摘要：為健全紅霉素的陸生生物毒性數(shù)據(jù)并對紅霉素在土壤環(huán)境中的風(fēng)險進(jìn)行表征，本研究選用生菜、油菜、油麥菜和白菜為供試蔬菜進(jìn)行紅霉素不同濃度下的水培試驗和盆栽實驗，探究了紅霉素對蔬菜種子萌發(fā)的脅迫效應(yīng)和機(jī)制，通過ECOTOX數(shù)據(jù)庫搜集相關(guān)數(shù)據(jù)，得出紅霉素在淡水環(huán)境和土壤環(huán)境中的預(yù)測無效應(yīng)濃度（PNEC），并根據(jù)盆栽實驗結(jié)果對紅霉素進(jìn)入土壤后的環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：在紅霉素脅迫下，供試4種蔬菜種子的發(fā)芽率無明顯變化，根長均受到顯著抑制；紅霉素脅迫抑制了蔬菜種子的相對吸水量，促進(jìn)了膜滲透性和幼苗體內(nèi)的過氧化氫酶活性；供試4種蔬菜對紅霉素的敏感程度為油菜，生菜，油麥菜，白菜，半抑制濃度依次為29.387、64.075、69.255 mg·L-1和127.681 mg·L-1，紅霉素在淡水和土壤中的PNEC分別為0.2 μg·L-1和0.11 mg·kg-1，當(dāng)盆栽土壤中的紅霉素含量超過250 mg·kg-1時土壤環(huán)境風(fēng)險較高。研究表明，根長可作為紅霉素的毒性敏感指標(biāo)，油菜可作為紅霉素毒性指示作物，紅霉素影響蔬菜種子萌發(fā)的主要機(jī)制為滲透脅迫，紅霉素菌渣肥料化產(chǎn)物進(jìn)入土壤環(huán)境中的最高紅霉素含量應(yīng)控制在250 mg·kg-1以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：紅霉素；蔬菜；脅迫效應(yīng)；影響機(jī)制；風(fēng)險表征

中圖分類號：X503.231；X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）09-2022-10 doi：10.11654/jaes.2023-1073

近年來，抗生素類污染物的環(huán)境風(fēng)險防范受到世界各國的高度關(guān)注。我國也相繼發(fā)布了《新污染物治理行動方案》（國辦發(fā)[2022]15號）、《遏制微生物耐藥國家行動計劃（2022-2025年）》、《重點管控新污染物清單（2023年版）》等一系列文件，并將抗生素菌渣列為重點管控對象。我國每年產(chǎn)生的抗生素菌渣近1×107，其主要環(huán)境風(fēng)險是殘留的抗生素進(jìn)入環(huán)境中可能誘導(dǎo)抗性基因產(chǎn)生，從而影響生態(tài)環(huán)境和人體健康。目前，已經(jīng)有大量研究表明在地下水沉積物、土壤、水體、污水處理廠、蔬菜和肉類中檢測到各類抗生素和抗生素抗性基因（ARGs）?！秶椅ｋU廢物名錄》規(guī)定，抗生素菌渣應(yīng)按照危險廢物進(jìn)行處置。但抗生素菌渣高含水率、高抗生素殘留的特性使其填埋和焚燒成本高昂且處理難度較大，從而對生物制藥行業(yè)造成了嚴(yán)重的影響。目前國內(nèi)外對抗生素菌渣中殘余抗生素處置技術(shù)的研究多集中在生物處理方向，例如：動物糞便和青霉素菌渣堆肥處置后，絕大部分殘留青霉素得到了去除；青霉素菌渣與污水污泥的協(xié)同處置結(jié)果也顯示青霉素殘留可以被有效去除；林可霉素與糠醛渣的協(xié)同發(fā)酵處理也可以有效降解殘余的林可霉素。盡管目前的研究表明生物處理法具有低成本和有效去除殘余抗生素的優(yōu)勢，但其資源化產(chǎn)物進(jìn)入環(huán)境后是否會造成耐藥菌傳播風(fēng)險還需要進(jìn)一步評估。

