李厚禹，邵振魯，李碧菡，徐艷,*，鄭向群

1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安 271018

抗生素一般指由細(xì)菌、霉菌或其他微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生具有抗病原體或其他活性的物質(zhì)，可殺滅或抑制細(xì)菌生長(zhǎng)[1]。獸用抗生素一般用于動(dòng)物疾病的預(yù)防和治療，以加快畜禽生長(zhǎng)和提高養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)[2]。中國(guó)成為世界上抗生素最大的生產(chǎn)和使用國(guó)，在動(dòng)物中的使用量達(dá)84 240 t·a-1，遠(yuǎn)高于澳大利亞和許多歐盟國(guó)家。據(jù)統(tǒng)計(jì)估算，2013年畜禽抗生素的使用量占總量的52%，并且，每年畜禽抗生素使用量仍呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，高于人體醫(yī)用使用量(48%)[3]。令人擔(dān)憂的是，大多數(shù)抗生素具有水溶性，不能在動(dòng)物體內(nèi)被完全代謝，約有70%～90%以原型藥物和代謝產(chǎn)物的形式隨動(dòng)物糞便、尿液排出體外[4-5]。研究發(fā)現(xiàn)，在我國(guó)北方地區(qū)的畜禽糞便中四環(huán)素類抗生素殘留濃度為3 326.6～1 2302.6 μg·kg-1，其次是氟喹諾酮類(411.3～1 453.4 μg·kg-1)，磺胺類(170.6～1 060.2 μg·kg-1)[6]。較高的抗生素殘留隨畜禽糞便農(nóng)用進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤污染，并通過(guò)雨水及灌溉徑流形成擴(kuò)散污染[7-8]。調(diào)查顯示，污水灌溉和有機(jī)糞肥的施用是我國(guó)蔬菜作物中抗生素的主要來(lái)源[9]。殘留于環(huán)境中的抗生素不僅抑制微生物生長(zhǎng)及活性[10]，也對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，進(jìn)而威脅生態(tài)系統(tǒng)的安全，嚴(yán)重的是會(huì)誘發(fā)出耐藥菌(antibiotic resistant bacteria, ARB)，對(duì)人類健康產(chǎn)生威脅[7,11]。

目前，抗生素的消除與管控已成為環(huán)境中亟需解決的問(wèn)題。國(guó)家為限制抗生素使用已出臺(tái)了相關(guān)政策法規(guī)，在《農(nóng)業(yè)部公告禁用獸藥目錄匯總》[12]中，對(duì)常用的幾類抗生素提出了明確的停藥期，并下發(fā)《農(nóng)業(yè)部辦公廳關(guān)于嚴(yán)厲打擊飼料生產(chǎn)和養(yǎng)殖環(huán)節(jié)違法使用獸用抗菌藥物行為的通知》[13]，嚴(yán)格控制抗生素在畜禽養(yǎng)殖業(yè)的使用量。為加強(qiáng)獸用抗菌藥物管理，綜合治理獸藥殘留問(wèn)題，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)起了《全國(guó)遏制動(dòng)物源細(xì)菌耐藥性行動(dòng)計(jì)劃》[14]，王娜等[15]根據(jù)我國(guó)抗生素基本現(xiàn)狀提出了獸藥抗生素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制管理政策建議。本文對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中各類抗生素的殘留情況進(jìn)行資料收集，結(jié)合國(guó)內(nèi)外抗生素非生物及生物降解的研究現(xiàn)狀及已有的成果性進(jìn)展，為科學(xué)解決抗生素殘留污染問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)，并對(duì)當(dāng)前抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行總結(jié)歸納，為抗生素的使用及管控措施提供了依據(jù)和支撐。文中對(duì)抗生素的去除效果、影響因素與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行重點(diǎn)闡述，并對(duì)今后抗生素的去除方法研究進(jìn)行展望，以期為畜禽環(huán)境中抗生素去除及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的進(jìn)一步研究提供參考。

