随着医药及洗化行业的大规模发展，药品及个人护理用品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)的生产和使用量迅速增长. PPCPs包括抗生素、 抗菌剂、 消炎药、 癫痫抗药、 消毒剂、 化妆品等各种各样的化学物质_S^{[1, 2]}. 由于我国PPCPs生产消费量巨大，导致环境中PPCPs残留现象日趋严重，人们已在多种环境样品中检测出了痕量PPCP^[3]. PPCPs作为一种新型污染物在环境中表现出了一定的环境激素毒性、 微生物毒性效应、 可生物累积性，因此环境中PPCPs及其代谢产物存在的潜在生态风险、 污染现状、 迁移转化规律、 生态毒性等也引起了社会的广泛关注^{[4, 5]}.

在常见的PPCPs中，抗菌剂、 消毒剂、 化妆品等使用量大，抗生素和消炎止痛药在环境中检测出频率最高^[6]. 其中抗生素不仅用于人类及动物的疾病预防，而且被大量用作养殖业的饲料添加剂中^[7]，抗生素在动物体内消化吸收困难，约50%-80%以动物尿液或者粪便的形式排出进入土壤、 水体中并残留. 李彦文等^[8]分析测定了广州、 深圳菜地土壤中四环素类总含量为ND-242.6 μg ·kg^-1，磺胺类总含量为33.3-321.4 μg ·kg^-1，说明PPCPs中抗生素残留情况严重. 强力霉素(doxitard，DOX)为四环素类抗生素，使用量大，徐冬梅等^[9]研究发现DOX会对淡水绿藻产生毒性作用，明显抑制了淡水绿藻的生长. 环丙沙星(ciprofloxacin，CIP)是喹诺酮类抗生素中使用量最大的一种抗生素，CIP对植物产生的生态安全问题已有报道^{[10, 11]}，环丙沙星对土壤微生物量碳和微生物群落碳代谢多样性也有明显的抑制作用^[12]，有研究发现CIP在畜禽粪便中的残留最高可达到84.3 mg ·kg^-1[13]，成为环境中抗生素污染的重要来源. 三氯卡班(triclocarban,TCC)作为优良的抗菌和消毒剂被广泛应用^{[14, 15]}，环境中TCC的排放量日益增多，导致环境中出现了越来越多的负面效应，研究表明TCC对水生生物具有慢性毒害作用，会影响水体生态系统中海藻类生物的结构与功能^[16]. 卡马西平(carbamazepine，CBZ)是PPCPs中具有典型代表性的一种，CBZ作为一种抗癫痫药被广泛使用，全球每年CBZ使用量约1 014 t^{[17, 18]}； 作为环境中较为常见的残留药物之一，CBZ在环境中迁移性强，残留时间长，已对许多水生生物产生毒性影响^[19].

微核是常用的遗传毒理学指标之一，常被用来评价环境诱变因子对生物遗传物质的损伤程度. 该研究利用植物微核技术^[20]，选用微核试验常用植物蚕豆和大蒜研究DOX、 CIP、 TCC、 CBZ在一定浓度范围内对蚕豆和大蒜根尖细胞的遗传毒性，探讨4种化合物是否对植物造成遗传损伤，以期为农业等方面安全合理使用这些化合物提供参考依据.

试验选用的蚕豆为青皮蚕豆，产自江苏南通； 大蒜产自山东金乡.

试验所选用的4种化合物的结构式、 分子式、 正辛醇-水分配系数(lgK_ow)见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 4种化合物的结构式、 分子式、 正辛醇-水分配系数 Table 1 Structural formula,molecular formula and octanol-water partition coefficient of the four compounds 化合物 CAS 编码 分子式 结构式 lgKow DOX 564-25-0 C22H24N2O8 -0.26 CIP 85721-33-1 C17H18FN3O3 0.40 TCC 101-20-2 C13H9Cl3N2O 4.90 CBZ 298-46-4 C15H12N2O 2.45

表 1 4种化合物的结构式、 分子式、 正辛醇-水分配系数 Table 1 Structural formula,molecular formula and octanol-water partition coefficient of the four compounds

卡诺氏液：无水乙醇与冰乙酸按照体积比3 ∶1配制，随用随配.

SO₂洗涤液：移取5 mL 10%偏重亚硫酸钠溶液，加入5 mL 1 mol ·L^-1盐酸，再加入100 mL蒸馏水配成，随用随配.

