头孢拉定对尾草履虫形态和种群数量的影响研究

刘晓航，李璟，谢明松，黄宇飞

（成都理工大学生态环境学院，四川 成都 610059）

水环境中药物的残留问题对当前水体安全而言是一个新的挑战[1]。现有污水处理工艺主要是消除常规化学污染物如COD、BOD等[2-5]，并没有明确针对抗生素类药物（如头孢类、磺胺类等）的处理方法。这类药物在城市生活污水、动物养殖场污水、医院污水、地表水、地下水、饮用水、海水等水体中均有检出[6-8]。据报道，水环境抗生素污染不仅可能诱导耐药性致病菌的产生，毒害水生生物，而且可通过污染饮用水、土壤和食物等对人体健康产生潜在危害[1，7]。

头孢类抗生素是当今世界上研发最活跃、应用最广泛的抗生素类药物，关于其在水环境中行为规律的研究报道较少，仅有对水环境细菌、大型生物影响的报道[8]。头孢类抗生素对水生生物的生态毒性研究多以鱼类和藻类等多细胞动物或植物为对象，对原生动物的影响研究鲜有报道。原生动物以藻类、细菌及有机物碎屑为食，处于食物链底部，在水生生态系统的物质循环和能量流动中具有重要作用；同时原生动物对环境因子敏感，可将毒性效应沿食物链传递[9]。尾草履虫是原生动物中较早用于毒理学研究的模式生物，具有体积小、生命力强、易于培养等特点。本研究以尾草履虫（Paramecium caudatum）为研究对象，探索其在头孢拉定水环境中的响应，以期对环境污染防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 试剂和受试生物 头孢拉定（RAD），纯度97%，购自齐鲁制药有限公司。

尾草履虫，购自山东某公司。草履虫母液为预先用稻草培养基培养5 d的草履虫。

1.2 主要仪器 恒温恒湿培养箱、微量移液器、高压灭菌锅、抽滤漏斗等。

1.3 抗生素的配制 先取头孢拉定以蒸馏水为溶剂配制成10 g/L原液，头孢拉定对尾草履虫 的作用浓度梯度设置为0、10、30、50、100、300 μg/mL。

1.4 培养基的配制 稻草浸出液培养基制作方法：干稻草10 g加入蒸馏水中煮沸5 min，定容至1 000mL。

1.5 毒性效应试验方法

1.5.1 头孢拉定对尾草履虫形态的影响 向配制好的10 g/L稻草培养基中加入不同浓度的头孢拉定抗生素，使其终浓度分别为0、10、30、50、100、300 μg/mL，然后分别向其中加入0.1 mL草履虫母液，置于20 ℃恒温恒湿培养箱中，培养5 d。第5 d时每个培养基各取5 mL，经饱和升汞溶液固定后，于3 000 r/min离心5 min，收集沉淀斑在光学显微镜下观察。每组随机选10个草履虫，在显微镜下测量细胞大小，统计并进行方差分析。

1.5.2 头孢拉定对尾草履虫种群数量的影响 向配制好的10g/L稻草培养基中加入不同浓度的头孢拉定抗生素，使其终浓度分别为0、10、30、50、100、300 μg/mL，然后分别向其中加入0.1 mL草履虫母液，置于20 ℃恒温恒湿培养箱中，每24 h在光学显微镜下观察并记录尾草履虫的活体数量，持续记录7 d，每个头孢拉定浓度组做5个平行试验。

1.6 数据分析 使用Origin 2018软件统计试验数据，并进行方差分析检验差异显著性和误差分析。使用ImageJ图像处理软件对草履虫个体形态进行测量。

2 结果与讨论

2.1 头孢拉定对尾草履虫个体形态的影响 头孢拉定对尾草履虫个体形态的影响结果如表1所示。在本试验头孢浓度范围内，尾草履虫个体的体长随着头孢拉定浓度的增加而减小，而体宽变化不明显。在高效氯氰菊酯对草履虫的个体生长以及2，4-D丁酯对草履虫的影响研究[10]中也发现了类似结果。

表1 头孢拉定对尾草履虫个体形态的影响 μm

图1 各浓度头孢拉定条件下尾草履虫种群数量的变化

2.2 头孢拉定对尾草履虫种群数量的影响 各浓度头孢拉定对尾草履虫种群数量的影响结果如图1所示。整体而言，随着头孢拉定浓度的增加，尾草履虫的种群数量递减。在头孢拉定浓度为0、10、30 μg/mL时，尾草履虫种群数量的峰值出现在第5 d；在头孢拉定浓度为50 μg/mL时，尾草履虫种群数量的峰值出现在第4 d；当头孢拉定浓度为300 μg/mL时，该组已观察不到尾草履虫。可见随头孢拉定浓度的增加，尾草履虫的种群数量递减，且响应时间缩短。

经统计分析，10 μg/mL头孢拉定组的尾草履虫数量与对照组（0 μg/mL头孢拉定）相比差异不显著（P＝0.066 5）；30、50、100 μg/mL头孢拉定组与对照组相比差异显著（P值分别为0.010 8、0.002和0.000 4，均小于0.05）。随着头孢拉定浓度的增加，与对照组的差异越明显，说明头孢拉定对尾草履虫有明显的抑制作用。

头孢拉定为广谱抗生素，作用机制与其他头孢菌素相似，主要抑制细菌细胞壁的合成，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有杀灭作用[11]。尾草履虫作为原生动物没有细胞壁，而本试验发现头孢拉定对尾草履虫有明显的抑制作用，因此头孢拉定可能存在某种能够抑制尾草履虫生长的作用机制。在四环素及盐酸四环素对尾草履虫的毒性效应研究[12]，几种新生污染物对嗜热四膜虫的分子生态毒性研究以及四环素类抗生素对纤毛虫的毒性效应研究中，同样发现了原生动物在受抗生素胁迫时生长发育均受到抑制。说明抗生素的使用对原生动物的生存环境以及整个生态环境存在影响。

3 结论

原生动物尾草履虫具有明显的死亡特征，易于养殖，容易鉴定和观察。本研究发现头孢拉定对原生动物尾草履虫具有毒性效应，可以改变尾草履虫的数量和形态。以头孢拉定为代表的头孢类抗生素的滥用，可能对生物链具有潜在影响，因此必须重视对抗生素生物学和环境毒性的监测和评价。