本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)，無害化處理可將紅霉素菌渣中殘留的抗生素降至檢出限以下，有機(jī)質(zhì)、總養(yǎng)分和含水率分別為77.2%、9.62%和4.63%，符合《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）中的技術(shù)指標(biāo)要求，重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr的含量分別為3.6、0.06、11.6、0.5、76 mg·kg-1，滿足NY/T 525-2021中限量指標(biāo)的要求，表明抗生素菌渣的肥料化利用是較為可行的利用方式。但目前關(guān)于抗生素菌渣肥料化的無害化利用處置污染控制技術(shù)規(guī)范和有機(jī)肥中抗生素殘留限值的標(biāo)準(zhǔn)缺乏。為此，中國環(huán)境科學(xué)研究院和抗生素菌渣國家工程技術(shù)中心已在生態(tài)環(huán)境部和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會立項了青霉素、頭孢菌素以及紅霉素等典型大宗抗生素菌渣作為有機(jī)肥基料利用處置污染控制技術(shù)規(guī)范和肥料基料產(chǎn)物技術(shù)要求等標(biāo)準(zhǔn)?？股貙﹃懮锏亩拘宰饔檬强股鼐柿匣孟嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范制定需要研究的重要內(nèi)容。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于該方面的研究主要集中在通過種子發(fā)芽試驗考察不同類型和濃度抗生素對植物的脅迫作用，綜合考慮抗生素脅迫對植物種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的影響，并以此評估其毒性作用。但抗生素濃度與類型、植物類型以及植物的不同部位對于抗生素脅迫作用的響應(yīng)各不相同。Pan等的研究表明抗生素脅迫對于植物的生長發(fā)育具有低劑量促進(jìn)、高劑量抑制的雙相作用；Farkas等在四環(huán)素對大豆和玉米生長發(fā)育的研究中發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素脅迫下大豆的產(chǎn)量受到了抑制，而玉米的產(chǎn)量卻得到促進(jìn)；Pan等的研究發(fā)現(xiàn)抗生素對于植物種子萌發(fā)的影響小于對其根／芽長的影響；An等發(fā)現(xiàn)在抗生素脅迫下，根長的抑制率高于芽長抑制率；而Jin等發(fā)現(xiàn)磺胺類抗生素對于芽長的抑制效果要強(qiáng)于對根長的抑制效果。同時，課題組通過相關(guān)文獻(xiàn)和美國生態(tài)毒理數(shù)據(jù)庫收集了大環(huán)內(nèi)酯類（包括紅霉素）的水／陸生生物的毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)紅霉素的陸生生物毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)較少，且毒性作用機(jī)理不清，難以支撐后續(xù)紅霉素菌渣肥料化產(chǎn)物的可行性研究，因此亟需相關(guān)研究進(jìn)行填補(bǔ)數(shù)據(jù)空白以及對紅霉素進(jìn)入土壤環(huán)境后的風(fēng)險進(jìn)行表征。

本研究選用紅霉素為試驗污染物，以生菜、油菜、油麥菜和白菜4種常見蔬菜作為試供植物，以種子發(fā)芽率、幼苗根長和芽長為指標(biāo)考察了不同濃度紅霉素對常見蔬菜種子萌發(fā)期間的脅迫效應(yīng)；以過氧化氫酶（CAT）活性、相對吸水量和膜滲透性為指標(biāo)探究了紅霉素對試供植物的影響機(jī)制；對紅霉素濃度和幼苗根長抑制率進(jìn)行擬合，考察供試植物對紅霉素的敏感程度及半數(shù)致死濃度，并根據(jù)敏感程度，選用最為敏感的作物在不同濃度紅霉素作用下進(jìn)行盆栽試驗，考察了作物成熟后盆栽土壤的環(huán)境風(fēng)險。以期為紅霉素類抗生素菌渣肥料化利用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與風(fēng)險閾值的建立提供數(shù)據(jù)參考和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用紅霉素純品由川寧生物技術(shù)有限公司提供，純度大于99%。試供蔬菜為生菜（Lactuca sati-va var. ramosa Hort.）、油菜（Br，assica rapa var. chinensis Kitamura）、油麥菜（Lactuca sativa var. longifoliaf Lam）和白菜（Brassica rapa var. glabra Regel），種子均購自淘寶，品牌為農(nóng)科院京研。CAT活性由試劑盒（紫外分光光度法）測定，品牌為索萊寶。電導(dǎo)率由便攜式電導(dǎo)率儀測定，品牌為雷磁。盆栽土壤取自連續(xù)5a未施用有機(jī)肥的表層耕作土壤，土壤類型為棕壤，中性偏堿。盆栽試驗所用蛭石粒徑為2-5 mm，購自淘寶，品牌為百土集。

