常见抗生素对玉米种子萌发和幼苗生长的影响

(江苏师范大学生命科学学院, 江苏 徐州 221116)

抗生素作为人类对抗细菌感染的一大利剑，在医药及畜禽养殖业等行业广泛使用[1]。中国不但是抗生素生产大国，也是抗生素滥用大国，每年我国抗生素的消耗达到惊人的18万t[2-3],进入生物体内的抗生素大多会直接排入环境中，不能被生物吸收降解[4-5]，从而对环境质量产生重大影响，并通过食物链等对人体健康产生影响[6-7]。水体与土壤是抗生素重要的归宿。

抗生素按照化学结构可分为β-内酰胺类、喹诺酮类、大环内酯类、氨基糖苷类、四环素类、磺胺类等多个类别。进入水环境中的抗生素因缺乏有效的水处理技术而长期存在[8-9]，多种抗生素在水体中均有检出[10-15]。水体中的抗生素会通过灌溉进入土壤，同时畜禽粪便常作为有机肥施用于农田土壤来促进农作物的生长,粪便中不能降解的抗生素也就此进入土壤系统，使得土壤中抗生素广泛存在[15-18]。

研究表明，进入农田系统的抗生素，会对作物的生长产生影响[19-20]。李盼盼等发现，四环素可以影响小白菜的产量[19]。陈智鑫等发现，青霉素、氯霉素、四环素和链霉素均能不同程度促进桑树种子萌发[20]。盐酸左氧氟沙星、青霉素钠、阿奇霉素和头孢唑林钠作为氟喹诺酮类、β-内酰胺类、大环内酯类中的具有代表性的抗生素在日常生活中被广泛应用，故而在自然界中残留量相对来说较高。本研究以盐酸左氧氟沙星、青霉素钠、阿奇霉素和头孢唑林钠4种常见抗生素和广泛种植的玉米品种(郑单958、农大108)为对象，通过水培和土培法，研究环境中这4种抗生素对玉米种子萌发和幼苗生长的影响，进一步了解环境中留存抗生素的毒性问题。

1 材料与方法

1.1 材 料

玉米种子(郑单958、农大108)购自徐州市种子公司。

抗生素(盐酸左氧氟沙星、青霉素钠、阿奇霉素、头孢唑啉钠)购自江苏师范大学医院，加入蒸馏水配制4个处理组，其质量浓度分别为:25，50，100，200 mg·L-1，以蒸馏水为对照。

1.2 实验方法

1.2.1抗生素对玉米种子萌发和幼苗生长影响的生物测定

用培养皿滤纸法[21]进行抗生素玉米种子处理实验。取20粒大小一致、饱满的同种玉米种子放入培养皿中，在其中加入20 mL不同质量浓度的抗生素处理液,以蒸馏水为对照,每组重复3次。播种24 h后开始纪录发芽率,每天定时观察,直至对照组种子的发芽率不再变化为止,记录此时的发芽率；种子发芽生长7 d后,分别随机抽取各处理20株(不足20株的全部测定)幼苗，测量其根长和芽长[22]。

1.2.2抗生素对玉米干重及幼苗叶绿素含量和POD酶活性影响的生物测定

采用盆栽法。选用直径为20 cm的塑料盆，每盆装土550 g，挑选20粒已露白、大小一致、饱满的玉米种子播于盆内，分别于播种后第0，5，10，15天浇灌50 mL不同浓度的抗生素溶液，以蒸馏水浇灌为对照，每组重复3次，随机区组排列，常规管理。于第20天测定小麦植株干重、叶片叶绿素含量与过氧化物酶活性[22-23]。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0统计分析软件，分别进行不同处理间种子萌发和幼苗生长特性差异的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 抗生素溶液对玉米种子发芽率的影响

由图1可见，不同浓度的盐酸左氧氟沙星均可明显促进郑单958玉米种子的萌发，但对农大108玉米种子的萌发无促进作用，当浓度大于25 mg·L-1时还会抑制农大108玉米种子的萌发；较低浓度(≤100 mg·L-1)的青霉素钠处理均明显促进了2种玉米种子的萌发；阿奇霉素处理均促进了郑单958玉米种子的萌发，而仅较低浓度(≤50 mg·L-1)处理促进农大108玉米种子的萌发；孢唑啉钠处理均显著促进了2种玉米种子的萌发。整体来说，抗生素对郑单玉米958种子的萌发无抑制作用，对农大108种子的萌发低促高抑。

注：同一样品中，相同字母表示0.05水平上差异不显著，不同字母表示0.05水平上差异显著。下同。图1 不同抗生素处理对玉米种子萌发的影响

图2 不同抗生素处理对玉米芽生长的影响

图3 不同抗生素处理对玉米根生长的影响

2.2 抗生素溶液对玉米芽生长的影响

从图2可以看出，所有的盐酸左氧氟沙星处理均抑制玉米幼苗的生长；青霉素钠处理均促进了郑单958玉米幼苗的生长，对农大108玉米幼苗的生长影响不大，仅较高浓度(>100 mg·L-1)处抑制农大108玉米幼苗的生长；阿奇霉素所有处理对农大108玉米幼苗的生长起抑制作用，而仅较高浓度(>100 mg·L-1)处理抑制郑单958玉米幼苗的生长；头孢唑啉钠处理浓度≤50 mg·L-1时，会促进郑单958玉米芽的生长，≤25 mg·L-1时则会对农大108玉米幼苗的生长产生促进作用，均表现为低促高抑。整体来看，除了盐酸左氧氟沙星，另外3种低浓度抗生素对郑单958芽的生长会有一定程度的促进作用，而4种抗生素对农大108玉米芽的生长则不利。

