余子賢 趙婧瀅 饒培源 謝蓉蓉 張夢(mèng)露 李小梅 李家兵#

(1.福建師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，福建 福州 350007；2.福建省污染控制與資源循環(huán)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建師范大學(xué))，福建 福州 350007)

自20世紀(jì)初期，英國(guó)科學(xué)家亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來(lái)，各類(lèi)抗生素藥物被廣泛用于治療和預(yù)防各種細(xì)菌感染疾病，挽救了無(wú)數(shù)人的生命，因此被稱(chēng)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一[1]。目前，世界上使用的抗生素種類(lèi)主要有β-內(nèi)酰胺類(lèi)、四環(huán)素類(lèi)、喹諾酮類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、磺胺類(lèi)、氨基糖苷類(lèi)和氯霉素類(lèi)等。中國(guó)也是抗生素生產(chǎn)和使用大國(guó)，尤其在醫(yī)用和畜牧業(yè)方面抗生素使用比例較大[2]。如2015年中國(guó)抗生素使用量達(dá)到16.2萬(wàn)t，占到全球使用量的50%左右[3]。但研究表明，生物體在攝入抗生素后僅有15%能被機(jī)體吸收，剩余的85%均以原生狀態(tài)或生化代謝產(chǎn)物形式排泄出體外[4]。環(huán)境中未被利用的抗生素將誘導(dǎo)產(chǎn)生大量抗生素抗性菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARGs)。其中，ARGs能通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)在同類(lèi)甚至跨物種間的傳播，從而促進(jìn)細(xì)菌抗生素抗性在不同環(huán)境介質(zhì)中的擴(kuò)散，這無(wú)疑對(duì)整個(gè)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成巨大威脅[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)河流中抗生素的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了大量研究，然而靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的時(shí)空分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律還鮮有關(guān)注。靜態(tài)水是流速很低甚至沒(méi)有流動(dòng)或水體交換速度緩慢的水體統(tǒng)稱(chēng)，如湖泊、水庫(kù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖塘等。靜態(tài)水周邊多為宜居環(huán)境或作為飲用水水源地存在，與人類(lèi)的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，因此抗生素在靜態(tài)水環(huán)境中的分布規(guī)律與遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理的梳理能為正確評(píng)估靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和降低其危害性提供一定參考。

1 靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的來(lái)源

靜態(tài)水環(huán)境中的抗生素主要來(lái)自3個(gè)方面：(1)醫(yī)療機(jī)構(gòu)和個(gè)人家庭用藥，即未被患者代謝利用的抗生素以原藥或代謝物的形式經(jīng)由體液進(jìn)入污水排放系統(tǒng)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)過(guò)期且未妥善處理的抗生素、醫(yī)療廢物和醫(yī)療器械上殘留的抗生素導(dǎo)致醫(yī)院污水中抗生素水平遠(yuǎn)高于自然環(huán)境水體，其質(zhì)量濃度可達(dá)5.9～11.8 μg/L[6]。另外，大眾在使用抗生素過(guò)程中存在不合理和不科學(xué)問(wèn)題，導(dǎo)致大量的過(guò)期抗生素藥品隨意丟棄，隨生活污水或地表徑流進(jìn)入靜態(tài)水環(huán)境，這也造成抗生素濃度不斷升高。(2)畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的含抗生素廢水。未被畜禽利用的部分抗生素會(huì)隨著排泄物作為有機(jī)肥進(jìn)入到農(nóng)田系統(tǒng)，經(jīng)地表和地下徑流最終進(jìn)入靜態(tài)水環(huán)境。水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的抗生素一部分會(huì)直排進(jìn)入湖泊、河流或海洋，另一部分則會(huì)殘留于底泥中。如鄱陽(yáng)湖區(qū)典型養(yǎng)豬場(chǎng)廢水和下游水體均檢測(cè)出磺胺類(lèi)、喹諾酮類(lèi)和四環(huán)素類(lèi)抗生素，其中氧氟沙星達(dá)到0.911 μg/L，四環(huán)素高達(dá)5.6 mg/L[7]。(3)來(lái)自于抗生素生產(chǎn)廠(chǎng)家產(chǎn)生的含抗生素廢水的排放。目前，中國(guó)生產(chǎn)抗生素藥品的企業(yè)有1 000多家，生產(chǎn)抗生素種類(lèi)繁多。研究表明，抗生素生產(chǎn)廠(chǎng)家排放的廢水中卡那霉素、土霉素、四環(huán)素分別為80、500～1 000、1 500 mg/L，表明處理工藝對(duì)抗生素的去除能力并不顯著[8]，其排放到水體中的抗生素濃度仍遠(yuǎn)超預(yù)期。