1.2 試驗設(shè)計

試劑配制：取1g紅霉素純品粉末，用95%無水乙醇溶解后用去離子水在1000 mL棕色容量瓶中定容，配制為1 000 mg·L-1的紅霉素母液，隨后根據(jù)在0-2 000mg-L條件下開展的預(yù)實驗結(jié)果，在根長抑制率為10%-60%的區(qū)間內(nèi)設(shè)置7種紅霉素濃度（20、50、150、200、300、400、600 mg·L-1），按照所需紅霉素的濃度對母液進(jìn)行稀釋后保存于棕色廣口瓶中等待后續(xù)使用。

種子發(fā)芽試驗：試供種子用10% H2O2浸泡消毒10 min后用去離子水反復(fù)沖洗并濾干。取兩張濾紙修剪后放入一次性培養(yǎng)皿中，使其邊緣貼合，隨后加入3 mL紅霉素溶液作為試驗組，對照組則加入等量去離子水，每個培養(yǎng)皿中整齊放入15粒蔬菜種子，每個處理設(shè)置3組平行。試驗在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行，設(shè)置溫度為25℃，濕度為60%，培養(yǎng)7d后結(jié)束試驗，測定種子發(fā)芽率、幼苗根長、芽長及CAT活性等指標(biāo)。

吸水量和膜滲透性測定：取10 g左右試供種子記錄干質(zhì)量，放入燒杯后加入20 mL紅霉素溶液，此為試驗組，對照組加入等量去離子水。種子在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h后取出，平鋪在濾紙上自然晾干至表面無水漬后稱得濕質(zhì)量。隨后將種子用去離子水沖洗5-6次后放入干凈的燒杯中，加入50 mL去離子水，在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6h后取出測定電導(dǎo)率得到電導(dǎo)率1，使用電爐加熱煮沸，待冷卻后測得電導(dǎo)率2。計算后得出相對吸水量和相對電導(dǎo)率，分別表征種子萌發(fā)初期的吸水量和膜滲透性，其中，相對吸水量=（濕質(zhì)量—干質(zhì)量）／濕質(zhì)量，相對電導(dǎo)率=電導(dǎo)率1／電導(dǎo)率2。

盆栽實驗：土壤風(fēng)干后過4 mm篩子并去除殘留蟲卵及植物根莖后裝盆，花盆規(guī)格為23.5 cm×4 cm，每盆裝入風(fēng)干土壤1 kg并混入50 g蛭石以增加土壤透氣性和保水性且防止植物爛根，將土壤與蛭石混合均勻后每盆加入300 mL水完全浸潤土壤并平衡24h，根據(jù)種子發(fā)芽試驗中敏感性結(jié)果，選擇油菜作為盆栽作物。育苗過程選取純蛭石作為育苗基質(zhì)，選取大小均一、顆粒飽滿的油菜種子，浸泡15 min后，均勻點入128孔育苗盤中，每孔點入3粒種子，置于（25±1）℃光照培養(yǎng)箱中，每隔24 h觀察育苗盤底部水量，加適量水以維持油菜幼苗的正常生長，培養(yǎng)7d直至幼苗長出第4片葉，每盆加入相應(yīng)濃度的紅霉素標(biāo)準(zhǔn)品并與土壤混勻后進(jìn)行移栽，每盆均勻移栽3顆，每組處理設(shè)置5個平行。盆栽實驗于中國環(huán)境科學(xué)研究院玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行，溫度為20-30℃，濕度為8%- 12%，自然光照。為保證光照的均勻性，每2d隨機(jī)調(diào)換花盆的位置。每2d澆1次水，保證每盆的澆水量一致，盆栽的時間周期為60 d，整個生長期不使用殺蟲劑。在第60天油菜成熟后進(jìn)行土壤取樣，并根據(jù)課題組之前的研究結(jié)果進(jìn)行紅霉素含量的測定。具體分組情況見表1。

