磺胺二甲基嘧啶对水稻种子萌发和幼苗生长的影响

Effects of Sulfamethazine on Seed Germination and Seedling Growth of Rice

摘要: 本研究采用水培方法探究不同浓度磺胺二甲基嘧啶对水稻种子萌发和幼苗生长的影响。结果表明：在磺胺二甲基嘧啶浓度为2~40 ppm范围下，发芽率、发芽势分别较CK降低了0.82%~29.85%、1.21%~32.64%，水稻种子的萌发受到抑制，且抑制程度随着SMT浓度的增加而增加；叶长、叶宽、叶面积分别较CK降低12.56%~25.33%、2.83%~61.88%、8.54%~44.95%，抑制效果随着SMT浓度增高呈现增大趋势；根长、根表面积、根尖数分别较CK降低0.17%~61.09%、7.57%~44.13%、7.93%~36.13%；鲜重、干重分别较CK降低3.44%~17.25%、12.37%~65.76%；叶绿素含量较CK降低6.38%~65.96%。磺胺二甲基嘧啶的存在抑制了水稻种子的萌发和幼苗的生长，尤其是在较高浓度处理组中，负面影响更为明显。抗生素污染对农作物生长的风险，也突出农业环境保护的重要性。本研究也为抗生素在农业环境中的行为及其生态效应提供了参考依据。

Abstract: The effects of different concentrations of Sulfamethazine (SMT) on seed germination and seedling growth of rice were studied by hydroponics. The results showed that when SMT concentration was in the range of 2 ppm to 40 ppm, the germination rate and germination potential were decreased by 0.82%~29.85% and 1.21%~32.64% compared with CK, respectively. The germination of rice seeds was inhibited, and the inhibition degree increased with the increase of SMT concentration. Leaf length, leaf width and leaf area were reduced by 12.56%~25.33%, 2.83%~61.88% and 8.54%~44.95%, respectively, compared with CK, and the inhibition effect was negatively correlated with the increase of SMT concentration. Root length, root surface area and root tip number were reduced by 0.17%~61.09%, 7.57%~44.13% and 7.93%~36.13% compared with CK, respectively. Fresh weight and dry weight were 3.44%~17.25% and 12.37%~65.76% lower than CK, respectively. Chlorophyll content 6.38%~65.96%. The presence of SMT inhibited the germination of rice seeds and the growth of seedlings, especially in the higher concentration treatment group. The potential risk of antibiotic pollution to crop growth indicates the importance of agricultural environmental protection. This study also provides a reference for understanding the behavior and ecological effects of antibiotics in agricultural environments.

1. 引言

随着抗生素在医疗和畜牧业的广泛使用，其对环境造成的污染已全球性环境问题之一。中国是世界上最大的抗生素生产国和消费国，2013年抗生素的总产量和使用量预计分别为24.8万吨和16.2万吨[1]，因在治疗人类和动物疾病中的独特效果而广泛应用，也进一步加剧了环境恶化[2]。磺胺二甲基嘧啶(Sulfamethazine, SMT)作为一种常见磺胺类抗生素的典型代表，因其具有较高的稳定性和水溶性[3]，在污水处理中往往被不完全消除而排放进入环境，最终汇集于耕作土壤和灌溉用水等农业系统中[4]。近几年，SMT已在土壤和灌溉水体中被频繁检测出，其检出浓度范围463 ng·L⁻¹~31 mg·L⁻¹ [5] [6]。在抗生素污染的土壤上种植的农作物可能会因其在植物其他部位的叶片中积累而发育不良[7]，包括但不限于种子发芽率的降低、根系生长的抑制、干物质积累以及代谢紊乱等，最终可能导致作物生长受阻[8]。同时，水稻(Oryza sativa L.)作为世界上最重要的粮食作物之一，又是对水分依赖最多的作物[9]，其生长和发育直接受到水体质量的影响[10]，也是最易受到这类污染危害的粮食作物，尤其是在种子萌发和幼苗阶段[11]。尽管SMT对作物生长的影响已引起关注[12]，但关于其对水稻种子萌发和幼苗生长的具体影响机制，尤其是在不同浓度梯度下的研究尚不清楚。目前，关于SMT的环境行为和生态毒性，国内外的研究中，大多数研究集中在其在水体和土壤中的残留、迁移和转化[13]。对于SMT对作物生长的影响，研究相对较少[14]。因此，研究SMT对水稻种子萌发和幼苗生长的影响，对于评估SMT的生态风险，指导农业生产和保护环境安全具有重要意义。

