环丙沙星对玉米生长的影响及其累积残留特征

秦俊梅，熊华烨

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

环丙沙星对玉米生长的影响及其累积残留特征

秦俊梅，熊华烨

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

[目的]为了解喹诺酮类抗生素环丙沙星对玉米生长的影响。[方法]采用玉米盆栽试验，探讨了鸡粪中环丙沙星抗生素对玉米生长的影响及其在玉米体内的残留特征。[结果]环丙沙星对玉米的株高、根长、茎叶、籽粒的干重及净光合速率、气孔导度和蒸腾速率具有明显的抑制作用，环丙沙星分别迁移至玉米根、茎和叶中，但未迁移至玉米籽粒中，环丙沙星在玉米体中的残留特征为：叶>茎>根。[结论]通过此研究，可知环丙沙星对玉米生长产生明显的抑制作用，而随着施肥量的增加，环丙沙星对玉米生长的抑制作用和在玉米器官中的残留率趋于减弱。

环丙沙星； 鸡粪； 玉米

目前，抗生素在畜禽养殖方面发挥着非常重要的作用，在全球范围内，几乎所有地区都采取添加各种抗生素的方法来增加动物产品产量、提高经济效益。在我国，许多规模化畜禽养殖场缺少相应的环境治理和综合利用设施，使大量畜禽粪便中的抗生素直接进入生态环境。研究表明，鸡通过静脉注射或口服环丙沙星后，只产生较少的代谢产物，其余主要以原药的形式排出体外(超过 85% 的抗生素由畜禽粪便排出体外)，所产生的粪便直接或以施肥方式进入土壤和水体环境[1]。因此，抗生素导致的环境污染引起人们的高度关注和重视，QNs抗生素的环境污染现状、环境行为和生态毒性日益成为环境科学的研究热点[2]。国内外对于兽用抗生素的研究多集中于抗生素在环境(土壤、水体、动物性食品和蔬菜)中的残留[3～5],以及其在粪便中的降解规律[6～9]。兽用抗生素随有机肥施入土壤后，对农作物的生长方面及其在作物体内的迁移分布规律则缺乏相关的研究。本文通过玉米盆栽试验，研究含环丙沙星的鸡粪作为有机肥施入土壤对玉米生长的影响及其在玉米器官中的迁移分布规律，有助于进一步了解兽用环丙沙星抗生素的环境影响，同时为抗生素污染土壤中的农作物的风险评价提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 土壤样本

本文的供试土壤为褐土，采自于山西省太谷县农田耕层(0～20 cm)，土样风干后，分别过2 mm和1 mm筛，充分混匀，并且进行盆栽试验和测定土壤的基本理化性质。供试土壤的基本理化性质见表1，测定方法参考文献[10]。

表1 供试土壤基本理化性质

1.1.2 鸡粪样本

试验所用鸡粪采自山西省陵川县大型养殖场，一种为鸡饲料中未人为加入环丙沙星排出的鸡粪(鸡粪Ⅰ，环丙沙星初始浓度为7.34 mg·kg-1，其环丙沙星含量来自饲料本身)，另一种为按照鸡标准摄入量在鸡饲料中人为加入环丙沙星排出的鸡粪(鸡粪Ⅱ，环丙沙星初始浓度为87.45 mg·kg-1)，样本为新鲜鸡粪，多点取样，混合后取回，一部分鸡粪样品将其冷冻干燥后测定其中环丙沙星的含量，其它鸡粪样品自然风干后待用。

1.1.3 供试玉米

玉米的品种为高玉4号(生长期为128 d)。

1.1.4 试验药品

盆栽所用化肥为CO(NH2)2、Ca(H2PO4)2和K2SO4(均为分析纯)，其施用量分别为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 试验方法

1.2.1 盆栽方案

盆栽试验共设立7个处理，每个处理3个重复(见表2)。盆栽采用底部内径14 cm、上部内径19 cm、高25 cm的塑料盆，每盆装土12.5 kg，随机排列。将一定量的鸡粪添加到过1 mm筛的土壤中混匀，再与过2 mm滤筛的土壤以及化肥混合均匀后装盆，并调至田间持水量。

表2 玉米盆栽试验设计

注：鸡粪Ⅰ，环丙沙星含量为7.34 mg·kg-1，其环丙沙星含量来自饲料本身；鸡粪Ⅱ，环丙沙星浓度为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 盆栽与采样