1.3 統(tǒng)計分析

使用SPSS 25軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗，條形圖和點線圖使用Origin 2019繪制，Spearman相關(guān)系數(shù)圖使用R 4.1.1中的ggplot2和ggpubr包繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅霉素脅迫對蔬菜種子發(fā)芽率的影響

如表2所示，在不同濃度紅霉素處理后白菜、生菜、油菜和油麥菜4種蔬菜的種子發(fā)芽率總體與空白對照組無顯著差異（P＞0.05），僅白菜和油菜種子分別在紅霉素濃度為400 mg·L-1和600 mg·L-1下發(fā)芽率顯著低于空白對照組（P＜0．05），種子整體發(fā)芽率均大于86.67%。該結(jié)果表明紅霉素脅迫對4種蔬菜種子的發(fā)芽率無顯著影響。這與Bellino等進(jìn)行氯霉素、螺旋霉素、大觀霉素和萬古霉素4種抗生素對番茄種子萌發(fā)影響的研究結(jié)果相似，即抗生素脅迫對種子萌發(fā)無顯著影響，該現(xiàn)象也在Pino等和Pan等的研究中出現(xiàn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一方面可能是蔬菜種子發(fā)芽較快（24-48 h），在紅霉素還未對其產(chǎn)生影響時就已經(jīng)萌發(fā)，因此對發(fā)芽率無顯著影響；另一方面則可能是由于種子在未萌發(fā)時有種皮保護(hù)，紅霉素被吸附在種皮表面，阻礙了紅霉素與胚根的直接接觸，進(jìn)而對種子萌發(fā)影響較小。種子在萌發(fā)期間，其內(nèi)部會發(fā)生各種酶促反應(yīng)，在此期間，激活的各組酶對種子內(nèi)儲存的各種能量物質(zhì)產(chǎn)生作用，進(jìn)行分解活動，為后期幼苗的生長發(fā)育提供初始能量。這也就意味著，盡管在紅霉素脅迫下種子可以正常萌發(fā)，但紅霉素脅迫對后續(xù)幼苗的生長發(fā)育是否存在毒性效應(yīng)還不能確定。

2.2 紅霉素脅迫對蔬菜幼苗根長和芽長的影響

紅霉素脅迫下4種蔬菜幼苗的根長和芽長如圖1所示。從圖中可以看出，隨著紅霉素濃度的增加，4種蔬菜幼苗的根長均受到明顯的抑制作用，白菜、生菜、油菜和油麥菜的最大根長抑制率分別為68.87%、95.16%、74.27%和78.80%。

根是種子在萌發(fā)過程中最先生長出的部位，可通過輸導(dǎo)組織將環(huán)境中的水分、無機(jī)鹽、有機(jī)物等營養(yǎng)物質(zhì)和養(yǎng)分輸送給其他部位，因此，根也是與環(huán)境接觸最為緊密的部位，環(huán)境的影響也最先作用到根部。在本實驗中，紅霉素的脅迫作用也直接作用于根部，通過對根部抗氧化防御系統(tǒng)和細(xì)胞分裂產(chǎn)生影響進(jìn)而抑制根伸長。此外，由于種子的萌發(fā)都發(fā)生在暗生芽期，而在此期間根部是生長最為快速的器官，對環(huán)境中的抗生素最為敏感，所以導(dǎo)致了在紅霉素脅迫下，根長受到明顯的抑制作用。Bellino等在不同類型抗生素對番茄種子萌發(fā)影響的研究中也發(fā)現(xiàn)在抗生素脅迫下番茄的根系發(fā)育會受損。Gomes等在環(huán)丙沙星和除草劑對玉米根系發(fā)育影響的研究中進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)抗生素的添加會通過影響根系細(xì)胞有絲分裂和活性氧（ROS）起到對根系生長的抑制作用。而蔬菜幼苗芽長的抑制效果不如根長主要是由于在幼苗生長期間所需要的水分由胚根向胚軸運(yùn)輸，而紅霉素濃度會沿水勢方向遞減，這就導(dǎo)致胚軸所接觸的紅霉素濃度較低，因此對芽長的影響不如根長明顯。