席夫氏试剂：称取0.05 g碱性品红研细，溶于含0.5 mL浓盐酸的50 mL水中，再加入0.5 g偏重亚硫酸钠，充分振荡后，塞紧瓶塞，在暗处静置至少24 h，当颜色退至淡黄色时，加入0.5 g活性炭，充分振荡后过滤，滤液置于棕色瓶中，外包避光纸，置于冰箱中4℃环境下储存备用.

根据预试验的结果和文献^{[21, 22]}配制染毒试剂，4种化合物设置相同浓度为12.5、 25、 50、 100 mg ·L^-1，去离子水作为空白对照CK，蚕豆组设为CK₁，大蒜组设为CK₂； 选取丙酮为助溶剂，由于丙酮选用浓度极低，易挥发，且由预试验结果表明丙酮在该试验中对植物影响并不明显，因此未设溶剂对照.

选择饱满均匀的蚕豆种子，洗净后放入盛有蒸馏水的烧杯中，置于25℃的培养箱内(内有光照)浸泡24-36 h. 种子充分吸胀后，用湿润的纱布松松包裹置解剖盘中，催芽12-24 h. 待种子初生根露出2-3 mm时，选取发芽良好的种子，放入解剖盘内继续催芽并保持湿度. 再经36-48 h，种子大部分的初生根长至1.5-2.0 cm，根毛发育良好时，每一处理选取6-8粒初始根生长良好、 根长较一致的种子. 选择大小均匀无损伤的大蒜蒜瓣置于培养皿中，置于25℃的温箱内用蒸馏水培养，将大蒜基部浸入水中即可. 待根尖长至1.5-2.0 cm时，根毛发育良好时，每一处理选取2-3粒初始根生长良好、 根长较一致的大蒜种子. 将选好的蚕豆和大蒜种子放入盛有染毒液的培养皿中，让液体浸泡根尖于25℃进行染毒处理5 h，然后恢复培养22-24 h. 切取根尖约1 cm放入空青霉素瓶中，用卡诺氏固定液固定24-48 h.

固定好的幼根，在用蒸馏水浸洗2次，每次5 min. 吸净蒸馏水，加入1 mol ·L^-1 盐酸将幼根浸泡住，连瓶放入60℃水浴锅中水解幼根7 min左右，幼根被软化即可. 吸去盐酸，用蒸馏水浸洗幼根2次，每次1-2 min. 在遮光的条件下加席夫试剂染色15 min. 除去染液，用SO₂洗涤液浸洗幼根2次. 将幼根放在载玻片上，用解剖针截下1 mm的幼根，滴上少许的蒸馏水，用解剖针将根尖捣碎. 加盖玻片，并避免气泡产生. 在光学显微镜100倍的油镜下观察，记录微核的数量. 微核大小为主核的1/3以下，形状为圆形或椭圆形，可以是整条染色体，也可以是染色体断片，染色与主核相当或稍浅^[22].

每个制片观察1 000个细胞，统计出含微核细胞数，每处理组至少观察5个制片，选取其中3个按下式计算平均微核率(micronucleus rate，MCN‰)及微核指数(micronucleus index)，分析不同浓度染毒溶液对蚕豆及大蒜根尖的微核率的影响及差异显著性. 微核指数即污染指数，平均值在0-1.5为基本没有污染，1.5-2.5为轻污染，2.0-3.5为中污染，3.5以上为重污染^[23].

测试样本所致的微核率与阴性对照比较，微核指数≥1.5则判断样本对植物造成遗传损伤. 试验结果运用Excel 2007计算数据平均值及标准偏差，绘制柱状图； 采用SPSS 17.0 软件对数据进行单因素方差分析，差异显著性水平为P<0.05.

4种化合物处理蚕豆和大蒜根尖细胞均可诱导产生微核，细胞内出现的微核可为1或2个，包括染色体畸变、 单微核、 双微核等，且在有丝分裂的不同时相中均有可能观察到微核； 在观察过程中，明显发现大蒜微核出现频率低且一个细胞中多为单个微核，未发现多个微核聚集出现现象(见图 1).