1 畜禽環(huán)境中抗生素的污染現(xiàn)狀(The status of antibiotic contamination in livestock environment)

目前，在畜禽糞便中抗生素的檢出種類較廣，含量可達(dá)到mg·kg-1水平，不同國(guó)家和地區(qū)畜禽糞便中檢出的抗生素水平差別顯著，這可能與當(dāng)?shù)赜盟幠Ｊ郊靶笄菁S污處理方式有關(guān)(表1)。張慧敏等[16]通過(guò)對(duì)浙北地區(qū)畜禽糞便中抗生素的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素、土霉素和金霉素殘留量平均值分別為1.57、3.10和1.80 mg·kg-1。任君燾和徐琳[17]對(duì)山東東營(yíng)地區(qū)養(yǎng)殖場(chǎng)中畜禽糞便抗生素檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，豬糞、雞糞和牛糞中抗生素濃度普遍較高，尤其是豬糞中的含量最高，四環(huán)素類、磺胺類含量平均值分別可達(dá)到3.74×103、9.86×102μg·kg-1，其次為雞糞，牛糞中含量最低，該濃度差異可能與養(yǎng)殖動(dòng)物種類有關(guān)[18]。曹勝男等[19]的研究也表明，四環(huán)素抗生素相對(duì)于磺胺類、喹諾酮類抗生素積累能力更強(qiáng)，在糞便中的殘留量可達(dá)12.5 mg·kg-1，這可能與四環(huán)素類抗生素結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，不易發(fā)生降解有關(guān)[20]。畜禽糞便中的抗生素隨有機(jī)肥施用、降雨徑流和滲透等作用進(jìn)入周邊環(huán)境。在我國(guó)北方地區(qū)采集的施肥土壤中四環(huán)素類最高檢出濃度可達(dá)2 683 μg·kg-1，而磺胺類達(dá)32.7 μg·kg-1[21]。陳乾等[22]對(duì)天津市規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場(chǎng)廢水的研究表明，各養(yǎng)殖場(chǎng)都含有一種或多種生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)熵值>1的抗生素。李曉華[23]對(duì)我國(guó)抗生素的歸趨行為研究表明，在糞污及周邊的土壤中殘留較高濃度的抗生素，主要以四環(huán)素類為主，糞便中抗生素濃度高達(dá)30 400 μg·kg-1。因此，畜禽環(huán)境中高抗生素殘留進(jìn)入周邊介質(zhì)中會(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問(wèn)題，不僅會(huì)污染土壤和水體，還會(huì)引起環(huán)境微生物對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性，形成耐藥菌群，影響動(dòng)物及人體健康。

2 抗生素的去除方法及進(jìn)展(The method and progress of antibiotic removal)

為解決環(huán)境中的抗生素污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員在抗生素的去除方法及效率方面進(jìn)行了大量研究，抗生素可經(jīng)一系列生物或物化過(guò)程進(jìn)行降解。目前比較有效的為生物降解，主要以微生物降解和植物吸收為主，物化降解主要為光降解、水解和化學(xué)氧化降解[27]。

2.1 生物降解

2.1.1 微生物降解

目前，環(huán)境中抗生素去除的主要途徑為生物降解。微生物群落對(duì)環(huán)境中抗生素的生物降解影響顯著。生物降解也是畜禽糞便中抗生素殘留物失活的主要方式[28]。畜禽糞便生物處理是利用生物體或某些組成部分和功能使其無(wú)害化，或者采用生物方法和技術(shù)對(duì)畜禽糞便進(jìn)行飼料化、能源化處理，最終將有害物去除到最小程度，達(dá)到減量化[29]。畜禽糞便的生物處理工藝主要經(jīng)過(guò)好氧堆肥或厭氧消化，將有機(jī)污染物降解為H2O、CO2和礦物質(zhì)等對(duì)環(huán)境無(wú)害物質(zhì)[30]。大量實(shí)驗(yàn)研究表明好厭氧對(duì)抗生素去除效果較好(表2)。