2.3 紅霉素脅迫對蔬菜種子萌發(fā)和生長發(fā)育的影響機(jī)制

在非生物逆境脅迫下種子的萌發(fā)調(diào)控機(jī)制主要有干旱脅迫、鹽脅迫、高溫脅迫、蔭蔽脅迫、滲透脅迫和淹澇脅迫，之前關(guān)于植物種子在金霉素、環(huán)瑞沙星等藥物脅迫下的萌發(fā)調(diào)控機(jī)制研究均表明鹽脅迫和滲透脅迫是主要的調(diào)控機(jī)制，具體表現(xiàn)為鹽脅迫和滲透脅迫對ROS和細(xì)胞代謝過程的影響。其中，ROS是一種在外界脅迫下對植物生長發(fā)育起到調(diào)節(jié)作用的信號分子，與ROS清除酶共同作用，保證其在植物體內(nèi)的平衡以正常參與植物的生長發(fā)育過程。而細(xì)胞代謝過程對種子的正常萌發(fā)也至關(guān)重要，在非生物逆境脅迫下，種子可以通過調(diào)節(jié)代謝過程和能量的物質(zhì)儲存方式應(yīng)對脅迫。因此，本節(jié)以供試4種蔬菜種子體內(nèi)CAT活性、細(xì)胞膜滲透性和吸水量為指標(biāo)，探究了紅霉素脅迫對蔬菜生長發(fā)育的影響機(jī)制，其中，CAT活性用以反映植物體內(nèi)的ROS水平，細(xì)胞膜滲透性和吸水量用以反映紅霉素脅迫對細(xì)胞代謝過程的影響。

CAT是植物體內(nèi)最重要的一種ROS清除酶，通過催化H2O2形成H2O而阻止H2O2在體內(nèi)的過量積累進(jìn)而降低ROS對細(xì)胞膜的過氧化作用，其活性反映了植物生長條件的好壞。不同濃度紅霉素脅迫下4種蔬菜幼苗體內(nèi)CAT活性的變化如圖2（a）所示。從圖中可以看出4種蔬菜幼苗體內(nèi)CAT活性在整體上都隨著紅霉素濃度的增加而升高，但對于不同類型的蔬菜，CAT活性的增加幅度和增速不盡相同。對于白菜和油菜，兩者體內(nèi)的CAT活性在紅霉素濃度為20mg·L-1時就開始明顯增加；對于生菜和油麥菜，兩者體內(nèi)的CAT活性在紅霉素濃度較低時均在5 U·g-1附近波動，隨著紅霉素濃度增加到300 mg·L-1時開始明顯增加。由于白菜和油菜同屬于十字花科十字花目蕓薹屬，而生菜和油麥菜同屬于菊科菊目萵苣屬，因此推測不同的植物種屬導(dǎo)致了在紅霉素脅迫下CAT活性變化的差異。如Chen等在金霉素對大豆和玉米發(fā)育影響的研究中發(fā)現(xiàn)金霉素可以促進(jìn)玉米體內(nèi)CAT活性增強(qiáng)而對大豆體內(nèi)的CAT活性無明顯影響，該結(jié)果與不同類別植物中營養(yǎng)物質(zhì)的存儲方式和包括胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶在內(nèi)的多種調(diào)控因子的活性相關(guān)。盡管不同蔬菜幼苗中CAT活性的變化不盡相同，但整體而言，均隨著紅霉素濃度的增加而上升，表明紅霉素脅迫會通過增加CAT活性破壞蔬菜中ROS濃度信號的傳遞，進(jìn)而抑制蔬菜的生長發(fā)育。該結(jié)果也與Gomes等在環(huán)丙沙星對玉米根系發(fā)育的影響研究中的結(jié)果相似，即抗生素的添加會促進(jìn)植物體內(nèi)CAT和APX（抗壞血酸過氧化物酶）的活性，進(jìn)而抑制根伸長。

