田智宇，曹衛(wèi)宇，鄒曉岱

(上海化工研究院 上海 200062)

土霉素廢渣對典型植物發(fā)芽影響研究*

田智宇，曹衛(wèi)宇，鄒曉岱

(上?；ぱ芯吭?上海 200062)

為了解土霉素廢渣對土壤中種子發(fā)芽率的影響以及不同生長期的植物對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材料，以水溶液和土壤為介質(zhì)，試驗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)對黃瓜種子發(fā)芽率和幼苗期生長情況的影響。試驗結果表明：當土霉素污染水平為25～50 mg/kg時，對黃瓜種子發(fā)芽率和幼苗期生長均有促進作用；當土霉素污染水平超過100 mg/kg時，無論是水培還是土培條件下，均對黃瓜幼苗期地上部莖高及生物量產(chǎn)生顯著的影響；不同處理方式對黃瓜種子發(fā)芽率影響的大小順序為土霉素廢渣+土壤>土霉素堿溶液+水>土霉素堿溶液+土壤，對黃瓜幼苗期生長影響的大小順序為土霉素堿溶液+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)毒性效應明顯低于水溶液；黃瓜生長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)過程中，過濾產(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)理劑時的安全性，目前的處置技術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)物對環(huán)境的危害程度如何，由于缺乏相關的研究資料，目前還不能準確評估。土霉素是抗生素中具有代表性的四環(huán)素類，其對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于毒理學和植物學具有重要的現(xiàn)實意義。

進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，近年來一些專家、學者認為土霉素是一種促進型植物激素而引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關注。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僅為0.16～0.27 mg/kg[3]，故已有的研究都要設定一定濃度范圍的初始土霉素營養(yǎng)液，如1～10 mg/kg范圍內(nèi)對生菜生長的影響[4]、0～30 mg/kg范圍內(nèi)對青菜生長的影響[5]以及高達0～25 000 mg/kg范圍內(nèi)對小麥生長的影響[6]。但這些研究主要針對在水溶液和土壤介質(zhì)體系中的土霉素，目前有關抗生素廢渣對土壤中植物種子的毒性影響尚少見報道。

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)中對黃瓜種子發(fā)芽和幼苗期生長的影響，通過研究植物種子發(fā)芽受抑制的程度，為今后土霉素廢渣對動物、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 試驗材料

供試黃瓜：品種為天津新四號，購自東亞種子公司，選擇籽粒飽滿、大小和色澤一致的種子進行試驗。

供試土壤：采自內(nèi)蒙古赤峰市，為草原鹽堿土，采樣深度0～3 m，過150m(100目)篩，其含水質(zhì)量分數(shù)為8.0%，pH為6.13，經(jīng)檢測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?；ぱ芯吭夯仕峁?/p>

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)量分數(shù))以上。

10 000 mg/kg土霉素儲備液：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，使用時需將其pH調(diào)節(jié)至6～7才能進行后續(xù)試驗。

1.2 土霉素堿溶液發(fā)芽試驗

水培試驗：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；對照中加入10 mL去離子水；所有處理3次重復。對照種子發(fā)芽率大于90%、胚芽和胚根長度>2 mm時，認為是種子正常發(fā)芽；當對照根長達20 mm時，培養(yǎng)結束，測定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高平均值及標準偏差。

土培試驗：稱取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)量分數(shù)至約25%，每個處理播20粒種子，置于25 ℃人工氣候箱中培養(yǎng)20 d，每個處理進行3次重復。當培養(yǎng)種子達到正常發(fā)芽標準時，測定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高等指標。

筆者選取了2015年～2016年度授予學位的30本博士論文為例，說明留學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本博士論文分別來自15所不同的授予單位，15所授予單位分別來自中國的東北、華北、西北、東南、西南地區(qū)。30本博士論文作者分別來自巴基斯坦、老撾、新加坡、韓國、越南、蘇丹、伊拉克等十幾個國家。30本博士論文專業(yè)各不相同。

1.3 土霉素廢渣發(fā)芽試驗

稱取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，對照不加入廢渣，然后放置24 h老化，在與上述試驗相同溫度條件下進行種子的培養(yǎng)試驗，每個處理播20粒種子并進行3次重復。培養(yǎng)20 d后，當培養(yǎng)種子達到正常發(fā)芽標準時，測定各處理的種子發(fā)芽率、幼苗株高等指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010計算3次重復所得數(shù)據(jù)的平均值及標準偏差，對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，差異顯著性水平為p<0.05。

2 試驗結果

2.1 促進黃瓜發(fā)芽的最佳土霉素濃度的確定

第1階段(無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)的毒性試驗結果表明，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階段的試驗縮小土霉素濃度范圍，在0～500 mg/kg內(nèi)以幾何級數(shù)為間隔進行，從而確定促進黃瓜種子發(fā)芽的最佳土霉素劑量。

