磺胺間甲氧嘧啶-鎘復(fù)合污染對作物種子發(fā)芽的影響

金彩霞,劉軍軍,鮑林林,周慶祥,周啟星(.河南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河南省環(huán)境污染控制重點實驗室,黃淮水環(huán)境與污染防治省部共建教育部重點實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453007；.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 30007)

磺胺間甲氧嘧啶-鎘復(fù)合污染對作物種子發(fā)芽的影響

金彩霞1*,劉軍軍1,鮑林林1,周慶祥1,周啟星2(1.河南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,河南省環(huán)境污染控制重點實驗室,黃淮水環(huán)境與污染防治省部共建教育部重點實驗室,河南 新鄉(xiāng) 453007；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071)

測定了黃潮土中常用獸藥磺胺間甲氧嘧啶(SMM)與重金屬鎘(Cd)單一及復(fù)合污染對小麥和西紅柿種子發(fā)芽(根伸長、芽伸長和發(fā)芽率)的影響,分析了土壤中藥物濃度與作物生長抑制的劑量-效應(yīng)關(guān)系及復(fù)合污染的毒性效應(yīng).結(jié)果表明,在單一污染物作用下,根伸長抑制率和芽伸長抑制率與藥物濃度顯著相關(guān)(P＜0.05),發(fā)芽抑制率與藥物濃度不相關(guān)(P＞0.05);藥物對根伸長及芽伸長的抑制高于對種子發(fā)芽的抑制;SMM對2種作物的毒性效應(yīng)明顯強于Cd,SMM對小麥和西紅柿根伸長的IC50(抑制率為50%時污染物濃度)分別為33.7,49.3mg/kg,而Cd為507.3,599.8mg/kg.SMM和Cd復(fù)合污染時,在低Cd(200mg/kg)的脅迫下,聯(lián)合作用主要體現(xiàn)為協(xié)同作用,但隨著SMM濃度的增加,協(xié)同效應(yīng)不顯著(P＞0.05);在高Cd(500mg/kg)作用下,二者的聯(lián)合效應(yīng)中Cd起主要作用.

磺胺間甲氧嘧啶；鎘；復(fù)合污染；生態(tài)毒性；抑制率

Abstract：The single and joint effects of sulfamonomethoxine(SMM) and cadmium (Cd) on seed germination rate and shoot/root elongation of wheat (Triticum aestivum L.) and tomato (Solanum lycopersicum) in yellow fluvo-aquic soil were investigated. In the single-factor experiments, there was a dose-response relationship between the concentration of SMM or Cd and the inhibitory rate of crop root elongation and shoot elongation (P＜0.05), but no correlation was found between the concentration of each pollutant and the inhibitory rate of crop seed germination (P＞0.05). The inhibitory effect of each pollutant on root and shoot elongation was much stronger than those on seed germination. SMM showed a much higher toxic effect on crops than did Cd. The IC50(half inhibition concentration) values of SMM on root elongation of wheat and tomato were 33.7, 49.3 mg/kg, respectively, the corresponding values of Cd were 507.3, 599.8 mg/kg, respectively. In the joint effect tests, SMM and Cd showed a synergic effect on root and shoot elongation when the concentration of Cd was at 200 mg/kg. However the synergic effect was not significant with the increase of SMM concentration (P＞0.05); At the high concentration of Cd (500 mg/kg), joint toxicity of SMM and Cd was more dependent on Cd.

Key words：sulfamonomethoxine；cadmium；combined pollution；ecotoxicology；inhibitory rate

隨著集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,大量獸藥被用來防治各種畜禽疾病.研究表明,大約有60%～90%獸藥隨動物糞便排出體外[1].2003年我國磺胺類藥物年產(chǎn)量突破2萬t[2],如果這些藥物都用于養(yǎng)殖業(yè),則每年進入環(huán)境中的磺胺類藥物就可達1.2萬～1.8萬t,并且這些獸藥很可能在土壤中積累,進而影響動植物和微生物的正常生命活動,最終影響人類的身體健康[3-6].因此,近年來,獸藥對生態(tài)環(huán)境的影響成為研究熱點[7-8].