表1 畜禽糞便中抗生素殘留情況Table 1 The case of residual antibiotics in animal manure

(1)好氧堆肥

堆肥過(guò)程中微生物起到主導(dǎo)地位，在穩(wěn)定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、減少畜禽糞便中病原體和氣味的同時(shí)，可以通過(guò)生物轉(zhuǎn)化過(guò)程有效降低畜禽糞便中抗生素含量[31]。Chai等[32]的研究結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)好氧堆肥后，四環(huán)素類抗生素的去除率可達(dá)67%。而Wang等[33]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，經(jīng)過(guò)單一豬糞好氧堆肥過(guò)程后，在堆肥初期(前5天)環(huán)丙沙星去除率高達(dá)83%，這可能是堆肥體的有機(jī)物產(chǎn)生了大量能夠吸附抗生素的位點(diǎn)[34]。

(2)厭氧消化

在厭氧消化過(guò)程中抗生素會(huì)在水相和顆粒吸附相兩者之間平衡及轉(zhuǎn)化，各類抗生素的不同平衡系數(shù)在一定程度上影響抗生素的去除[35-36]。Yin[37]的研究表明，通過(guò)厭氧消化可完全去除牛糞中殘留的硫酸粘菌素和制藥廠污泥中的硫酸粘菌素。Mitchell等[38]研究牛糞厭氧消化過(guò)程中典型抗生素的去除情況，發(fā)現(xiàn)氨芐青霉素、氟洛芬和泰樂(lè)菌素經(jīng)過(guò)厭氧后可完全被去除。

2.1.2 植物吸收

通過(guò)植物的吸收、根濾、降解和穩(wěn)定等作用，對(duì)環(huán)境中抗生素進(jìn)行去除[44]。目前已在多種農(nóng)作物如大豆、生菜、玉米、菠菜、蘿卜和西紅柿等中檢出了抗生素[45-46]。然而，農(nóng)作物對(duì)抗生素的吸收作用受抗生素的濃度大小、抗生素本身化學(xué)性質(zhì)(如分子量及疏水性)、土壤理化性質(zhì)、植物種類及植物根部的可溶性脂肪含量等因素影響[47-48]。此外，章程[49]的研究證實(shí)了植物對(duì)抗生素具有吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，然而這種能力在不同的培養(yǎng)環(huán)境下(土壤培養(yǎng)植物和營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)植物)有所不同。

表2 堆肥過(guò)程中獸用抗生素在不同類型動(dòng)物糞便中的去除情況Table 2 Degradation of veterinary antibiotics in animal manure during compost

2.2 物化降解

2.2.1 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法主要通過(guò)氧化劑與抗生素產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)或者產(chǎn)生自由基、羥基等具有強(qiáng)氧化性的物質(zhì)從而轉(zhuǎn)化降解抗生素。目前，常用的氧化劑為臭氧(O3)、高錳酸鉀(KMnO4)等[50]。有學(xué)者在對(duì)抗生素去除的研究中明確提出，在各種處理技術(shù)中，先進(jìn)的化學(xué)氧化處理技術(shù)，如臭氧、光催化氧化和UV/H2O2等工藝，最能有效去除污水中的抗生素，然而能量及經(jīng)濟(jì)消耗較大。李文君等[51]在對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水中磺胺類抗生素采用光催化氧化-UV/H2O2聯(lián)合氧化法進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1 h的反應(yīng)后，目標(biāo)抗生素的去除率均可達(dá)95%以上。王志剛等[52]采用電解氧化法對(duì)養(yǎng)殖廢水中抗生素進(jìn)行去除，結(jié)果表明，電解氧化反應(yīng)能夠有效去除養(yǎng)殖廢水中的抗生素，其中土霉素、四環(huán)素和金霉素的去除率均到達(dá)90%以上。綜上所述，高級(jí)氧化法能夠滿足養(yǎng)殖廢水較高濃度抗生素的去除，而對(duì)于固體畜禽糞便中抗生素的去除研究鮮有報(bào)道。

