5種抗生素對空心蓮子草根系發(fā)育的影響

王霞霞， 徐智明， 朱德建， 李 巖， 李 楊

(安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院，安徽合肥 230031)

獸用抗生素、重金屬、農(nóng)藥污染是目前全球面臨的三大主要污染。而對于集約化動物養(yǎng)殖來說，動物養(yǎng)殖廢棄物是獸用抗生素和重金屬殘留雙重污染的主要載體之一[1]。劉榮樂等調(diào)查指出，我國商品有機(jī)肥重金屬含量超標(biāo)現(xiàn)象嚴(yán)重，且與生產(chǎn)原料中的重金屬含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[2]。抗生素殘留追蹤顯示，60%～90%的獸用抗生素隨動物分泌、排泄排出體外，且殘留抗生素的代謝產(chǎn)物具有較高活性[3]。農(nóng)田施肥是動物廢棄物處理的唯一途徑，因此也就成為抗生素和重金屬環(huán)境暴露的主要途徑，尤其對前者而言。大量的抗生素和重金屬殘留，污染環(huán)境，不僅影響農(nóng)作物的正常生長，更重要的是會直接進(jìn)入食物鏈，對食品造成不可估量的安全隱患。因此，動物廢棄物綠色回田須得解決抗生素和重金屬雙重污染的問題?？股睾椭亟饘贇埩舴謩e處理的時效性較差，不僅延長了動物廢棄物回田的周期，更加大了經(jīng)濟(jì)成本。

植物修復(fù)被認(rèn)為是重金屬污染防治最為環(huán)保的措施之一。植物修復(fù)指借助植物和植物生長及與其共存的微生物作為媒介來凈化環(huán)境中的污染物，其本質(zhì)是依靠植物及其根際微生物菌群自然發(fā)生的進(jìn)程達(dá)到控制、隔離、去除或降解污染物的目的。繼重金屬污染處理之后，殘留抗生素的快速降解也受到多方面的重視，提出微生物降解、光降解、臭氧降解、化學(xué)降解和輻射降解等途徑。但抗生素的體外降解受環(huán)境影響較大。實(shí)驗(yàn)室模擬堆制腐熟8個月仍不能完全消除泰樂菌素A及其降解產(chǎn)物[4]。吳銀寶等研究推測，恩諾沙星在常溫避光下水解的半衰期甚至可超過1年[5]。Kim等多個研究者指出，堆肥過程中影響抗生素降解率的因素很多，其中包括抗生素種類、抗生素濃度、溫度、通氣量、堆肥底物和微生物等[6-7]。此外，以堆肥為主要措施的養(yǎng)殖廢棄物處理不僅要占用大量的空間場地，而且對周遭環(huán)境有較大影響，例如廢液外滲、不良?xì)馕兜膿]發(fā)可引起蚊蟲滋生等后果，更重要的是堆肥處理忽略了動物廢棄物重金屬污染的事實(shí)，且大部分抗生素因被設(shè)計(jì)成口服藥物而抗水解。因此以可富集重金屬物種的非農(nóng)業(yè)性種植為紐帶，將重金屬植物修復(fù)與動物養(yǎng)殖廢棄物中抗生素殘留降解相聯(lián)系。植物在修復(fù)殘留重金屬的同時，其生長環(huán)境為殘留抗生素的生物降解、光降解等途徑提供場所，最終達(dá)到減少甚至避免重金屬和抗生素殘留物直接進(jìn)入人類食物鏈的目的。

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)屬莧科(Amaranthaceae)蓮子草屬，別稱喜旱蓮子草、水花生等，原產(chǎn)于巴西?？招纳徸硬萆L快，易繁殖，其根莖營養(yǎng)繁殖能力非常旺盛；莖葉柔嫩多汁，蛋白含量高，可達(dá)20%以上[8]?？招纳徸硬?0世紀(jì)30年代作為牧草種質(zhì)資源引入我國，由于優(yōu)化的生長環(huán)境以及沒有自然天敵制約等原因，在我國大部分地區(qū)，包括華東、華南、西南等約20個省(市、自治區(qū))內(nèi)迅速大面積生長，甚至形成了單一優(yōu)勢群落[9-10]。空心蓮子草2003年被列入國家環(huán)?？偩止嫉摹吨袊谝慌鈦砣肭稚锩麊巍?，可水陸兩生，抗逆能力強(qiáng)，甚至能適應(yīng)長期富營養(yǎng)化的水漬、泥沼、鹽分脅迫等惡性環(huán)境，且其對部分重金屬具有較強(qiáng)的富集作用[11]，已被列為優(yōu)質(zhì)的重金屬污染植物修復(fù)物種之一。

