土壤中土霉素对12种农作物幼苗毒性阈值研究

徐秋桐　鲍陈燕　章明奎

摘 要：以幼苗根系伸展为指标，通过土培试验研究了土霉素对常见的12种农作物幼苗的毒害作用。结果表明，不同农作物受土壤中土霉素危害的阈值有较大的差异，12种作物受土壤中土霉素危害的阈值由高至低依次为：玉米>水稻>南瓜>小麦>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜；表现出粮食作物幼苗不易受土霉素的危害，蔬菜作物幼苗相对易受土壤中土霉素污染的危害。考虑到目前抗生素污染土壤中土霉素的残留水平一般低于10mg/kg，推断在前农地土壤中土霉素污染水平下，其对农作物生长直接危害相对较小，而进入作物可食部分的土霉素对人类健康的危害可能更为严重。

关键词：农作物；土霉素；生长抑制；阈值

中图分类号 X826；X53 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）09-16-03

抗生素应用对农作物影响的研究最早始于抗生素发现的初期[1]。我国在20世纪50年代开始研发抗生素时，曾从医用抗生素中筛选出农用抗生素用于农作物病害的防治，但应用后发现许多抗生素对农作物有药害，农产品中存在可检量的抗生素残留，对人类健康有害，因而停止使用[1]。目前，使用于农作物的抗生素为植物专用抗生素（如井冈霉素、内疗素、多效霉素、杀蚜素等），具备高度选择性的毒性并易为土壤微生物分解或光解，在粮食、果蔬中的残毒较小，对环境不易产生污染，并在防治农作物病原菌和组培与育种研究中起到了重要的作用[2-4]。但近年来，随着畜禽养殖业的发展，环境中残留的抗生素（主要为兽用或医用抗生素通过粪肥施用进入农田）对农作物的毒理重新引起重视。农用抗生素防治的对象主要为真菌性病害（占90%以上），而医用或兽用抗生素大都是用来防治细菌性病害，因此，土壤环境中的医用或兽用抗生素残留可能会对作物生长产生不同于农用抗生素的影响。已有研究表明，土壤中的多数兽用抗生素极易向植物体内富集，并可对植物生长产生一定的影响[5-11]，但植物对兽用抗生素的吸收、富集及抗生素对植物的影响因抗生素、植物和土壤类型不同而有很大差异[5，12]。初步的研究表明，兽用抗生素可能会影响植物的根系发育、地上部分的生长及抑制叶绿体合酶的活性[5-10]。近年来的研究表明，根部是农作物积累兽用抗生素的主要场所[8，11]，作物幼苗根系的伸展对环境中兽用抗生素最为敏感[5，8，12，13]。近年来，有关残留在环境中的兽用抗生素对农作物生长的影响已引起人们的关注，但多数研究主要基于溶液培养试验，缺少土壤环境下的抗生素毒理试验。为此，本研究以幼苗根系伸展为指标，评估有代表性的兽用抗生素土霉素对常见的12种农作物幼苗的毒害作用。

1 材料与方法

1.1 供试土壤 供试土壤类型为灰潮土，发育于河流冲积物，采自浙江省富阳市，采样深度为0～15cm，质地为粉壤土。土壤理化性状如下：有机碳含量为9.23g/kg，pH为5.67，粘粒含量为65g/kg，有效P为7.89mg/kg，有效K为56mg/kg。检测表明，试验前土壤无土霉素检出。土样在试验前经风干、混匀、过5mm土筛。

1.2 试验种子及预处理 供试作物种子共12种，包括小白菜、萝卜、西红柿、胡萝卜、莴苣、苜蓿、黄瓜、油菜、南瓜、小麦、水稻和玉米等作物的种子。试验前种子用0.3%双氧水消毒12h，然后用去离子冲洗3次，之后在40℃的温水中浸泡2h至水凉，重复浸泡2次。浸泡后的种子转移至消毒处理的湿纱布中，在培养箱中（20～25℃）培养至种子露白待用。

1.3 供试抗生素 供试抗生素为土霉素，属于四环素类抗生素，该类抗生素在我国养殖业中应用较为广泛。

1.4 试验方法 采用保湿培养进行试验，在洁净烘干的直径12.5cm培养皿中平铺一层滤纸，加入0.5cm厚、过5mm土筛的土壤（每皿约80g），加入13mL含一定含量土霉素的去离子水（预备试验表明，加入13mL去离子使土壤含水量比较适宜种子萌发），使土壤土霉素浓度分别为0，1，5，10，25，50，100mg/kg（文献上报道的土壤土霉素污染水平基本上都在50mg/kg以下）。平衡2h后，用镊子将预处理后的种子均匀放入培养皿中，保持种子胚根末端与生长方向呈垂直，每皿放置25～30粒种子（视种子大小而异）。每个处理重复4次。盖好培养皿，将其放置在25℃培养箱中避光培养，期间必要时添加去离子水，保持土壤湿润。培养12d后，观察根长（根与芽接点处至最长根尖的距离）。

