2 d內(nèi)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1 mg·kg-1和5 mg·kg-1）的處理土壤呼吸強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化；而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下土壤呼吸強(qiáng)度受到輕微的抑制作用，最高抑制率為20.7%。在2～4 d內(nèi)10和100 mg·kg-1處理土壤強(qiáng)度表現(xiàn)出輕微的激活效應(yīng)，激活率分別為16.5%和12.3%。其他處理與對(duì)照相比，呼吸強(qiáng)度未發(fā)生顯著變化。在4～8 d各處理土壤均表現(xiàn)出一定的激活作用，激活作用最強(qiáng)的為200 mg·kg-1土壤。在隨后培養(yǎng)時(shí)間氧四環(huán)素對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度影響較小。在土壤B中，在前4天的培養(yǎng)時(shí)間里，與對(duì)照土壤相比，僅200 mg·kg-1土壤的呼吸強(qiáng)度受到一定程度的抑制作用，抑制率為15.2%。在4～8 d高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理土壤呼吸強(qiáng)度均表現(xiàn)出激活作用，最高激活率為194%。在隨后的培養(yǎng)時(shí)間里，土壤呼吸強(qiáng)度的激活作用逐漸減弱。這主要是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，氧四環(huán)素通過(guò)吸附和降解作用，其生物有效性降低（Halling-Sφrensen等，2002）。如Hund-Rinke等（2004）將土壤培養(yǎng)8周后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為500 mg·kg-1時(shí)，土壤呼吸抑制作用才會(huì)發(fā)生，主要是由于土壤微生物經(jīng)過(guò)一段時(shí)間馴化后，已經(jīng)適應(yīng)此種環(huán)境。與其相反，Boleas等（2005）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：培養(yǎng)28 d后，氧四環(huán)素對(duì)土壤呼吸作用仍然具有抑制效應(yīng)，在1000 mg·kg-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)下抑制率達(dá)到40%，這可能是由于土壤條件的改變，吸附的氧四環(huán)素重新釋放出來(lái)。Vaclavik等（2004）發(fā)現(xiàn)氧四環(huán)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10 mg·kg-1時(shí)，對(duì)呼吸作用的抑制率達(dá)到40%；而在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 mg·kg-1時(shí)，只有輕微的抑制作用，其抑制作用強(qiáng)度明顯高于本實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果。另有研究表明，氧四環(huán)素在2 d后對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生明顯的抑制作用，其IC50分別為19.1 mg·kg-1（Thiele-Bruhn和Beck, 2005）。

總的來(lái)說(shuō)，氧四環(huán)素在加藥初期對(duì)土壤呼吸作用有輕微的抑制作用，明顯低于磺胺嘧啶的抑制程度。這主要是由于氧四環(huán)素具有較強(qiáng)吸附特性，使其生物有效性降低。在培養(yǎng)中期，氧四環(huán)素對(duì)土壤呼吸呈現(xiàn)一定的激活作用，但隨著時(shí)間的推移其激活作用也逐漸減弱，這主要是由于土壤微生物逐漸適應(yīng)添加氧四環(huán)素的土壤環(huán)境，將其作為碳源或能源。

2.3 諾氟沙星對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響

諾氟沙星對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的影響結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，土壤A中在0～2 d內(nèi)，與對(duì)照比較不同濃度諾氟沙星處理土壤的呼吸強(qiáng)度均出現(xiàn)一定的激活作用，尤其是1 mg·kg-1的土壤，其激活率達(dá)到15.4%。在2～4 d內(nèi)土壤呼吸強(qiáng)度的激活作用減弱，僅100 mg·kg-1土壤出現(xiàn)顯著激活效應(yīng)； 5和10 mg·kg-1土壤呼吸強(qiáng)度出現(xiàn)顯著的抑制效應(yīng)，抑制率達(dá)到14.0%和11.3%；而1、50和200 mg·kg-1的土壤呼吸強(qiáng)度與對(duì)照相比并未出現(xiàn)顯著性差異。在4～8 d各處理土壤的呼吸強(qiáng)度均出現(xiàn)一定的抑制作用，最高抑制率達(dá)到21.9%。在隨后的培養(yǎng)時(shí)間里，各處理土壤呼吸強(qiáng)度的抑制作用逐漸解除，處理土壤與對(duì)照相比呼吸強(qiáng)度未出現(xiàn)顯著差異。