2.3 抗生素溶液对玉米根生长的影响

从图3可以看出，盐酸左氧氟沙星和阿奇霉素处理均显著抑制了2种玉米根的生长；青霉素钠处理显著促进了郑单958玉米根的生长，却显著抑制了农大108玉米根的生长；较低浓度(≤50 mg·L-1)的头孢唑啉钠处理促进了郑单958玉米根的生长，所有处理均抑制了农大108玉米根的生长。整体来看，除了青霉素钠与较低浓度(≤50 mg·L-1)的头孢唑啉钠处理可促进郑单958根的生长外，其他处理方式均不利于2种玉米根的生长。

图4 不同抗生素处理对玉米幼苗相对干质量的影响

图5 不同抗生素处理对玉米幼苗叶绿素含量的影响

2.4 抗生素溶液对玉米幼苗干质量的影响

从图4可以看出，盐酸左氧氟沙星处理的玉米干质量较对照均有显著的下降；青霉素钠处理显著增加了2种玉米的干质量；阿奇霉素处理浓度(≤100 mg·L-1)显著促进了郑单958玉米干质量的增加，却明显抑制了农大108玉米干质量的增长；头孢唑啉钠处理均未降低2种玉米的干质量，在低处理浓度(≤100 mg·L-1)时更是促进了郑单958玉米干质量的增加。整体来看，盐酸左氧氟沙星降低郑单958玉米干物质的积累，盐酸左氧氟沙星和阿奇霉素降低农大108玉米干物质的积累，对玉米幼苗的进一步生长不利，其他处理未影响玉米干物质的积累。

2.5 抗生素溶液对玉米叶片叶绿素含量的影响

从图5可以看出,盐酸左氧氟沙星处理的玉米幼苗叶绿素的含量较对照明显降低，仅处理浓度为25 mg·L-1时促进了农大108玉米幼苗叶绿素的合成；青霉素钠处理浓度低于200 mg·L-1时，对郑单958玉米幼苗叶绿素的含量无影响，同时所有处理均显著降低了农大108玉米幼苗叶绿素的含量；较低处理浓度(≤50 mg·L-1)的阿奇霉素处理明显促进了2种玉米幼叶中幼苗叶绿素的合成；头孢唑啉钠可促进农大108玉米幼苗中叶绿素的合成，处理浓度为25 mg·L-1时，促进郑单958与农大108玉米幼苗中叶绿素的含量达到最高值。盐酸左氧氟沙星和青霉素钠处理基本都不利于玉米幼苗叶绿素的合成，而较低处理浓度的阿奇霉素和头孢唑啉钠处理明显促进2种玉米幼苗叶绿素的合成。

2.6 抗生素溶液对玉米幼苗POD酶活性的影响

从表1可以看出，较高浓度的盐酸左氧氟沙星(>50 mg·L-1)处理组中郑单958玉米叶片中的POD活性均显著低于对照，体内因胁迫产生的自由基无法被有效清除，幼苗生长将受到严重影响；而青霉素钠处理的2种玉米POD酶的活性均存在低促高抑的现象，较高处理浓度(>100 mg·L-1)的青霉素钠使得玉米POD的酶活性降低，幼苗生长将受到影响；而使用阿奇霉素和头孢唑啉钠处理的玉米体内的POD酶活性较对照组均有明显的增强，这表明玉米可以通过增强自身POD的酶活性在一定程度上缓解阿奇霉素和头孢唑啉钠对玉米生长的影响。可见，低浓度的盐酸左氧氟沙星和青霉素钠以及所有的阿奇霉素以及头孢唑啉钠处理对玉米膜的损伤可以通过增强POD酶活性来得到缓解。

3 结论与讨论

本研究发现，较低浓度的4种抗生素对玉米种子的萌发均无抑制作用，这可能与玉米种皮对胚的保护作用有关，种皮对有机污染物具有一定的阻碍作用[24-25],使得在种子萌发阶段，与种子萌发相关的酶(如淀粉酶)活性未受到过多的影响[24]。刘萍等研究表明，一定浓度的青霉素能明显提高小麦种子发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数和胚乳中淀粉酶的活力[26]，本研究结果与之相符。

表1 不同抗生素处理对玉米幼苗POD酶活性的影响(U/g·FW)