2.2.2 光降解

已有的研究表明，在光照條件下抗生素不穩(wěn)定，容易發(fā)生光解?？股刂苯游展庾舆M(jìn)行降解的過(guò)程為直接光解；而利用自然界中的光敏物質(zhì)，如硝酸鹽及腐殖酸，在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生基團(tuán)，如自由基·OH和1O2[53]，這些基團(tuán)吸收光子后，引發(fā)抗生素光化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到降解的目的稱為間接光解[54]。Timm等[55]對(duì)4種β-內(nèi)酰胺抗生素在模擬陽(yáng)光下的降解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4種β-內(nèi)酰胺抗生素(阿莫西林、氨芐青霉素、哌拉西林和青霉素)在模擬光照實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)周期后均得到部分降解，濃度可從1 000 ng·L-1降低到100～10 ng·L-1。然而，光化學(xué)降解的效果受某些抗生素化學(xué)結(jié)構(gòu)的限制，因此往往抗生素的單一光解達(dá)不到滿意的效果，所以光化學(xué)降解往往需要配合一些氧化劑、催化劑的使用[56]。除此之外，光催化劑也存在一定的問(wèn)題，例如，光生電子-空穴復(fù)合率高，光響應(yīng)的波段較窄。離子摻雜法可提高光催化劑的比表面積，在一定程度上改善光催化效率[57]。因此，光催化法在抗生素的去除方面仍需進(jìn)一步研究。

2.2.3 水解

磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素易溶于水并發(fā)生水解，因此，利用水解作用可加快易溶于水的特定抗生素的降解，達(dá)到去除環(huán)境中抗生素的目的[58]。大量抗生素隨畜禽糞便進(jìn)入好氧堆肥處理過(guò)程后，需調(diào)節(jié)堆肥初始堆料的含水率為60%用以啟動(dòng)堆肥。Mitchell等[59]發(fā)現(xiàn)，水解作用能夠顯著地去除環(huán)境中的氯霉素、氟苯尼考、螺旋霉素和泰樂(lè)菌素，但受溫度和pH的影響較大，發(fā)現(xiàn)溫度每升高10 ℃，水解速率增加1.5～2.9倍。因此，畜禽糞便堆肥過(guò)程中殘留抗生素的削減不僅會(huì)受到堆肥中水分的影響[60]，同時(shí)受水解過(guò)程中溫度和pH等其他因素的影響。

3 畜禽環(huán)境中影響抗生素降解的主要因素(The main factors affecting the degradation of antibiotics in livestock environment)

3.1 抗生素自身差異

不同的抗生素由于化學(xué)基團(tuán)結(jié)構(gòu)的差異在堆肥過(guò)程中降解程度不盡相同[61]。目前大多數(shù)的研究針對(duì)單一抗生素進(jìn)行試驗(yàn)，而添加相同種類或不同種類抗生素進(jìn)行堆肥時(shí)，可能產(chǎn)生復(fù)合作用，從而影響堆肥過(guò)程中的生物降解作用[62]。Alavi等[41]在對(duì)3類四環(huán)素進(jìn)行堆肥降解的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析研究發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素類抗生素降解率達(dá)80.43%，并受抗生素亞種的類型影響。

3.2 堆肥溫度

堆肥是畜禽糞便高效資源化的處置方法，能夠有效降低抗生素在環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[3]。堆肥處理是一個(gè)變溫過(guò)程，研究表明抗生素堆肥的升溫及高溫階段去除效果明顯，并且去除效率隨著溫度的升高而提高[63]。Liu等[64]的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，經(jīng)過(guò)35 d的堆肥過(guò)程，處于高溫期55 ℃的堆肥體中的磺胺類藥物完全降解，而室溫下的堆肥體仍能檢測(cè)到殘留量為1.12～1.56 mg·kg-1的磺胺類藥物。

