常見抗生素對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

(江蘇師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

抗生素作為人類對抗細菌感染的一大利劍，在醫(yī)藥及畜禽養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)廣泛使用[1]。中國不但是抗生素生產(chǎn)大國，也是抗生素濫用大國，每年我國抗生素的消耗達到驚人的18萬t[2-3],進入生物體內(nèi)的抗生素大多會直接排入環(huán)境中，不能被生物吸收降解[4-5]，從而對環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生重大影響，并通過食物鏈等對人體健康產(chǎn)生影響[6-7]。水體與土壤是抗生素重要的歸宿。

抗生素按照化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為β-內(nèi)酰胺類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、氨基糖苷類、四環(huán)素類、磺胺類等多個類別。進入水環(huán)境中的抗生素因缺乏有效的水處理技術(shù)而長期存在[8-9]，多種抗生素在水體中均有檢出[10-15]。水體中的抗生素會通過灌溉進入土壤，同時畜禽糞便常作為有機肥施用于農(nóng)田土壤來促進農(nóng)作物的生長,糞便中不能降解的抗生素也就此進入土壤系統(tǒng)，使得土壤中抗生素廣泛存在[15-18]。

研究表明，進入農(nóng)田系統(tǒng)的抗生素，會對作物的生長產(chǎn)生影響[19-20]。李盼盼等發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素可以影響小白菜的產(chǎn)量[19]。陳智鑫等發(fā)現(xiàn)，青霉素、氯霉素、四環(huán)素和鏈霉素均能不同程度促進桑樹種子萌發(fā)[20]。鹽酸左氧氟沙星、青霉素鈉、阿奇霉素和頭孢唑林鈉作為氟喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類中的具有代表性的抗生素在日常生活中被廣泛應(yīng)用，故而在自然界中殘留量相對來說較高。本研究以鹽酸左氧氟沙星、青霉素鈉、阿奇霉素和頭孢唑林鈉4種常見抗生素和廣泛種植的玉米品種(鄭單958、農(nóng)大108)為對象，通過水培和土培法，研究環(huán)境中這4種抗生素對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，進一步了解環(huán)境中留存抗生素的毒性問題。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米種子(鄭單958、農(nóng)大108)購自徐州市種子公司。

抗生素(鹽酸左氧氟沙星、青霉素鈉、阿奇霉素、頭孢唑啉鈉)購自江蘇師范大學(xué)醫(yī)院，加入蒸餾水配制4個處理組，其質(zhì)量濃度分別為:25，50，100，200 mg·L-1，以蒸餾水為對照。

1.2 實驗方法

1.2.1抗生素對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長影響的生物測定

用培養(yǎng)皿濾紙法[21]進行抗生素玉米種子處理實驗。取20粒大小一致、飽滿的同種玉米種子放入培養(yǎng)皿中，在其中加入20 mL不同質(zhì)量濃度的抗生素處理液,以蒸餾水為對照,每組重復(fù)3次。播種24 h后開始紀錄發(fā)芽率,每天定時觀察,直至對照組種子的發(fā)芽率不再變化為止,記錄此時的發(fā)芽率；種子發(fā)芽生長7 d后,分別隨機抽取各處理20株(不足20株的全部測定)幼苗，測量其根長和芽長[22]。

1.2.2抗生素對玉米干重及幼苗葉綠素含量和POD酶活性影響的生物測定

采用盆栽法。選用直徑為20 cm的塑料盆，每盆裝土550 g，挑選20粒已露白、大小一致、飽滿的玉米種子播于盆內(nèi)，分別于播種后第0，5，10，15天澆灌50 mL不同濃度的抗生素溶液，以蒸餾水澆灌為對照，每組重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列，常規(guī)管理。于第20天測定小麥植株干重、葉片葉綠素含量與過氧化物酶活性[22-23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件，分別進行不同處理間種子萌發(fā)和幼苗生長特性差異的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗生素溶液對玉米種子發(fā)芽率的影響

