5种抗生素对空心莲子草根系发育的影响

王霞霞， 徐智明， 朱德建， 李 岩， 李 杨

(安徽农业科学院，安徽合肥 230031)

兽用抗生素、重金属、农药污染是目前全球面临的三大主要污染。而对于集约化动物养殖来说，动物养殖废弃物是兽用抗生素和重金属残留双重污染的主要载体之一[1]。刘荣乐等调查指出，我国商品有机肥重金属含量超标现象严重，且与生产原料中的重金属含量呈显著正相关关系[2]。抗生素残留追踪显示，60%～90%的兽用抗生素随动物分泌、排泄排出体外，且残留抗生素的代谢产物具有较高活性[3]。农田施肥是动物废弃物处理的唯一途径，因此也就成为抗生素和重金属环境暴露的主要途径，尤其对前者而言。大量的抗生素和重金属残留，污染环境，不仅影响农作物的正常生长，更重要的是会直接进入食物链，对食品造成不可估量的安全隐患。因此，动物废弃物绿色回田须得解决抗生素和重金属双重污染的问题。抗生素和重金属残留分别处理的时效性较差，不仅延长了动物废弃物回田的周期，更加大了经济成本。

植物修复被认为是重金属污染防治最为环保的措施之一。植物修复指借助植物和植物生长及与其共存的微生物作为媒介来净化环境中的污染物，其本质是依靠植物及其根际微生物菌群自然发生的进程达到控制、隔离、去除或降解污染物的目的。继重金属污染处理之后，残留抗生素的快速降解也受到多方面的重视，提出微生物降解、光降解、臭氧降解、化学降解和辐射降解等途径。但抗生素的体外降解受环境影响较大。实验室模拟堆制腐熟8个月仍不能完全消除泰乐菌素A及其降解产物[4]。吴银宝等研究推测，恩诺沙星在常温避光下水解的半衰期甚至可超过1年[5]。Kim等多个研究者指出，堆肥过程中影响抗生素降解率的因素很多，其中包括抗生素种类、抗生素浓度、温度、通气量、堆肥底物和微生物等[6-7]。此外，以堆肥为主要措施的养殖废弃物处理不仅要占用大量的空间场地，而且对周遭环境有较大影响，例如废液外渗、不良气味的挥发可引起蚊虫滋生等后果，更重要的是堆肥处理忽略了动物废弃物重金属污染的事实，且大部分抗生素因被设计成口服药物而抗水解。因此以可富集重金属物种的非农业性种植为纽带，将重金属植物修复与动物养殖废弃物中抗生素残留降解相联系。植物在修复残留重金属的同时，其生长环境为残留抗生素的生物降解、光降解等途径提供场所，最终达到减少甚至避免重金属和抗生素残留物直接进入人类食物链的目的。

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)属苋科(Amaranthaceae)莲子草属，别称喜旱莲子草、水花生等，原产于巴西。空心莲子草生长快，易繁殖，其根茎营养繁殖能力非常旺盛；茎叶柔嫩多汁，蛋白含量高，可达20%以上[8]。空心莲子草20世纪30年代作为牧草种质资源引入我国，由于优化的生长环境以及没有自然天敌制约等原因，在我国大部分地区，包括华东、华南、西南等约20个省(市、自治区)内迅速大面积生长，甚至形成了单一优势群落[9-10]。空心莲子草2003年被列入国家环保总局公布的《中国第一批外来入侵生物名单》，可水陆两生，抗逆能力强，甚至能适应长期富营养化的水渍、泥沼、盐分胁迫等恶性环境，且其对部分重金属具有较强的富集作用[11]，已被列为优质的重金属污染植物修复物种之一。

鉴于此，探析空心莲子草对抗生素的耐受性对于解决动物废弃物重金属、抗生素残留的双重污染尤为重要。目前关于空心莲子草对重金属富集的研究较多，但关于其对抗生素胁迫耐受性的研究尚未见报道。因此，本试验展开空心莲子草营养繁殖根系发育对5种抗生素耐受性的研究，探析空心莲子草修复环境中残留抗生素的可能性，以期为畜禽养殖粪污绿色回田寻求经济、易操作的途径提供科学依据和理论支持。

1 材料与方法

供试抗生素为磺胺二甲嘧啶、恩诺沙星、青霉素、链霉素和四环素，均为分析纯。

抗生素浓度处理梯度为200.0、100.0、50.0、25.0、12.5、0 mg/L，其中0 mg/L为对照。处理液分装于250 mL的锥形瓶，100 mL/瓶。