4種蔬菜種子在不同濃度紅霉素脅迫下吸水量的變化如圖2（b）所示。從圖中可以看出，4種蔬菜種子的吸水量整體上隨著紅霉素濃度的增加而具有降低的趨勢。在種子萌發(fā)初期，種子的吸水性能是影響種子呼吸代謝的重要因素，對種子萌發(fā)和后續(xù)根莖的發(fā)育至關(guān)重要，而紅霉素的添加會對植物種子初期吸水量產(chǎn)生抑制作用，產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是種子初期是依賴于細(xì)胞質(zhì)電位的被動吸水，而添加的紅霉素影響了細(xì)胞膜內(nèi)外的電位平衡，最終影響種子的吸水量，這一原因也在圖2（c）中得到了證實。如圖2（c）所示，隨著紅霉素濃度的增加，4種蔬菜種子的相對電導(dǎo)率也增加。該結(jié)果表明，隨著紅霉素濃度的增加，細(xì)胞質(zhì)膜受到影響，胞內(nèi)可溶物有所滲漏，細(xì)胞內(nèi)外電位平衡遭到破壞，引起滲透失衡，進(jìn)而造成滲透脅迫。而滲透脅迫會阻礙種子的正常生長發(fā)育，并會限制植物對環(huán)境中水和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，這就解釋了在本研究中，4種蔬菜種子相對吸水量隨環(huán)境中紅霉素濃度的增加而降低。由細(xì)胞膜內(nèi)外電位失衡所引發(fā)的滲透應(yīng)激反應(yīng)會促使植物產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致植物體內(nèi)ROS的積累速率超出CAT的清除能力，這也解釋了紅霉素脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)CAT活性增加的原因。

上述結(jié)果表明，在紅霉素脅迫下，蔬菜的CAT活性、吸水量和膜滲透性對其生長發(fā)育均有不同程度的影響，即紅霉素脅迫對于蔬菜生長發(fā)育的影響是一個多因素的復(fù)雜過程。為此，有必要進(jìn)一步探究上述影響因素之間的潛在聯(lián)系及主要作用機(jī)理。如圖3的Spearman分析結(jié)果所示，紅霉素濃度與根長呈極顯著負(fù)相關(guān)性（r=-0.79，P＜0.001），表明在種子萌發(fā)初期，根長對于環(huán)境中紅霉素濃度的變化最為敏感，可作為敏感性指標(biāo)。膜滲透性與所有指標(biāo)均存在顯著相關(guān)性，其中，與吸水量之間的相關(guān)性最強(qiáng)且極顯著（r=0.53，P＜0.001），同時發(fā)現(xiàn)與吸水量最為相關(guān)的指標(biāo)為CAT活性（r=-0.77，P＜0.001），表明膜滲透性是影響蔬菜種子萌發(fā)最主要的因素。植物在滲透脅迫下體內(nèi)會產(chǎn)生解毒信號，而該信號的功能就包括激活ROS去除酶和其他解毒蛋白。這也表明紅霉素對于植物的影響機(jī)制在本質(zhì)上可能是一種滲透脅迫，具體表現(xiàn)為紅霉素影響細(xì)胞膜內(nèi)外電位平衡，進(jìn)而引發(fā)滲透脅迫，而在滲透脅迫下植物體內(nèi)的多種解毒蛋白被激活，進(jìn)一步誘發(fā)多種應(yīng)激反應(yīng)，最終影響植物的生長發(fā)育。

2.4 不同蔬菜對于紅霉素脅迫的敏感程度

根據(jù)前文中根長對紅霉素濃度變化最為敏感的結(jié)論，選用根長為敏感性指標(biāo)，建立根長抑制率和紅霉素濃度的響應(yīng)曲線（圖4），并得到回歸方程和半抑制濃度（IC50）（表3）。從表3可知，4種蔬菜根長抑制率與紅霉素濃度的劑量—效應(yīng)曲線滿足Allometricl模型，R2均大于0.8，表明該模型對數(shù)據(jù)的擬合度較好，可以用作分析。