磺胺類藥物(SAs)是一類以對氨基苯磺酰胺為基本化學(xué)結(jié)構(gòu)的合成抗菌藥物,是我國生產(chǎn)量和使用量最大的獸藥之一.新鮮豬糞中磺胺藥物可高達20～40mg/kg,每畝農(nóng)田每年將有高達幾百克的磺胺藥物施入[9].Cd是環(huán)境中常見的重金屬元素之一,可以通過工業(yè)排放、化肥施用、污水灌溉、污泥農(nóng)用等多種途徑進入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),影響作物的生長、發(fā)育[10].因此,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中磺胺類藥物-鎘的復(fù)合污染較普遍.而目前針對此類復(fù)合污染開展的生態(tài)毒理學(xué)研究較少.

本研究以黃潮土作為供試土壤,研究了磺胺間甲氧嘧啶(SMM)、鎘單一及復(fù)合污染對小麥和西紅柿種子發(fā)芽、根伸長和芽伸長的影響.通過作物幼苗生長受抑制程度,評價SMM與Cd復(fù)合污染的生態(tài)毒性及可能對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險.

1 材料與方法

1.1材料

SMM原藥,純度≥92%,購自北京博亞華牧業(yè)科技有限公司; CdCl2·2.5H2O分析純,廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn).

小麥(Triticum aestivum L.) 泛麥5號,發(fā)芽率為98%;西紅柿(Solanum lycopersicum)合作908,發(fā)芽率為80%,均購自新鄉(xiāng)市種子公司.供試土壤采自河南師范大學(xué)校內(nèi)生物實驗田0～20cm表土,pH值為8.31,有機質(zhì)含量為2.01%,總氮、總磷、總鉀、總鎘的含量分別為0.09,0.04,0.18g/kg及0.66mg/kg, CEC含量為12.26cmol/kg.

1.2實驗方法

1.2.1預(yù)備試驗 稱取50g風(fēng)干土壤于90mm直徑的玻璃培養(yǎng)皿中,加入不同劑量的SMM和Cd,并用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的60%,將其置于恒溫培養(yǎng)箱中25℃下平衡48h后,用鑷子將植物種子均勻播種于土壤中(小麥種子放置時,保持種子胚根末端和生長方向呈直線),蓋好玻璃培養(yǎng)皿,置于恒溫培養(yǎng)箱中25℃暗處培養(yǎng).當(dāng)對照種子發(fā)芽率＞90%,根長度為20mm時,實驗結(jié)束.確定種子根和芽伸長抑制濃度(IC),使其抑制率在10%～60%之間,開始正式試驗.抑制率(IR)可通過式(1)計算:式中: A為對照根或芽的伸長,mm; B為處理濃度下根或芽的伸長, mm.

1.2.2正式試驗 根據(jù)預(yù)備實驗結(jié)果,在種子發(fā)芽和根伸長IC達到抑制率10%～60%范圍內(nèi),設(shè)置6個不同處理濃度,SMM的6個處理濃度分別為2,5,10,20,40,60mg/kg;Cd的6個處理濃度分別為100,200,300,400,500,600mg/kg;復(fù)合污染實驗中,為了與單一污染實驗相對應(yīng),SMM濃度同樣設(shè)定為2,5,10,20,40,60mg/kg,Cd的濃度設(shè)置為0,200,500mg/kg,每個處理20粒種子,3次重復(fù).在與預(yù)備試驗相同的溫度和水分條件下,進行作物種子發(fā)芽與生長培養(yǎng)試驗.實驗結(jié)束時,測定各處理種子的根伸長、芽伸長(根長的測定以胚軸與根之間的過度點開始),計算根長度和芽長度的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差,并以濃度-抑制率繪制曲線,進行回歸分析,并根據(jù)回歸方程計算出藥物對作物生長抑制率為50%時藥物的濃度(IC50).

1.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS13.0對數(shù)據(jù)進行方差分析及回歸分析,計算出IC50.

2 結(jié)果與討論

2.1SMM對小麥和西紅柿種子發(fā)芽的影響

由圖1可以看出,土壤中SMM濃度與小麥和西紅柿根伸長和芽伸長抑制率具有顯著相關(guān)性 (P＜0.05),且呈線性相關(guān).無論是小麥還是西紅柿,SMM對根伸長的抑制作用都強于對芽伸長的抑制.由圖1線性回歸方程可以求出SMM對2種作物根的IC50值(小麥為33.7mg/kg,西紅柿為49.3mg/kg),小麥根較西紅柿根更敏感.方差分析表明,小麥和西紅柿種子發(fā)芽抑制率與土壤中SMM濃度之間沒有相關(guān)性(P＞0.05).

