土霉素廢渣對(duì)典型植物發(fā)芽影響研究*

田智宇，曹衛(wèi)宇，鄒曉岱

(上海化工研究院 上海 200062)

土霉素廢渣對(duì)典型植物發(fā)芽影響研究*

田智宇，曹衛(wèi)宇，鄒曉岱

(上海化工研究院 上海 200062)

為了解土霉素廢渣對(duì)土壤中種子發(fā)芽率的影響以及不同生長(zhǎng)期的植物對(duì)土霉素耐受能力的差異，以土霉素廢渣、土霉素堿溶液和黃瓜種子為試驗(yàn)材料，以水溶液和土壤為介質(zhì)，試驗(yàn)研究了土霉素堿溶液和土霉素廢渣中的土霉素(污染水平為0～4 000 mg/kg)對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率和幼苗期生長(zhǎng)情況的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)土霉素污染水平為25～50 mg/kg時(shí)，對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率和幼苗期生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用；當(dāng)土霉素污染水平超過(guò)100 mg/kg時(shí)，無(wú)論是水培還是土培條件下，均對(duì)黃瓜幼苗期地上部莖高及生物量產(chǎn)生顯著的影響；不同處理方式對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率影響的大小順序?yàn)橥撩顾貜U渣+土壤>土霉素堿溶液+水>土霉素堿溶液+土壤，對(duì)黃瓜幼苗期生長(zhǎng)影響的大小順序?yàn)橥撩顾貕A溶液+水>土霉素廢渣+土壤>土霉素堿溶液+土壤；抗生素在土壤中的生態(tài)毒性效應(yīng)明顯低于水溶液；黃瓜生長(zhǎng)在前期比后期更易受土霉素廢渣污染的毒害。

土霉素廢渣 黃瓜 發(fā)芽率

在土霉素生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)濾產(chǎn)生的廢渣中含有少量的土霉素(4 000～8 000 mg/kg)，并含有各種氨基酸、粗蛋白質(zhì)及多種微量元素[1- 2]。為了保證土霉素廢渣用作土壤調(diào)理劑時(shí)的安全性，目前的處置技術(shù)能將廢渣中的土霉素含量降解至10～30 mg/kg，但殘留的微量土霉素和降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境的危害程度如何，由于缺乏相關(guān)的研究資料，目前還不能準(zhǔn)確評(píng)估。土霉素是抗生素中具有代表性的四環(huán)素類(lèi)，其對(duì)植物的一系列理化性質(zhì)以及土壤中抗生素的環(huán)境行為均有顯著的影響，因此，研究植物-抗生素的相互作用對(duì)于毒理學(xué)和植物學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

進(jìn)入土壤中的抗生素被植物吸收，從而影響植物正常的生理代謝，近年來(lái)一些專(zhuān)家、學(xué)者認(rèn)為土霉素是一種促進(jìn)型植物激素而引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。在自然環(huán)境中，土霉素在土壤中的含量極低，在深5 cm土壤中的土霉素含量?jī)H為0.16～0.27 mg/kg[3]，故已有的研究都要設(shè)定一定濃度范圍的初始土霉素營(yíng)養(yǎng)液，如1～10 mg/kg范圍內(nèi)對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響[4]、0～30 mg/kg范圍內(nèi)對(duì)青菜生長(zhǎng)的影響[5]以及高達(dá)0～25 000 mg/kg范圍內(nèi)對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響[6]。但這些研究主要針對(duì)在水溶液和土壤介質(zhì)體系中的土霉素，目前有關(guān)抗生素廢渣對(duì)土壤中植物種子的毒性影響尚少見(jiàn)報(bào)道。

本研究以黃瓜為受試作物，研究半自然條件下土霉素堿溶液和土霉素廢渣在水溶液和土壤(褐土)介質(zhì)中對(duì)黃瓜種子發(fā)芽和幼苗期生長(zhǎng)的影響，通過(guò)研究植物種子發(fā)芽受抑制的程度，為今后土霉素廢渣對(duì)動(dòng)物、微生物的毒性乃至人體健康毒理研究均具有啟示探索作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試黃瓜：品種為天津新四號(hào)，購(gòu)自東亞種子公司，選擇籽粒飽滿(mǎn)、大小和色澤一致的種子進(jìn)行試驗(yàn)。