1.5 数据处理 为了便于相互比较，幼苗的根长的观察数据统一换算为相对于对照的比例（即以无抗生素污染土壤为100%计算），并根据相对根长与土壤土霉素污染浓度的关系用逻辑斯蒂克分布模型（Log-logistic distribution）进行拟合[14]，估算根长10%、25%和50%抑制时的抗生素临界浓度（IC10、IC25和IC50）。

2 结果与分析

2.1 土壤中土霉素污染与作物幼苗根系伸展的关系 由图1可知，随着土壤中土霉素污染浓度的增加，作物幼苗根系相对长度呈现下降趋势。当土壤中土霉素浓度低于5mg/kg时，所有供试的12种作物幼苗根系相对长度与对照均无明显的差异；当土壤中土霉素污染浓度超过10mg/kg时，土壤抗生素污染对根伸展的影响渐趋明显，但不同作物对土壤中土霉素剂量的反应有较大的差异，其中，油菜、小白菜、胡萝卜和莴苣对土壤中土霉素污染较为敏感；当土壤中土霉素浓度超过25mg/kg时，上述4种作物的相对根长随土壤中土霉素污染浓度的提高呈现显著的下降，而玉米、水稻、南瓜和小麦对土壤中土霉素污染相对不敏感，它们的相对根长随土壤中土霉素污染浓度的提高下降幅度较小。

2.2 土壤中土霉素对不同作物幼苗毒性阈值的差异性 表1为根据作物幼苗相对生长与土壤中土霉素污染浓度的关系估算的作物幼苗根长10%、25%和50%抑制时的土霉素临界浓度（IC10、IC25和IC50）。由表1可知，土壤中土霉素对不同作物的毒性有较大的差异，当作物幼苗根系伸展受到10%抑制时，相应的土壤中土霉素浓度在6.8～90.2mg/kg，最高的玉米为最低的油菜的13.3倍，12种作物的IC10值由高至低依次为：玉米>水稻>南瓜>小麦>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜；当作物幼苗根系伸展受到25%抑制时，玉米、小麦、水稻的相应土霉素浓度已达100mg/kg以上，其它9种作物的相应的土壤中土霉素浓度在17.3～92.0mg/kg，南瓜的IC25为油菜的5.3倍，12种作物的IC25值由高至低依次为：玉米、水稻、小麦>南瓜>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜，与IC10值的变化趋势基本一致；当作物幼苗根系伸展受到50%抑制时，多数作物（包括玉米、水稻、小麦、南瓜、苜蓿、西红柿、黄瓜和萝卜）相应土霉素浓度都达100mg/kg以上，只有莴苣、胡萝卜、小白菜和油菜的IC50值低于100mg/kg，这4种作物的IC50值由高至低分别为莴苣（99.8mg/kg）>小白菜（86.0mg/kg）>胡萝卜（78.2mg/kg）>油菜（76.2mg/kg）。

3 结论与讨论

结果表明，12种作物受土壤中土霉素危害的阈值由高至低依次为：玉米>水稻>南瓜>小麦>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜；表现出粮食作物幼苗不易受土霉素的危害，蔬菜作物幼苗相对易受土壤中土霉素污染的危害。

有关兽用抗生素对植物生长的影响机理较为复杂，至今还没有开展系统的研究，但有一些初步的研究发现，抗生素可降低作物生长所需的叶酸合成、原生质的形成，影响过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶等酶的表达及降低叶绿素含量而影响植物的光合作用[13，15]。据调查，土壤中抗生素残留虽然可在在μg·kg-1级至g·kg-1级之间变化[16-18]，但对于绝大多数的农业土壤，土霉素的残留量一般都在10mg/kg以下[16-18]。比较本研究的作物的IC10所对应的土霉素污染浓度，可以认为，在一般土霉素污染水平下，土壤中的土霉素不会构成对作物幼苗生长的严重影响。但土壤中的抗生素也可以通过植物的吸收、富集[6-7]，在植物的不同部位传输，最终通过作物的可食部分进入人体，对人类的健康产生潜在的风险[16-17]，特别是产生抗药性[19]。人类摄取植物中的抗生素后可能导致病菌对抗生素产生抗药性，从而增加现有的抗生素治疗疾病的难度。因此，相对于对作物生长的直接影响，抗生素积累在作物的可食部位对人类的危害可能会更为严重。

参考文献

[1]王获，方金瑞.抗生素[M].北京：科学出版社，1985.

[2]王梅，汤浩茹，刘淑芳，等.抗生素对草莓内生菌的抑制[J].安徽农业科学，2005，33（4）：606-607.

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[4]杨广东，朱祯，李燕娥，等.几种抗生素对大白菜种子发芽及离体子叶再生的影响[J].华北农学报，2002，17（1）：55-59.

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[10]Migliore L，Civitareale C，Cozzolino S，et al.Laboratory models to evaluate phytotoxicity of sulphadimethoxine on terrestrial plants.International Symposium on Integrated Ecotoxicology From Molecules/Organisms to Ecosystems[J].Chemosphere，1997，37：2957-2961.

[11]Kong W D，Zhu Y G，Liang Y C，et al.Uptake of oxytetracycline and its phytotoxicity to alfafa（Medicago sativa L.） [J].Environmental Pollution，2007，147：187-193.