1.1 供试材料培养与处理

选取供试空心莲子草健壮、无病虫叶、无根须的当年生茎，选取自顶生叶数6个节的茎，去除顶部2个幼嫩茎节后，其下4个茎节作为1个独立供试材料。茎基部留1～2 cm插入处理液中，保证基部茎节的2张叶没入处理液，其余3个茎节暴露于空气中。每处理4株/瓶，重复3次。

1.2 测定指标和方法

以新生根萌出长度达2 mm作为有效根系的标准，统计根系萌发初始时间、根条数和根长度。自处理开始12 h后，每3 h统计1次茎萌发新根情况，于处理后66 h统计该茎节的新生根条数和根长度，每处理随机测5株。

按照公式IR=T/C-100计算根系发生和根系伸长的抑制率，其中T为处理值，C为对照值。当IR>0时，表现为促进效应；当IR<0时，表现为抑制效应。

1.3 数据分析

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析，采用单因素方差分析和多重比较分析抗生素种类和浓度对空心莲子草营养繁殖的影响。

2 结果与分析

2.1 5种抗生素对空心莲子草根系萌发初始时间的影响

快速形成有效新根是营养繁殖完成的标志性指标。根系萌发初始时间指自处理开始到根系萌发的时间，萌发初始时间长短可指示植株营养繁殖的难易程度。由表1可知，浓度处理对于空心莲子草营养繁殖根系的发生具有延缓作用，且多与对照差异显著。整体上随着抗生素浓度的增大，根系萌发经历的时间延长，甚至造成根系萌发停止。虽然高浓度(200.0 mg/L)青霉素处理的根系发生较低浓度处理略快，但差异不显著，且与对照相比仍表现为萌发延缓。链霉素和恩诺沙星对空心莲子草营养繁殖根系发生的抑制作用较强，四环素、磺胺二甲嘧啶和青霉素的延缓作用较弱。由此可见，抗生素处理对空心莲子草营养繁殖的根系萌发具有一定程度的抑制作用，且其抑制强度因抗生素类型和浓度的不同而不同。

表1 5种抗生素对空心莲子草根系萌发初始时间的影响Table1 Effect of 5 kinds of antibiotics on the initial root germination time of A. philoxeroides

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。“—”表示无根系萌发。

2.2 5种抗生素对空心莲子草根系数量的影响

由图1、图2可知，随药剂浓度的增大，空心莲子草新生根数量减少，抑制效应增强。其中磺胺二甲嘧啶和青霉素对根系发生能力的抑制作用较四环素、链霉素、恩诺沙星弱。200.0 mg/L磺胺二甲嘧啶、青霉素处理根条数分别是14.4、14.7条，可达对照的60%以上。而四环素、链霉素、恩诺沙星等3种抗生素在处理浓度为25.0 mg/L时，根条数分别为5.0、7.0、8.4条，仅及对照的21.1%、29.6%、31.2%；当浓度增至50.0 mg/L时，甚至没有有效根系。说明抗生素类型对空心莲子草营养繁殖的根系形成具有一定的差异性作用。

2.3 5种抗生素对空心莲子草根系长度的影响

根系伸长是扩大根系表面积，增强根系吸附功能的基础。由图3、图4可知，除青霉素外，其他4种抗生素对空心莲子草根系的伸长有较强的抑制作用，随处理浓度的增加，抑制效应整体增强，且不同药剂的抑制强度不同。其中四环素、链霉素、恩诺沙星等3种抗生素对根系生长表现出较强的抑制作用，磺胺二甲嘧啶次之。25.0 mg/L四环素、链霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶处理根长分别仅及对照的19.5%、16.8%、52.6%、69.7%；当浓度增至50.0 mg/L时，前3者处理的空心莲子草根系生长十分缓慢，几乎停止生长，而磺胺二甲嘧啶高浓度(200.0 mg/L)处理根长仍可达对照的49.3%，甚至略长于青霉素处理。青霉素处理表现为中低浓度促进根系伸长生长，高浓度抑制根系生长。50.0 mg/L 青霉素处理空心莲子草根系长度是对照的131.3%，而高浓度(200.0 mg/L)处理空心莲子草根长仅为对照的40.6%。由此可见，四环素、链霉素、恩诺沙星等3种抗生素对空心莲子草根系生长有较强的抑制作用，其次是磺胺二甲嘧啶；而空心莲子草根系伸长生长对青霉素耐受性较强，中浓度(50.0 mg/L)青霉素处理对根系生长仍表现为促进作用。

