竺 美，唐文雅，黃冬梅，毛淑娟，鐘明穎，雍 毅

(四川省生態(tài)環(huán)境科學研究院，四川 成都 610041)

1 引言

抗生素(Antibiotics)是生物產(chǎn)生的具有抗病原體或其它活性的、能干擾其他生活細胞發(fā)育的次級代謝產(chǎn)物?？股刂饕譃棣?內酰胺類和非β-內酰胺類兩大類。β-內酰胺類包括青霉素類、頭孢菌素類、單環(huán)β-內酰胺類、β-內酰胺酶抑制劑、氧頭孢烯類、碳青霉烯類等；非β-內酰胺類包括氨基糖苷類、四環(huán)素類、大環(huán)內酯類、氯霉素類、林可霉素類等。β-內酰胺類是臨床應用最多、最廣的一類。

作為微生物抑制劑和生長促進劑，抗生素被廣泛應用于人類、動物健康領域以及畜牧、水產(chǎn)養(yǎng)殖領域，其種類和數(shù)量呈逐年增加趨勢。進入環(huán)境的抗生素一方面直接導致環(huán)境介質抗生素化學污染，另一方面導致抗生素抗性菌株以及抗生素抗性基因(ARGs)的產(chǎn)生及傳播，造成細菌耐藥性增強，最終嚴重危害人類身體健康與環(huán)境生態(tài)安全。

2 環(huán)境抗生素來源

環(huán)境中抗生素主要來源于各類抗生素的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)。

2.1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)

由于生產(chǎn)過程原料利用率較低，抗生素生產(chǎn)廢水含有大量難降解毒性物質，包括抗生素本身及具有抑菌活性的中間產(chǎn)物[1]。這些物質誘發(fā)的抗藥基因會影響污水處理系統(tǒng)的微生物種群和結構，可能導致生物處理效果不穩(wěn)定。含高濃度抗生素及其中間產(chǎn)物的生產(chǎn)廢水在排放過程中成為環(huán)境抗生素污染和耐藥基因傳播的潛在污染源。

2.2 使用環(huán)節(jié)

抗生素不能被生物體完全吸收，約有90%以原藥物形態(tài)或者代謝物形態(tài)經(jīng)尿液和糞便從生物體內排出并進入環(huán)境[2]。中國抗生素用量約占全球的一半。2013年我國抗生素使用量為16.2萬t，其中52%為獸用，48%為人用；每年超過5萬t抗生素被排放進入水土環(huán)境中[3]。

部分畜牧養(yǎng)殖含抗生素污水的直排以及水產(chǎn)養(yǎng)殖水體抗生素的投加直接對地表水、地下水產(chǎn)生污染?？股剞r(nóng)藥殘留、施肥、中水灌溉、垃圾填埋場污染等過程導致土壤抗生素污染。

3 抗生素在環(huán)境中的遷移轉化

抗生素進入環(huán)境后，經(jīng)吸附-解吸、降解等過程在各種介質中遷移轉化和重新分配，其中降解過程有非生物降解(化學降解、水解、光解)和生物降解等。

抗生素的遷移轉化過程與其自身性質(如初始濃度、揮發(fā)性、溶解性和吸附性等)相關。部分抗生素(如阿司匹林等)經(jīng)降解可最終轉化成二氧化碳和水；部分親水性強、蒸汽壓力較小的抗生素及其代謝產(chǎn)物(如氟喹諾酮類、磺胺類、四環(huán)素類、大環(huán)內酯類等)易溶于水體中；部分抗生素(如磺胺類及喹諾酮類抗生素)具有光敏感性[4]，在自然環(huán)境中易發(fā)生水解、光解和生物降解反應；部分親脂性強、不易降解的抗生素易被吸附殘留于沉積物中。

土壤中抗生素殘留可經(jīng)地表徑流淋洗從土壤中解吸后再次進入水體，也可被植物吸收。李亞寧等[5]研究表明，種植植物可有效促進磺胺類抗生素在土壤中的消解。水體及土壤中的抗生素部分被動物和植物吸收后再次進入食物鏈循環(huán)，并通過食物鏈富集，增加人類暴露的風險(圖1)。