抗生素类别作物品种浸提液浓度/(g·L-1)ck2550100200盐酸左氧氟沙星郑单95847.83a47.22a46.97a30.84b26.12c农大10868.67a69.42a63.58b48.35c28.64d青霉素钠郑单95847.83b60.5a59.45a47.13b36.32c农大10868.67c73.58b80.24a69.1c64.85d阿奇霉素郑单95847.83c47.9c49.85b53.41a52.98a农大10868.67c69.04c75.37b82.4a82.05a头孢唑啉钠郑单95847.83c48.03c53.49b57.63a54.01b农大10868.67d71.35c71.48c76.52a74.37b

注：表中不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

因为存在种皮的保护作用，它起到了阻碍胚芽与外界环境直接接触的作用，所以在一定浓度范围内，外界抗生素对玉米种子芽的生长的影响并不明显[27-28]，也有研究指出氧氟沙星对玉米芽长呈显著抑制作用，与抗生素的浓度呈正相关[29]，本研究的结论与此相似，除盐酸左氧氟沙星外，其余3种抗生素较低的浓度处理对玉米幼苗的生长均无明显的抑制效应。

相比较玉米种子的萌发和芽的生长，玉米的根部在种子萌发的过程中就完全暴露在抗生素之中，其生长和发育过程受抗生素的影响较大。Migliore等的研究证实，植物的根是抗生素药物的主要积累场所[30]；马瑞阳等研究表明，植物根受土霉素胁迫抑制效应随土霉素浓度增大而增强[31]。本研究发现，4种抗生素处理均明显抑制了农大108玉米根的伸长生长；青霉素钠和较低浓度的头孢唑啉钠(≤100 mg·L-1)促进了郑单958玉米根的伸长生长，而盐酸左氧氟沙星、阿奇霉素和较高浓度的头孢唑啉钠(≥100 mg·L-1)则抑制了郑单958玉米根的伸长生长。

植物叶片中叶绿素的含量决定了叶片的光合速率,在某种程度上叶片中叶绿素含量的高低能够反映叶片衰老的程度[32]，也有研究表明，在污染物的胁迫下，叶片中早期形成的叶绿素单体会被光氧化分解，影响叶绿素的积累[33]。本研究表明，除了盐酸左氧氟沙星外，青霉素钠、阿奇霉素和头孢唑林钠较低浓度处理均未抑制郑单958玉米叶片中叶绿素的合成，而较高浓度的阿奇霉素和头孢唑林钠处理则明显降低了郑单958玉米叶片中叶绿素的含量，使其叶片中叶绿素的含量明显低于对照；除了青霉素钠外，盐酸左氧氟沙星、阿奇霉素和头孢唑林钠在较低浓度处理均促进了农大108玉米叶片中叶绿素的合成。

2种玉米对不同类别抗生素的抗氧化胁迫能力各不相同。低浓度盐酸左氧氟沙星和青霉素钠处理时，玉米叶片中POD酶的活性与对照组无明显差异，表明这2种玉米对盐酸左氧氟沙星和青霉素钠具有一定的抵抗氧化胁迫的能力；阿奇霉素和头孢唑林钠在本文研究的浓度范围内，明显提高了POD酶的活性，说明玉米对这2种抗生素具有较高的抵抗氧化胁迫的能力。

抗生素进入植物体内后会影响植物的生长发育，不同抗生素对植物的影响各不相同，有研究表明，高浓度抗生素会抑制植物生长，低浓度抗生素则促进植物生长[34]。本研究表明，盐酸左氧氟沙星对2种玉米根与芽的生长、物质的积累、叶绿素的积累和POD酶活性均会产生明显抑制作用，这可能与喹诺酮类抗生素会抑制植物DNA拓扑异构酶Ⅱ，影响植物的生长有关[35]。青霉素钠处理抑制农大108玉米根的生长与幼苗叶绿素的合成，较低处理浓度(≤50 mg·L-1)时可显著促进郑单958玉米种子的萌发及幼苗的生长，并促使其干质量增加，有利于郑单958玉米的进一步生长。低浓度的阿奇霉素(≤50 mg·L-1)处理虽然促进了2种玉米种子的萌发和幼苗中叶绿素的合成，并可通过POD酶活性的增加来降低阿奇霉素对玉米幼苗的伤害，但对2种玉米根的生长有显著的抑制作用，将对玉米幼苗的进一步生长产生不利影响。头孢唑啉钠处理均显著促进了2种玉米种子的萌发，对2种玉米幼苗的生长、叶绿素的合成及郑单958玉米根的生长均呈现出低促高抑的作用，但显著抑制了农大108玉米根的生长，对其进一步生长不利，对2种玉米幼苗的干物质积累均无不利影响，同时2种玉米均可通过POD酶活性的增加来降低其对玉米幼苗的伤害。可见低浓度的头孢唑啉钠对郑单958玉米种子的萌发和幼苗的生长有一定的促进作用。

综上所述，4种抗生素(盐酸左氧氟沙星、青霉素钠、阿奇霉素和头孢唑啉钠)处理对2种玉米(郑单958和农大108)的生长均会产生不利的影响，仅低浓度(≤50 mg·L-1)的青霉素钠和头孢唑啉钠对郑单958玉米种子的萌发和幼苗的生长有一定的促进作用。