本研究旨在填补这一研究空白，以农香32籼型水稻品种为供试材料，通过设置不同浓度的SMT进行培养，探究了SMT对水稻种子萌发和幼苗生长的影响，为农业生产中抗生素污染的防控提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 试验材料

供试品种为农香32籼型两系杂交水稻品种，由湖南农业大学农学院提供。

2.2. 试验设计

试验于2023年4月至5月在湖南农业大学农学院进行。选取饱满、体型相同健康的水稻种子，使用次氯酸钠消毒15分钟之后再用蒸馏水润洗3次，备用。试验设6个不同浓度SMT处理组：T1 (CK)，T2 (2 ppm)，T3 (5 ppm)，T4 (10 ppm)，T5 (20 ppm)，T6 (40 ppm)。每个处理3个重复，总共18盆，每盆50颗水稻种子。人工气候箱(SPN-450，宁波杨辉仪器有限公司)条件设：光周期12/12，光强30,000 lux，相对湿度60%~80%，温度26℃ ± 2℃ (不设昼夜温差)。试验流程为：首先，将消毒后的若干水稻种子经60℃高温破胸；其次，选取水稻种子均匀放在不同浓度(0~40 ppm) SMT溶液中进行胁迫培养，溶液体积800 mL；然后，培养三天后放入人工气候箱进行光照培养，此时测定种子萌发；水稻长至立针期，仅使水稻根系浸于药液中，在人工气候箱中培养；最后，20 d左右进行取样，进行后续的测定。

2.3. 测定内容与方法

2.3.1. 种子萌发

从第3 d开始统计水稻种子萌发情况。计算公式为：发芽率(GR) = a/A * 100%，发芽势(GV) = a1/A * 100%，(注：a为发芽中期水稻种子发芽数，a1为发芽高峰期的种子数)。

2.3.2. 水稻生物量测定与方法

水稻幼苗在20 d左右不同SMT浓度下开始出现表型上的差别时，开始采集样品，测定其相关的指标。

1) 水稻秧苗根和叶素质的测定：每个处理取5株长势相近，能代表整个处理的长势的水稻幼苗。用滤纸擦干幼苗携带的水分，随后使用根系扫描仪(WSEEN LA-S，杭州万深检测科技有限公司)进行扫描分析，其指标有叶片长、叶片宽、叶面积、根长、体积、表面积等。

2) 水稻秧苗鲜重、干重的测定：取5株长势相近的整株水稻幼苗，使用电子天平(ME104E，梅特勒-托利多国际贸易有限公司)进行称重，即为水稻秧苗鲜重质量。然后装进信封放置80℃烘箱，将植株烘干至恒重，分别称重即为水稻秧苗干重。

3) 叶绿素含量的测定：采用丙酮乙醇混合液法，称取0.1 g的水稻鲜叶片，剪碎后投入25 ml具塞的棕色容量瓶中，加入提取混合液(由V80%丙酮: V无水乙醇 = 1:1混合组成)，静置。在分光光变计上652 nm处读取其吸光度值，随后计算叶绿素含量。

2.4. 数据分析

采用Excel 2023进行数据处理，IBM SPSS Statistics 26.0进行显著性分析(P < 0.05)。使用Origin 2018软件进行绘图。

3. 结果与分析

3.1. 不同浓度SMT对水稻种子萌发的影响

探究SMT对水稻种子萌发的影响，设置不同浓度的SMT溶液对水稻种子进行发芽试验。结果如图1(a)和图1(b)可知，各个处理与CK相比，水稻种子的发芽明显受到抑制，并且随着SMT浓度的增加，抑制程度也随之增加。在SMT浓度为T2、T3、T4、T5和T6时，水稻发芽率分别较CK降低了0.82%、8.46%、12.01%、17.85%、29.85%，且到达差异显著(P < 0.05)；其发芽势分别较CK降低了1.21%、8.61%、11.84%、18.14%、32.64%，且差异显著(P < 0.05)。综上，SMT的存在抑制了水稻种子的萌发，且抑制程度随SMT浓度的增加而增加。

