馬朝羽

（四川省阿壩生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 馬爾康 624000）

抗生素（分為天然抗生素和人工合成抗生素，主要有喹諾酮類抗生素、β-內(nèi)酰胺類抗生素、氨基糖苷類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和喹諾酮類抗生素）是一種具有干擾微生物細(xì)胞或殺死微生物的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，一些是微生物（細(xì)菌、真菌等）在生長(zhǎng)活動(dòng)中的代謝產(chǎn)物，另外一些是人工通過化學(xué)合成的方法制備[1,2]。目前，抗生素主要被廣泛應(yīng)用在臨床醫(yī)療和畜牧養(yǎng)殖等方面。由于中國(guó)人口眾多，近年來抗生素使用量也在逐年增多。據(jù)報(bào)道，中國(guó)的抗生素濫用比例驚人，達(dá)到80%，并且每年有超過8000t 抗生素被用作飼料添加劑[3]。并且由于抗生素在人類和動(dòng)物體內(nèi)并不能被完全利用和吸收，60%～90%的抗生素在生物體內(nèi)短暫停留后，以原抗生素形態(tài)或者代謝中間體的形式隨排泄物排出[4]。尤其是畜牧養(yǎng)殖業(yè)在大量使用抗生素后，其糞便和尿液并不能及時(shí)進(jìn)行廢水和廢物處理，導(dǎo)致大量的抗生素隨廢水、廢物流入土壤環(huán)境和水環(huán)境，并不斷累積，嚴(yán)重破壞了土壤環(huán)境，改變了土壤生態(tài)和結(jié)構(gòu)并破壞微生物生態(tài)系統(tǒng)[5]。最終，導(dǎo)致土壤耕作力下降并影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。此外，殘留在土壤中的抗生素還會(huì)被農(nóng)作物及蔬菜吸收和累積，對(duì)人類和動(dòng)物的健康造成了一定威脅。目前，利用土壤環(huán)境中微生物的作用降解抗生素成為了研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并取得了一定的進(jìn)展。本文首先概括了土壤環(huán)境中抗生素的污染現(xiàn)狀及對(duì)土壤環(huán)境的影響，隨后對(duì)微生物降解土壤環(huán)境中抗生素的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)地討論，最后，總結(jié)了土壤環(huán)境微生物降解抗生素中面臨的問題并展望了其研究發(fā)展方向。通過本文的探究，期望可以為深入研究土壤環(huán)境中抗生素的微生物降解以及改善受污染的土壤環(huán)境提供一定的參考。

1 土壤環(huán)境中抗生素的污染現(xiàn)狀及對(duì)土壤環(huán)境的影響

隨著醫(yī)療領(lǐng)域和家禽畜牧行業(yè)的快速發(fā)展，醫(yī)用和獸用抗生素被大量的使用。此外，抗生素作為飼料添加劑也被大量應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖業(yè)[6]。雖然抗生素在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，但由于抗生素在生物體內(nèi)并不能完全吸收代謝，而大部分隨糞便排出體外，隨之排放到周圍的水域中，最終導(dǎo)致抗生素在土壤中沉積，并帶來了諸多污染和生態(tài)問題。

1.1 土壤環(huán)境中抗生素的污染現(xiàn)狀

土壤環(huán)境中抗生素的主要來源：（1）家禽和畜牧養(yǎng)殖的糞肥和商用有機(jī)肥料，因施用時(shí)間長(zhǎng)、施用量大等原因，使土壤環(huán)境中抗生素的殘留量逐漸增多。例如，王等人在施用畜禽糞肥的農(nóng)田土壤表層檢測(cè)到了含量較高的土霉素和金霉素，唐等人在40 種商用有機(jī)肥料中均檢測(cè)到了不同濃度的四環(huán)素類抗生素[7]；（2）以自然水域?yàn)樗吹拈L(zhǎng)期灌溉所導(dǎo)致的污染。研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境中四環(huán)素類土霉素、金霉素和四環(huán)素含量分別為0～8400、0～5520 和0～2450μg·kg-1[8]。此外，家禽和畜牧的糞便和相關(guān)土壤環(huán)境中檢出率較高的抗生素類型主要有四環(huán)素類（如四環(huán)素）、喹諾酮類（如環(huán)丙沙星）、磺胺類（如磺胺嘧啶）和大環(huán)內(nèi)酯類（如紅霉素），其分子結(jié)構(gòu)式見圖1。由于抗生素在土壤中的積累逐漸增多，較長(zhǎng)的半衰期給生態(tài)系統(tǒng)帶來了諸多風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 土壤中主要的抗生素類型舉例及其分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Examples of major types of antibiotics in soil and their molecular structures