由圖1可見，不同濃度的鹽酸左氧氟沙星均可明顯促進鄭單958玉米種子的萌發(fā)，但對農(nóng)大108玉米種子的萌發(fā)無促進作用，當濃度大于25 mg·L-1時還會抑制農(nóng)大108玉米種子的萌發(fā)；較低濃度(≤100 mg·L-1)的青霉素鈉處理均明顯促進了2種玉米種子的萌發(fā)；阿奇霉素處理均促進了鄭單958玉米種子的萌發(fā)，而僅較低濃度(≤50 mg·L-1)處理促進農(nóng)大108玉米種子的萌發(fā)；孢唑啉鈉處理均顯著促進了2種玉米種子的萌發(fā)。整體來說，抗生素對鄭單玉米958種子的萌發(fā)無抑制作用，對農(nóng)大108種子的萌發(fā)低促高抑。

注：同一樣品中，相同字母表示0.05水平上差異不顯著，不同字母表示0.05水平上差異顯著。下同。圖1 不同抗生素處理對玉米種子萌發(fā)的影響

圖2 不同抗生素處理對玉米芽生長的影響

圖3 不同抗生素處理對玉米根生長的影響

2.2 抗生素溶液對玉米芽生長的影響

從圖2可以看出，所有的鹽酸左氧氟沙星處理均抑制玉米幼苗的生長；青霉素鈉處理均促進了鄭單958玉米幼苗的生長，對農(nóng)大108玉米幼苗的生長影響不大，僅較高濃度(>100 mg·L-1)處抑制農(nóng)大108玉米幼苗的生長；阿奇霉素所有處理對農(nóng)大108玉米幼苗的生長起抑制作用，而僅較高濃度(>100 mg·L-1)處理抑制鄭單958玉米幼苗的生長；頭孢唑啉鈉處理濃度≤50 mg·L-1時，會促進鄭單958玉米芽的生長，≤25 mg·L-1時則會對農(nóng)大108玉米幼苗的生長產(chǎn)生促進作用，均表現(xiàn)為低促高抑。整體來看，除了鹽酸左氧氟沙星，另外3種低濃度抗生素對鄭單958芽的生長會有一定程度的促進作用，而4種抗生素對農(nóng)大108玉米芽的生長則不利。

2.3 抗生素溶液對玉米根生長的影響

從圖3可以看出，鹽酸左氧氟沙星和阿奇霉素處理均顯著抑制了2種玉米根的生長；青霉素鈉處理顯著促進了鄭單958玉米根的生長，卻顯著抑制了農(nóng)大108玉米根的生長；較低濃度(≤50 mg·L-1)的頭孢唑啉鈉處理促進了鄭單958玉米根的生長，所有處理均抑制了農(nóng)大108玉米根的生長。整體來看，除了青霉素鈉與較低濃度(≤50 mg·L-1)的頭孢唑啉鈉處理可促進鄭單958根的生長外，其他處理方式均不利于2種玉米根的生長。

圖4 不同抗生素處理對玉米幼苗相對干質(zhì)量的影響

圖5 不同抗生素處理對玉米幼苗葉綠素含量的影響

2.4 抗生素溶液對玉米幼苗干質(zhì)量的影響

從圖4可以看出，鹽酸左氧氟沙星處理的玉米干質(zhì)量較對照均有顯著的下降；青霉素鈉處理顯著增加了2種玉米的干質(zhì)量；阿奇霉素處理濃度(≤100 mg·L-1)顯著促進了鄭單958玉米干質(zhì)量的增加，卻明顯抑制了農(nóng)大108玉米干質(zhì)量的增長；頭孢唑啉鈉處理均未降低2種玉米的干質(zhì)量，在低處理濃度(≤100 mg·L-1)時更是促進了鄭單958玉米干質(zhì)量的增加。整體來看，鹽酸左氧氟沙星降低鄭單958玉米干物質(zhì)的積累，鹽酸左氧氟沙星和阿奇霉素降低農(nóng)大108玉米干物質(zhì)的積累，對玉米幼苗的進一步生長不利，其他處理未影響玉米干物質(zhì)的積累。