Figure 1. Effects of different SMT concentrations on (a) Germination percentage and (b) Germination potential of rice seeds

图1. 不同SMT浓度胁迫下对水稻种子(a) 发芽率和(b) 发芽势的影响

3.2. 不同浓度SMT对水稻幼苗生长的影响

评价SMT对水稻造成的影响，常用的方法就是通过一些农艺参数进行综合评估，比如种子萌发、生长参数、生物量和生理指标等，以此作为判断依据[15]。SMT是一种磺胺类抗菌药物，它通过干扰细菌的叶酸合成途径来抑制细菌的生长和繁殖。由于其在医疗和畜牧业广泛应用，已大量流入环境并存在于灌溉水中[16]。因此，弄清SMT进入农业环境之后对作物产生的风险，以此作为科学依据，防范未然。本研究通过测定水稻种子萌发、根系和叶片的形态参数、叶绿素含量的变化情况来探究SMT存在下对水稻产生的影响，阐明SMT对水稻产生的生理效应。

3.2.1. 不同浓度SMT对水稻叶片的影响

培养20天左右，用摄像机采集水稻幼苗高清图像，如图5所示。随后，使用根系扫描仪采集水稻幼苗数据图4。对水稻叶片长度分析结果如图2(a)所示，不同浓度SMT处理下，其叶片长均低于T1，且随着SMT浓度的增加而减小，其浓度为T2、T3、T4时，抑制作用较为明显，分别较T1降低了12.56%、18.33%、20.24%，在浓度为T5和T6时，抑制效果明显，分别为34.78%、25.33% (P < 0.05)，说明SMT存在下抑制了水稻叶长的生长；不同浓度SMT处理后对水稻叶片宽的影响如图2(b)所示，各处理的叶片宽也同样均低于TI，当SMT浓度从T2增加到T6时，叶片宽分别较TI降低了2.83%、14.82%、31.48%、52.39%、61.88%，差异显著(P < 0.05)；水稻叶面积分析结果如图2(c)所示，SMT浓度为T2、T3时，抑制效果略为明显，分别为8.54%、17.92%，当SMT浓度增高到T4、T5、T6时，分别较T1降低了31.35%、35.59%、44.95% (P < 0.05)，说明SMT存在下影响了水稻的叶面积。由此可见，SMT能抑制水稻叶片长、叶片宽、叶面积，随着浓度增高呈现负相关。

3.2.2. 不同浓度SMT对水稻根系的影响

图3(a)~(c)为不同SMT浓度胁迫下对水稻根系的影响情况。可以看出，在SMT浓度从T2增加到T6时，水稻根长分别较TI降低了0.17%、27.53%、46.45%、57.49%、61.09%，水稻根表面积分别较TI降低了7.57%、28.31%、34.76%、43.14%、44.13%，水稻根尖数分别较TI减少了7.93%、15.28%、35.91%、45.63%、36.13%，且差异显著(P<0.05)。综上所述，SMT的存在导致水稻根系生长受阻，随着浓度增加抑制效果增强。

Figure 2. Effects of different SMT concentrations on (a) Leaf length, (b) Leaf width and (c) Leaf area of rice

图2. 不同SMT浓度胁迫下对水稻(a) 叶片长、(b) 叶片宽和(c) 叶面积的影响

Figure 3. Effects of different SMT concentrations on (a) Root length, (b) Heel surface area and (c) Number of root tips of rice

图3. 不同SMT浓度胁迫下对水稻(a) 根长、(b) 跟表面积和(c) 根尖数的影响

Figure 4. Scanning map of roots and leaves of rice seedlings under different SMT concentrations

图4. 不同SMT浓度胁迫下水稻苗根和叶扫描图

Figure 5. Growth of paddy rice seedlings under stress of different SMT concentrations