鑒于此，探析空心蓮子草對抗生素的耐受性對于解決動物廢棄物重金屬、抗生素殘留的雙重污染尤為重要。目前關(guān)于空心蓮子草對重金屬富集的研究較多，但關(guān)于其對抗生素脅迫耐受性的研究尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)展開空心蓮子草營養(yǎng)繁殖根系發(fā)育對5種抗生素耐受性的研究，探析空心蓮子草修復(fù)環(huán)境中殘留抗生素的可能性，以期為畜禽養(yǎng)殖糞污綠色回田尋求經(jīng)濟(jì)、易操作的途徑提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

供試抗生素為磺胺二甲嘧啶、恩諾沙星、青霉素、鏈霉素和四環(huán)素，均為分析純。

抗生素濃度處理梯度為200.0、100.0、50.0、25.0、12.5、0 mg/L，其中0 mg/L為對照。處理液分裝于250 mL的錐形瓶，100 mL/瓶。

1.1 供試材料培養(yǎng)與處理

選取供試空心蓮子草健壯、無病蟲葉、無根須的當(dāng)年生莖，選取自頂生葉數(shù)6個節(jié)的莖，去除頂部2個幼嫩莖節(jié)后，其下4個莖節(jié)作為1個獨(dú)立供試材料。莖基部留1～2 cm插入處理液中，保證基部莖節(jié)的2張葉沒入處理液，其余3個莖節(jié)暴露于空氣中。每處理4株/瓶，重復(fù)3次。

1.2 測定指標(biāo)和方法

以新生根萌出長度達(dá)2 mm作為有效根系的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)根系萌發(fā)初始時間、根條數(shù)和根長度。自處理開始12 h后，每3 h統(tǒng)計(jì)1次莖萌發(fā)新根情況，于處理后66 h統(tǒng)計(jì)該莖節(jié)的新生根條數(shù)和根長度，每處理隨機(jī)測5株。

按照公式IR=T/C-100計(jì)算根系發(fā)生和根系伸長的抑制率，其中T為處理值，C為對照值。當(dāng)IR>0時，表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)；當(dāng)IR<0時，表現(xiàn)為抑制效應(yīng)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和多重比較分析抗生素種類和濃度對空心蓮子草營養(yǎng)繁殖的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種抗生素對空心蓮子草根系萌發(fā)初始時間的影響

快速形成有效新根是營養(yǎng)繁殖完成的標(biāo)志性指標(biāo)。根系萌發(fā)初始時間指自處理開始到根系萌發(fā)的時間，萌發(fā)初始時間長短可指示植株?duì)I養(yǎng)繁殖的難易程度。由表1可知，濃度處理對于空心蓮子草營養(yǎng)繁殖根系的發(fā)生具有延緩作用，且多與對照差異顯著。整體上隨著抗生素濃度的增大，根系萌發(fā)經(jīng)歷的時間延長，甚至造成根系萌發(fā)停止。雖然高濃度(200.0 mg/L)青霉素處理的根系發(fā)生較低濃度處理略快，但差異不顯著，且與對照相比仍表現(xiàn)為萌發(fā)延緩。鏈霉素和恩諾沙星對空心蓮子草營養(yǎng)繁殖根系發(fā)生的抑制作用較強(qiáng)，四環(huán)素、磺胺二甲嘧啶和青霉素的延緩作用較弱。由此可見，抗生素處理對空心蓮子草營養(yǎng)繁殖的根系萌發(fā)具有一定程度的抑制作用，且其抑制強(qiáng)度因抗生素類型和濃度的不同而不同。