2.5 抗生素溶液對玉米葉片葉綠素含量的影響

從圖5可以看出,鹽酸左氧氟沙星處理的玉米幼苗葉綠素的含量較對照明顯降低，僅處理濃度為25 mg·L-1時促進了農(nóng)大108玉米幼苗葉綠素的合成；青霉素鈉處理濃度低于200 mg·L-1時，對鄭單958玉米幼苗葉綠素的含量無影響，同時所有處理均顯著降低了農(nóng)大108玉米幼苗葉綠素的含量；較低處理濃度(≤50 mg·L-1)的阿奇霉素處理明顯促進了2種玉米幼葉中幼苗葉綠素的合成；頭孢唑啉鈉可促進農(nóng)大108玉米幼苗中葉綠素的合成，處理濃度為25 mg·L-1時，促進鄭單958與農(nóng)大108玉米幼苗中葉綠素的含量達到最高值。鹽酸左氧氟沙星和青霉素鈉處理基本都不利于玉米幼苗葉綠素的合成，而較低處理濃度的阿奇霉素和頭孢唑啉鈉處理明顯促進2種玉米幼苗葉綠素的合成。

2.6 抗生素溶液對玉米幼苗POD酶活性的影響

從表1可以看出，較高濃度的鹽酸左氧氟沙星(>50 mg·L-1)處理組中鄭單958玉米葉片中的POD活性均顯著低于對照，體內(nèi)因脅迫產(chǎn)生的自由基無法被有效清除，幼苗生長將受到嚴重影響；而青霉素鈉處理的2種玉米POD酶的活性均存在低促高抑的現(xiàn)象，較高處理濃度(>100 mg·L-1)的青霉素鈉使得玉米POD的酶活性降低，幼苗生長將受到影響；而使用阿奇霉素和頭孢唑啉鈉處理的玉米體內(nèi)的POD酶活性較對照組均有明顯的增強，這表明玉米可以通過增強自身POD的酶活性在一定程度上緩解阿奇霉素和頭孢唑啉鈉對玉米生長的影響。可見，低濃度的鹽酸左氧氟沙星和青霉素鈉以及所有的阿奇霉素以及頭孢唑啉鈉處理對玉米膜的損傷可以通過增強POD酶活性來得到緩解。

3 結(jié)論與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，較低濃度的4種抗生素對玉米種子的萌發(fā)均無抑制作用，這可能與玉米種皮對胚的保護作用有關(guān)，種皮對有機污染物具有一定的阻礙作用[24-25],使得在種子萌發(fā)階段，與種子萌發(fā)相關(guān)的酶(如淀粉酶)活性未受到過多的影響[24]。劉萍等研究表明，一定濃度的青霉素能明顯提高小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)和胚乳中淀粉酶的活力[26]，本研究結(jié)果與之相符。

表1 不同抗生素處理對玉米幼苗POD酶活性的影響(U/g·FW)

抗生素類別作物品種浸提液濃度/(g·L-1)ck2550100200鹽酸左氧氟沙星鄭單95847.83a47.22a46.97a30.84b26.12c農(nóng)大10868.67a69.42a63.58b48.35c28.64d青霉素鈉鄭單95847.83b60.5a59.45a47.13b36.32c農(nóng)大10868.67c73.58b80.24a69.1c64.85d阿奇霉素鄭單95847.83c47.9c49.85b53.41a52.98a農(nóng)大10868.67c69.04c75.37b82.4a82.05a頭孢唑啉鈉鄭單95847.83c48.03c53.49b57.63a54.01b農(nóng)大10868.67d71.35c71.48c76.52a74.37b

注：表中不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

因為存在種皮的保護作用，它起到了阻礙胚芽與外界環(huán)境直接接觸的作用，所以在一定濃度范圍內(nèi)，外界抗生素對玉米種子芽的生長的影響并不明顯[27-28]，也有研究指出氧氟沙星對玉米芽長呈顯著抑制作用，與抗生素的濃度呈正相關(guān)[29]，本研究的結(jié)論與此相似，除鹽酸左氧氟沙星外，其余3種抗生素較低的濃度處理對玉米幼苗的生長均無明顯的抑制效應(yīng)。