2 典型靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的含量

湖泊和水庫(kù)等水體交換速度較慢的水體是抗生素的重要儲(chǔ)存場(chǎng)所[9]，大量的抗生素可能會(huì)通過(guò)生活和畜禽養(yǎng)殖廢水進(jìn)入其中。值得注意的是，中國(guó)的湖泊、水庫(kù)同水產(chǎn)養(yǎng)殖塘一樣是重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，大量的抗生素藥物常被用于治療或預(yù)防水產(chǎn)養(yǎng)殖中的疾病[10]。其中，水產(chǎn)養(yǎng)殖塘作為靜態(tài)水環(huán)境的典型，其水體交換速率受人為影響，水體日常交換速率接近于零，屬于一種長(zhǎng)期且穩(wěn)定的典型靜態(tài)水環(huán)境。這些靜態(tài)水環(huán)境中均存在各類(lèi)抗生素藥物，具體見(jiàn)表1。

表1 典型靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的質(zhì)量濃度1)Table 1 Antibiotic mass concentrations in a typical static water environment

目前，中國(guó)研究者在各種湖泊、水庫(kù)和養(yǎng)殖區(qū)中均檢出抗生素的存在，其中三峽水庫(kù)抗生素最高可達(dá)1 547.9 ng/L。導(dǎo)致這種情況的主要原因之一可能是水產(chǎn)養(yǎng)殖中的抗生素主要通過(guò)未被水生動(dòng)物食用的剩余餌料或水生動(dòng)物的糞便進(jìn)入到水體環(huán)境，并沉降于底泥之中[26]。曾有研究指出，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所投放的抗生素僅有20%～30%被水生動(dòng)物所吸收，其余的70%～80%進(jìn)入到水環(huán)境當(dāng)中[28]。

經(jīng)檢索和匯總統(tǒng)計(jì)，相關(guān)文獻(xiàn)資料中靜態(tài)水環(huán)境中抗生素質(zhì)量濃度為0.16～3 242.00 ng/L，平均93.38 ng/L，磺胺類(lèi)(磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑等)、喹諾酮類(lèi)(恩諾沙星、氧氟沙星等)和四環(huán)素類(lèi)(四環(huán)素、土霉素等)在水體中被廣泛檢出。常見(jiàn)的5大類(lèi)抗生素(氯霉素類(lèi)、磺胺類(lèi)、喹諾酮類(lèi)、四環(huán)素類(lèi)和大環(huán)內(nèi)酯類(lèi))平均質(zhì)量濃度分別為7.74、37.83、73.99、131.37、34.44 ng/L，其中四環(huán)素類(lèi)最高，氯霉素類(lèi)最低。恩諾沙星在17篇文獻(xiàn)中被檢出，是被檢索文獻(xiàn)中被檢出次數(shù)最多的抗生素；土霉素平均質(zhì)量濃度為488.11 ng/L，是所有被檢出抗生素中質(zhì)量濃度最高的；氯霉素平均質(zhì)量濃度為2.95 ng/L，是所有被檢出抗生素中質(zhì)量濃度最低的。

3 靜態(tài)水環(huán)境中抗生素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其影響因子

靜態(tài)水環(huán)境由于水體交換時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致抗生素能長(zhǎng)時(shí)間在系統(tǒng)中進(jìn)行分布和擴(kuò)散，使得靜態(tài)水環(huán)境成為抗生素一個(gè)重要的“匯”[29]。人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的抗生素進(jìn)入靜態(tài)水環(huán)境中致使水體中的細(xì)菌和藻類(lèi)產(chǎn)生一定的毒性，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致耐藥菌種的產(chǎn)生，并賦存于水體、沉積物和水生植物中。靜態(tài)水環(huán)境中抗生素轉(zhuǎn)移到人類(lèi)的途徑主要有3種：飲用含抗生素的飲用水、食用含抗生素的水產(chǎn)品和與含抗生素的靜態(tài)水環(huán)境直接接觸[30]。