4 地表水抗生素污染特征研究現(xiàn)狀

抗生素經(jīng)多種渠道進入地表水，造成抗生素污染。國際上，法國塞納河、意大利波河、德國易北河以及越南的湄公河等世界各地河流中都檢測到抗生素。近年來國內學者在長江、黃河、海河、黃浦江、珠江等多個重要流域及部分省市城市地表水系統(tǒng)中也檢測到抗生素的存在，檢測目標物以磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類為主，濃度水平為ng/L～μg/L。

4.1 河流污染特征

地表水中抗生素殘留水平與水體功能、斷面地理位置、所處區(qū)域人口密度、自凈能力、水動力水平等多種因素密切相關。長江南京段為南京重要飲用水源，其表層水體中檢出8 種磺胺類化合物，總濃度范圍為 13.2～21.0 ng/L，最高為磺胺甲噁唑(sulfamethoxazole)[6]。海口美舍河穿城區(qū)，沿線有尚未截流的污水排出口和部分遺留污水截流并網(wǎng)工程，兼有接納上游養(yǎng)殖場排污和沿岸居民區(qū)生活污水的功能。徐浩等[7]在美舍河檢出磺胺類如磺胺甲噁唑(sulfamethoxazole)濃度為0.2255～1.0704 μg/L，喹諾酮類(Quinolones)如環(huán)丙沙星濃度為0.0269～0.8079 μg/L；以農(nóng)村為主有養(yǎng)殖場、面源污染的斷面以及城市人口密集、生活污水排口斷面的抗生素殘留水平大于其他斷面。

氣候環(huán)境、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平也是影響河流抗生素殘留水平的重要因素。高麗等[8]在春秋兩季對清河(北京城市排水主要渠道之一)抗生素殘留情況進行了調查，結果顯示受降雨量、溫度、用水量等因素影響，春季河流水體中抗生素濃度高于秋季，其中春季氧氟沙星濃度為4.4～16952.5 ng/L，諾氟沙星濃度為16.0～4461.8 ng/L，環(huán)丙沙星濃度為5.7～1399.2 ng/L，均大于秋季的6.4～3146.7 ng/L、3.3～2264.4 ng/L、35.8～672.2 ng/L。TONG Changlun等[9]發(fā)現(xiàn)錢塘江杭州市段氧氟沙星、諾氟沙星和環(huán)丙沙星的濃度分別為 48.7 ng/L、10.0 ng/L和 10.2 ng/L。北京作為我國乃至世界上藥物及個人護理品物質年消費量最大的城市之一，其地表水體中抗生素殘留量也遠遠大于國內其他城市地表水體。

4.2 湖庫污染特征

國內對湖庫水體抗生素污染的研究，前期主要聚焦在自然湖泊。太湖[10]檢出39種抗生素，最高濃度為39.40 ng/L；太湖貢湖灣作為無錫和蘇州兩城重要的水源地，在4類共16種抗生素(四環(huán)素類、喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內酯類)中檢出13種，濃度為0.005～4.720 μg/L，其中土霉素(oxytetracycline)濃度最高[11]。白洋淀水體喹諾酮類抗生素濃度為 153.39～1550.07 ng/L，主要來自周邊的生活污水和養(yǎng)殖廢水[12]。洪湖[13]、鄱陽湖[14]調查結果顯示，抗生素最高濃度分別為 2796.6、56.20 ng/L。

城市湖泊作為城市重要地表水體，具有防洪減災、維持生態(tài)平衡、調節(jié)氣候、降解污染物等作用。近年來隨著城市化的快速發(fā)展，高濃度外源性營養(yǎng)鹽輸入引發(fā)水體富營養(yǎng)化的同時，還可能輸入與人畜排泄密切相關的抗生素污染[15]．肖鑫鑫等[16]對武漢3個典型城市湖泊(南湖、沙湖和東湖)的研究結果表明，武漢城市湖泊已廣泛受到喹諾酮類、四環(huán)素類及磺胺類抗生素污染，水體中四環(huán)素類濃度為19.47～31.20 ng/L，磺胺類為 0.39～10.87 ng/L，喹諾酮類為 51.43～105.62 ng/L，以喹諾酮類污染為主。張盼偉等25對北京城區(qū)河流和城市湖泊開展水體中藥物和個人護理用品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs))的分布特征研究，結果表明城區(qū)河流與城區(qū)湖泊表層水體和沉積物中的PPCPs含量差別不大。