图5. 不同SMT浓度胁迫下水稻苗生长情况

3.3. 不同浓度SMT对水稻水稻生物量的影响

为了探究不同SMT浓度对水稻幼苗生物量的影响，分析了其干重和鲜重变化情况。结果如图6(a)、图6(b)所示，可以看出，水稻幼苗的鲜重和干重随着SMT浓度增加呈现负相关，在SMT浓度为T1、T2、T3、T4、T5和T6时，其鲜重分别为100.45 mg、103.91 mg、95.19 mg、81.15 mg、65.48 mg、48.15 mg，分别较T1降低3.44%、8.68%、13.98%、15.60%、17.25%，且达到显著差异(P < 0.05)；鲜重分别为16.19 mg、14.48 mg、12.47 mg、10.98 mg、8.14 mg、5.79 mg，分别较T1降低12.37%、26.26%、35.07%、51.86%、65.76%，显著差异(P < 0.05)。综上，水稻幼苗因环境中的SMT存在干扰了其生物量的积累，最终导致发育受阻。

Figure 6. Effects of different SMT concentrations on (a) Fresh weight and (b) Dry weight of rice

图6. 不同SMT浓度胁迫下对水稻(a) 鲜重和(b) 干重的影响

3.4. 不同SMT浓度胁迫下对水稻叶绿素的影响

为了进一步解释SMT对水稻产生的变化情况，检测了其叶绿素含量。结果如图7所示，随着SMT浓度的增加，对叶绿素影响效果变得更加显著，在SMT浓度为T1、T2、T3、T4、T5和T6时，叶绿素含量分别为2.35 mg·g⁻¹、2.20 mg·g⁻¹、2.24 mg·g⁻¹、1.81 mg·g⁻¹、1.05 mg·g⁻¹、0.80 mg·g⁻¹，分别较T1下降了6.38%、4.68%、23.40%、45.32%、65.96%。说明水稻幼苗生长在含有SMT的环境中，会抑制到水稻叶绿素的合成，并且随着浓度增加，抑制效果显著增加(P < 0.05)。因此，SMT的存在会降低水稻幼苗的叶绿素含量，从而影响生长和发育。

Figure 7. Effects of different SMT concentrations on chlorophyll content of rice

图7. 不同SMT浓度胁迫下对水稻叶绿素含量的影响

4. 讨论

本研究结果表明，在SMT存在条件下，水稻的发芽率、发芽势均较CK降低，水稻种子的萌发受到抑制，且抑制程度随着SMT浓度的增加而增加。这可能与SMT对种子细胞膜的破坏以及对细胞内酶活性的抑制有关，从而影响了种子的代谢过程和萌发机制，这与Hu Y等[17]的研究一致，随着SMT浓度的增加，水稻种子的萌发率显著下降。而对于水稻秧苗的叶长、叶宽、叶面积、根长、根表面积等农艺参数，同样受到抑制，随SMT浓度的增加抑制越严重，这可能是高浓度的SDZ可能直接损害根尖分生组织，影响细胞分裂和伸长，导致根系和叶片生长受阻[18]，这与李彦文等[19]李秀文等[20]，司雄元等[21]研究结果类似，由于SMT对幼苗生长点细胞的直接毒性作用，导致氮素代谢紊乱，影响地上部分和地下部分的发育[22] [23]。SMT对于水稻叶绿素的影响，可能通过干扰叶绿素生物合成途径中的酶活性，进而影响叶绿素的合成，随着SMT浓度的增加，这种抑制作用可能变得更加显著[24] [25]。这也恰好说明因叶绿素的破坏而影响其生物量的积累[26]。基于本研究结果，在使用抗生素时应严格遵守用药指南，避免滥用和过量使用。同时，开发有效的生物修复技术来减轻其对作物的影响。

5. 总结

SMT为典型的磺胺类抗生素，在世界范围内被广泛应用于兽药、饲料添加剂和人类疾病的治疗。其特殊的分子结构使得在环境中持久存在，对生态环境和人类健康构成严重的危害。本研究旨在评估磺胺二甲基嘧啶对水稻种子萌发和幼苗生长的潜在影响。通过对不同浓度SMT处理的水稻种子和幼苗进行一系列实验，观察并分析SMT对发芽率、发芽势、叶长、叶宽、叶面积、根长和根表面积等多个生长参数的影响。结果显示，SMT对水稻种子萌发和幼苗生长具有显著的抑制作用，其影响随着SMT浓度的增加而变得更加显著。因此，本研究强调了在农业生产中减少抗生素使用的重要性和减少SMT流入环境的必要性，以及开发有效的生物修复技术来减轻其对作物生长的影响。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。