3.1 吸 附

吸附是抗生素在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的重要過(guò)程，一般包括物理性和化學(xué)性吸附?？股赝ㄟ^(guò)范德華力、色散力、誘導(dǎo)力和氫鍵等分子間作用力與水體、土壤中有機(jī)物或顆粒物表面吸附點(diǎn)相吸附，或抗生素分子的功能集團(tuán)(如羧基、醛基、胺基)與水體中有機(jī)物質(zhì)形成絡(luò)合物，從而被吸附在水體中[31]。吸附能力較強(qiáng)的抗生素在環(huán)境中較穩(wěn)定，容易蓄積，對(duì)所處水環(huán)境將產(chǎn)生一定的危害。吸附能力弱的抗生素不與固相物質(zhì)結(jié)合，在水體的物理淋洗作用下發(fā)生遷移，向下游地區(qū)流動(dòng)，進(jìn)一步對(duì)下游水環(huán)境構(gòu)成威脅[32]。

3.2 降 解

靜態(tài)水環(huán)境中視環(huán)境條件的不同，抗生素會(huì)發(fā)生一種或多種降解反應(yīng)?？股氐慕到馔緩街饕w水解、光降解和微生物降解。通常，降解過(guò)程會(huì)降低抗生素自身的藥效或毒性，但某些抗生素的代謝產(chǎn)物具有和抗生素本身相當(dāng)?shù)亩拘?，甚至毒性可能?huì)更強(qiáng)[33]。

水解是抗生素在靜態(tài)水環(huán)境中降解的最重要方式，5大類(lèi)抗生素中大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)、磺胺類(lèi)容易發(fā)生水解。LOFTIN等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在控制溫度和pH為變量的條件下，金霉素、土霉素和四環(huán)素的水解速率存在顯著的差異?，F(xiàn)有研究大多發(fā)現(xiàn)，抗生素的水解速率基本都與所處環(huán)境的pH有關(guān)，但其降解情況取決于各類(lèi)抗生素自身的特性。

光降解是指由于光的作用而引起的污染物分解的現(xiàn)象。對(duì)于光降解的影響因素已有眾多研究，大致可概括為光照、pH和腐殖酸等。REYES等[35]設(shè)置3種光源(紫外燈、浴室照明設(shè)備和長(zhǎng)波紫外光)對(duì)四環(huán)素進(jìn)行TiO2光催化研究，研究發(fā)現(xiàn)，紫外燈、浴室照明設(shè)備和長(zhǎng)波紫外光下四環(huán)素的半衰期分別為10、20、120 min，說(shuō)明了不同光源對(duì)同種抗生素的光降解速率有一定的影響?？股厮幩h(huán)境酸堿度對(duì)抗生素的光降解存在較顯著的影響[36]。肖健等[37]研究表明，紅霉素和羅紅霉素在pH為7.5的溶液中降解率可達(dá)到最高。腐殖酸是在地表水中廣泛存在的天然有機(jī)物，具有很強(qiáng)的光敏性。葛林科等[38]探討了模擬日光下腐殖酸的添加對(duì)加替沙星光降解的影響，研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸對(duì)其光降解產(chǎn)生了明顯的抑制作用。

微生物降解亦是抗生素在靜態(tài)水環(huán)境中降解的重要途徑。不同類(lèi)別抗生素因自身結(jié)構(gòu)的不同，其微生物降解途徑的差異也很大。劉元望等[39]研究發(fā)現(xiàn)，抗生素的微生物降解途徑主要包括羥基化/去羥基化、取代基的氧化作用、裂合作用、取代作用、水解作用和基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用。微生物降解主要是依托微生物本身對(duì)抗生素進(jìn)行有效降解，所以微生物所處的生活環(huán)境直接影響微生物的活性，進(jìn)而對(duì)抗生素降解產(chǎn)生影響。影響因素主要包括環(huán)境中氧氣含量、水分、pH和溫度等。

4 靜態(tài)水環(huán)境中抗生素殘留的危害

自然環(huán)境中抗生素的含量很低，一般處在ng/L水平，但由于人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的影響導(dǎo)致質(zhì)量濃度增至μg/L甚至mg/L的水平，現(xiàn)在成為一種特殊的新興污染物。環(huán)境中賦存的抗生素殘留對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和人類(lèi)健康均存在潛在風(fēng)險(xiǎn)[40]，其主要表現(xiàn)為3個(gè)方面。