4.3 海水污染特征

受環(huán)海沿岸地區(qū)人口、經(jīng)濟、水產(chǎn)養(yǎng)殖等因素的影響，近岸海域中抗生素的分布呈現(xiàn)復雜多樣的特點，且由于海水和淡水不同的物理性質，抗生素在海水中的存在形式與淡水可能存在差異。綜合分析學者對渤海灣主要入海河流及入海口[17]、大遼河[18]、黃河及支流[19]、萊州灣及主要入海河流[20]的抗生素污染研究結果，得出由于降解和海水稀釋作用，渤海海域海水和沉積物中抗生素污染分布總體上呈現(xiàn)入海河流、河口海岸、近岸海域、較遠海域逐漸減少的趨勢，較遠海洋區(qū)抗生素含量較低或者消失轉化，而人口密集區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)等區(qū)域抗生素濃度偏大。

近年來國內主要集中在近海岸海水養(yǎng)殖區(qū)及附近海域的污染研究。薛保銘等[21]對欽州灣及其附近海域研究發(fā)現(xiàn)，磺胺類抗生素在海水養(yǎng)殖區(qū)呈現(xiàn)較高濃度水平，海水中殘留的磺胺甲基異惡唑(SMX)對相應的敏感物種存在中等生態(tài)毒性風險。姜春霞等[22]發(fā)現(xiàn)抗生素在海水和沉積物中的殘留量均表現(xiàn)為內港海水養(yǎng)殖區(qū)域高于臨海區(qū)域。

4.4 沉積物污染特征

抗生素在地表水沉積物中的分布特征與抗生素的物理、化學性質有關。張盼偉等[23]發(fā)現(xiàn)因阿奇霉素水溶性較差，水中大部分阿奇霉素會隨顆粒物的吸附進入沉積物中，故在北京城區(qū)地表水表層沉積物中的含量及檢出率較高。Gong等[24]發(fā)現(xiàn)，喹諾酮類和四環(huán)素類由于具有很強的吸附能力，容易吸附到顆粒物或沉積物表面。Stepanic等[25]認為大環(huán)內酯類抗生素的分子結構為具有多個立體中心的復雜大分子，疏水性較強，容易被固體顆粒物吸附。楊俊等[26]在對蘇州市水環(huán)境中磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類、大環(huán)內酯類等多種抗生素殘留進行調查時發(fā)現(xiàn)，不論是在懸浮物還是沉積物中，喹諾酮類抗生素的檢出含量均為最高，其次為四環(huán)素類。徐穎等[27]采用 OECD Guideline批量平衡法研究磺胺嘧啶(SD)在水-沉積物界面的環(huán)境行為，結果表明沉積物SD吸附量與其有機質質量比及陽離子交換量顯著相關；沉積物中不同陽離子類型影響其對SD的吸附能力，價態(tài)越高的陽離子競爭吸附能力越強。

5 抗生素環(huán)境效應研究現(xiàn)狀

5.1 毒性效應

抗生素對環(huán)境的影響直接體現(xiàn)在對微生物的毒性效應上?？股貪舛冗_到一定程度時可抑制細胞壁形成、影響胞漿通透性、干擾蛋白質合成及代謝，從而影響環(huán)境生物群落結構、數(shù)量和活性[28]。如磺胺類(磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑)和四環(huán)素類(土霉素)抗生素抑制土壤細菌和放線菌生長，使土壤微生物量明顯下降，但能促進土壤真菌生物量增加[29]，改變微生物群落結構。微生物群落結構的改變將直接影響微生物的生態(tài)功能和活性，干擾微生物參與的部分重要生態(tài)系統(tǒng)過程(如碳、氮循環(huán)等)。如紅霉素對水體中反硝化細菌的抑制作用[30]可能干擾反硝化過程。恩諾沙星在濃度為 1mg/kg 時對土壤氨化作用和硝化作用都會產(chǎn)生抑制，在濃度為10 mg/kg時，對土壤硝化作用的抑制作用強烈[31]。