供試土壤：采自?xún)?nèi)蒙古赤峰市，為草原鹽堿土，采樣深度0～3 m，過(guò)150m(100目)篩，其含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%，pH為6.13，經(jīng)檢測(cè)含有少量土霉素殘留(38.6 μg/kg)。

供試土霉素廢渣：由內(nèi)蒙古格林特制藥有限公司提供，含土霉素約4 000 mg/kg；降解后的土霉素廢渣含土霉素約10 mg/kg，由上海化工研究院化肥所提供。

供試土霉素堿溶液：由內(nèi)蒙古格林特制藥有限公司提供，純度95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上。

10 000 mg/kg土霉素儲(chǔ)備液：將1 g土霉素堿溶液溶于500 mL Tris- HCl溶液(pH=7)中，然后用鋁箔包裹并置于冰箱中保存，使用時(shí)需將其pH調(diào)節(jié)至6～7才能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2 土霉素堿溶液發(fā)芽試驗(yàn)

水培試驗(yàn)：在Φ9 cm的玻璃培養(yǎng)皿中鋪一層濾紙，將消毒后的20粒黃瓜種子均勻地置于培養(yǎng)皿中，然后加入不同濃度的10 mL土霉素堿溶液，其中土霉素最高濃度為4 000 mg/kg(全部試驗(yàn)均采用同一水平梯度濃度)，置于25 ℃人工氣候箱中培養(yǎng)20 d；對(duì)照中加入10 mL去離子水；所有處理3次重復(fù)。對(duì)照種子發(fā)芽率大于90%、胚芽和胚根長(zhǎng)度>2 mm時(shí)，認(rèn)為是種子正常發(fā)芽；當(dāng)對(duì)照根長(zhǎng)達(dá)20 mm時(shí)，培養(yǎng)結(jié)束，測(cè)定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。

土培試驗(yàn)：稱(chēng)取300 g土壤于塑料培養(yǎng)盒中，將不同濃度土霉素堿溶液均勻地噴灑于土壤表層(對(duì)照噴灑去離子水)后混合攪拌均勻染毒，調(diào)節(jié)土壤含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)至約25%，每個(gè)處理播20粒種子，置于25 ℃人工氣候箱中培養(yǎng)20 d，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)。當(dāng)培養(yǎng)種子達(dá)到正常發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高等指標(biāo)。

筆者選取了2015年～2016年度授予學(xué)位的30本博士論文為例，說(shuō)明留學(xué)生博士論文紙本封皮信息與教育部授予名單信息存在的差異。該30本博士論文分別來(lái)自15所不同的授予單位，15所授予單位分別來(lái)自中國(guó)的東北、華北、西北、東南、西南地區(qū)。30本博士論文作者分別來(lái)自巴基斯坦、老撾、新加坡、韓國(guó)、越南、蘇丹、伊拉克等十幾個(gè)國(guó)家。30本博士論文專(zhuān)業(yè)各不相同。

1.3 土霉素廢渣發(fā)芽試驗(yàn)

稱(chēng)取150 g土壤于塑料培養(yǎng)盒中，將不同濃度的土霉素廢渣與土壤按質(zhì)量比1∶1混合攪拌均勻染毒，對(duì)照不加入廢渣，然后放置24 h老化，在與上述試驗(yàn)相同溫度條件下進(jìn)行種子的培養(yǎng)試驗(yàn)，每個(gè)處理播20粒種子并進(jìn)行3次重復(fù)。培養(yǎng)20 d后，當(dāng)培養(yǎng)種子達(dá)到正常發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，測(cè)定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010計(jì)算3次重復(fù)所得數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，差異顯著性水平為p<0.05。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 促進(jìn)黃瓜發(fā)芽的最佳土霉素濃度的確定