3.3 堆肥修正劑及添加劑

在糞便堆肥過(guò)程中，固體廢棄物例如鋸末、稻殼和蘑菇殘留物等通常用作堆肥修正劑用以提高堆肥效果。Zhang等[65]的研究認(rèn)為，與抗生素濃度顯著負(fù)相關(guān)的細(xì)菌可能是潛在的抗生素降解劑，添加修正劑后導(dǎo)致降解細(xì)菌增加，這可能是促進(jìn)去除糞便中抗生素殘留的主要原因，比如，鋸末可能是通過(guò)增加黃單胞菌屬(Xanthomonadaceae)的豐度從而促進(jìn)豬糞中的抗生素降解。Chai等[32]的研究表明，在豬糞堆肥中摻入稻草，提高了堆肥高溫期的持續(xù)時(shí)間，從而有助于豬糞堆肥中四環(huán)素的降解。李海超[66]在研究中也發(fā)現(xiàn)，生物炭的添加能夠增加堆體溫度，延長(zhǎng)高溫期進(jìn)而有效降解抗生素。

微生物菌劑在厭氧消化和堆肥降解抗生素的過(guò)程中也起到重要作用。Ince等[67]研究發(fā)現(xiàn)，在糞便厭氧過(guò)程中活性細(xì)菌、甲烷微菌與土霉素之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。孟磊等[68]在高溫堆肥過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，添加外源耐菌種可以有效促進(jìn)抗生素的去除。肖禮等[69]也在豬糞堆肥過(guò)程中添加白腐真菌，發(fā)現(xiàn)能夠加快堆肥中四環(huán)素降解速度。類似的，沈東升等[70]則在堆肥中加入篩選得到的土霉素高效降解菌(Staphylococcus)，對(duì)土霉素的去除率比未接種的提高了約20%。因此，添加修正劑及外源菌劑可有助于提高堆肥過(guò)程中抗生素的降解率。

4 畜禽環(huán)境中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Risk assessment of antibiotics in livestock environment)

抗生素隨著畜禽糞便進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期富集，影響環(huán)境中土著微生物結(jié)構(gòu)，同時(shí)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生及傳播耐藥性極強(qiáng)的超級(jí)細(xì)菌，通過(guò)農(nóng)作物-人體食物鏈累積等途徑可能會(huì)被人體攝取，最終危及人類健康。對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有利于管控抗生素的使用，減少污染。但目前針對(duì)抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估仍未健全，而抗生素作為藥品及個(gè)人護(hù)理品(Pharmaceutical and Personal Care Products, PPCPs)中的一類，可以借鑒PPCPs的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[71]。王娜[31]在研究中提到，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為3個(gè)步驟(圖1)，其中危害性評(píng)估對(duì)生態(tài)毒理及人體健康效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，在此對(duì)抗生素的危害性評(píng)價(jià)進(jìn)行歸納總結(jié)。

4.1 生態(tài)毒理評(píng)估

(4.1.1 風(fēng)險(xiǎn)商值法

(1)水體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于我國(guó)對(duì)抗生素的研究較晚，缺少完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。目前多采用常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Risk Quotients, RQs)法評(píng)估[72-73]。

RQs = MEC/PNEC

PNEC = LC50/AF或EC50/AF

RQs = ∑RQi

式中：MEC為水體中抗生素最大質(zhì)量濃度(ng·L-1)；PNEC為預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度(ng·L-1)；LC50為半致死濃度(ng·L-1)，EC50為半最大效應(yīng)濃度(ng·L-1)，從實(shí)驗(yàn)或者文獻(xiàn)中獲取LC50和EC50值，當(dāng)存在多個(gè)值時(shí)，取最小值；AF為評(píng)價(jià)因子，1 000取自歐盟的技術(shù)指導(dǎo)文件中的推薦值[71]。為了更好地劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通常將RQ值劃分為4個(gè)等級(jí)(表3)。王華偉和張萬(wàn)峰[74]的研究中，根據(jù)RQ商值法計(jì)算經(jīng)過(guò)污水處理廠的入河口處殘留抗生素的RQ值，并評(píng)價(jià)了實(shí)測(cè)入河口中頭孢類抗生素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。表4為部分實(shí)驗(yàn)根據(jù)RQs法對(duì)不同介質(zhì)中抗生素含量劃定的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