表1 5種抗生素對空心蓮子草根系萌發(fā)初始時間的影響Table1 Effect of 5 kinds of antibiotics on the initial root germination time of A. philoxeroides

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著?！啊北硎緹o根系萌發(fā)。

2.2 5種抗生素對空心蓮子草根系數(shù)量的影響

由圖1、圖2可知，隨藥劑濃度的增大，空心蓮子草新生根數(shù)量減少，抑制效應(yīng)增強(qiáng)。其中磺胺二甲嘧啶和青霉素對根系發(fā)生能力的抑制作用較四環(huán)素、鏈霉素、恩諾沙星弱。200.0 mg/L磺胺二甲嘧啶、青霉素處理根條數(shù)分別是14.4、14.7條，可達(dá)對照的60%以上。而四環(huán)素、鏈霉素、恩諾沙星等3種抗生素在處理濃度為25.0 mg/L時，根條數(shù)分別為5.0、7.0、8.4條，僅及對照的21.1%、29.6%、31.2%；當(dāng)濃度增至50.0 mg/L時，甚至沒有有效根系。說明抗生素類型對空心蓮子草營養(yǎng)繁殖的根系形成具有一定的差異性作用。

2.3 5種抗生素對空心蓮子草根系長度的影響

根系伸長是擴(kuò)大根系表面積，增強(qiáng)根系吸附功能的基礎(chǔ)。由圖3、圖4可知，除青霉素外，其他4種抗生素對空心蓮子草根系的伸長有較強(qiáng)的抑制作用，隨處理濃度的增加，抑制效應(yīng)整體增強(qiáng)，且不同藥劑的抑制強(qiáng)度不同。其中四環(huán)素、鏈霉素、恩諾沙星等3種抗生素對根系生長表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用，磺胺二甲嘧啶次之。25.0 mg/L四環(huán)素、鏈霉素、恩諾沙星、磺胺二甲嘧啶處理根長分別僅及對照的19.5%、16.8%、52.6%、69.7%；當(dāng)濃度增至50.0 mg/L時，前3者處理的空心蓮子草根系生長十分緩慢，幾乎停止生長，而磺胺二甲嘧啶高濃度(200.0 mg/L)處理根長仍可達(dá)對照的49.3%，甚至略長于青霉素處理。青霉素處理表現(xiàn)為中低濃度促進(jìn)根系伸長生長，高濃度抑制根系生長。50.0 mg/L 青霉素處理空心蓮子草根系長度是對照的131.3%，而高濃度(200.0 mg/L)處理空心蓮子草根長僅為對照的40.6%。由此可見，四環(huán)素、鏈霉素、恩諾沙星等3種抗生素對空心蓮子草根系生長有較強(qiáng)的抑制作用，其次是磺胺二甲嘧啶；而空心蓮子草根系伸長生長對青霉素耐受性較強(qiáng)，中濃度(50.0 mg/L)青霉素處理對根系生長仍表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

3 討論

為防治疾病，各類抗生素在現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)中大量使用，因此造成養(yǎng)殖廢棄物抗生素污染日益加劇。有研究指出，畜禽糞便中抗生素暴露程度也比較嚴(yán)重，如四環(huán)素類的暴露濃度為0.4～183.5 mg/kg，磺胺類的暴露濃度為0.1～46.7 mg/kg[12]。大量的抗生素殘留進(jìn)入農(nóng)業(yè)環(huán)境，勢必引起農(nóng)業(yè)環(huán)境的二次污染，嚴(yán)重威脅食品的安全性。目前，植物修復(fù)是環(huán)境污染治理最經(jīng)濟(jì)、最溫和且收益最佳的途徑。