目前，IC50常用作評價污染物對植物的生態(tài)毒性，其值大小與植物對污染物的敏感程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從表3可以得出生菜、白菜、油菜和油麥菜的ICso分別為64.075、127.681、29.387 mg·L-1和69.255mg·L-1，油菜的IC50最小，即油菜對于紅霉素濃度的變化最為敏感，隨后依次為生菜、油麥菜和白菜。不同蔬菜對紅霉素濃度變化的敏感程度不同可能是由于不同蔬菜中營養(yǎng)物質(zhì)的存儲狀態(tài)不一致，如萵苣屬蔬菜在體內(nèi)主要通過淀粉粒儲存能量，而蕓薹屬蔬菜并不具有淀粉粒，這就可能會導(dǎo)致紅霉素在蔬菜中作用的靶分子不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同的蔬菜對紅霉素的敏感程度不同，但具體作用機(jī)制還需在未來做進(jìn)一步探究。而Pan等的研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)素（TC）、磺胺甲嘧啶（SMZ）、諾氟沙星（NOR）和氯霉素（CAP）對小油菜的IC50分別為14.4、157、49.4 mg·L-1和204 mg·L-1，即不同類型抗生素對同種蔬菜的毒性也不盡相同，這主要是由于抗生素對植物的毒性主要與其分子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性相關(guān)。總體而言，抗生素和種植作物的類型均會對毒性產(chǎn)生影響，后續(xù)應(yīng)完善大宗抗生素對常見作物的毒性數(shù)據(jù)，以期在抗生素菌渣肥料化利用的過程中合理指導(dǎo)施加量。

上述結(jié)果表明，對紅霉素的敏感程度為油菜＞生菜＞油麥菜＞白菜，因此在后續(xù)紅霉素生態(tài)毒性的相關(guān)研究中可選用油菜作為敏感作物。在紅霉素菌渣肥料化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)針對不同作物的耐受性做細(xì)分要求，按照不同作物對紅霉素的敏感程度合理指導(dǎo)施肥量。

2.5 紅霉素生態(tài)風(fēng)險表征

從ECOTOX數(shù)據(jù)庫（http：//cfpub.epa. gov/ecotox/）中檢索紅霉素水生及陸生生物的急性／慢性毒性數(shù)據(jù)。根據(jù)歐盟適用于現(xiàn)有化學(xué)物質(zhì)的風(fēng)險評價技術(shù)指南（TGD）中規(guī)定的毒性數(shù)據(jù)篩選原則進(jìn)行篩選數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理原則參照鞏秀賢的方法，同物種不同毒性終點的數(shù)據(jù)取最小值，同物種同毒性終點的數(shù)據(jù)取幾何平均值。

2.5.1 淡水環(huán)境中紅霉素預(yù)測無效應(yīng)濃度（PNEC水）

根據(jù)上述篩選原則，在數(shù)據(jù)庫中共篩選出105個紅霉素對水生生物的毒性數(shù)據(jù)，其中生物物種類別包括魚類（條紋鱸、斑馬魚、青鮪魚）、甲殼類（大型潘、多刺裸腹潘、長刺潘、南美白對蝦）、藻類（魚腥藻、念珠藻、惠氏微囊藻、銅綠微囊藻、聚球藻、鐮形纖維藻、近頭狀偽蹄形藻、小球藻）和高等植物（青萍、浮萍）。其中部分急慢性毒性數(shù)據(jù)見表4。

因為在篩選出的105個數(shù)據(jù)中共有44個慢性無觀測效應(yīng)濃度（NOEC），共包含了3個營養(yǎng)級別（藻、潘、魚）的至少3個物種的長期ⅣOEC，所以采用評估系數(shù)法計算PNEC水，對應(yīng)評估系數(shù)選用10。評估系數(shù)法是根據(jù)評價終點除以評估系數(shù)進(jìn)而得到PNEC，對于多個物種多項評價終點時，取最低值除以評估系數(shù)得到PNEC。在比較藻、潘、魚3個營養(yǎng)級別的長期數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)近頭狀偽蹄形藻3d以種群豐富度為毒性終點的NOEC=0.002 mg·L-1是藻類最低值，魚腥藻和近頭狀偽蹄形藻的EC10值（10%最大效應(yīng)濃度）分別為0.005 mg·L-1和0.036 mg·L-1，均低于ⅣOEC值，因此，PNEC水=0.002 mg·L-1/10=0.2 μg·L-1。