图 1

Fig. 1

(a)-(b)为蚕豆； (e)、 (f)为大蒜图 1 DOX、 CIP、 TCC、 CBZ处理蚕豆和大蒜根尖细胞后的微核现象 Fig. 1 The Vicia-faba and garlic micronucleus after the treatment with DOX,CIP,TCC,CBZ

由表 2可见，DOX、 CIP、 TCC和CBZ处理组与CK₁相比，微核率均明显存在不同程度上升，差异显著(P<0.05)，微核指数均大于3.5，即4种化合物对蚕豆根尖细胞均具有致突变性. 随化合物浓度的增大，细胞微核数量先增加后减少，DOX、 CIP、 TCC浓度达到50 mg ·L^-1和CBZ浓度为25 mg ·L^-1时微核率分别达到最大值： 16.33‰、 25.67‰、 18.33‰、 20.67‰，明显高于1.67‰(CK₁). 同一污<染物不同浓度之间比较，均存在明显差异(P<0.05). 由于化合物的性质不同产生的毒性效应也不同，作用于蚕豆产生的微核率也存在明显差异(P<0.05). 表明在该试验条件下，4种化合物达到一定的浓度均会对蚕豆根尖细胞造成遗传损伤，且损伤程度与CK₁比较差异显著.

表 2 (Table 2)

表 2 DOX、 CIP、 TCC和CBZ污染对蚕豆根尖细胞微核率的影响 Table 2 Influence of the DOX，CIP，TCC and CBZ individual pollution on vicia-faba micronucleus rate 处理组 浓度/mg ·L-1 观察细胞/根尖 微核细胞数/根尖 微核率(X±SD)/‰ 微核指数 制片1 制片2 制片3 CK1 0 1 000 1 1 3 1.67±0.94 1.00 12.5 1 000 5 7 7 6.33±1.15*a 3.79 DOX 25 1 000 10 10 11 10.33±0.583*b 6.18 50 1 000 15 16 18 16.33±1.53*c 9.77 100 1 000 8 9 12 9.67±2.08*bd 5.8 12.5 1 000 11 13 14 12.67±1.53*a 7.59 CIP 25 1 000 18 19 20 19.00±1.00*b 11.38 50 1 000 25 26 26 25.67±0.58*c 15.37 100 1 000 16 16 18 16.67±1.15*d 9.98 12.5 1 000 6 7 9 7.33±1.53*a 4.39 TCC 25 1 000 12 14 14 13.33±1.15*b 7.98 50 1 000 17 18 20 18.33±1.52*c 10.97 100 1 000 9 10 11 10±1.00*da 5.99 12.5 1 000 9 9 10 9.33±0.58*a 5.59 CBZ 25 1 000 20 20 22 20.67±1.15*b 12.38 50 1 000 13 15 16 14.67±1.53*c 8.78 100 1 000 12 12 14 12.67±1.15*cd 7.59 1)均值差的显著性水平为0.05，*表示与对照组比较差异显著； a、 b、 c、 d表示同一化合物不同浓度之间比较，不同字母表示差异显著，相同字母表示差异不显著，下同

表 2 DOX、 CIP、 TCC和CBZ污染对蚕豆根尖细胞微核率的影响 Table 2 Influence of the DOX，CIP，TCC and CBZ individual pollution on vicia-faba micronucleus rate

2.3 4种PPCPs对大蒜根尖细胞微核率的影响

由表 3可见，DOX、 CIP、 TCC和CBZ处理组与CK₂(0.67‰)相比，微核率有不同程度上升，但各组观察到的微核数量较少，仅有部分浓度组与CK₂差异显著(P<0.05). DOX的 12.5 mg ·L^-1浓度组微核指数小于1.5，表明对大蒜根尖细胞没有造成遗传损伤，仅CIP的25、 50、 100 mg ·L^-1及TCC、 CBZ的50 mg ·L^-1浓度组微核指数大于3.5，4种化合物对大蒜根尖细胞的毒性作用较小. 大蒜根尖细胞微核率均随染毒浓度的升高先增加后减少，DOX、 CIP、 TCC在50 mg ·L^-1和CBZ浓度为25 mg ·L^-1时根尖微核率达到最高分别为2.33‰、 4.67‰、 3.33‰、 3.67‰. 微核率在同一污染物不同浓度之间比较差异性较小. 表明在该试验条件下，4种化合物达到一定剂量后会导致大蒜根尖细胞造成遗传损伤，但损伤程度较小.