張姚姚等[76]在研究中提到，僅根據(jù)其對(duì)某個(gè)物種的毒性數(shù)據(jù)計(jì)算PNEC，其評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的局限性，故建議采用物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)推導(dǎo)出PNEC值的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)水體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。針對(duì)暴露在同一污染物中的多個(gè)物種的毒性數(shù)據(jù)，用SSD曲線來(lái)估計(jì)一定比例的物種受有害影響時(shí)所對(duì)應(yīng)的污染物濃度，即x%的危害濃度(hazardous concentrations, HCx)，通常為HC5，即在該濃度下產(chǎn)生某種有害效應(yīng)的物種不超過(guò)該物種總數(shù)的5%(即SSD曲線5%概率上限處所對(duì)應(yīng)的效應(yīng)濃度值)[77]。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)量越豐富，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性越高。也有研究中將源于慢性毒性數(shù)據(jù)的HC5值作為PNEC值，同時(shí)可利用急性毒性數(shù)據(jù)和急慢性毒性比率(4.05)來(lái)獲得[76,78]。以朱小奕[79]的研究為例，基于獲得的慢性毒性數(shù)據(jù)，對(duì)磺胺甲惡唑、氧四環(huán)素、磺胺二甲嘧啶、四環(huán)素、紅霉素和羅紅霉素6種抗生素針對(duì)全部物種構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方程，使用BurrlizO軟件計(jì)算得出6種抗生素的物種敏感性擬合參數(shù)(表5)；通過(guò)ACR(acute to chronic ratio)-SSD聯(lián)用模型的擬合曲線圖簡(jiǎn)單地比較不同抗生素在各濃度下生物敏感性的差別。如圖2所示，圖中包含全部水生生物物種對(duì)6種抗生素的SSD曲線。再以SSD曲線為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析6種抗生素對(duì)95%的水生生物無(wú)不利影響的水生態(tài)系統(tǒng)安全濃度閾值(HC5值)。6種抗生素對(duì)全部水生物種的HC5值及其95%置信區(qū)間如表6所示。其中，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)影響最大的是大環(huán)內(nèi)脂類中的紅霉素，HC5為2.08 μg·L-1，其次是大環(huán)內(nèi)脂類中的羅紅霉素，HC5在20 μg·L-1以下，表現(xiàn)出對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)較大的損害風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 獸用抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)步驟Fig. 1 Step of risk assessment of veterinary antibiotics

表3 抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(RQs)等級(jí)Table 3 The Risk Quotients (RQs) assessment rating of antibiotics

表4 水體RQs風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果Table 4 Water risk assessment results by RQs

圖2 全部物種對(duì)6種抗生素的物種敏感性分布(SSD)曲線圖[79]Fig. 2 SSD curves of all species exposed to six antibiotics [79]

表5 利用BurrlizO計(jì)算全部物種的急慢性毒性比率-物種敏感度分布法(ACR-SSD)參數(shù)結(jié)果[79]Table 5 The acute to chronic ratio-species sensitivity distribution (ACR-SSD) parameters calculated by BurrlizO for all species[79]

(2)固態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

吳慧珍[80]利用RQ來(lái)評(píng)估有機(jī)肥中殘留抗生素對(duì)土壤產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)浙江省市售有機(jī)肥應(yīng)用后的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。預(yù)測(cè)的土壤中抗生素濃度(PEC)(mg·kg-1)與預(yù)測(cè)的土壤中PNEC(mg·kg-1)的比值即是RQ，RQ值共分為3檔：0.01～0.1，低風(fēng)險(xiǎn)；0.1～1，中等風(fēng)險(xiǎn)；>1，高風(fēng)險(xiǎn)。其中，預(yù)測(cè)的土壤中抗生素濃度可根據(jù)Li等[81]提出的公式計(jì)算。