2015年4月12日进行播种，采用直播的方式。3叶期进行间苗，每盆只保留1株。盆栽试验期浇灌以不渗漏为宜进行人工防治虫害，但是不喷施农药。

8月27日进行盆栽的收割，用不锈钢剪刀从土面上将玉米剪断，将茎叶、籽粒分类装入到密封袋中。并将土倒出，尽量小心无损地取出玉米的根，然后依次用自来水、蒸馏水洗净后再装入密封袋中，和玉米的茎、叶、籽粒同时放入烘箱中，等烘干后称重并记录数据。

1.2.3 测定项目与方法

土壤、粪样和玉米茎、叶、根、籽粒均采用高效液相色谱法(HPLC)[11]；土壤和鸡粪样品中环丙沙星抗生素的测定采用超声波提取-SPE-HPLC法；玉米根、茎、叶和籽粒的环丙沙星抗生素测定采用超声波提取-旋转蒸发-HPLC法。7月14日上午，天气晴朗无云，使用便携式光合仪CI-310(思爱迪生态科技仪器有限公司)进行田间玉米叶片(主茎从上向下数第3片叶子)的光合参数(净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度)变化的测定，每个处理进行3次重复测定。

1.3 数据处理

所有的数据都采用DPS 7.05版本的软件对测定的数据进行分析，LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米生长的影响

2.1.1 不同处理对玉米株高和根长的影响

由图1可看出，玉米根长和株高，各处理间均达显著水平(P<0.05)，玉米的根长和株高出现一致规律。株高和根长各处理均显著(P<0.05)高于对照。

图1 不同处理对玉米株高和根长的影响Fig.1 Effect of ways on maize height and root length注：写字母不同均表示差异显著(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 和根长 处理1>处理2、处理3>处理4、处理5>处理6，处理2、处理4、处理6分别比处理1、处理3、处理5的根长降低13.35%、14.35%、15.00%，株高降幅为10.07%、10.16%、14.97%，可见，鸡粪Ⅰ处理的玉米株高和根长均高于鸡粪Ⅱ处理值，说明环丙沙星在一定程度上抑制了玉米根长和株高的生长，且随着环丙沙星浓度的升高，抑制作用增强。

不同施肥量下，株高和根长处理5>处理3>处理1、处理6>处理4>处理2，说明随着施肥量的增加，玉米的根长和株高也随之增加。而且抗生素对根生长的抑制作用大于对株的抑制，这与前人的研究结果[12]一致。

2.1.2 不同处理对玉米茎叶、根和籽粒干重的影响

由图2可看出，各处理的玉米茎叶、根和籽粒干重基本呈现一致规律，各处理间差异均达显著水平(P<0.05)，除了根干重处理中，CK与处理2差异不显著，其余茎叶、根和籽粒干重各处理间与CK差异均显著。

图2 不同处理对玉米根、茎叶和籽粒干重的影响Fig.2 Effect of ways on maize root, leaf and seed dry weight

同一施肥量下，处理1>处理2，处理3>处理4，处理5>处理6，处理2、处理4、处理6分别比处理1、处理3、处理5的根干重降低42.05%、44.76%、45.99%，茎叶干重降低5.64%、11.95%、19.80%，籽粒干重降低3.89%、9.24%、14.16%。可见，饲料中未添加环丙沙星排出的鸡粪处理均高于饲料中添加环丙沙星后排出的鸡粪处理，说明环丙沙星在一定程度上抑制了玉米根、茎叶和籽粒干重的增加，且随着环丙沙星浓度的升高，抑制作用也增强。

不同施肥量下，处理5>处理3>处理1，处理6>处理4>处理2，说明随着施肥量的增加，玉米的根、茎叶和籽粒干重也随之增加。

2.2 不同处理对玉米光合参数的影响

由表3可以看出，玉米光合参数：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，各处理间均差异显著(P<0.05)，玉米的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率出现一致规律，且三者各处理均显著高于对照。胞间CO2浓度各处理均低于对照，植物的净光合速率与胞间CO2浓度呈负相关[13，14]，结果与前人研究一致。

表3 不同处理对玉米光合参数的影响

同一施肥量下，玉米的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，处理1>处理2，处理3>处理4，处理5>处理6，处理2、处理4、处理6分别比处理1、处理3、处理5的净光合速率降低7.61%、16.63%、25.09%，气孔导度降低1.15%、2.59%、3.03%，蒸腾速率降低20.16%、22.63%、28.83%。可见，饲料中未添加环丙沙星排出的鸡粪处理均高于饲料中添加环丙沙星后排出的鸡粪处理，说明环丙沙星在一定程度上抑制了玉米的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，且随着环丙沙星浓度的升高，抑制作用增强。胞间CO2浓度，处理1<处理2、处理3<处理4、处理5<处理6，增幅分别为3.64%、1.62%、1.51%，说明环丙沙星在一定程度上增加了玉米胞间CO2的浓度，且随着环丙沙星浓度的升高，增幅减弱，但与对照相比，总体呈抑制作用。