2.5.2 土壤環(huán)境中紅霉素預(yù)測無效應(yīng)濃度（PNEC土壤）

由于可獲得的土壤中紅霉素對生物的毒性數(shù)據(jù)較少，因此采用平衡分配法計算PNEC土壤，即：PNEC土壤=K土壤-水/RHO土壤×PNEC水×1000，其中K土壤-水為土壤-水分配系數(shù)，RHO土壤為土壤的濕體積密度。使用EPI Suite V4.10軟件獲得土壤呼吸系數(shù)為25.49L·kg-1，得到土壤中紅霉素固-水分配系數(shù)為2.6 L·kg-1；按照TGD中標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境特征參數(shù)，忽略紅霉素在水體、土壤與氣體的分配，RHO土壤采用TGD默認(rèn)值1 700 kg·m-3，可以得到K土壤-水為4.1，而在2.5.1中得到PNEC水為0.2 μg·L-1。因此，根據(jù)分配法計算公式可得PNEC土壤=0.11 mg·kg-1。

2.5.3 紅霉素進(jìn)入土壤后的生態(tài)風(fēng)險表征

采用定量描述的方式對紅霉素的土壤生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行描述，具體使用風(fēng)險指數(shù)（F）進(jìn)行表征，F(xiàn)的計算公式為：F=MECIPNEC。其中，MEC為環(huán)境中紅霉素的實測濃度，PNEC為環(huán)境中紅霉素的預(yù)測無效應(yīng)濃度。紅霉素在土壤中的PNEC由2.5.2可得，為0.11mg·kg-1，MEC由盆栽實驗第60天作物成熟后的土壤中的紅霉素含量得出，具體見表5。

根據(jù)F定量描述的規(guī)定，F(xiàn)＜0.1時，環(huán)境風(fēng)險可忽略；0.1≤F≤1時，風(fēng)險較低，但還需長期觀測；F＞1時，環(huán)境風(fēng)險較高，不可接受。從盆栽實驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流入土壤環(huán)境中的紅霉素濃度為50 mg·kg-1時，在經(jīng)歷60d的穩(wěn)定后，F(xiàn)＜1，土壤環(huán)境風(fēng)險較低；而當(dāng)流入土壤環(huán)境中的紅霉素濃度高于250 mg·kg-1時，土壤環(huán)境短期的穩(wěn)定難以自發(fā)降解紅霉素，環(huán)境風(fēng)險較高。因此，未來紅霉素菌渣肥料化產(chǎn)物進(jìn)入土壤環(huán)境的濃度應(yīng)控制在250 mg·kg-1以內(nèi)（按肥料化產(chǎn)物中有效紅霉素濃度計），以降低其對環(huán)境的影響。

3 結(jié)論

（1）紅霉素對4種供試蔬菜幼苗根長的抑制作用最為明顯，對種子萌發(fā)無明顯影響。根長抑制情況可較好反映紅霉素的植物毒性及其敏感程度。

（2）紅霉素對蔬菜種子萌發(fā)的脅迫效應(yīng)是一種包括氧化應(yīng)激、滲透脅迫在內(nèi)的復(fù)雜過程，主要影響機(jī)制為紅霉素對細(xì)胞膜內(nèi)外電位平衡的破壞而引發(fā)的滲透脅迫。

（3）供試4種蔬菜對于紅霉素的敏感程度表現(xiàn)為油菜＞生菜＞油麥菜＞白菜，油菜是本試驗中對紅霉素最為敏感的作物，IC50為29.387 mg·L-1。后續(xù)可將油菜作為探究紅霉素菌渣肥料化產(chǎn)物對土壤生態(tài)毒性影響的指示性作物。

（4）紅霉素在淡水環(huán)境和土壤環(huán)境中的預(yù)測無效應(yīng)濃度分別為0.2 μg·L-1和0.11 mg·kg-1。其中，紅霉素菌渣肥料化產(chǎn)物進(jìn)入土壤環(huán)境中的最高紅霉素濃度應(yīng)控制在250 mg·kg-1以內(nèi)。

（責(zé)任編輯：李丹）