PEC = (C×M)/(A×H×ρ)

式中：C是當(dāng)前有機(jī)肥中抗生素的濃度(mg·kg-1)；M為每年每公頃耕地中有機(jī)肥的施用量(kg)；A為有機(jī)肥施用面積(hm2)；H為表層土的深度(cm)；ρ為土壤密度(kg·m-3)。表7為以糞肥為評(píng)估對(duì)象所得健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.1.2 抗生素殘留風(fēng)險(xiǎn)排序

風(fēng)險(xiǎn)排序，作為一種可以用來(lái)進(jìn)行確認(rèn)、排序并得出最重要風(fēng)險(xiǎn)的技術(shù)方法[82]，又稱危害排序或比較風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。評(píng)估主要分為危害列表、評(píng)價(jià)指標(biāo)確立和排序三步。2004年起，英國(guó)獸藥殘留委員會(huì)已開(kāi)始采用該方法對(duì)獸藥殘留風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序。Asselt等[83]對(duì)芬蘭的抗生素殘留量對(duì)人體健康產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了排序分析；李樂(lè)等[82]則利用風(fēng)險(xiǎn)期望值排序法定量計(jì)算羅非魚中抗生素殘留風(fēng)險(xiǎn)并排序，以每日允許攝入量(ADI)及抗生素耐藥性之和為風(fēng)險(xiǎn)影響，使用抗生素的范圍和產(chǎn)品中抗生素殘留量之和為風(fēng)險(xiǎn)概率。對(duì)常用抗生素的殘留風(fēng)險(xiǎn)排序列于表8。

表6 抗生素對(duì)水生生物的5%危害濃度(HC5)值及其95%置信區(qū)間[79]Table 6 The hazardous concentrations for 5% of the species (HC5) values of antibiotics and their 95% confidence intervals [79]

表7 RQs糞肥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果[80]Table 7 The manure risk assessment results by RQs[80]

表8 抗生素殘留風(fēng)險(xiǎn)排序[31]Table 8 The priority classification results of veterinary medicines [31]

注：H表示高風(fēng)險(xiǎn)；M表示中風(fēng)險(xiǎn)；L表示低風(fēng)險(xiǎn)；VL表示極低風(fēng)險(xiǎn)。

Note: H means high risk; M means medium risk; L means low risk; VL means very low risk.

4.2 人體健康效應(yīng)評(píng)估

江蘇省水利廳參考Schwab等[84]提出的對(duì)飲水及漁業(yè)的抗生素健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，根據(jù)美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)推薦的風(fēng)險(xiǎn)商值法(Health Quotients)，估算抗生素的預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度并計(jì)算相應(yīng)的健康風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下[71]。

HQ = MEC/PNECW+F

HQs = ∑HQi

式中：ADI為抗生素的日容許攝入量(μg·kg-1·d-1)，該值參照世界衛(wèi)生組織和澳大利亞自然資源管理部長(zhǎng)理事會(huì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)；BW為平均體重(kg)；AT為平均暴露時(shí)間(d)；IngRDW為成人飲水?dāng)z取率；BCF為魚的生物濃縮因子；IngRF為成年人魚的消費(fèi)率；EF為暴露頻率(d·a-1)；ED為暴露期(a)；1 000為不確定因子，通過(guò)不確定因子來(lái)解釋動(dòng)物毒理數(shù)據(jù)對(duì)人外推的差異性。根據(jù)US EPA的規(guī)定，當(dāng)HQs≥1，說(shuō)明抗生素對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)不可接受；當(dāng)0.1