表 3 (Table 3)

表 3 DOX、 CIP、 TCC和CBZ污染对大蒜根尖细胞微核率的影响 Table 3 Influence of the DOX，CIP，TCC and CBZ individual pollution on garlic micronucleus rate 处理组 浓度/mg ·L-1 观察细胞/根尖 微核细胞数/根尖 微核率(X±SD)/‰ 微核指数 制片1 制片2 制片3 CK2 0 1 000 0 1 1 0.67±0.47 1.00 12.5 1 000 1 1 1 1.00±0.00a 1.49 DOX 25 1 000 1 2 3 2.00±1.00*ac 2.99 50 1 000 2 2 3 2.33±0.58*bc 3.48 100 1 000 1 1 2 1.33±0.58a 1.99 12.5 1 000 1 2 2 1.67±0.58a 2.49 CIP 25 1 000 2 3 3 2.67±0.58*a 3.99 50 1 000 4 5 5 4.67±0.58*b 6.97 100 1 000 2 3 3 2.67±0.58*a 3.99 12.5 1 000 1 1 2 1.33±0.58a 1.99 TCC 25 1 000 1 2 2 1.67±0.58a 2.49 50 1 000 3 3 4 3.33±0.58*b 4.97 100 1 000 1 2 2 1.67±0.58a 2.49 12.5 1 000 1 1 3 1.67±1.15a 2.49 CBZ 25 1 000 3 4 4 3.67±0.57*b 5.48 50 1 000 2 2 3 2.33±0.58*ab 3.48 100 1 000 1 2 3 2.00±1.00*a 2.99

表 3 DOX、 CIP、 TCC和CBZ污染对大蒜根尖细胞微核率的影响 Table 3 Influence of the DOX，CIP，TCC and CBZ individual pollution on garlic micronucleus rate

由图 2可见，DOX、 CIP、 TCC和CBZ处理组中，随化合物浓度变化蚕豆和大蒜的根尖细胞微核率升降趋势保持一致，大蒜和蚕豆对照组微核率之间并无显著性差异，即排除试验方法等因素造成两种植物微核率的差异，大蒜根尖细胞微核率远小于对应浓度的蚕豆根尖细胞微核率，差异显著(P<0.05)，4种化合物对蚕豆根尖细胞产生的毒性效应高于大蒜.

图 2

Fig. 2

a、 b、 c、 d表示同一化合物对蚕豆和大蒜微核率影响之间比较，不同字母表示差异显著，相同字母表示差异不显著 图 2 DOX、 CIP、 TCC、 CBZ对蚕豆根尖细胞和大蒜根尖细胞微核率对比 Fig. 2 Comparison of micronucleus rate of Vicia-faba and garlic by DOX，CIP，TCC，CBZ pollution

由图 3可见，4种化合物对两种植物均产生了一定程度的遗传损伤，CIP、 TCC和DOX作用于蚕豆和大蒜时，微核指数随浓度变化具有一致规律性，3种化合物对两种植物毒性大小依次为CIP、 TCC、 DOX. CBZ除50 mg ·L^-1浓度组外，其它3个对应浓度的微核指数均大于TCC和DOX，且CBZ最小微核指数均大于TCC和DOX最小微核指数，最大微核指数小于CIP最大微核指数，综合对比4种化合物的最大微核指数及其变化趋势，4种化合物对两种植物的损伤程度依次为CIP、 CBZ、 TCC、 DOX.

图 3

Fig. 3

图 3 DOX、 CIP、 TCC和CBZ污染对蚕豆和大蒜根尖细胞微核指数影响对比 Fig. 3 Comparison on influence of the DOX，CIP，TCC and CBZ individual pollution on Vicia-faba and garlic micronucleus index

该试验研究发现，当4种化合物作用于蚕豆和大蒜根尖细胞时，微核率均高于CK； 大蒜根尖细胞产生的微核率较低，微核指数多数小于3.5，遗传损伤程度为中度及轻微损伤，有研究表明大蒜本身含有许多保护细胞免受诱变损伤的有效成分^[24]. 随浓度的增加，4种化合物对蚕豆和大蒜根尖细胞微核的产生均表现出先促进后抑制的现象； 低浓度范围内随化合物浓度的增加，对根尖细胞染色体DNA毒性也随之增强，微核率呈增加趋势； 随浓度的进一步增大微核率反而呈下降趋势，有可能是高浓度的化合物毒性增强使细胞的正常分裂活动受到减缓、 抑制、 甚至终止，导致高浓度胁迫下微核出现的频率降低. 刘瑞祥等^[25]在联苯胺对大蒜根尖细胞的遗传损伤中显示，低浓度范围内即引起了根尖细胞微核率大幅度升高，随着浓度的进一步增大，抑制了细胞的其他活动，延缓细胞周期，阻滞细胞进入下一个间期，细胞的微核数也随之减少. 于淑池等^[26]研究了孔雀石绿对蚕豆根尖细胞的诱变作用，该试验显示微核率和染色体畸变率均随着孔雀石绿浓度的增加而升高，但高于一定浓度后下降. 以上研究均说明了高浓度污染物毒性增强抑制了微核产生. 总体来说，不同性质及不同浓度的污染物会对植物的遗传物质产生不同程度的损伤，应引起重视.

