閆 閣，卞曉崢，華潔平，李 恒

(1.華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450046 ； 2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046)

抗生素是一類廣泛應(yīng)用于治療人類、禽畜及水產(chǎn)養(yǎng)殖中各種細菌感染疾病的化合物。近年來，抗生素的種類、產(chǎn)量與用量不斷增加，有數(shù)據(jù)顯示，2013年中國抗生素使用總量約162 000 t，其中人類消耗占總使用量的48%左右，其余為動物消耗，其中磺胺類、四環(huán)素類、氟喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、β-內(nèi)酰胺類和其他抗生素分別占總使用量的5%、7%、17%、26%、21%和24%[1-2]?！?019—2025年中國抗生素行業(yè)發(fā)展全面調(diào)研與未來趨勢報告》顯示，2019年中國抗生素產(chǎn)量達到21.8萬t，需求量為13.1萬t。BROWER等[3]預(yù)測在2010—2030年期間全球抗菌藥的消耗量將增加67%。過去一段時間內(nèi)，人們僅僅關(guān)注抗生素藥物對人體、動植物疾病的治療和促進動植物生長的積極作用，藥品管理混亂和藥物濫用問題嚴重，導(dǎo)致了藥物在人體以及環(huán)境中不斷積累、富集，而一直忽略這些化合物被排入環(huán)境后的歸趨問題。此外，由于過去環(huán)境分析手段的限制，在很長一段時間內(nèi)，這些痕量污染物對環(huán)境生態(tài)可能造成的潛在影響一直被忽略。

基于抗生素藥物的使用情況，分析了抗生素在水環(huán)境中的遷移分布特征，并進一步研究了代謝組學(xué)應(yīng)用于藥物毒性及其代謝機理的研究進展，比較了藥物代謝產(chǎn)物的各類檢測技術(shù)特點，為研究基于代謝組學(xué)的抗生素藥物毒性研究提供了理論依據(jù)。

1 抗生素藥物的環(huán)境分布和遷移轉(zhuǎn)化

水體中的抗生素主要來源于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人類生產(chǎn)生活排放的廢水，其中抗生素生產(chǎn)企業(yè)、飼料生產(chǎn)及加工企業(yè)、養(yǎng)殖場是主要的污染源頭[4]。人類或者動物所排出的糞便經(jīng)由城市污水管網(wǎng)或者鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水管網(wǎng)最終進入到水體環(huán)境中，也成為水體環(huán)境中抗生素的主要來源之一[5]。除此之外，污水下水道系統(tǒng)的破裂和溢流、化糞池的滲流擴散，都是抗生素藥物直接和間接進入環(huán)境水體的途徑[6]。

研究表明，排入水體中的藥物主要以抗生素為主，且常規(guī)污水處理廠對抗生素類藥物的去除率較低[7]。高效的制藥廢水處理技術(shù)雖能去除大部分有機物，但難以去除難降解有機物，仍有一定量的藥物殘留排入到水體中[8]。制藥廢水污染物的遷移途徑錯綜復(fù)雜。以抗生素為例，污染物以原形或代謝產(chǎn)物的方式長時間殘留在水體中，既可以通過污水處理廠直接出水到地表水或地下水中，也可以通過垃圾填埋、養(yǎng)殖排放的糞便以滲濾、施肥、填埋等方式進入土壤環(huán)境，最終進入地表水和地下水，見圖1。這些污染物引起的環(huán)境風險將會通過食物鏈擴散，不斷積累、富集，最終進入人體產(chǎn)生毒性[9-10]。

圖1 抗生素在環(huán)境中的來源分布

抗生素在世界范圍內(nèi)的地表水中普遍存在。在對歐洲地表水的監(jiān)測研究中發(fā)現(xiàn)，喹諾酮類、磺胺類和甲氧芐啶類是檢測到的含量最多的抗生素。其在水生環(huán)境中可以被動物(養(yǎng)殖動物和魚類)吸收或進入飲用水，也可能通過低濃度的水或食物持續(xù)對人類產(chǎn)生長期影響[11]。通過檢測和分析伊朗Kan和Firozabad兩條河流的12個樣品發(fā)現(xiàn)，環(huán)丙沙星和頭孢氨芐是檢測到的濃度含量最高的抗生素，質(zhì)量濃度分別為656.8 ng/L和184.4 ng/L。所施用抗生素的相當一部分會通過人和動物的尿液和糞便以代謝和未代謝的形式排泄，這些抗生素被輸送到廢水收集系統(tǒng)中，最終到達污水處理廠[12]。CI等[13]對洞庭湖地表水以及市政污水處理廠和養(yǎng)豬場的進水和廢水中18種抗生素分布進行了研究，抗生素類型主要為環(huán)丙沙星、洛美沙星、土霉素和金霉素等。羅紅霉素和氧氟沙星的質(zhì)量濃度在研究區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出明顯的時空變化特征，表明它們與豬的繁殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和人類活動有關(guān)的不同排放源以及其在水生系統(tǒng)中的降解有關(guān)。