相比較玉米種子的萌發(fā)和芽的生長，玉米的根部在種子萌發(fā)的過程中就完全暴露在抗生素之中，其生長和發(fā)育過程受抗生素的影響較大。Migliore等的研究證實，植物的根是抗生素藥物的主要積累場所[30]；馬瑞陽等研究表明，植物根受土霉素脅迫抑制效應(yīng)隨土霉素濃度增大而增強[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，4種抗生素處理均明顯抑制了農(nóng)大108玉米根的伸長生長；青霉素鈉和較低濃度的頭孢唑啉鈉(≤100 mg·L-1)促進了鄭單958玉米根的伸長生長，而鹽酸左氧氟沙星、阿奇霉素和較高濃度的頭孢唑啉鈉(≥100 mg·L-1)則抑制了鄭單958玉米根的伸長生長。

植物葉片中葉綠素的含量決定了葉片的光合速率,在某種程度上葉片中葉綠素含量的高低能夠反映葉片衰老的程度[32]，也有研究表明，在污染物的脅迫下，葉片中早期形成的葉綠素單體會被光氧化分解，影響葉綠素的積累[33]。本研究表明，除了鹽酸左氧氟沙星外，青霉素鈉、阿奇霉素和頭孢唑林鈉較低濃度處理均未抑制鄭單958玉米葉片中葉綠素的合成，而較高濃度的阿奇霉素和頭孢唑林鈉處理則明顯降低了鄭單958玉米葉片中葉綠素的含量，使其葉片中葉綠素的含量明顯低于對照；除了青霉素鈉外，鹽酸左氧氟沙星、阿奇霉素和頭孢唑林鈉在較低濃度處理均促進了農(nóng)大108玉米葉片中葉綠素的合成。

2種玉米對不同類別抗生素的抗氧化脅迫能力各不相同。低濃度鹽酸左氧氟沙星和青霉素鈉處理時，玉米葉片中POD酶的活性與對照組無明顯差異，表明這2種玉米對鹽酸左氧氟沙星和青霉素鈉具有一定的抵抗氧化脅迫的能力；阿奇霉素和頭孢唑林鈉在本文研究的濃度范圍內(nèi)，明顯提高了POD酶的活性，說明玉米對這2種抗生素具有較高的抵抗氧化脅迫的能力。

抗生素進入植物體內(nèi)后會影響植物的生長發(fā)育，不同抗生素對植物的影響各不相同，有研究表明，高濃度抗生素會抑制植物生長，低濃度抗生素則促進植物生長[34]。本研究表明，鹽酸左氧氟沙星對2種玉米根與芽的生長、物質(zhì)的積累、葉綠素的積累和POD酶活性均會產(chǎn)生明顯抑制作用，這可能與喹諾酮類抗生素會抑制植物DNA拓撲異構(gòu)酶Ⅱ，影響植物的生長有關(guān)[35]。青霉素鈉處理抑制農(nóng)大108玉米根的生長與幼苗葉綠素的合成，較低處理濃度(≤50 mg·L-1)時可顯著促進鄭單958玉米種子的萌發(fā)及幼苗的生長，并促使其干質(zhì)量增加，有利于鄭單958玉米的進一步生長。低濃度的阿奇霉素(≤50 mg·L-1)處理雖然促進了2種玉米種子的萌發(fā)和幼苗中葉綠素的合成，并可通過POD酶活性的增加來降低阿奇霉素對玉米幼苗的傷害，但對2種玉米根的生長有顯著的抑制作用，將對玉米幼苗的進一步生長產(chǎn)生不利影響。頭孢唑啉鈉處理均顯著促進了2種玉米種子的萌發(fā)，對2種玉米幼苗的生長、葉綠素的合成及鄭單958玉米根的生長均呈現(xiàn)出低促高抑的作用，但顯著抑制了農(nóng)大108玉米根的生長，對其進一步生長不利，對2種玉米幼苗的干物質(zhì)積累均無不利影響，同時2種玉米均可通過POD酶活性的增加來降低其對玉米幼苗的傷害。可見低濃度的頭孢唑啉鈉對鄭單958玉米種子的萌發(fā)和幼苗的生長有一定的促進作用。

綜上所述，4種抗生素(鹽酸左氧氟沙星、青霉素鈉、阿奇霉素和頭孢唑啉鈉)處理對2種玉米(鄭單958和農(nóng)大108)的生長均會產(chǎn)生不利的影響，僅低濃度(≤50 mg·L-1)的青霉素鈉和頭孢唑啉鈉對鄭單958玉米種子的萌發(fā)和幼苗的生長有一定的促進作用。