磺胺类抗生素对根际微域土壤酶活性的影响

李亚宁，盛红坤,王斌，吴鹏，高相艳，刘培翔

(1.南开大学滨海学院 环境科学与工程系，天津 300270；2.南开大学 化学学院，天津 300071；3.天津市北大港湿地自然保护区管理中心，天津 300270)

禽畜养殖环节的抗生素滥用，导致抗生素随动物粪肥进入农田土壤环境，并在土壤中积累[1-3]。其中磺胺类抗生素(SAs)在农田土壤中检出率较高，同时也是含量较高的[4-5]。植物根际是植物根系、土壤、微生物紧密结合的独特微环境区域[6-9]。由于植物根系的作用，其性质与远离根际区域的土壤差异显著，尤其是当污染物胁迫的情况下，根系分泌物中的碳源和能源显著增加，微生物量和活性亦显著增强，进而影响根际微域土壤酶的活性[10-14]。

土壤酶是土壤的活跃有机组分，在土壤环境中起到重要的催化作用，其活性高低可表征污染物降解能力及土壤环境质量等[15-17]。因此，本文选用土壤脱氢酶(DHA)和过氧化氢酶(CAT)作为评价指标，通过多隔层根际箱实验研究磺胺甲恶唑(SMZ)和磺胺甲基嘧啶(SM1)在植物根际微环境中对土壤酶活性的作用。以期为土壤环境污染风险评价及对人类可能产生的暴露风险提供科学指导依据。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

磺胺甲恶唑、磺胺甲基嘧啶均为优级纯，纯度均为98%;供试土壤,采自天津植物园未污染地块(取0～20 cm表层土壤);供试植物为油菜(Brassicacampestris)，种子由天津黄瓜研究所提供。

TU-1901双光束紫外可见分光光度计;Hettich 32R低温高速冷冻离心机。

1.2 实验方法

实验采用多隔层根际箱法[18]，每个根际箱长20 cm，宽20 cm，高10 cm。根际箱共有11个分区，分别为中心区(R)，左、右近根1区(NR1)，左、右近根2区(NR2)，左、右近主体土壤1区(NB1)，左、右近主体土壤2区(NB2)，左、右主体土壤区(B)，每个分区间以尼龙网相隔。尼龙网可避免中心区根组织生长时透过进入相邻区域，但可确保根系分泌物、微生物、水分、营养等的迁移。供试土壤风干后，过筛(2 mm)。将SMZ或SM1与土壤充分混匀，使最终染毒浓度为15.0,45.0 mg/kg。每个根际箱加入土壤2.5 kg。

油菜种子于25 ℃下催芽培养后，挑选大小均一的幼苗移入不同染毒组的根际箱中进行培养，共设置4个处理组，每个处理组重复2次。第1、2个处理组为低浓度抗生素染毒组，分别为15.0 mg/kg SMZ与SM1；第3、4个处理组为高浓度抗生素染毒组，分别为45.0 mg/kg SMZ与SM1。同时设置空白对照。培养2个月后，开箱，取出各层隔板，并将左、右对应的同一分区土壤样品混匀，测定各区的土壤DHA与CAT活性。

1.3 土壤酶活性测定

土壤DHA活性的测定采用2,3,5-三苯基四唑氯化物显色法(TTC法)[19]；土壤CAT活性的测定采用硫酸钛比色法[19]。

1.4 统计分析

本实验采用Origin 8.5进行绘图，并用SPSS统计软件对组间数据进行单因素方差分析，显著差异水平P取0.05。

2 结果与讨论

2.1 SAs对油菜根际微域土壤DHA活性的影响

2.1.1 SMZ对油菜根际微域土壤DHA活性的影响 SMZ胁迫下，油菜根际微域土壤DHA活性变化见图1。

图1 SMZ对油菜根际微域土壤DHA活性的影响Fig.1 Effects of SMZ on the activity of DHA in rape planted rhizosphere soil**P<0.01或*P<0.05为处理组与对照组进行比较

