環(huán)丙沙星對玉米生長的影響及其累積殘留特征

秦俊梅，熊華燁

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

環(huán)丙沙星對玉米生長的影響及其累積殘留特征

秦俊梅，熊華燁

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]為了解喹諾酮類抗生素環(huán)丙沙星對玉米生長的影響。[方法]采用玉米盆栽試驗，探討了雞糞中環(huán)丙沙星抗生素對玉米生長的影響及其在玉米體內(nèi)的殘留特征。[結(jié)果]環(huán)丙沙星對玉米的株高、根長、莖葉、籽粒的干重及凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率具有明顯的抑制作用，環(huán)丙沙星分別遷移至玉米根、莖和葉中，但未遷移至玉米籽粒中，環(huán)丙沙星在玉米體中的殘留特征為：葉>莖>根。[結(jié)論]通過此研究，可知環(huán)丙沙星對玉米生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，而隨著施肥量的增加，環(huán)丙沙星對玉米生長的抑制作用和在玉米器官中的殘留率趨于減弱。

環(huán)丙沙星； 雞糞； 玉米

目前，抗生素在畜禽養(yǎng)殖方面發(fā)揮著非常重要的作用，在全球范圍內(nèi)，幾乎所有地區(qū)都采取添加各種抗生素的方法來增加動物產(chǎn)品產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益。在我國，許多規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場缺少相應(yīng)的環(huán)境治理和綜合利用設(shè)施，使大量畜禽糞便中的抗生素直接進(jìn)入生態(tài)環(huán)境。研究表明，雞通過靜脈注射或口服環(huán)丙沙星后，只產(chǎn)生較少的代謝產(chǎn)物，其余主要以原藥的形式排出體外(超過 85% 的抗生素由畜禽糞便排出體外)，所產(chǎn)生的糞便直接或以施肥方式進(jìn)入土壤和水體環(huán)境[1]。因此，抗生素導(dǎo)致的環(huán)境污染引起人們的高度關(guān)注和重視，QNs抗生素的環(huán)境污染現(xiàn)狀、環(huán)境行為和生態(tài)毒性日益成為環(huán)境科學(xué)的研究熱點[2]。國內(nèi)外對于獸用抗生素的研究多集中于抗生素在環(huán)境(土壤、水體、動物性食品和蔬菜)中的殘留[3～5],以及其在糞便中的降解規(guī)律[6～9]。獸用抗生素隨有機肥施入土壤后，對農(nóng)作物的生長方面及其在作物體內(nèi)的遷移分布規(guī)律則缺乏相關(guān)的研究。本文通過玉米盆栽試驗，研究含環(huán)丙沙星的雞糞作為有機肥施入土壤對玉米生長的影響及其在玉米器官中的遷移分布規(guī)律，有助于進(jìn)一步了解獸用環(huán)丙沙星抗生素的環(huán)境影響，同時為抗生素污染土壤中的農(nóng)作物的風(fēng)險評價提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤樣本

本文的供試土壤為褐土，采自于山西省太谷縣農(nóng)田耕層(0～20 cm)，土樣風(fēng)干后，分別過2 mm和1 mm篩，充分混勻，并且進(jìn)行盆栽試驗和測定土壤的基本理化性質(zhì)。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1，測定方法參考文獻(xiàn)[10]。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.1.2 雞糞樣本

試驗所用雞糞采自山西省陵川縣大型養(yǎng)殖場，一種為雞飼料中未人為加入環(huán)丙沙星排出的雞糞(雞糞Ⅰ，環(huán)丙沙星初始濃度為7.34 mg·kg-1，其環(huán)丙沙星含量來自飼料本身)，另一種為按照雞標(biāo)準(zhǔn)攝入量在雞飼料中人為加入環(huán)丙沙星排出的雞糞(雞糞Ⅱ，環(huán)丙沙星初始濃度為87.45 mg·kg-1)，樣本為新鮮雞糞，多點取樣，混合后取回，一部分雞糞樣品將其冷凍干燥后測定其中環(huán)丙沙星的含量，其它雞糞樣品自然風(fēng)干后待用。