3 讨论

为防治疾病，各类抗生素在现代养殖业中大量使用，因此造成养殖废弃物抗生素污染日益加剧。有研究指出，畜禽粪便中抗生素暴露程度也比较严重，如四环素类的暴露浓度为0.4～183.5 mg/kg，磺胺类的暴露浓度为0.1～46.7 mg/kg[12]。大量的抗生素残留进入农业环境，势必引起农业环境的二次污染，严重威胁食品的安全性。目前，植物修复是环境污染治理最经济、最温和且收益最佳的途径。

空心莲子草生长快，易繁殖，已有研究表明其对大部分重金属有良好的富积作用[13]。本试验进一步通过水培的方式展开了空心莲子草对兽用抗生素胁迫环境耐受性的研究。结果发现，供试的5种抗生素的不同浓度对空心莲子草营养繁殖根系萌发进程、萌发质量具有不同程度的抑制作用。这与Pan等的研究结果类似，磺胺二甲嘧啶和四环素等多种兽药对黄瓜、莴苣和番茄等种子萌发和根系伸长具有显著的抑制效应[13]。肖明月等报道，10 mg/L磺胺二甲嘧啶即可显著抑制小白菜种子的发芽率，且抗生素暴露浓度与小白菜根、芽伸长抑制率之间具有良好的剂量效应[14]。研究发现，抗生素对植物根系的影响大于地上部分，可能是由于根部是植株与土壤接触的部分，植物的主动吸收和表面吸附作用导致根部的抗生素累积量远高于其他部分，从而对根的影响明显高于茎叶部分[15-16]。因此，根系发育好坏是植物对抗生素耐受性强弱的的最佳指标之一。

在本试验中，25.0、50.0 mg/L青霉素处理对根系萌发进程具有抑制效应，但对根系伸长生长具有促进作用。这与水芹的水培试验结果[15]有相似之处。鲍陈燕等指出，当抗生素浓度较低(小于0.1 mg/L)时，抗生素对水芹根系的生长和根系活力有较为明显的促进作用；当浓度高于 0.1 mg/L 时，随浓度的增大，根系生长量和活力显著降低[15]。本试验通过用浓度高于1 mg/L的抗生素处理空心莲子草发现，供试抗生素处理对植株根系发育具有不同程度的抑制作用，但其强度具有药剂类型和浓度上的差异。

抗生素对植株生长发育有较大的负面效应。金彩霞等对作物根尖细胞的观察发现，抗生素对植物细胞具有毒性，能够诱发微核效应[17]。安婧等指出，短期低浓度抗生素可诱导小麦中可溶性蛋白质的合成[18]。而刘琳等进一步研究发现，抗生素介入植株生长体系会使得其可溶性蛋白质、非可溶性蛋白质含量受到不同程度的影响，其中非可溶性蛋白质含量在不同浓度抗生素介入时，表现出明显的毒性抑制效应，且随着胁迫浓度的增加，抑制效应增强；可溶性蛋白质含量在低浓度抗生素刺激下表现为激活效应，而在高浓度下表现为毒性抑制效应[19]。肖明月等报道，抗生素的存在可显著抑制植株叶绿素、可溶性蛋白质含量的增加，且可破坏植物抗氧化酶系统的平衡[14，18-20]。Farkas等通过分析植物对抗生素耐受性的差异与过氧化物酶表达的关联度，推测氧化胁迫很可能是抗生素的植物毒性机制之一，但是这方面还缺少直接的证据[21]。因此，关于抗生素影响空心莲子草营养繁殖根系发育的生理机制还须进一步试验分析。

4 结论

兽用抗生素对空心莲子草根系发育具有抑制作用，抑制效应整体随浓度的增大而增强。

空心莲子草对抗生素的耐受性具有种类差异，对磺胺二嘧啶和青霉素胁迫具有较强的适应能力，对恩诺沙星、链霉素和四环素比较敏感。

空心莲子草在浓度低于25 mg/L的抗生素胁迫下能完成营养繁殖，说明空心莲子草对供试抗生素胁迫环境具有较强的适应能力，可以作为植物修复动物废弃物抗生素污染的备选物种。

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