由图1可知，低浓度与高浓度SMZ处理组中，油菜根际DHA活性的变化趋势基本一致，首先近根2区NR2的DHA活性最高，其次为近根1区NR1，再次为中心区R，然后是近主体土壤1区NB1和2区NB2，最后是主体土壤区B。同时，对R和NR1区而言，低浓度处理组促进了DHA的活性，高浓度处理组抑制了DHA的活性。对NB1、NB2和B区而言，无论低浓度还是高浓度处理组，均对DHA的活性起到了抑制作用。而无论低浓度还是高浓度SMZ胁迫，均显著(P<0.05)诱导了NR2区的DHA活性。除NR2区外，45 mg/kg SMZ胁迫下，各分区土壤的DHA活性均显著(P<0.05)低于15 mg/kg SMZ处理组，表明随着染毒浓度增加，DHA活性降低。

2.1.2 SMI对油菜根际微域土壤DHA活性的影响 图2显示了SM1胁迫对油菜根际微域土壤DHA活性的影响。

由图2可知，首先无论低浓度还是高浓度SM1处理组，均为NR2的DHA活性最高，NR1区次之，再者是R区，然后分别是NB1、NB2和B区。同时对NR1和NR2区而言，无论低浓度还是高浓度SM1胁迫，均诱导了DHA的活性，而对R区而言，低浓度处理组极显著(P<0.001)抑制了DHA的活性，而高浓度处理组DHA活性与对照相较，无显著(P>0.05)差异。对NB1、NB2和B区而言，低浓度处理组对DHA的活性起到极显著(P<0.01)抑制作用，高浓度处理组则对DHA的活性起到显著(P<0.05)抑制作用。除NR1与NR2区外，45 mg/kg SM1胁迫下，各分区土壤的DHA活性均显著(P<0.05)高于15 mg/kg SM1处理组，表明随着染毒浓度增加，DHA活性升高。

图2 SM1对油菜根际微域土壤DHA活性的影响Fig.2 Effects of SM1 on the activity of DHA in rape planted rhizosphere soil**P<0.01或*P<0.05为处理组与对照组进行比较

2.2 SAs对油菜根际微域土壤CAT活性的影响

2.2.1 SMZ对油菜根际微域土壤CAT活性的影响 SMZ胁迫下，油菜根际微域土壤CAT活性变化见图3。

图3 SMZ对油菜根际微域土壤CAT活性的影响Fig.3 Effects of SMZ on the activity of CAT in rape planted rhizosphere soil**P<0.01或*P<0.05为处理组与对照组进行比较

由图3可知，无论低浓度还是高浓度SMZ处理组，均为NR2的CAT活性最高，NR1区次之，再者是R区，接下来分别是NB1、NB2和B区。同时，对R、 NR1和NR2区而言，无论低浓度还是高浓度处理组，均促进了CAT的活性，而对NB1而言，为低浓度处理组促进了CAT的活性，高浓度处理组抑制了CAT的活性。对NB2和B区而言，无论低浓度还是高浓度处理组，均对CAT的活性起到了抑制作用。同时，随染毒浓度增加，各区CAT活性均显著(P<0.05)降低。

2.2.2 SM1对油菜根际微域土壤CAT活性的影响 图4为SM1胁迫下，油菜根际微域土壤CAT活性的变化。

图4 SM1对油菜根际微域土壤CAT活性的影响Fig.4 Effects of SM1 on the activity of CAT in rape planted rhizosphere soil**P<0.01或*P<0.05为处理组与对照组进行比较

由图4可知，无论低浓度还是高浓度SM1处理组，油菜根际CAT的活性均为NR2区最高，接下来依次是NR1区、R区、NB1、NB2和B区。同时，无论低浓度还是高浓度SM1处理组，几乎都对各区的CAT活性起到了诱导作用，在NR2、NR1和R区，更是起到了极显著(P<0.01)诱导作用。并且，随染毒浓度增加，各区CAT活性均显著(P<0.05)降低。