空心蓮子草生長快，易繁殖，已有研究表明其對大部分重金屬有良好的富積作用[13]。本試驗(yàn)進(jìn)一步通過水培的方式展開了空心蓮子草對獸用抗生素脅迫環(huán)境耐受性的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，供試的5種抗生素的不同濃度對空心蓮子草營養(yǎng)繁殖根系萌發(fā)進(jìn)程、萌發(fā)質(zhì)量具有不同程度的抑制作用。這與Pan等的研究結(jié)果類似，磺胺二甲嘧啶和四環(huán)素等多種獸藥對黃瓜、萵苣和番茄等種子萌發(fā)和根系伸長具有顯著的抑制效應(yīng)[13]。肖明月等報(bào)道，10 mg/L磺胺二甲嘧啶即可顯著抑制小白菜種子的發(fā)芽率，且抗生素暴露濃度與小白菜根、芽伸長抑制率之間具有良好的劑量效應(yīng)[14]。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素對植物根系的影響大于地上部分，可能是由于根部是植株與土壤接觸的部分，植物的主動吸收和表面吸附作用導(dǎo)致根部的抗生素累積量遠(yuǎn)高于其他部分，從而對根的影響明顯高于莖葉部分[15-16]。因此，根系發(fā)育好壞是植物對抗生素耐受性強(qiáng)弱的的最佳指標(biāo)之一。

在本試驗(yàn)中，25.0、50.0 mg/L青霉素處理對根系萌發(fā)進(jìn)程具有抑制效應(yīng)，但對根系伸長生長具有促進(jìn)作用。這與水芹的水培試驗(yàn)結(jié)果[15]有相似之處。鮑陳燕等指出，當(dāng)抗生素濃度較低(小于0.1 mg/L)時，抗生素對水芹根系的生長和根系活力有較為明顯的促進(jìn)作用；當(dāng)濃度高于 0.1 mg/L 時，隨濃度的增大，根系生長量和活力顯著降低[15]。本試驗(yàn)通過用濃度高于1 mg/L的抗生素處理空心蓮子草發(fā)現(xiàn)，供試抗生素處理對植株根系發(fā)育具有不同程度的抑制作用，但其強(qiáng)度具有藥劑類型和濃度上的差異。

抗生素對植株生長發(fā)育有較大的負(fù)面效應(yīng)。金彩霞等對作物根尖細(xì)胞的觀察發(fā)現(xiàn)，抗生素對植物細(xì)胞具有毒性，能夠誘發(fā)微核效應(yīng)[17]。安婧等指出，短期低濃度抗生素可誘導(dǎo)小麥中可溶性蛋白質(zhì)的合成[18]。而劉琳等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，抗生素介入植株生長體系會使得其可溶性蛋白質(zhì)、非可溶性蛋白質(zhì)含量受到不同程度的影響，其中非可溶性蛋白質(zhì)含量在不同濃度抗生素介入時，表現(xiàn)出明顯的毒性抑制效應(yīng)，且隨著脅迫濃度的增加，抑制效應(yīng)增強(qiáng)；可溶性蛋白質(zhì)含量在低濃度抗生素刺激下表現(xiàn)為激活效應(yīng)，而在高濃度下表現(xiàn)為毒性抑制效應(yīng)[19]。肖明月等報(bào)道，抗生素的存在可顯著抑制植株葉綠素、可溶性蛋白質(zhì)含量的增加，且可破壞植物抗氧化酶系統(tǒng)的平衡[14，18-20]。Farkas等通過分析植物對抗生素耐受性的差異與過氧化物酶表達(dá)的關(guān)聯(lián)度，推測氧化脅迫很可能是抗生素的植物毒性機(jī)制之一，但是這方面還缺少直接的證據(jù)[21]。因此，關(guān)于抗生素影響空心蓮子草營養(yǎng)繁殖根系發(fā)育的生理機(jī)制還須進(jìn)一步試驗(yàn)分析。

4 結(jié)論

獸用抗生素對空心蓮子草根系發(fā)育具有抑制作用，抑制效應(yīng)整體隨濃度的增大而增強(qiáng)。

空心蓮子草對抗生素的耐受性具有種類差異，對磺胺二嘧啶和青霉素脅迫具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，對恩諾沙星、鏈霉素和四環(huán)素比較敏感。

空心蓮子草在濃度低于25 mg/L的抗生素脅迫下能完成營養(yǎng)繁殖，說明空心蓮子草對供試抗生素脅迫環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以作為植物修復(fù)動物廢棄物抗生素污染的備選物種。

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