4.1 誘導(dǎo)產(chǎn)生ARB及ARGs

抗生素耐藥性是指某些微生物亞群體能在暴露于一種或多種抗生素的條件下得以生存的現(xiàn)象，其主要機(jī)制是抗生素通過(guò)與特定細(xì)菌靶標(biāo)相互作用，表現(xiàn)為抑制細(xì)菌細(xì)胞壁合成、蛋白質(zhì)合成或核酸復(fù)制。細(xì)菌對(duì)抗菌劑產(chǎn)生耐藥性的作用部位和潛在機(jī)制見(jiàn)圖1[41]。無(wú)論抗生素耐藥性是固有的還是獲得性的，耐藥性的遺傳決定因素都會(huì)編碼特定的生化耐藥性機(jī)制，其中可能包括藥物的酶促失活、抗生素靶位點(diǎn)結(jié)構(gòu)改變和阻止獲得足夠濃度的抗菌劑到達(dá)活動(dòng)站點(diǎn)。另外，抗生素能誘使ARGs的產(chǎn)生，ARGs可能在不同細(xì)菌間傳遞，從而導(dǎo)致其特殊的生態(tài)毒理效應(yīng)[42]。

圖1 細(xì)菌對(duì)抗菌劑產(chǎn)生耐藥性的作用部位和潛在機(jī)制Fig.1 The action site and potential mechanism of bacteria resistance to antibacterial agents

4.2 導(dǎo)致環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

由外源進(jìn)入并殘留在環(huán)境中的抗生素對(duì)環(huán)境微生物的耐藥性產(chǎn)生選擇壓力，即耐藥性的微生物得以保存、繁殖并逐漸成為優(yōu)勢(shì)微生物，不斷將其耐藥基因傳遞給其他微生物，而抗生素敏感型的種群逐漸消失，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[43]。

4.3 抗生素對(duì)人類(lèi)及動(dòng)物健康的威脅

畜牧產(chǎn)品內(nèi)殘留的抗生素沿著食物鏈最終傳遞到人體內(nèi)，導(dǎo)致體內(nèi)微生物產(chǎn)生耐藥性，致使許多臨床疾病變得更難治愈。根據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，美國(guó)每年因?yàn)锳RB的影響，有上百萬(wàn)人需要接受治療，并有上千人死于這類(lèi)疾病。此外，部分藥物甚至在致病菌和非致病菌之間相互傳播，甚至可能將抗生素耐藥性轉(zhuǎn)移到人類(lèi)共生微生物和病原體中產(chǎn)生“三致”效應(yīng)或激素類(lèi)藥物的作用，嚴(yán)重干擾了人類(lèi)的各項(xiàng)生理功能，威脅人類(lèi)健康[44]。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于人類(lèi)生產(chǎn)生活導(dǎo)致了湖泊、水庫(kù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖塘中含有大量的抗生素并產(chǎn)生累積的現(xiàn)象，將勢(shì)必對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和水產(chǎn)品品質(zhì)帶來(lái)較大的影響。本研究系統(tǒng)梳理和分析靜態(tài)水環(huán)境中含有的抗生素種類(lèi)、含量和分布，評(píng)述抗生素的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程和危害，并在此基礎(chǔ)上對(duì)靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的研究方向進(jìn)行展望：(1)當(dāng)前對(duì)靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的來(lái)源和去向研究較少。靜態(tài)水環(huán)境作為一個(gè)能承載大量抗生素的“匯”，明晰抗生素的行止是解決靜態(tài)水環(huán)境抗生素污染的首要問(wèn)題。(2)多數(shù)情況下靜態(tài)水環(huán)境水體交換速率很低甚至是零，其中有些換水頻率受人為控制，且人為添加抗生素是主要來(lái)源。開(kāi)展水體、水生生物和底泥沉積物系統(tǒng)中抗生素、ARB和ARGs遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及其影響因素研究是其重要內(nèi)容。(3)目前，對(duì)于靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的水解和光降解研究較多，而微生物降解的研究大多集中于城市污水處理中，因此從微觀(guān)角度研究抗生素的降解機(jī)理具有一定意義。