在本研究中，同种试验条件下4种化合物诱发蚕豆根尖细胞微核率明显高于大蒜，两组之间有显著差异(P<0.05). 蚕豆是一种理想的细胞遗传学研究材料，蚕豆根尖细胞周期中的大部分时间对诱变剂敏感，便于进行遗传毒性的检测. 大蒜作为一种分布较广的植物，试验取材极为容易，由于其遗传稳定性，也经常被作为微核试验材料. 但有研究表明大蒜植物体及其提取物大蒜素等具有良好的抗诱变能力，本试验大蒜组微核率较低，同样表现出了大蒜的抗诱变作用. 钟晓芝等^[27]研究表明明矾诱发蚕豆根尖细胞微核率和染色体畸变率远高于诱发大蒜根尖细胞微核率和染色体畸变率，两组之间有显著差异(P<0.05)，说明了大蒜具有抗明矾诱发突变的作用. 因此蚕豆用于微核试验对污染物监测灵敏度明显高于大蒜.

微核是监测遗传损害的良好生物标志物，试验浓度范围内引起根尖细胞微核率大幅度升高，说明4种药品对植物细胞具有较强的遗传毒性. 从微核指数来看，两种植物的微核指数整体对比均为CIP>CBZ>TCC>DOX处理组. 有机污染物在环境中毒性及水溶性等与K_ow有很大的关系，K_ow数值越大，有机物在有机相中溶解度也越大，即在水中的溶解度越小^[28]. K_ow还决定了化合物在生物组织中的活性和毒性，是影响其通过扩散被吸收的重要因素，有研究数据显示化合物的lgK_ow在1-3.5之间脂水溶解度达到平衡，有被植物吸收的最大潜能^[29]. 本研究结果表明TCC和DOX对供试植物蚕豆和大蒜的毒性影响较小(图 3)，TCC的lgK_ow值为4.90，DOX的lgK_ow值为-0.26(表 1)，推测两种化合物均不易被植物吸收. 此外，研究表明3位侧链和7位侧链取代基是化合物主要的毒性功能基团，通过影响化合物极性大小而影响其毒性^{[30, 31]}； 本研究中，CIP化学结构中含有7位侧链，可能是其对两种供试植物的毒性较高于其它3种化合物的原因.

(1) DOX、 CIP、 TCC、 CBZ分别单独作用于蚕豆根尖细胞时，在该试验浓度设置范围内，微核率与对照组对比差异显著(P<0.05)，均引起蚕豆根尖细胞遗传物质损伤； 微核指数均大于1.5，对蚕豆根尖细胞产生较严重的毒性作用； 同一种污染物不同浓度对蚕豆根尖产生的微核率，存在明显的差异性(P<0.05)，不同污染物在同种试验条件下对蚕豆根尖细胞产生的微核数也存在差异性； DOX、 CIP、 TCC浓度升至50 mg ·L^-1，CBZ浓度升至25 mg ·L^-1时，化合物毒性增加对细胞损伤加重，微核数量达到最大值，随浓度进一步增加，细胞微核数量呈减少趋势.

(2)DOX、 CIP、 TCC、 CBZ分别单独作用于大蒜根尖细胞时，产生的微核数量较少，微核率与对照组比较均有不同程度的上升，部分差异显著(P<0.05)； 微核指数多数在3.5以下，4种化合物对大蒜根尖细胞造成的损伤程度较轻； 大蒜根尖细胞微核率随4种化合物浓度变化趋势与蚕豆组保持一致； DOX、 CIP、 TCC在50 mg ·L^-1时根尖微核细胞率最高，CBZ在25 mg ·L^-1时微核率达到最大值，随后呈现下降趋势.

(3)4种化合物作用于蚕豆根尖细胞产生的微核率明显高于大蒜，对大蒜根尖细胞造成的遗传损伤明显低于蚕豆，蚕豆作为微核试验受试材料效果较理想. 不同化合物分别作用两种植物产生的毒性大小也存在差异性，4种化合物对蚕豆和大蒜产生的遗传损伤大小为CIP>CBZ>TCC>DOX.