抗生素對生物體也具有毒性作用，毒性作用隨營養(yǎng)級的提高而降低[32]；但當濃度超過一定值時，會產(chǎn)生嚴重的毒性效應，影響生物組織、抑制生物體的抗體水平和免疫系統(tǒng)[33]。氨芐青霉素在濃度為0～5 mg/L時對浮游生物——海鏈藻有較強的促進作用;當其濃度為10～1000 mg/L時表現(xiàn)出抑制作用，且抑制作用隨濃度的增大逐漸增強[34]。任憲云[35]的研究表明抗生素氟苯尼考在投加濃度為100～200 mg/kg時對凡納濱對蝦的免疫能力具有抑制作用，對凡納濱對蝦血淋巴和肝胰腺總抗氧化能力(T-AOC)、SOD(一種抗氧化酶)活力、GSH/GSSG(谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽)產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)。

5.2 抗生素抗性基因

抗生素可誘導微生物產(chǎn)生ARGs(Antibiotic resistance genes)，經(jīng)選擇進化產(chǎn)生抗生素抗性細菌，甚至具有多藥抗性的超級致病細菌。楊穎[36]針對北江水環(huán)境的研究表明磺胺類抗生素濃度在ng級時已經(jīng)誘導產(chǎn)生含量較高的ARGs，同時由于抗性基因污染物 “持久性”或“可復制性”的特點，抗性基因的存在并不完全取決于環(huán)境抗生素的污染程度。

抗性基因通過水平轉移、食物鏈等渠道在細菌之間及環(huán)境介質之間傳播，細胞的移動基因元件(mobile genetic elements，MGEs)可以將 ARGs 向人類共生細菌和病原體轉移[37]，使人類和動物對抗生素產(chǎn)生耐藥性，影響生物的正常生命活動，并通過食物鏈最終影響到人類健康[38]，對生態(tài)系統(tǒng)的生物安全產(chǎn)生影響[39]。

ARGs在自然環(huán)境中分布存在差異。Luo等[40]對海河流域水體和沉積物中磺胺類ARGs的研究結果顯示，沉積物中ARGs的濃度是水中的120～2000倍，沉積物可能是ARGs的一類重要儲存庫。Zheng Zhenzhen等[41]發(fā)現(xiàn)，土壤性質通過影響草地生態(tài)系統(tǒng)中細菌間水平基因轉移的頻率，直接影響ARGs的組成；不同植被類型可能引起土壤ARGs的變化。

對抗生素進行源頭管控可以有效減少自然環(huán)境中ARGs 的總量，對于已經(jīng)進入污水的ARGs，可以通過調整運行參數(shù)來降低抗性污染物的遷移性。廢水處理設施是ARGs向自然環(huán)境傳播的潛在途徑，Li Wenjiao等[42]認為ARGs在污泥中的存在狀態(tài)(胞外或胞內)以及污泥的沉降性是影響ARGs傳播的重要因素，低沉降率的污泥組分對ARGs具有較高的轉移潛力，因此可以通過提高污泥的沉降性減少ARGs的擴散。對于土壤則采用阻控材料可以降低ARGs的遷移性和生物有效性。Zhou等[43]以生物質炭(從豬糞中提取)和豬糞堆肥產(chǎn)品為有機肥，研究土壤中耐藥菌群、MGEs和細菌群落，發(fā)現(xiàn)經(jīng)阻抗材料——生物質炭處理后土壤的ARGs總量和MGEs豐度明顯低于堆肥處理土壤。

6 結語

抗生素殘留對生物體的毒性效應和誘導產(chǎn)生的抗性基因可能對人類健康乃至全球生態(tài)系統(tǒng)安全產(chǎn)生嚴重影響。發(fā)達國家對抗生素污染的研究起步較早并獲得了一定的成果。我國對相關問題的研究起步于21世紀初，主要集中在區(qū)域性抗生素污染情況調研上，現(xiàn)有環(huán)境質量標準及污染排放標準均未將其列入，相關檢測標準亦尚未建立，抗生素污染處于監(jiān)管范圍之外?？偨Y相關研究進展，今后應加強以下幾個方面的研究工作: 開展抗生素檢測方法研究，為系統(tǒng)掌握污染情況建立統(tǒng)一標準；系統(tǒng)研究抗生素環(huán)境污染、遷移轉化現(xiàn)狀，為建立評價標準提供基礎數(shù)據(jù)；加強抗生素抗性基因、毒性效應等方面的研究，為生態(tài)安全評價提供依據(jù)。