磺胺類藥物對小麥和西紅柿根和芽伸長產(chǎn)生較強的毒害效應(yīng).其毒性主要是植物體內(nèi)該污染物與葉酸相互競爭的結(jié)果,葉酸與嘌呤合成有關(guān),而嘌呤是細(xì)胞分裂素和脫落酸的前體,因此植物吸收獸藥而降低了對葉酸的吸收,從而影響了其正常的生理功能[11].在SMM的脅迫下,作物可能因吸收藥物,體內(nèi)缺乏細(xì)胞生長所需的葉酸,故根和芽伸長受到較強的抑制,但其具體作用機制有待于進一步研究.

圖1 SMM對小麥和西紅柿的根伸長和芽伸長抑制率的影響Fig.1 Inhibitory rates of SMM on root/shoot elongation of wheat and tomato

2.2Cd對小麥和西紅柿種子發(fā)芽的影響

由圖2可見,Cd對小麥和西紅柿的根伸長和芽伸長有極顯著影響(P＜0.01),2種作物根和芽伸長抑制率與Cd濃度顯著線性相關(guān)(P＜0.01).當(dāng)土壤中Cd的濃度為100mg/kg,小麥的根和芽伸長抑制率分別為-4.2%和-5.3%,西紅柿的根伸長抑制率為-6.3%,即對作物的生長有一定的促進作用.而在高濃度Cd脅迫下,作物受害癥狀明顯,根伸長及芽伸長受到顯著抑制,土壤中Cd濃度為600mg/kg時,小麥的根伸長和芽伸長抑制率分別為65.9%和68.7%,西紅柿的根伸長和芽伸長抑制率為42.5%和54.4%.與SMM對作物種子發(fā)芽與根伸長抑制率影響相同,在試驗濃度范圍內(nèi),土壤中Cd的濃度對小麥和西紅柿種子發(fā)芽抑制率無顯著影響(P＞0.05).

圖2 Cd對小麥和西紅柿的根伸長和芽伸長抑制率的影響

Fig.2 Inhibitory rates of Cd on root/shoot elongation of wheat and tomato

以往有關(guān)Cd對植物毒性的研究多在水培條件下開展,而在土壤環(huán)境中的膠體、有機質(zhì)等物質(zhì)對重金屬離子有吸附、絡(luò)合、固定等作用,所以,土壤中重金屬的存在形態(tài)和生物有效性與溶液中差別很大[12].王曉蓉等[13]研究顯示,小麥幼苗對土壤Cd的耐性很強,當(dāng)土壤Cd的濃度達到33 mg/kg時,小麥幼苗未出現(xiàn)明顯的毒害癥狀,且對植物的鮮重和株高有一定的刺激作用.在本實驗的土壤條件下,當(dāng)Cd的濃度為100mg/kg時,對小麥和西紅柿的根伸長抑制率分別為-4.2%和-6.3%,促進了作物的生長.但目前對其作用機制尚不完全清楚[12].有學(xué)者把低濃度毒物刺激生長的現(xiàn)象與“毒物興奮效應(yīng)”相聯(lián)系,即由生物體對脅迫響應(yīng)的“過度補償”引起的.研究表明,低劑量Cd對細(xì)胞分裂與增殖有促進作用[14-15]. Sobkowiak等[16]認(rèn)為,低劑量Cd對細(xì)胞增殖的刺激作用,可能與Cd2+能部分代替Zn2+的功能有關(guān),Cd與細(xì)胞內(nèi)的Zn結(jié)合位點具有更強的親和性,可以介導(dǎo)多個轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到基因的調(diào)控區(qū)域上,并且還作為轉(zhuǎn)錄和復(fù)制過程中的關(guān)鍵酶的輔助因子發(fā)揮作用.

在土壤受到SMM、Cd單一污染時,土壤中污染物的含量與小麥和西紅柿的根伸長及芽伸長抑制率顯著相關(guān)(P＜0.05),而與其發(fā)芽抑制率相關(guān)性不顯著(P＞0.05).這可能與種子發(fā)芽和根伸長的生長過程有關(guān).通常種子發(fā)芽過程除了受外界環(huán)境影響外,還可從胚內(nèi)得到養(yǎng)分供應(yīng),土壤污染對種子發(fā)芽的毒害作用在一定濃度范圍內(nèi)僅表現(xiàn)為部分抑制,只有土壤受到嚴(yán)重污染時,種子發(fā)芽才能完全被抑制.而根從一開始就完全暴露于土壤中,其生長和發(fā)育全過程受土壤條件的影響較大,因此,根對土壤污染的反應(yīng)更敏感.這一結(jié)果與對其他污染物研究的結(jié)果相似[17-18].