在土壤B中0～2 d內(nèi)，各處理土壤呼吸強(qiáng)度均表現(xiàn)出一定的激活作用，并且隨著濃度的提高，激活強(qiáng)度也增強(qiáng)，最高激活率達(dá)25.8%。在2～4 d激活作用消失，進(jìn)而出現(xiàn)一定的抑制作用；并且高濃度下抑制作用更強(qiáng)。如當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 mg·kg-1時(shí)，諾氟沙星對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的抑制率達(dá)到55.4%。在4～8 d內(nèi)1和5 mg·kg-1土壤呼吸抑制作用解除，但是其他高濃度處理的土壤的呼吸強(qiáng)度仍受到一定程度的抑制。在隨后的培養(yǎng)時(shí)間里，土壤呼吸強(qiáng)度與對(duì)照相比，均出現(xiàn)微弱的抑制作用。

諾氟沙星對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生作用的特點(diǎn)明顯與前2種抗生素不同，在加藥初期出現(xiàn)反常的激活作用，這可能是由于諾氟沙星對(duì)土壤微生物具有一定的刺激作用。而后期則出現(xiàn)一定的抑制作用，可能因?yàn)槠浯x產(chǎn)物對(duì)土壤微生物具有一定的抑制作用。但隨著時(shí)間的推移，其抑制作用也逐漸解除，這可能由于諾氟沙星本身的消減及吸附作用最終使其生物有效性降低，進(jìn)而減輕了對(duì)土壤微生物的毒害作用。

圖1 磺胺嘧啶對(duì)土壤硝化作用的影響Fig.1 The effects of sulfadiazine on soil nitrification activities

圖2 氧四環(huán)素對(duì)土壤硝化作用的影響Fig.2 The effect of oxytetracycline on soil nitrification activities

2.4 抗生素對(duì)土壤硝化作用影響

3種不同抗生素對(duì)土壤硝化作用，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。由圖1可以看出，在土壤A中培養(yǎng)21 d后，不同濃度磺胺嘧啶處理的土壤中硝態(tài)氮的含量與對(duì)照處理相比，有略微降低。通過(guò)Duncan檢驗(yàn)得出，不同處理與對(duì)照相比不存在顯著差異（P=0.05水平），并且不同處理之間也同樣不存在顯著性差異。說(shuō)明在土壤A中磺胺嘧啶的輸入對(duì)土壤的硝化作用基本不影響。在土壤B中不同處理土壤中硝態(tài)氮的含量與對(duì)照相比均有一定程度的下降，并且隨著磺胺嘧啶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硝態(tài)氮的含量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)（除5 mg·kg-1土壤外）。通過(guò)Duncan檢驗(yàn)（P=0.05），5、50、100和200 mg·kg-1的土壤與對(duì)照處理之間存在顯著性差異，但它們相互之間不存在顯著性差異；1和10 mg·kg-1的土壤與對(duì)照相比也不存在顯著差異。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200 mg·kg-1時(shí)，抑制率為20%，此結(jié)果與其他研究結(jié)果類似。Kotzerke等（2008）研究發(fā)現(xiàn)：低質(zhì)量分?jǐn)?shù)磺胺嘧啶（10 mg·kg-1）處理土壤與對(duì)照相比，氮硝化速率未出現(xiàn)明顯變化；僅高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（100 mg·kg-1）的磺胺嘧啶導(dǎo)致氮硝化速率的顯著下降。從土壤微生物群落水平、酶水平或是基因水平，磺胺嘧啶對(duì)土壤中的氮硝化過(guò)程均顯示出一定的影響。

由圖2可以看出，在土壤A中氧四環(huán)素處理的土壤與對(duì)照相比，硝態(tài)氮的含量在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)下（1、5、10和50 mg·kg-1）不存在顯著性差性。但在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下（100和200 mg·kg-1）卻存在顯著性差異，并且濃度越高，差異越顯著，說(shuō)明在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下氧四環(huán)素對(duì)土壤硝化作用產(chǎn)生一定影響，最大抑制率為47%。而在土壤B中不同濃度氧四環(huán)素處理的土壤與對(duì)照相比，硝態(tài)氮的含量有略微的提高。通過(guò)Duncan檢驗(yàn)（P=0.05）各種不同處理與對(duì)照之間均不存在顯著性差異。關(guān)于氧四環(huán)素對(duì)氮硝化作用的影響研究結(jié)果呈現(xiàn)一定差異。如在活性污泥中，氧四環(huán)素（0～250 mg·L-1）對(duì)生物量和氮硝化過(guò)程均沒(méi)有明顯影響（Gomez等，1996）；Campos等（2001）研究發(fā)現(xiàn)氧四環(huán)素在10 mg·L-1時(shí)引起生物膜脫落，但在100 mg·L-1時(shí)，氮硝化過(guò)程都未受影響；當(dāng)質(zhì)量濃度從100 mg·L-1提高到250 mg·L-1時(shí)，氮硝化速率的抑制率為50%。