Prosser和Sibley[85]采用ADI值對(duì)施用糞肥改良劑土壤中的植物組織中的PPCPs(包含抗生素)進(jìn)行了人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Ben等[86]在抗生素殘留相關(guān)的抗生素耐藥性的人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中提出了一種連貫的概念化模型(圖3)。建立的模式是評(píng)估人類暴露于環(huán)境抗生素殘留物引起的抗生素耐藥性導(dǎo)致的感染和死亡風(fēng)險(xiǎn)，其中包括畜禽糞便對(duì)人體的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估部分。它根據(jù)實(shí)驗(yàn)和建模方法，考慮了抗生素濃度動(dòng)態(tài)耐藥性反應(yīng)的間隔。然而，該模型工作所需的大量數(shù)據(jù)尚有不足，需要進(jìn)行廣泛的研究以填補(bǔ)這些數(shù)據(jù)空白。隨著進(jìn)一步研究，該評(píng)估模式將有助于形成有針對(duì)性的政策，監(jiān)測(cè)環(huán)境中的抗生素殘留物，并減輕抗生素耐藥性環(huán)境來(lái)源的傳播。這也將為降低人類在環(huán)境中接觸抗生素耐藥性所帶來(lái)的健康風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

5 展望(Outlook)

近年來(lái)，基于大量研究及報(bào)道發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外畜禽糞便中抗生素污染問(wèn)題普遍嚴(yán)重，多數(shù)達(dá)到了生態(tài)毒性效應(yīng)濃度閾值幾倍以上，然而對(duì)于抗生素后續(xù)治理和徹底根除仍未找到有效的解決辦法。本文綜述了有關(guān)抗生素去除的方法，重點(diǎn)解析抗生素去除方式及影響因素，為有效去除畜禽環(huán)境中抗生素提供參考。同時(shí)，歸納總結(jié)了抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，為抗生素的生態(tài)毒理學(xué)評(píng)估提供可靠依據(jù)?？傮w而言，現(xiàn)階段對(duì)于抗生素去除的物理、化學(xué)和生物作用局限于表面現(xiàn)象的描述，缺乏對(duì)抗生素污染水平有效降低的轉(zhuǎn)化降解機(jī)理與分子機(jī)制的研究，有必要加深機(jī)制機(jī)理的研究。鑒于抗生素去除及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究現(xiàn)狀，建議今后開(kāi)展以下工作。

(1)部分抗生素(如氟喹諾酮)屬光降解敏感型抗生素，應(yīng)結(jié)合光解和生物降解研究去除方法。農(nóng)田土壤作為糞肥施用后抗生素轉(zhuǎn)移的直接受納環(huán)境，可將篩選出的土壤中有效降解抗生素的功能菌與對(duì)抗生素吸收和富集能力較強(qiáng)的植物進(jìn)行組合，在復(fù)合效應(yīng)下提高抗生素的去除效果。

圖3 與環(huán)境中抗生素殘留相關(guān)的抗生素耐藥性的人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的概念框架Fig. 3 Conceptual framework of human health risk assessments of antibiotic resistance associated with antibiotic residues in the environment

(2)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)抗生素污染控制試驗(yàn)多處于實(shí)驗(yàn)室水平，外界復(fù)雜的環(huán)境因素及畜禽環(huán)境中抗生素殘留水平不同于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，所以畜禽環(huán)境中抗生素的去除及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究不應(yīng)僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平。與此同時(shí)，水介質(zhì)中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系較為完備，土壤環(huán)境及畜禽環(huán)境中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法缺乏試驗(yàn)，應(yīng)比較各評(píng)估方法對(duì)不同介質(zhì)中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估效果，明確各介質(zhì)最佳評(píng)估方法。

(3)堆肥和外源添加高效降解菌劑已被大量研究證實(shí)，可穩(wěn)定糞肥并有效降低抗生素濃度。然而堆肥環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)外源菌劑存在一定程度的抑制作用，為增強(qiáng)外源菌劑對(duì)抗生素的去除作用，應(yīng)加強(qiáng)外源菌劑的耐受性研究。值得注意的是，外援菌劑中有效降解抗生素的微生物，部分為耐藥菌，攜帶不同種類的耐藥基因，可能存在耐藥菌、耐藥基因傳播擴(kuò)散的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

致謝：感謝中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2019-jbkyywf-xy)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41807369)資助。