從2種作物的IC50值可知,無論是在SMM還是Cd的脅迫下,藥物對小麥的生態(tài)毒性效應(yīng)要強于西紅柿.另外,SMM對作物的生態(tài)毒性遠(yuǎn)大于Cd.Cd對小麥根伸長的IC50值是SMM的15倍;Cd對于西紅柿根伸長的IC50值是SMM的12倍.獸藥抗生素作為新型的環(huán)境污染物對生態(tài)環(huán)境可能造成的危害應(yīng)引起重視.

2.3SMM-Cd復(fù)合污染對小麥和西紅柿種子發(fā)芽的影響

由圖3,圖4可見,SMM-Cd復(fù)合污染與小麥根伸長和芽伸長抑制率之間有顯著相關(guān)性(P＜0.05),當(dāng)Cd的濃度分別為0,200,500 mg/kg時,小麥的根伸長和芽伸長抑制率與土壤中SMM的濃度線性相關(guān);而對于西紅柿,當(dāng)Cd的添加濃度為200mg/kg時,土壤中SMM的含量與西紅柿根和芽伸長抑制率之間具有相關(guān)性(P＜0.05),但當(dāng)Cd的濃度為500 mg/kg時,SMM含量與西紅柿根和芽伸長抑制率之間沒有相關(guān)性(P＞0.05).

由圖3可以看出,在低濃度SMM的脅迫下,隨著Cd投加量的增加,其對小麥根伸長和芽伸長抑制率也相應(yīng)的增加,且差異較大.但隨著SMM濃度的增加,在較高濃度SMM的脅迫下,雖然Cd投加量增加,但對小麥根和芽伸長抑制率的差異逐漸減小.由回歸方程可知,在Cd的濃度分別為0,200,500mg/kg,小麥根伸長抑制率為50%時,土壤中SMM濃度隨Cd的增加而顯著降低,其IC50分別為33.7,25.2,8.02mg/kg.

圖3 SMM與Cd復(fù)合污染對小麥根伸長和芽伸長的抑制效應(yīng)Fig.3 Joint toxic effect of SMM and Cd on root elongation and shoot elongation of wheat

由圖4可見,同SMM-Cd對小麥的根伸長及芽伸長影響一致,在低濃度SMM的脅迫下,隨著Cd投入量的增加,其對西紅柿根伸長和芽伸長抑制率也相應(yīng)的增加,且差異較大.而在高濃度SMM的脅迫下,亦表現(xiàn)出隨Cd投加量的增加對西紅柿根和芽伸長抑制率的差異逐漸減小.

由圖4可以看出,隨著Cd濃度的增加,SMM濃度與西紅柿根和芽伸長之間的相關(guān)性越來越差.當(dāng)Cd的濃度分別為0,200,500mg/kg時,西紅柿根伸長抑制率與土壤中SMM濃度間的R2分別為0.8911、0.9237、0.4926;芽伸長R2分別為0.9042、0.7155、0.0166.另外,Cd的濃度分別為0,200, 500mg/kg,西紅柿根伸長抑制率達到50%時,土壤中SMM濃度(IC50)分別為49.3,41.6,4.39mg/kg.可以看出,隨著土壤中Cd濃度的增加,SMM對西紅柿的IC50呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢.

圖4 SMM與Cd復(fù)合污染對西紅柿根伸長和芽伸長的抑制效應(yīng)Fig.4 Joint toxic effect of SMM and Cd on root elongation and shoot elongation of tomato

在含有SMM的土壤中添加Cd,隨著Cd含量的增加,其對小麥和西紅柿的根伸長和芽伸長的抑制率也相應(yīng)增加,說明Cd的加入是毒性增加的主要原因.Sun等[19]研究表明,農(nóng)藥氯氰菊酯(CPM)與Cu復(fù)合污染對白菜根伸長的影響要小于單一Cu的作用.這與本實驗研究結(jié)果不同,本實驗中SMM-Cd復(fù)合污染對小麥和西紅柿的根(芽)伸長抑制作用整體上要強于SMM或Cd的單一作用,這可能與藥物對作物的作用機制有關(guān).Cd對植物生長發(fā)育的毒害作用與其對養(yǎng)分代謝影響有關(guān),高濃度的Cd能夠降低燕麥根中的ATP酶活性,進而阻礙作物根對K的吸收[20],作物可能因缺K其生長受到抑制;SMM可能通過阻止植物體內(nèi)葉酸的合成,抑制細(xì)胞的生長和繁殖,從而對作物的根(芽)伸長產(chǎn)生抑制作用.