1.1.3 供試玉米

玉米的品種為高玉4號(生長期為128 d)。

1.1.4 試驗藥品

盆栽所用化肥為CO(NH2)2、Ca(H2PO4)2和K2SO4(均為分析純)，其施用量分別為CO(NH2)20.15 g·kg-1土、Ca(H2PO4)20.05 g·kg-1土和K2SO40.1 g·kg-1土。

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽方案

盆栽試驗共設(shè)立7個處理，每個處理3個重復(fù)(見表2)。盆栽采用底部內(nèi)徑14 cm、上部內(nèi)徑19 cm、高25 cm的塑料盆，每盆裝土12.5 kg，隨機排列。將一定量的雞糞添加到過1 mm篩的土壤中混勻，再與過2 mm濾篩的土壤以及化肥混合均勻后裝盆，并調(diào)至田間持水量。

表2 玉米盆栽試驗設(shè)計

注：雞糞Ⅰ，環(huán)丙沙星含量為7.34 mg·kg-1，其環(huán)丙沙星含量來自飼料本身；雞糞Ⅱ，環(huán)丙沙星濃度為87.45 mg·kg-1

Note: Chicken manure Ⅰ, ciprofloxacin content is 7.34 mg · kg-1, the content of ciprofloxacin from feed itself; Chicken manure Ⅱ, ciprofloxacin content is 87.45 mg · kg-1

1.2.2 盆栽與采樣

2015年4月12日進(jìn)行播種，采用直播的方式。3葉期進(jìn)行間苗，每盆只保留1株。盆栽試驗期澆灌以不滲漏為宜進(jìn)行人工防治蟲害，但是不噴施農(nóng)藥。

8月27日進(jìn)行盆栽的收割，用不銹鋼剪刀從土面上將玉米剪斷，將莖葉、籽粒分類裝入到密封袋中。并將土倒出，盡量小心無損地取出玉米的根，然后依次用自來水、蒸餾水洗凈后再裝入密封袋中，和玉米的莖、葉、籽粒同時放入烘箱中，等烘干后稱重并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.3 測定項目與方法

土壤、糞樣和玉米莖、葉、根、籽粒均采用高效液相色譜法(HPLC)[11]；土壤和雞糞樣品中環(huán)丙沙星抗生素的測定采用超聲波提取-SPE-HPLC法；玉米根、莖、葉和籽粒的環(huán)丙沙星抗生素測定采用超聲波提取-旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)-HPLC法。7月14日上午，天氣晴朗無云，使用便攜式光合儀CI-310(思愛迪生態(tài)科技儀器有限公司)進(jìn)行田間玉米葉片(主莖從上向下數(shù)第3片葉子)的光合參數(shù)(凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度)變化的測定，每個處理進(jìn)行3次重復(fù)測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的數(shù)據(jù)都采用DPS 7.05版本的軟件對測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米生長的影響

2.1.1 不同處理對玉米株高和根長的影響

由圖1可看出，玉米根長和株高，各處理間均達(dá)顯著水平(P<0.05)，玉米的根長和株高出現(xiàn)一致規(guī)律。株高和根長各處理均顯著(P<0.05)高于對照。

圖1 不同處理對玉米株高和根長的影響Fig.1 Effect of ways on maize height and root length注：寫字母不同均表示差異顯著(P<0.05)，下同。Note： Different letters indicated significant difference (P<0.05), the same below.

同一施肥量下，玉米株高 和根長 處理1>處理2、處理3>處理4、處理5>處理6，處理2、處理4、處理6分別比處理1、處理3、處理5的根長降低13.35%、14.35%、15.00%，株高降幅為10.07%、10.16%、14.97%，可見，雞糞Ⅰ處理的玉米株高和根長均高于雞糞Ⅱ處理值，說明環(huán)丙沙星在一定程度上抑制了玉米根長和株高的生長，且隨著環(huán)丙沙星濃度的升高，抑制作用增強。

不同施肥量下，株高和根長處理5>處理3>處理1、處理6>處理4>處理2，說明隨著施肥量的增加，玉米的根長和株高也隨之增加。而且抗生素對根生長的抑制作用大于對株的抑制，這與前人的研究結(jié)果[12]一致。

2.1.2 不同處理對玉米莖葉、根和籽粒干重的影響

由圖2可看出，各處理的玉米莖葉、根和籽粒干重基本呈現(xiàn)一致規(guī)律，各處理間差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，除了根干重處理中，CK與處理2差異不顯著，其余莖葉、根和籽粒干重各處理間與CK差異均顯著。