第1階段(無(wú)論是土霉素廢渣還是土霉素堿溶液中土霉素濃度范圍500～4 000 mg/kg)的毒性試驗(yàn)結(jié)果表明，土霉素廢渣和土霉素堿溶液加入土壤中，抑制黃瓜種子發(fā)芽的土霉素濃度極限值均在4 000 mg/kg左右，而土霉素堿溶液加入水中影響黃瓜種子發(fā)芽的極限值在500 mg/kg左右。為此，第2階段的試驗(yàn)縮小土霉素濃度范圍，在0～500 mg/kg內(nèi)以幾何級(jí)數(shù)為間隔進(jìn)行，從而確定促進(jìn)黃瓜種子發(fā)芽的最佳土霉素劑量。

本試驗(yàn)體系中含有土霉素堿溶液和土霉素廢渣，為使所測(cè)結(jié)果能較客觀(guān)地反映黃瓜種子發(fā)芽生長(zhǎng)，必須采用水培和土培試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。

在土霉素濃度0～4 000 mg/kg范圍內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)表明：①土霉素是一種重要的植物激素，能促進(jìn)種子和其他休眠器官的萌發(fā)，促進(jìn)代謝反應(yīng)，刺激植物生長(zhǎng)，但與其濃度密切相關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果得知，無(wú)論是單一土霉素堿溶液還是土霉素廢渣+土壤混合物，劑量范圍在25～50 mg/kg時(shí)，對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率、幼芽早期生長(zhǎng)發(fā)育均有顯著的促進(jìn)作用。②土霉素堿溶液添加至土壤和水中，使得植物種子發(fā)芽率與對(duì)照相比也存在差異，水培對(duì)種子發(fā)芽率的影響遠(yuǎn)大于土培。不同濃度土霉素對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率的影響如圖1所示。

圖1 不同濃度土霉素對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率的影響

試驗(yàn)表明，土霉素各處理都能不同程度地提高黃瓜種子發(fā)芽率，但發(fā)芽率均存在差異。由圖1可知：土霉素堿溶液和土霉素廢渣分別加入土壤，以上2種處理的對(duì)照組的土霉素濃度為0 mg/kg，其發(fā)芽率分別為86.3%和38.3%；在土霉素濃度為25 mg/kg時(shí)，發(fā)芽率均達(dá)到最高點(diǎn)，分別為100.0%和76.7%，其中低濃度土霉素廢渣對(duì)黃瓜種子發(fā)芽率的提高最為顯著，提高38.4%；繼續(xù)升高土霉素濃度，發(fā)芽率不斷下降，但仍高于對(duì)照；當(dāng)廢渣的土霉素劑量超過(guò)100 mg/kg后，對(duì)黃瓜種子發(fā)芽產(chǎn)生顯著影響，與對(duì)照相比，幾乎無(wú)法發(fā)芽。

不同濃度土霉素堿溶液在水中抑制種子發(fā)芽的作用均大于在土壤中，且土霉素濃度越高抑制作用越明顯。種子在土霉素堿溶液+水中培養(yǎng)，純水(對(duì)照)中種子發(fā)芽率保持100%，隨著土霉素堿溶液濃度不斷提高，當(dāng)達(dá)500 mg/kg時(shí)，種子發(fā)芽率明顯下降；水中土霉素污染水平高于750 mg/kg時(shí)，種子幾乎不能發(fā)芽，而土壤中土霉素堿溶液污染水平直至4 000 mg/kg仍能發(fā)芽。