周啟星等[21]研究了水溶液中染料活性紅X-3B與Cd復(fù)合污染對小麥的生態(tài)毒性效應(yīng),研究結(jié)果表明,當(dāng)Cd濃度較低時(≤10mg/L)時,聯(lián)合毒性較強,對小麥根伸長抑制作用強,但隨著Cd濃度的升高,聯(lián)合毒性減弱,當(dāng)活性紅X-3B與Cd的濃度都較高時,對小麥根伸長產(chǎn)生拮抗作用,這可能是因為2種污染物的交互作用.在本實驗中,低鎘(200mg/kg)作用下, SMM-Cd聯(lián)合對作物的毒害較SMM或Cd單一強,聯(lián)合作用體現(xiàn)為協(xié)同效應(yīng),但隨著SMM濃度的增加,3個Cd處理對作物根(芽)伸長的差異逐漸減小,協(xié)同效應(yīng)不顯著.這可能與藥物之間的交互作用有關(guān).一方面,有機污染物與重金屬的復(fù)合污染可能會降低重金屬活性[22-23],在高濃度SMM的脅迫下,土壤因吸附/解吸SMM一些表面特性發(fā)生改變,比如有機質(zhì)等,土壤可能吸附更多的Cd而降低其生物有效性,減少了作物根對SMM和Cd的吸收,從而降低了二者復(fù)合污染對作物的毒害作用.另一方面,磺胺類藥物可與Cu2+生成鹽沉淀[24],所以當(dāng)土壤中存在較高濃度的SMM與Cd2+時,二者可能部分反應(yīng)生成磺胺鎘鹽沉淀,降低了Cd與SMM的生物有效性.

在高鎘(500mg/kg)的脅迫下,當(dāng)SMM的濃度較低(＜10mg/kg)時,SMM-Cd對小麥的根和芽伸長抑制率低于Cd單一作用(圖3),二者對小麥的根和芽伸長產(chǎn)生了一定的拮抗作用,但其影響差異并不顯著,這可能是因為SMM的加入致使Cd的生物有效性降低.另外,在高Cd作用下,不同處理的SMM對2種作物的根(芽)伸長影響較小,這說明在此條件下,二者聯(lián)合毒性主要依靠Cd而不是SMM的作用.總之,有機化學(xué)物質(zhì)與重金屬間的聯(lián)合作用機制很復(fù)雜,其毒性一般由藥物的交互作用和物質(zhì)間的濃度組合以及污染物本身的化學(xué)性質(zhì)來決定,在一定條件下,污染物暴露的濃度組合關(guān)系甚至起決定作用[25-26].

3 結(jié)論

3.1SMM或Cd單一污染時,土壤中藥物濃度與小麥和西紅柿根伸長和芽伸長抑制率有顯著相關(guān)性(P＜0.05),但與小麥和西紅柿種子發(fā)芽抑制率不具有相關(guān)性(P＞0.05),藥物對2種作物的根伸長及芽伸長抑制率大于種子發(fā)芽抑制率.

3.2從藥物對作物生長抑制的強弱及IC50值來看,SMM對2種作物的生態(tài)毒性效應(yīng)遠(yuǎn)強于重金屬Cd;在本實驗中,小麥相對于西紅柿更敏感些.

3.3SMM和Cd復(fù)合污染對作物生長的影響較復(fù)雜,在低Cd(200mg/kg)的脅迫下,聯(lián)合作用主要體現(xiàn)為協(xié)同作用,但隨著SMM濃度的增加,協(xié)同效應(yīng)不顯著;在高Cd(500mg/kg)作用下,二者的聯(lián)合效應(yīng)主要依靠于Cd的作用.

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JIN Cai-xia1*, LIU Jun-jun1, BAO Lin-lin1, ZHOU Qing-xiang1, ZHOU Qi-xing2(1.Henan Key Laboratory of Environmental Pollution Control, Key Laboratory for Yellow River and HuaiHe River Water Environmental and Pollution Control, Ministry of Education, College of Chemistry and Environmental Science, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：839～844

X503.231

A

1000-6923(2010)06-0839-06

金彩霞(1976-),女,黑龍江延壽人,副教授,博士,研究方向為環(huán)境毒理學(xué).發(fā)表論文20余篇.

2009-11-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(20877022);河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(092300410090)

* 責(zé)任作者, 副教授, heartjin0509@yahoo.com.cn