諾氟沙星對(duì)土壤硝化作用的影響見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，在土壤A中1 mg·kg-1土壤中硝態(tài)氮的含量略高于空白對(duì)照，二者之間存在顯著性差異；說(shuō)明諾氟沙星在低濃度下對(duì)氮硝化作用具有一定激活作用，激活率為9%，而5、10、50和100 mg·kg-1土壤中硝態(tài)氮含量則與對(duì)照相差不大，不存在顯著性差異。在200 mg·kg-1土壤中，土壤硝態(tài)氮的含量明顯低于空白對(duì)照，二者之間存在顯著性差異。研究結(jié)果表明在高濃度下，諾氟沙星對(duì)土壤A中微生物的硝化作用具有抑制作用，最大抑制率為19%。在土壤B中不同處理之間，土壤中硝態(tài)氮的含量變化不大，不存在顯著性差異。

土壤的硝化作用受很多因素影響，如土壤酸度、通氣狀況、溫度和濕度、氨氮含量等。由于硝化反應(yīng)本身是個(gè)產(chǎn)酸反應(yīng)，pH值對(duì)其過(guò)程影響較大。在本研究中，2種土壤中pH值差別較大（4.30和6.67），因此它們的硝化過(guò)程區(qū)別可能較大?；前粪奏?duì)土壤A的硝化作用沒(méi)有影響，而對(duì)土壤B硝化作用卻有影響；氧四環(huán)素和諾氟沙星則相反，對(duì)土壤A的硝化作用有影響，但對(duì)土壤B卻無(wú)影響。此種差別可能是由于土壤pH值和抗生素本身的抗菌譜所引起。一般認(rèn)為隨著抗菌譜的擴(kuò)大，抗生素對(duì)氮硝化作用的影響也越大（Halling-Sφrensen，2001)。

圖3 諾氟沙星對(duì)土壤硝化作用的影響Fig.3 The effect of norfloxacin on soil nitrification activities

3 討論

土壤環(huán)境中的抗生素的抗菌作用受很多因素影響，如本身的理化特性、氣候條件、土壤類型以及其他環(huán)境條件。因此，抗生素對(duì)土壤微生物的影響需從不同角度進(jìn)行闡述。

首先，磺胺嘧啶、氧四環(huán)素和諾氟沙星的抗菌機(jī)理完全不同?；前粪奏ねㄟ^(guò)抑制葉酸的合成而抑制細(xì)菌的繁殖；氧四環(huán)素可通過(guò)與核蛋白體的30S亞單位結(jié)合，從而阻止氨酰基tRNA同核蛋白體結(jié)合；諾氟沙星通過(guò)作用于細(xì)菌DNA螺旋酶的A亞單位，抑制DNA的合成和復(fù)制而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。3種抗生素的不同抗菌機(jī)制可能是它們對(duì)土壤呼吸作用和氮硝化作用影響呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)的一個(gè)重要因素。

其次，抗生素的理化性質(zhì)。由于抗生素在土壤中的物理化學(xué)行為主要受其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定。一般來(lái)講，抗生素分子結(jié)構(gòu)、大小、形態(tài)、水溶性和親水性不同，其在土壤中的吸附行為也將完全不同。實(shí)驗(yàn)中3種抗生素在土壤中的吸附強(qiáng)弱相差較大，氧四環(huán)素的分配系數(shù)為1026 L·kg-1(Rabφl(shuí)le和SPLIID，2006)，磺胺嘧啶為2.0 L·kg-1(Thiele-Bruhn等, 2004)，而諾氟沙星則高于1100 L·kg-1(張勁強(qiáng)和董元華，2007)。在實(shí)驗(yàn)初期，磺胺嘧啶能夠強(qiáng)烈抑制土壤呼吸作用，而氧四環(huán)素和諾氟沙星則對(duì)土壤呼吸作用較弱，甚至出現(xiàn)刺激作用。這可能是由于氧四環(huán)素和諾氟沙星施用土壤后，強(qiáng)烈吸附于土壤上，從而導(dǎo)致其抗菌作用效果下降。Zielezny等（2006）研究發(fā)現(xiàn)：磺胺嘧啶在1 mg·kg-1時(shí)就能夠改變土壤微生物組成；相反，氯四環(huán)素在50 mg·kg-1對(duì)土壤呼吸作用都未發(fā)生影響。當(dāng)然，吸附作用雖然影響抗生素的抗菌作用，但并不意味著抗菌活性完全喪失（Sengelφv等, 2003）。例如，被黏土緊密吸附的四環(huán)素和泰樂(lè)素仍然保持一定的活性，對(duì)環(huán)境中的耐藥菌具有一定的選擇性（Chander等, 2005）。