圖2 不同處理對玉米根、莖葉和籽粒干重的影響Fig.2 Effect of ways on maize root, leaf and seed dry weight

同一施肥量下，處理1>處理2，處理3>處理4，處理5>處理6，處理2、處理4、處理6分別比處理1、處理3、處理5的根干重降低42.05%、44.76%、45.99%，莖葉干重降低5.64%、11.95%、19.80%，籽粒干重降低3.89%、9.24%、14.16%?？梢?，飼料中未添加環(huán)丙沙星排出的雞糞處理均高于飼料中添加環(huán)丙沙星后排出的雞糞處理，說明環(huán)丙沙星在一定程度上抑制了玉米根、莖葉和籽粒干重的增加，且隨著環(huán)丙沙星濃度的升高，抑制作用也增強。

不同施肥量下，處理5>處理3>處理1，處理6>處理4>處理2，說明隨著施肥量的增加，玉米的根、莖葉和籽粒干重也隨之增加。

2.2 不同處理對玉米光合參數(shù)的影響

由表3可以看出，玉米光合參數(shù)：凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)，各處理間均差異顯著(P<0.05)，玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率出現(xiàn)一致規(guī)律，且三者各處理均顯著高于對照。胞間CO2濃度各處理均低于對照，植物的凈光合速率與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)[13，14]，結(jié)果與前人研究一致。

表3 不同處理對玉米光合參數(shù)的影響

同一施肥量下，玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，處理1>處理2，處理3>處理4，處理5>處理6，處理2、處理4、處理6分別比處理1、處理3、處理5的凈光合速率降低7.61%、16.63%、25.09%，氣孔導(dǎo)度降低1.15%、2.59%、3.03%，蒸騰速率降低20.16%、22.63%、28.83%?？梢?，飼料中未添加環(huán)丙沙星排出的雞糞處理均高于飼料中添加環(huán)丙沙星后排出的雞糞處理，說明環(huán)丙沙星在一定程度上抑制了玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，且隨著環(huán)丙沙星濃度的升高，抑制作用增強。胞間CO2濃度，處理1<處理2、處理3<處理4、處理5<處理6，增幅分別為3.64%、1.62%、1.51%，說明環(huán)丙沙星在一定程度上增加了玉米胞間CO2的濃度，且隨著環(huán)丙沙星濃度的升高，增幅減弱，但與對照相比，總體呈抑制作用。

不同施肥量下，玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，處理5>處理3>處理1、處理6>處理4>處理2，說明隨著施肥量的增加，玉米的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率也隨之增強。胞間CO2濃度，處理1>處理3>處理5、處理2>處理4>處理6，說明隨著施肥量的增加，胞間CO2濃度隨之降低。

2.3 不同處理玉米器官中環(huán)丙沙星的殘留特征

由圖3可看出，除籽粒外，玉米其它部位莖、葉和根全部測出了環(huán)丙沙星，且環(huán)丙沙星殘留特征為葉>莖>根。玉米的莖、葉和根的各處理間均差異顯著，且各處理均顯著高于對照(P<0.05)。

圖3 玉米器官中環(huán)丙沙星的殘留特征Fig.3 Residue characteristics of ciprofloxacin in maize organs

同一施肥量下，玉米的莖、葉和根各處理殘留趨勢為：處理1<處理2、處理3<處理4、處理5<處理6，處理2、處理4、處理6分別比處理1、處理3、處理5的莖殘留量增幅為143.48%、218.97%、301.49%；葉殘留量增幅為26.80%、87.61%、117.32%；根殘留量增幅為178.57%、282.86%、306.98%?？偟目磥?，隨著抗生素環(huán)丙沙星濃度的增加，環(huán)丙沙星在玉米體內(nèi)的殘留升高。