[12]魏子艳，王金花，夏晓明，等.三种抗生素对蔬菜种子芽与根伸长的生态毒下效应[J].农业环境科学学报，2014，33（2）：237-242.

[13]金彩霞，陈秋颖，刘军军，等.两种常用兽药对蔬菜发芽的生态毒性效应[J].环境科学学报，2009，29（3）：619-625.

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[15]Bradel B G，Preil W，Jeske H.Remission of the free-branching pattern of Euphorbia pulcherrima by tetracycline treatment[J].Journal of Phytopathology，2000，148（1-2）：587-590.

[16]Halling-Sorensen B，Nielsen S N，Lansky P F，et al.Occurrence，fate，and effects of pharmaceuticals in the environment—A review[J].Chemosphere，1998，36：357-365.

[17]Thiele-Bruhn S.Pharmaceutical antibiotic compounds in soils——a review[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2003，166：145-167.

[18]Xie Y F，Li X W，Wang J F，et al.Spatial estimation of antibiotic residues in surface soils in a typical intensive vegetable cultivation area in China[J].Science of the Total Environment，1012，430：126-131.

[19]Kummer K，Henninger A.Promoting resistance by the emission of antibiotics from hospitals and households into effluent[J].Clinical Microbiology and Infection，2003，9（12）：1 203-1 214.

（责编：张宏民）

3 结论与讨论

结果表明，12种作物受土壤中土霉素危害的阈值由高至低依次为：玉米>水稻>南瓜>小麦>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜；表现出粮食作物幼苗不易受土霉素的危害，蔬菜作物幼苗相对易受土壤中土霉素污染的危害。

有关兽用抗生素对植物生长的影响机理较为复杂，至今还没有开展系统的研究，但有一些初步的研究发现，抗生素可降低作物生长所需的叶酸合成、原生质的形成，影响过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶等酶的表达及降低叶绿素含量而影响植物的光合作用[13，15]。据调查，土壤中抗生素残留虽然可在在μg·kg-1级至g·kg-1级之间变化[16-18]，但对于绝大多数的农业土壤，土霉素的残留量一般都在10mg/kg以下[16-18]。比较本研究的作物的IC10所对应的土霉素污染浓度，可以认为，在一般土霉素污染水平下，土壤中的土霉素不会构成对作物幼苗生长的严重影响。但土壤中的抗生素也可以通过植物的吸收、富集[6-7]，在植物的不同部位传输，最终通过作物的可食部分进入人体，对人类的健康产生潜在的风险[16-17]，特别是产生抗药性[19]。人类摄取植物中的抗生素后可能导致病菌对抗生素产生抗药性，从而增加现有的抗生素治疗疾病的难度。因此，相对于对作物生长的直接影响，抗生素积累在作物的可食部位对人类的危害可能会更为严重。

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[19]Kummer K，Henninger A.Promoting resistance by the emission of antibiotics from hospitals and households into effluent[J].Clinical Microbiology and Infection，2003，9（12）：1 203-1 214.

（责编：张宏民）

3 结论与讨论

结果表明，12种作物受土壤中土霉素危害的阈值由高至低依次为：玉米>水稻>南瓜>小麦>苜蓿>西红柿>黄瓜>萝卜>莴苣>胡萝卜>小白菜>油菜；表现出粮食作物幼苗不易受土霉素的危害，蔬菜作物幼苗相对易受土壤中土霉素污染的危害。

有关兽用抗生素对植物生长的影响机理较为复杂，至今还没有开展系统的研究，但有一些初步的研究发现，抗生素可降低作物生长所需的叶酸合成、原生质的形成，影响过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶等酶的表达及降低叶绿素含量而影响植物的光合作用[13，15]。据调查，土壤中抗生素残留虽然可在在μg·kg-1级至g·kg-1级之间变化[16-18]，但对于绝大多数的农业土壤，土霉素的残留量一般都在10mg/kg以下[16-18]。比较本研究的作物的IC10所对应的土霉素污染浓度，可以认为，在一般土霉素污染水平下，土壤中的土霉素不会构成对作物幼苗生长的严重影响。但土壤中的抗生素也可以通过植物的吸收、富集[6-7]，在植物的不同部位传输，最终通过作物的可食部分进入人体，对人类的健康产生潜在的风险[16-17]，特别是产生抗药性[19]。人类摄取植物中的抗生素后可能导致病菌对抗生素产生抗药性，从而增加现有的抗生素治疗疾病的难度。因此，相对于对作物生长的直接影响，抗生素积累在作物的可食部位对人类的危害可能会更为严重。

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[16]Halling-Sorensen B，Nielsen S N，Lansky P F，et al.Occurrence，fate，and effects of pharmaceuticals in the environment—A review[J].Chemosphere，1998，36：357-365.

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[19]Kummer K，Henninger A.Promoting resistance by the emission of antibiotics from hospitals and households into effluent[J].Clinical Microbiology and Infection，2003，9（12）：1 203-1 214.

（责编：张宏民）