不同施肥量下，玉米的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，处理5>处理3>处理1、处理6>处理4>处理2，说明随着施肥量的增加，玉米的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率也随之增强。胞间CO2浓度，处理1>处理3>处理5、处理2>处理4>处理6，说明随着施肥量的增加，胞间CO2浓度随之降低。

2.3 不同处理玉米器官中环丙沙星的残留特征

由图3可看出，除籽粒外，玉米其它部位茎、叶和根全部测出了环丙沙星，且环丙沙星残留特征为叶>茎>根。玉米的茎、叶和根的各处理间均差异显著，且各处理均显著高于对照(P<0.05)。

图3 玉米器官中环丙沙星的残留特征Fig.3 Residue characteristics of ciprofloxacin in maize organs

同一施肥量下，玉米的茎、叶和根各处理残留趋势为：处理1<处理2、处理3<处理4、处理5<处理6，处理2、处理4、处理6分别比处理1、处理3、处理5的茎残留量增幅为143.48%、218.97%、301.49%；叶残留量增幅为26.80%、87.61%、117.32%；根残留量增幅为178.57%、282.86%、306.98%。总的看来，随着抗生素环丙沙星浓度的增加，环丙沙星在玉米体内的残留升高。

不同施肥量下，玉米的茎、叶和根各处理残留趋势为：处理5>处理3>处理1、处理6>处理4>处理2，说明，随着施肥量的增加，玉米各部位的环丙沙星残留量也随之增加。玉米茎处理的处理1与处理3、处理3与处理5、处理2与处理4、处理4与处理6相比，环丙沙星升幅分别为26.09%、15.52%、65.18%、45.41%；玉米叶处理的处理1与处理3、处理3与处理5、处理2与处理4、处理4与处理6相比，升幅分别为16.50%、12.39%、72.36%、30.19%；玉米根处理的处理1与处理2、处理2与处理4、处理1与处理3、处理3与处理4升幅分别为25.00%、22.86%、71.80%、30.60%。可见，随着施肥量的增加，环丙沙星在玉米器官中的残留率的增幅作用减弱。

3 结论与讨论

本研究结果表明：除玉米的胞间CO2浓度外，在同一施肥量下，环丙沙星含量不同时，随着环丙沙星的增加，各处理玉米的株高、根长、茎叶、籽粒的干重及净光合速率、气孔导度和蒸腾速率出现一致规律：处理1>处理2、处理3>处理4、处理5>处理6，表明环丙沙星对玉米生长产生了明显的抑制作用，其抑制作用随着环丙沙星浓度的升高而增大；不同施肥量下，随着鸡粪施入量增加环丙沙星浓度也增大，玉米的株高、根长、茎叶、籽粒的干重及净光合速率、气孔导度和蒸腾速率出现一致规律：处理5>处理3>处理1，处理6>处理4>处理2，可见，鸡粪量的增加可以减少环丙沙星抗生素对其的抑制作用；除玉米籽粒外，玉米其它部位茎、叶和根均测出了环丙沙星，且环丙沙星残留特征为叶>茎>根，随着环丙沙星的浓度和施肥量的增加，玉米各部位的环丙沙星残留量也随之增加，但随着施肥量的增大，环丙沙星在玉米器官中的残留率的增幅作用减弱。

环丙沙星对玉米根生长的抑制作用大于对株的抑制，说明二者对环丙沙星的反应存在差异性。同时，在玉米的根、茎和叶中均累积了环丙沙星，虽然作物植株通过其根部吸收抗生素，但根部累积的抗生素含量却最少，而在玉米籽粒中却未累积，这也许与环丙沙星的化学和生物机制有关，使环丙沙星未迁移至玉米籽粒中。此外，同一施肥量时，环丙沙星对玉米生长产生了明显的抑制作用，而随着施肥量的增加，环丙沙星对玉米生长的抑制作用和在玉米器官中的残留率趋于减弱，至于环丙沙星在植株体内的转运和代谢途径与机制、对玉米生长的抑制作用以及有机肥的降解作用的具体机理则有待进一步研究。

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(编辑：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(汉)，山西陵川人，副教授，研究方向 ：土壤环境

山西省科技攻关项目(20140311008-4)

S144.1

A

1671-8151(2017)02-0077-06