1.2 土壤環(huán)境中抗生素對(duì)土壤環(huán)境的影響

（1）對(duì)植物的影響 土壤環(huán)境中的抗生素經(jīng)累積后可能被植物吸收，并對(duì)植物體的新陳代謝功能及生長(zhǎng)發(fā)育造成一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，土壤環(huán)境中高濃度抗生素可降低植株的抗菌性，不利于植株吸收金屬元素造成發(fā)育遲緩。

（2）對(duì)土壤生物的影響 土壤環(huán)境中的生物主要有微生物以及眾多無脊椎動(dòng)物，在土壤環(huán)境中累積的高濃度抗生素對(duì)土壤生物來說，具有一定的毒性，從而影響土壤生物生長(zhǎng)，降低其種群數(shù)量，影響土壤生物對(duì)其他污染物的降解，造成土壤生態(tài)的失衡。例如，Yang 等人研究了土霉素對(duì)小麥根部土壤環(huán)境中微生物群落的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在土霉素濃度為10mg·kg-1時(shí)，細(xì)菌和放線菌的菌落數(shù)量分別下降了22.2%和31.7%，且隨土霉素含量的增加，土壤環(huán)境中細(xì)菌菌落數(shù)量逐漸減少[9]。

2 微生物降解土壤環(huán)境中抗生素的研究現(xiàn)狀

土壤環(huán)境中的微生物在生活活動(dòng)中通過代謝的方式可產(chǎn)生大量的生物酶，生物酶對(duì)抗生素的分子結(jié)構(gòu)都有較強(qiáng)的破壞作用，并可導(dǎo)致抗生素降解。然而，土壤環(huán)境中殘留和積累的抗生素會(huì)影響一部分微生物的生命活動(dòng)，甚至致其衰亡。因此，土壤環(huán)境中具有降解各種抗生素能力的微生物需具有較強(qiáng)的耐藥性。不同種屬的微生物因?yàn)榇x所產(chǎn)生的降解酶系存在一定的差異，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的抗生素降解途徑存在一定的差異。已發(fā)現(xiàn)的抗生素降解酶包括氨基糖苷類修飾酶、氯霉素滅活酶、β-內(nèi)酰胺酶和大環(huán)內(nèi)酯類鈍化酶4 大類[10]?？股卦谕寥拉h(huán)境中被微生物降解酶降解的作用機(jī)制包括：氧化還原、取代基裂解、羥基化/去羥基化、水解和基團(tuán)轉(zhuǎn)移等方式，在微生物酶的作用下通過直接或間接的方法將抗生素降解為碳水化合物等小分子[10,11]。此外，研究發(fā)現(xiàn)白腐真菌可以降解四環(huán)素、土霉素、諾氟沙星和環(huán)丙沙星等抗生素[12]。因此，對(duì)抗生素有降解作用的微生物主要包括細(xì)菌和真菌等。

2.1 土壤環(huán)境中降解抗生素的細(xì)菌

土壤中常見且具有抗生素降解能力的細(xì)菌有拉烏爾菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、氨氧化細(xì)菌、蒼白桿菌屬、戈登式菌屬、葡萄球菌屬、伯克氏菌屬、微桿菌屬、芽孢桿菌屬和假單胞菌屬等。目前，一部分具有強(qiáng)耐藥性和抗生素降解能力的菌株已被成功用于抗生素的降解研究。如章等人發(fā)現(xiàn)在種植菠菜的土壤環(huán)境下，無色桿菌對(duì)人為添加的泰樂菌素降解率可達(dá)到96%，并將其應(yīng)用于盆栽土壤中，發(fā)現(xiàn)泰樂菌素的殘留率在20%以下[13]。Shao 等人在探究不同條件下嗜鉻菌KSS10 降解土霉素時(shí)發(fā)現(xiàn)，土霉素的降解率在96h可達(dá)到63%。然而，目前利用具有強(qiáng)耐藥性的菌株降解抗生素的研究實(shí)例不多，因此，這方面的工作需要眾多研究者繼續(xù)深入研究[14]。