本試驗體系中含有土霉素堿溶液和土霉素廢渣，為使所測結果能較客觀地反映黃瓜種子發(fā)芽生長，必須采用水培和土培試驗進行對照。

在土霉素濃度0～4 000 mg/kg范圍內(nèi)進行的試驗表明：①土霉素是一種重要的植物激素，能促進種子和其他休眠器官的萌發(fā)，促進代謝反應，刺激植物生長，但與其濃度密切相關。從試驗結果得知，無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，對黃瓜種子發(fā)芽率、幼芽早期生長發(fā)育均有顯著的促進作用。②土霉素堿溶液添加至土壤和水中，使得植物種子發(fā)芽率與對照相比也存在差異，水培對種子發(fā)芽率的影響遠大于土培。不同濃度土霉素對黃瓜種子發(fā)芽率的影響如圖1所示。

圖1 不同濃度土霉素對黃瓜種子發(fā)芽率的影響

試驗表明，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，發(fā)芽率均達到最高點，分別為100.0%和76.7%，其中低濃度土霉素廢渣對黃瓜種子發(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，但仍高于對照；當廢渣的土霉素劑量超過100 mg/kg后，對黃瓜種子發(fā)芽產(chǎn)生顯著影響，與對照相比，幾乎無法發(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，當達500 mg/kg時，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，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黃瓜株高和生物量的影響

試驗表明，3個處理的土霉素污染對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照下降了83.7%和50.5%，生物量也分別比對照下降了58.9%和33.3%；當土霉素堿溶液中土霉素劑量達到50 mg/kg時，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個處理的株高和生物量均呈現(xiàn)下降趨勢。試驗結果表明：無論在何種環(huán)境中，種子生長前期對土壤抗生素的污染抵抗能力較弱，土霉素溶液會直接對種子發(fā)芽造成影響，使得株高和生物量一直低于對照；土霉素堿溶液加入土壤中的影響小于其他2個處理。

3 討論

3.1 影響發(fā)芽率的主要因素

種子發(fā)芽試驗和早期幼芽生長發(fā)育試驗是毒理學常用的試驗方法，具有快速、便捷等優(yōu)點，被眾多的學者用作研究污染脅迫下的植物發(fā)芽、生長以及芽長等指標以綜合評價該污染物的毒性[7- 8]。本試驗研究發(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，黃瓜種子發(fā)芽率與對照相比均無顯著差異。一方面是由于抗生素等新型污染物的毒性不如工業(yè)化學品那樣劇烈，另一方面種皮對種子的保護作用不可忽略，抗生素很可能被吸附在種皮上而并不會對種子根部的生長發(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)芽標準是胚根從種孔中突破種皮，向下生長形成主根，但這種生長并不一定是由細胞分裂產(chǎn)生的，而可能僅是簡單的細胞生長[10]。這就意味著雖然從表面上看種子正常發(fā)芽伸出，但并不能說明污染物的脅迫對它們體內(nèi)的細胞沒有毒性效應。隨著抗生素濃度的增加(土霉素濃度≥100 mg/kg)，抗生素對種子發(fā)芽率產(chǎn)生了顯著的抑制作用，說明此時抗生素已對種子的萌發(fā)產(chǎn)生毒性效應。

黃瓜的芽生長抑制率隨抗生素濃度的增加呈上升趨勢。濃度相同時，土霉素堿溶液在土壤中對黃瓜芽生長抑制效應明顯低于在水溶液中，表明土壤介質(zhì)對抗生素污染有緩沖作用。其原因與此類抗生素被土壤吸附且不易解吸有關，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

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

在土培條件下，土霉素堿溶液處理的黃瓜幼芽生長和生物量均高于廢渣處理，表明廢渣對植物的緩沖強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，導致幼芽生長受阻；也可能是污染物抑制了土壤中微生物的活性，使土壤中營養(yǎng)物質(zhì)轉化受阻，影響作物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，導致作物根尖細胞有絲分裂數(shù)明顯減少，分裂速度減慢，從而導致幼芽生長受抑制。因此，很容易理解土霉素廢渣+土壤最能影響種子發(fā)芽，而且說明土霉素廢渣+土壤復合體有其特殊性，不是這兩者簡單的加和作用。研究發(fā)現(xiàn)，所用土壤對土霉素的生物有效性具有較強的降低作用，但有待于結合其在土壤中的吸附、解吸、生物有效性、形態(tài)分析等作出進一步解釋。

4 結語

(1)在本試驗研究的土霉素污染范圍(0～4 000 mg/kg)內(nèi)，低濃度土霉素對種子發(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，土霉素廢渣對黃瓜生長前期的影響比后期大。有關土霉素污染對黃瓜生長影響的機理還有待進一步深入研究。

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

(3)3種處理方式對于黃瓜種子發(fā)芽率影響的大小順序為土霉素廢渣+土壤>土霉素堿溶液+水>土霉素堿溶液+土壤，對于黃瓜幼苗期生長影響的大小順序為土霉素堿溶液+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土壤毒性的敏感指標，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

上海張江國家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項發(fā)展資金重點項目(201505- PT- C104- 025)。 作者簡介：田智宇(1990—)，男，研究方向為抗生素廢渣處理；tian199047@163.com。

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1006- 7779(2016)06- 0082- 05

2016- 10- 18)