2.3 土霉素堿溶液和土霉素廢渣對(duì)黃瓜株高和生物量的影響

試驗(yàn)表明，3個(gè)處理的土霉素污染對(duì)黃瓜株高和生物量的影響有較大差異，其中土霉素堿溶液+土壤的影響最為明顯，如圖2所示。

圖2 不同濃度土霉素對(duì)黃瓜株高和生物量的影響

由圖2可知：與土霉素濃度為0 mg/kg(對(duì)照)相比，在土霉素堿溶液中的土霉素濃度為25 mg/kg的土壤上生長(zhǎng)的黃瓜株高和生物量分別提高了13.7%和3.1%；在相同的污染水平下，土霉素堿溶液+水和土霉素廢渣+土壤的黃瓜株高則分別比對(duì)照下降了83.7%和50.5%，生物量也分別比對(duì)照下降了58.9%和33.3%；當(dāng)土霉素堿溶液中土霉素劑量達(dá)到50 mg/kg時(shí)，土霉素堿溶液+水處理的株高和生物量與25 mg/kg水平相比提高了62.5%和28.0%，土霉素廢渣處理的株高和生物量提高了16.1%和9.5%；隨著土霉素污染水平的繼續(xù)提高，3個(gè)處理的株高和生物量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)論在何種環(huán)境中，種子生長(zhǎng)前期對(duì)土壤抗生素的污染抵抗能力較弱，土霉素溶液會(huì)直接對(duì)種子發(fā)芽造成影響，使得株高和生物量一直低于對(duì)照；土霉素堿溶液加入土壤中的影響小于其他2個(gè)處理。

3 討論

3.1 影響發(fā)芽率的主要因素

種子發(fā)芽試驗(yàn)和早期幼芽生長(zhǎng)發(fā)育試驗(yàn)是毒理學(xué)常用的試驗(yàn)方法，具有快速、便捷等優(yōu)點(diǎn)，被眾多的學(xué)者用作研究污染脅迫下的植物發(fā)芽、生長(zhǎng)以及芽長(zhǎng)等指標(biāo)以綜合評(píng)價(jià)該污染物的毒性[7- 8]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，土霉素廢渣或土霉素堿溶液中的土霉素濃度<25 mg/kg時(shí)，黃瓜種子發(fā)芽率與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異。一方面是由于抗生素等新型污染物的毒性不如工業(yè)化學(xué)品那樣劇烈，另一方面種皮對(duì)種子的保護(hù)作用不可忽略，抗生素很可能被吸附在種皮上而并不會(huì)對(duì)種子根部的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生劇烈影響，即種皮起到阻擋種子胚芽與外界環(huán)境直接接觸的作用，使胚芽免受污染物的直接侵害[9]。值得注意的是，目前確定的種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)是胚根從種孔中突破種皮，向下生長(zhǎng)形成主根，但這種生長(zhǎng)并不一定是由細(xì)胞分裂產(chǎn)生的，而可能僅是簡(jiǎn)單的細(xì)胞生長(zhǎng)[10]。這就意味著雖然從表面上看種子正常發(fā)芽伸出，但并不能說(shuō)明污染物的脅迫對(duì)它們體內(nèi)的細(xì)胞沒(méi)有毒性效應(yīng)。隨著抗生素濃度的增加(土霉素濃度≥100 mg/kg)，抗生素對(duì)種子發(fā)芽率產(chǎn)生了顯著的抑制作用，說(shuō)明此時(shí)抗生素已對(duì)種子的萌發(fā)產(chǎn)生毒性效應(yīng)。

黃瓜的芽生長(zhǎng)抑制率隨抗生素濃度的增加呈上升趨勢(shì)。濃度相同時(shí)，土霉素堿溶液在土壤中對(duì)黃瓜芽生長(zhǎng)抑制效應(yīng)明顯低于在水溶液中，表明土壤介質(zhì)對(duì)抗生素污染有緩沖作用。其原因與此類(lèi)抗生素被土壤吸附且不易解吸有關(guān)，從而降低了其生物有效性和向土壤水溶液中的釋放。

3.2 影響株高和生物量的主要因素

試驗(yàn)結(jié)果表明：土霉素濃度在25～50 mg/kg時(shí)，對(duì)黃瓜發(fā)芽生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用，這是由于低濃度的抗生素對(duì)植物生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用[11]；但當(dāng)抗生素濃度超出黃瓜種子所能耐受的范圍，黃瓜的芽生長(zhǎng)又逐漸出現(xiàn)抑制效應(yīng)。