2.2 土壤環(huán)境中降解抗生素的真菌

土壤環(huán)境中真菌是降解抗生素重要的微生物之一。因真菌在高濃度的抗生素環(huán)境中耐藥性更強(qiáng)，并且真菌細(xì)胞內(nèi)含有像動(dòng)物細(xì)胞一樣具有代謝抗生素的細(xì)胞色素（P450 復(fù)合物），能夠成功降解多種難降解的抗生素。如卿等人發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌在72h內(nèi)對(duì)四環(huán)素的降解率高達(dá)80%[15]。崔等人通過將曲霉屬真菌Y-7 與含有土霉素的土壤中，發(fā)現(xiàn)土霉素的降解率可達(dá)到30.6%[16]。盡管真菌類微生物可有效的對(duì)土壤環(huán)境中的抗生素進(jìn)行降解，但易受到土壤環(huán)境（抗生素類型、碳源、溫度、濕度和pH 值等）的影響。如Zheng 等人發(fā)現(xiàn)夏季高溫條件下抗生素的降解率遠(yuǎn)高于冬季[17]。因此，在探究利用真菌對(duì)土壤環(huán)境中抗生素降解時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，從而提高抗生素的降解率。

此外，堆肥的方法（微生物好氧堆肥法）和微生物厭氧發(fā)酵法也有利于微生物對(duì)抗生素的降解。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥過程中有利于細(xì)菌、真菌和放線菌的繁殖，創(chuàng)造了多重作用下降解抗生素的條件。如張等人通過研究豬糞中四環(huán)素類抗生素在土壤中的動(dòng)態(tài)變化及降解途徑時(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)酵可增加四環(huán)素類抗生素的降解率，即抗生素降解率與發(fā)酵時(shí)間呈正相關(guān)[18-20]。除了適宜的土壤環(huán)境條件外，加入具有強(qiáng)耐藥性的抗生素菌株或抗生素降解酶可以進(jìn)一步提高抗生素降解效率。厭氧發(fā)酵法是指微生物在缺乏O2條件下通過一定的作用進(jìn)行抗生素生物降解的過程。此過程中通?？梢援a(chǎn)生大量的CH4和CO2，在處理生產(chǎn)抗生素過程中產(chǎn)生的菌渣時(shí)也可達(dá)到資源化的目的，提高經(jīng)濟(jì)效益[20]。

3 結(jié)論與展望

抗生素作為人類和動(dòng)物必備常用藥，在人類和動(dòng)物的疾病防御和治療中發(fā)揮著重要的作用。然而，抗生素這把雙刃劍也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和公共健康的問題。土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)之一，抗生素污染后的土壤環(huán)境不僅容易造成微生物生態(tài)的失衡，也會(huì)對(duì)植物以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成嚴(yán)重的影響，在農(nóng)作物中累積后進(jìn)入食物鏈，對(duì)人類和動(dòng)物的健康同樣會(huì)造成嚴(yán)重影響。降低和去除土壤環(huán)境中抗生素是保護(hù)土壤環(huán)境和人體健康的必然選擇，而通過土壤環(huán)境中微生物的作用降解抗生素是環(huán)保、無二次污染方法中最重要的手段。為了改善自然環(huán)境下，土壤微生物降解抗生素效率低的問題，降解抗生素的菌株篩選以及轉(zhuǎn)基因菌等正成為研究的熱點(diǎn)。

然而，目前仍存在諸多需要繼續(xù)探索和解決的問題：（1）土壤環(huán)境中抗生素種類繁多，土壤環(huán)境條件復(fù)雜，多數(shù)研究?jī)H考慮單一微生物和抗生素的降解，并且有關(guān)土壤環(huán)境中抗生素降解的研究仍處于探索和對(duì)相關(guān)機(jī)理的認(rèn)識(shí)階段；（2）部分抗生素的降解產(chǎn)物可能具有生物毒性，難以完全解決土壤中抗生素及降解產(chǎn)物殘留的二次毒性效應(yīng)。因此，土壤環(huán)境中，抗生素的降解研究應(yīng)根據(jù)不同的土壤結(jié)構(gòu)、菌落特性、抗生素種類等影響因素開展更細(xì)致的研究工作。