不同施肥量下，玉米的莖、葉和根各處理殘留趨勢為：處理5>處理3>處理1、處理6>處理4>處理2，說明，隨著施肥量的增加，玉米各部位的環(huán)丙沙星殘留量也隨之增加。玉米莖處理的處理1與處理3、處理3與處理5、處理2與處理4、處理4與處理6相比，環(huán)丙沙星升幅分別為26.09%、15.52%、65.18%、45.41%；玉米葉處理的處理1與處理3、處理3與處理5、處理2與處理4、處理4與處理6相比，升幅分別為16.50%、12.39%、72.36%、30.19%；玉米根處理的處理1與處理2、處理2與處理4、處理1與處理3、處理3與處理4升幅分別為25.00%、22.86%、71.80%、30.60%。可見，隨著施肥量的增加，環(huán)丙沙星在玉米器官中的殘留率的增幅作用減弱。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明：除玉米的胞間CO2濃度外，在同一施肥量下，環(huán)丙沙星含量不同時，隨著環(huán)丙沙星的增加，各處理玉米的株高、根長、莖葉、籽粒的干重及凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率出現(xiàn)一致規(guī)律：處理1>處理2、處理3>處理4、處理5>處理6，表明環(huán)丙沙星對玉米生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用，其抑制作用隨著環(huán)丙沙星濃度的升高而增大；不同施肥量下，隨著雞糞施入量增加環(huán)丙沙星濃度也增大，玉米的株高、根長、莖葉、籽粒的干重及凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率出現(xiàn)一致規(guī)律：處理5>處理3>處理1，處理6>處理4>處理2，可見，雞糞量的增加可以減少環(huán)丙沙星抗生素對其的抑制作用；除玉米籽粒外，玉米其它部位莖、葉和根均測出了環(huán)丙沙星，且環(huán)丙沙星殘留特征為葉>莖>根，隨著環(huán)丙沙星的濃度和施肥量的增加，玉米各部位的環(huán)丙沙星殘留量也隨之增加，但隨著施肥量的增大，環(huán)丙沙星在玉米器官中的殘留率的增幅作用減弱。

環(huán)丙沙星對玉米根生長的抑制作用大于對株的抑制，說明二者對環(huán)丙沙星的反應(yīng)存在差異性。同時，在玉米的根、莖和葉中均累積了環(huán)丙沙星，雖然作物植株通過其根部吸收抗生素，但根部累積的抗生素含量卻最少，而在玉米籽粒中卻未累積，這也許與環(huán)丙沙星的化學(xué)和生物機制有關(guān)，使環(huán)丙沙星未遷移至玉米籽粒中。此外，同一施肥量時，環(huán)丙沙星對玉米生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用，而隨著施肥量的增加，環(huán)丙沙星對玉米生長的抑制作用和在玉米器官中的殘留率趨于減弱，至于環(huán)丙沙星在植株體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和代謝途徑與機制、對玉米生長的抑制作用以及有機肥的降解作用的具體機理則有待進(jìn)一步研究。

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(編輯：武英耀)

Effects of ciprofloxacin on maize growth and accumulation and residue characteristics of ciprofloxacin

Qin Junmei, Xiong Huaye

(CollegeofResourceandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801,China)

[Objective]In order to understand the effect of quinolone antibacterial ciprofloxacin on the growth of maize.[Methods]This article conducts maize pot experiment, studies the effects of ciprofloxacin antibiotic in chicken manure on maize growth and residue characteristics of ciprofloxacin in maize. [Results]The results were summarized as follows: Ciprofloxacin has a significant inhibitory effect on the plant height, root length, dry weigh of stem leaf and grain, net photosynthesis rate, stomatal conductance and transpiration rate of maize. Ciprofloxacin migrates into roots, stems and leaves of maize except grain. The residue characteristics of ciprofloxacin in maize is leaf >stem>root.With the increase of fertilizer, the amount of ciprofloxacin residue in maize increases, which in accordance with the law of quality,but the growth of residual rate reduces.This study provides scientific basis for the effect of ciprofloxacin antibiotic on the growth of crops. [Conclusion]Through this research we can know that ciprofloxacin has a significant inhibitory effect on maize growth, but with the increase of fertilizing amount, the inhibitory effect of ciprofloxacin on the growth of maize and the residual rate in maize organs tend to weaken.

Ciprofloxacin, Chicken manure, Maize

2016-11-28

2016-12-14

秦俊梅(1974-)，女(漢)，山西陵川人，副教授，研究方向 ：土壤環(huán)境

山西省科技攻關(guān)項目(20140311008-4)

S144.1

A

1671-8151(2017)02-0077-06