在土培條件下，土霉素堿溶液處理的黃瓜幼芽生長(zhǎng)和生物量均高于廢渣處理，表明廢渣對(duì)植物的緩沖強(qiáng)度高于土霉素堿溶液。其原因可能是土霉素廢渣內(nèi)殘留的微量土霉素和降解物施入土壤后，導(dǎo)致幼芽生長(zhǎng)受阻；也可能是污染物抑制了土壤中微生物的活性，使土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化受阻，影響作物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導(dǎo)致作物根尖細(xì)胞有絲分裂數(shù)明顯減少，分裂速度減慢，從而導(dǎo)致幼芽生長(zhǎng)受抑制。因此，很容易理解土霉素廢渣+土壤最能影響種子發(fā)芽，而且說(shuō)明土霉素廢渣+土壤復(fù)合體有其特殊性，不是這兩者簡(jiǎn)單的加和作用。研究發(fā)現(xiàn)，所用土壤對(duì)土霉素的生物有效性具有較強(qiáng)的降低作用，但有待于結(jié)合其在土壤中的吸附、解吸、生物有效性、形態(tài)分析等作出進(jìn)一步解釋。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在本試驗(yàn)研究的土霉素污染范圍(0～4 000 mg/kg)內(nèi)，低濃度土霉素對(duì)種子發(fā)芽率影響不明顯，但高濃度(100 mg/kg以上)的土霉素污染對(duì)黃瓜幼苗期地上部莖高及生物量產(chǎn)生顯著影響。研究表明，土霉素廢渣對(duì)黃瓜生長(zhǎng)前期的影響比后期大。有關(guān)土霉素污染對(duì)黃瓜生長(zhǎng)影響的機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究。

(2)抗生素在土壤中的生態(tài)毒性效應(yīng)明顯低于水溶液，這可能與土壤對(duì)抗生素有很強(qiáng)的緩沖作用有關(guān)。

(3)3種處理方式對(duì)于黃瓜種子發(fā)芽率影響的大小順序?yàn)橥撩顾貜U渣+土壤>土霉素堿溶液+水>土霉素堿溶液+土壤，對(duì)于黃瓜幼苗期生長(zhǎng)影響的大小順序?yàn)橥撩顾貕A溶液+水>土霉素廢渣+土壤>土霉素堿溶液+土壤。發(fā)芽率可以作為診斷土霉素廢渣對(duì)土壤毒性的敏感指標(biāo)，反映土壤被土霉素污染的狀況。

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Study of Effect of Oxytetracycline Residue on Germination of Typical Plants

TIAN Zhiyu, CAO Weiyu, ZOU Xiaodai

(Shanghai Research Institute of Chemical Industry Shanghai 200062)

In order to understand the effect of oxytetracycline waste residue on germination rate of seed in soil and the difference in endurance capacity of plants in different growth period, with oxytetracycline residue, oxytetracycline alkali solution and cucumber seed used as experimental materials, and aqueous solution and soil used as media, a study is carried out of the effect of oxytetracycline in oxytetracycline residue and in oxytetracycline alkali solution (pollution level is 0～4 000 mg/kg) on seed germination rate and growth at seedling stage. Experimental results show when pollution level is 25～50 mg/kg, oxytetracycline has promoting effect on both seed germination rate and seeding stage growth of cucumber; when pollution level is above 100 mg/kg, oxytetracycline has significant influence on cucumber shoot height at seeding stage and biomass, whether it is in hydroponic condition or is in soil culture condition; the influence extent of different treatments on cucumber seed germination rate is in the order of oxytetracycline residue + soil > oxytetracycline alkali solution + water > oxytetracycline alkali solution + soil; the influence level on cucumber seeding stage growth is in the order of oxytetracycline alkali solution + water > oxytetracycline residue + soil > oxytetracycline alkali solution + soil; the ecotoxicological effects of antibiotic in soil is obviously lower than that in aqueous solution; and cucumber is easily poisoned by oxytetracycline residue in early growth stage than in later growth stage.

oxytetracycline residue cucumber germination rate

上海張江國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專(zhuān)項(xiàng)發(fā)展資金重點(diǎn)項(xiàng)目(201505- PT- C104- 025)。 作者簡(jiǎn)介：田智宇(1990—)，男，研究方向?yàn)榭股貜U渣處理；tian199047@163.com。

X503.231

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1006- 7779(2016)06- 0082- 05

2016- 10- 18)