相比地表水，抗生素在地下水中屬于微量或痕量水平。在西班牙的47個地下水樣品中檢測出最常見的抗生素是磺胺甲惡唑和環(huán)丙沙星，低生物降解率是磺胺甲惡唑和環(huán)丙沙星在地下水中廣泛存在的原因[14]。LEE等[15]在對韓國地下水的監(jiān)測分析中發(fā)現(xiàn)，磺胺噻唑和磺胺甲惡唑的質(zhì)量分數(shù)最高，分別為38%和31%。ZUO等[16]對中國東北利民飲用水資源的地下水中的三種磺胺類抗生素進行了調(diào)查研究，結(jié)果表明，地下水中磺胺甲氧基噠嗪的質(zhì)量濃度較高，在7～30 ng/L，磺胺甲惡唑和磺胺二甲基嘧啶的質(zhì)量濃度相對較低，不超過1 ng/L?；前奉惪股乇粡V泛用作獸藥，并且30%～90%的磺胺類抗生素通過糞便排泄，殘留在糞便中的磺胺類抗生素的代謝產(chǎn)物和母體化合物在很長一段時間內(nèi)仍保持顯著的殘留活性，持續(xù)存在于糞便堆肥過程中，不僅污染土壤，而且由于磺胺具有較高的水溶性，對土壤的吸附親和力很弱，很容易從土壤轉(zhuǎn)移到地下水中。YAO等[17]在對中國中部江漢平原地下水的監(jiān)測分析中發(fā)現(xiàn)氟喹諾酮和四環(huán)素是主要抗生素，且氟喹諾酮和四環(huán)素的化合物易溶于水，能被輸送到較深的含水層。針對不同抗生素藥物類別，總結(jié)了世界范圍內(nèi)部分抗生素在水環(huán)境中的檢出情況，見表1。

表1 抗生素藥物在水環(huán)境中的濃度水平

我國是抗生素藥物的使用和生產(chǎn)大國，飲用水中的抗生素主要來源于地表水和地下水中殘留的抗生素藥物。因此即使存在于飲用水中的抗生素只有微量或痕量水平，在長期暴露下也會對人體造成慢性毒性及潛在危害。對中國31個省級行政區(qū)域的71個城市的飲用水的調(diào)查研究表明，磺胺類是中國飲用水中最常見的抗生素[18]。WANG等[19]對長江下游28個飲用水源地5種四環(huán)素(TCs)在枯水期、正常水期和汛期的時空分布規(guī)律進行了研究，結(jié)果表明，四環(huán)素(TC)、土霉素(OTC)和強力霉素(DXC)是檢出率最高的抗生素。TC、OTC和DXC在旱季的最高質(zhì)量濃度分別為11.16、18.98、56.09 ng/L。KONG等[20]對江蘇省駱馬湖流域淺層飲用水源地17個水樣中抗生素的分布、豐度進行了調(diào)查研究，共檢出19種抗生素，檢出率為2.27%～100%。總抗生素質(zhì)量濃度范圍為34.91～825.93 ng/L，中位質(zhì)量濃度為195.45 ng/L，其中以金霉素為主，占總抗生素濃度的91.0%。LI等[21]對長江重慶地區(qū)的9個大型飲用水源(5個城市飲用水源和4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)飲用水源)進行了監(jiān)測分析，共檢測到8種抗生素，包括磺胺類藥物、大環(huán)內(nèi)酯類藥物和其他抗生素。5個城市飲用水源中抗生素殘留的質(zhì)量濃度范圍為13.9～76.6 ng/L，平均為46.4 ng/L，4個城鎮(zhèn)飲用水源中的抗生素殘留質(zhì)量濃度為20.6～188.1 ng/L，平均質(zhì)量濃度為88.45 ng/L。

2 代謝組學(xué)在環(huán)境中的應(yīng)用

水生環(huán)境中存在的亞致死濃度的抗生素通過人為活動分散可能會對非目標物種產(chǎn)生不利影響[22]?？股赝ǔＪ怯H脂性的，這使得它們很容易穿過細胞膜進入到靶器官或組織中，進行化合物的代謝，或生物轉(zhuǎn)化成極性的和非活性的代謝產(chǎn)物，從而影響酶代謝的過程。研究表明，人們食用了有藥殘留的水產(chǎn)品后容易出現(xiàn)毒性反應(yīng)，如氯霉素能引起再生障礙性貧血和顆粒性細胞缺乏癥，四環(huán)素類抗生素易抑制幼兒牙齒發(fā)育和骨骼的生長，氨基糖苷類能造成耳中毒等。環(huán)境中，尤其是水體中廣泛存在抗菌藥、消炎藥、抗生素、咖啡因、鎮(zhèn)靜劑、降血脂藥、激素、利尿劑、類固醇、抗癌藥等藥類污染物[23]。由于這些藥物被設(shè)計用于產(chǎn)生生物效應(yīng)，其對非目標生物的潛在不利影響不容忽視，但人們對這些影響知之甚少。