最后，土壤類型在一定程度影響著抗生素的抗菌作用，這其中包括微生物種類和數(shù)量、土壤的理化性質(zhì)等。在本研究中，3種抗生素在2種不同土壤中對(duì)土壤呼吸和氮硝化作用影響不盡相同。而這2種土壤最顯著的區(qū)別在于土壤的pH不同，分別為4.30（土壤A）和6.67（土壤B）。這3種抗生素都具2個(gè)或以上的解離常數(shù)，在不同pH的土壤中它們會(huì)以不同離子形態(tài)存在，這些不同形態(tài)抗生素的抗菌效果以及在土壤中的行為則發(fā)生一定的改變，最終導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同。

4 結(jié)論

1）從總體上看，磺胺嘧啶和氧四環(huán)素在初始階段對(duì)土壤呼吸作用具有一定的抑制作用，而在后期則具有一定刺激作用，但氧四環(huán)素的抑制作用明顯低于磺胺嘧啶；諾氟沙星對(duì)土壤呼吸作用的特點(diǎn)明顯與前2種抗生素不同，在加藥初期出現(xiàn)激活作用。

2）磺胺嘧啶對(duì)土壤A的硝化作用沒(méi)有影響，而對(duì)土壤B硝化作用卻有影響；氧四環(huán)素和諾氟沙星則相反，對(duì)土壤A的硝化作用有影響，但對(duì)土壤B卻無(wú)影響。

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Effects of three types of antibiotics on soil respiration and nitrification

YANG Jifeng1,2,3, YING Guangguo1*, LAI Huajie1, ZHAO Jianliang1, LIU Shan1, ZHOU Lijun1
1. Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2. Chemistry and Chemical Engineering College, Hunan University of Arts and Science, Changde 41500, China；3. Chemistry and Chemical Engineering College, Hunan University, Changsha 410082, China

Antibiotics are widely administrated in human and livestock to treat diseases and most of them were excreted as mother molecules. Subsequently, antibiotic residues can enter into environment through the route of biosolid application in field, wastewater irrigation and others, which might pose a potential threaten to terrestrial eco-environment. For assessing the role of different types of antibiotics in influencing soil microbial activity and function, this paper investigated the effects of antibiotics on soil respiration and nitrification using sulfadiazine, oxytetracycline and norfloxacin as target chemicals and OECD standard method. In the respiration experiments, both sulfadiazine and oxytetracycline inhibited soil microbial respiration at the early stage of experiments, but the inhibiting rate for sulfadiazine was stronger than oxtetracycline. The highest inhibiting rates for sulfadiazine and oxytetracycline were 76.8% and 20.7%. The stimulation effects of sulfadiazine and oxytetracycline were found at the later stage of soil respiration experiments and the highest activating rates were 343% and 218%, respectively. However, the stimulation effects became weaker as time elapse. At the early stage of experiment, norfloxacin stimulated the micriobial respiration with the highest rate of 15.4% and the highest inhibiting rate of 21.9% was found at the later stage of experiment. In the nitrification experiments, sulfadiazine inhibited microbial nitrification for soil B a, not for soil A. The strongest inhibition rate was 20% for sulfadiazine in soil B. On the contrary, the inhibition effect of nitrification was found for oxytetracycline and norfloxacin in soil A and the inhibiting rates were 50% and 19%, respectively. The difference in effects of antibiotics on nitrification is contributed to soil pH and antibacterial spectrum of antibiotics. In conclusion, the results of soil microbial activity and nitro-transformation function is different for three types of antibiotics, which rise from antibiotics types, soil types and antibiotics concentration. Therefore, the risk should be assessed when antibiotics enter into terrestrial environment as manure form.

antibiotics; soil; respiration; nitrification

X131.3

A

1674-5906（2014）06-1050-07

楊基峰，應(yīng)光國(guó)，賴華杰，趙建亮，劉珊，周麗君. 三種抗生素對(duì)土壤呼吸和硝化作用的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(6): 1050-1056.

YANG Jifeng, YING Guangguo，LAI Huajie, ZHAO Jianliang, LIU Shan, ZHOU Lijun. Effects of three types of antibiotics on soil respiration and nitrification [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(6): 1050-1056.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1133005）；有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（OGL-201206）；湖南省自然科學(xué)基金（13JJ3155）

楊基峰（1977年生），男，副教授，主要研究環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)。E-mail:clark_yang@yeah.net

*通信作者，E-mail: guang-guo.ying@gig.ac.cn

2014-04-01