2.3 SAs污染对油菜根际微域土壤DHA及CAT活性影响的总体分析

不同种类酶对不同种类磺胺类抗生素的响应不同，但整体上土壤酶活性均为在左、右近根2区，即NR2区的响应值最高，其次为左、右近根1区即NR1，再次为中心区即R区，然后再随着与植物根际距离的加大，土壤酶活性逐渐降低，依次为左、右近主体土壤1区(NB1)，左、右近主体土壤2区(NB2)和左、右主体土壤区(B)。在以前的研究中也发现了相似结果，在重金属污染物Cd的污染作用下，大豆近根际区域的土壤酶活性要高于中央区域和远根际区域[14]。在研究土霉素在小麦根际的微生态效应时，也发现小麦烟农21和核优1号根际区域的过氧化氢酶等土壤酶活性高于远离根际的区域[20]。在植物根际环境中，植物根系及各种微生物会不断向土壤中释放各种酶，即所谓的土壤酶，从而通过其作用将根际中的污染物进行分解代谢，近根际区域的土壤酶活性较高，说明在某种层面上此区域较适合于污染物的降解[21-22]。同时，土壤酶活性的变化可以在一定程度上反应土壤受污染的程度。李明珠等在进行铜胁迫下磺胺嘧啶对土壤呼吸及酶活性影响的分析时，发现土壤脱氢酶对SDZ单一及其与Cu复合污染都较为敏感，在整个实验培养期内，各污染处理中其活性均受到了显著的抑制[23]。这与本研究结果相似，在磺胺甲恶唑与磺胺甲基嘧啶胁迫下，除近根际区域外，其余区域的土壤脱氢酶活性均被抑制，且距离根区越远，抑制程度越显著。在进行的一项关于土壤CO2浓度对土壤酶活性影响的研究中发现随CO2浓度升高，玉米、豌豆和黑麦草根际土壤脱氢酶活性呈现先升高后降低的趋势[24]。在本研究中，我们也发现，随着抗生素染毒剂量的增加，脱氢酶活性降低，尤其是远根际区域，脱氢酶活性逐渐转为抑制。脱氢酶活性降低说明细菌生物量等微生物活性下降，高浓度的抗生素对微生物活性产生了抑制作用。同时，在本研究中磺胺类抗生素对土壤过氧化氢酶活性呈现较为明显的诱导作用，这可能是由于抗生素染毒浓度尚在植物可调节的阈值范围内，酶活性的诱导会使生物呼吸过程中的过氧化氢分解及物质代谢等过程受到促进，进而使得土壤的代谢能力和对有机物的分解能力大大增强，是植物体保护自身的一种机制。

3 结论

(1)SMZ胁迫下，低浓度处理组促进了根际及近根际区的DHA活性，而高浓度处理组则抑制了R和NR1的DHA活性。同时，各浓度处理组均抑制了主体土壤区及近主体土壤区中DHA的活性。同时，随着染毒浓度增加，DHA活性降低。

(2)SM1胁迫下，各浓度处理组均诱导了近根际区的DHA活性，却抑制了R区的DHA活性。在主体土壤区及近主体土壤区中，各浓度处理组均对DHA的活性起到抑制作用。同时，随着染毒浓度增加，DHA活性升高。

(3)SMZ胁迫下，各浓度处理组均诱导了根际及近根际区的CAT活性。低浓度处理组诱导了NB1的CAT的活性，而高浓度抑制了该区的CAT活性。在NB2和B区中，各浓度处理组均对CAT的活性起到了抑制作用。同时，随染毒浓度增加，各区CAT活性均显著(P<0.05)降低。

(4)SM1胁迫下，各浓度处理组几乎均对各微域分区的CAT活性起到了诱导作用，在根际及近根际区更是起到了极显著诱导作用。并且，随染毒浓度增加，各区CAT活性均显著降低。

(5)两种土壤酶对两种磺胺类抗生素的响应虽不同，但整体上土壤酶活性均为NR2区 > NR1区 > R区 > NB1区 > NB2区 > B区，并不是简单的随距离增加呈递减趋势。