近幾年來，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄物組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)技術(shù)在地表水體、土壤等環(huán)境中的生物毒理過程及相關(guān)機制成為研究熱點。由于常見的代謝途徑受到特定化學(xué)組分的影響，在研究藥物污染物對人類及生物的影響時，其作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分受到極大關(guān)注[24]。POLITAKIS等[25]探討了過期的市售家庭醫(yī)療藥物對貽貝血細胞的影響，研究了兩種藥物(Buscopan Plus和Mesulid)干擾其血細胞健康狀況的能力，結(jié)果表明，血細胞內(nèi)的活性物質(zhì)在受到攻擊后減少，應(yīng)激指數(shù)顯著降低，藥物作用影響了貽貝血細胞的正常代謝。王加龍等[26]研究結(jié)果表明，土壤中較低含量的恩諾沙星殘留(0.01 μg/g，0.1 μg/g)會對土壤的呼吸作用、纖維分解作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用產(chǎn)生的刺激作用，而土壤中相對含量較高的恩諾沙星殘留(1 μg/g)會產(chǎn)生抑制效應(yīng)，降低微生物群落多樣性。任憲云[27]報道了氟苯尼考(FLR)對凡納濱對蝦脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化損傷的影響，在高質(zhì)量比條件下酶活性抑制作用增強，而在停止投喂抗生素后，生物大分子逐漸修復(fù)。YAMASHITA等[28]對甲殼綱動物水蚤進行了研究，結(jié)果表明，克拉霉素對水蚤具有很強的慢性毒性作用。也有學(xué)者評估了具有重金屬生物累積性的抗菌藥物：退熱楓香的惡喹酸、氟甲喹和土霉素在苔蘚植物累積，研究結(jié)果表明，抗菌藥物電離度越高，其生物蓄積量越大[29]。土壤和水體生物在富集一定藥物后，便會通過食物鏈進入到人體和動物里，給人類的身體健康及環(huán)境造成潛在的危害。按藥物類別、藥物成分、病原體影響代謝方式、作用目標、受影響物種排序，表2總結(jié)了部分抗生素毒性實驗造成直接或間接的代謝影響。

表2 抗生素藥物對動植物的慢性毒性影響

雖然有足夠多的關(guān)于藥物對環(huán)境生物毒性的研究，但這些研究目前還不足以證明對人類也有相似的作用，也不足以決定這些化學(xué)品是否對環(huán)境構(gòu)成重大威脅。目前解決這一問題的最實際的辦法是做出一系列代表藥物作用人類的模型，這將有助于進一步的風險評估。我國是一個藥物生產(chǎn)和使用的大國，藥物及其代謝物對水環(huán)境的污染是一個不容忽視的問題，迫切需要對水體中的藥物污染情況進行研究，探明藥物在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。國內(nèi)外研究已對水環(huán)境中的抗生素類型和含量進行了詳細的研究探討，而對于抗生素遷移轉(zhuǎn)化的研究尚未系統(tǒng)化，而這種遷移轉(zhuǎn)化對生態(tài)系統(tǒng)的風險也需進一步研究。

現(xiàn)階段，代謝組學(xué)的應(yīng)用離不開現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)用最為廣泛的當數(shù)質(zhì)譜(MS)和核磁共振(NMR)。質(zhì)譜具有高靈敏度和高選擇性；而核磁共振是一項“非破壞性”技術(shù)，樣品前處理較為簡單，不同處理技術(shù)的優(yōu)缺點見表3。這些分析檢測技術(shù)為研究生物體暴露于環(huán)境污染物后其可能產(chǎn)生的毒性及代謝機理提供了最行之有效的技術(shù)手段。盡管抗生素快速分析技術(shù)的出現(xiàn)使得這些痕量污染物的檢測和分析成為可能，但針對復(fù)雜成分水樣檢測前的預(yù)處理操作普遍存在時間長、費用高的問題，因此，開發(fā)抗生素污染物快速檢測分析方法是水質(zhì)安全監(jiān)測的當務(wù)之急。

表3 現(xiàn)代分析技術(shù)優(yōu)缺點比較

3 結(jié)語

近年來，濫用抗生素藥物造成的水環(huán)境污染及其引起的潛在危害影響已經(jīng)引起了國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注，研究制藥廢水主要污染物遷移轉(zhuǎn)化和快速檢測方法有利于水污染防治和毒性診斷。代謝組學(xué)技術(shù)將為制藥污水中污染物對生物體的毒性作用提供更為全面和可信的機理解讀，以及快速檢測方法，并為尋找到合適的藥物以減輕毒性打下基礎(chǔ)，前景廣闊。