環(huán)境中抗生素殘留的研究進(jìn)展

與重金屬、化學(xué)肥料、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯等污染物引起的環(huán)境問題相比，抗蟲藥物的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)近年來引起了國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注。近年來在世界各地發(fā)現(xiàn)了多藥物抗性超級致病微生物。除了用于人類和動(dòng)物細(xì)菌性感染疾病的治療,抗生素也被作為促長劑和飼料添加劑在集約化畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)中大量應(yīng)用。攝入人體和動(dòng)物體內(nèi)未被代謝的抗生素經(jīng)不同途徑進(jìn)入環(huán)境,導(dǎo)致水體(水和沉積物)和土壤等環(huán)境介質(zhì)抗生素及其代謝活性產(chǎn)物濃度逐漸提高。進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)的抗生素可引起包括抑制有益微生物的活性,干擾生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),影響植物、動(dòng)物和微生物的生長和健康等相關(guān)的環(huán)境問題,對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定構(gòu)成潛在性的風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境殘留抗生素可誘導(dǎo)致病微生物產(chǎn)生抗性基因,而耐藥致病菌對人類健康威脅巨大,尤其是具有多藥物抗性的超級致病菌(Staphylococcusaureus,MRSA)。1環(huán)境中抗生素的來源和殘留1.1抗生素的主要來源自然環(huán)境介質(zhì)中的微生物是抗生素的產(chǎn)生者。比如,放線菌類和鏈霉菌等可產(chǎn)生不同的抗生素,包括β-內(nèi)酰胺類、鏈霉素、氨基糖苷類抗生素等。自然環(huán)境介質(zhì)中抗生素產(chǎn)生及其抗生現(xiàn)象屬于微生物自然防御機(jī)制。但是自然界環(huán)境微生物產(chǎn)生的抗生素濃度非常低,而目前環(huán)境抗生素殘留主要來自工業(yè)生產(chǎn)的醫(yī)用抗生素和獸用抗生素,通過醫(yī)院污水廢物、使用者糞便、畜禽與水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水廢物以及生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)廢水廢料排放、垃圾滲濾液污染、糞便農(nóng)用等多種途徑進(jìn)入環(huán)境。醫(yī)用抗生素是水體環(huán)境中抗生素的主要來源?？股仡愃幬镌卺t(yī)院的使用較為頻繁和集中,病人未完全代謝的抗生素經(jīng)排泄進(jìn)入醫(yī)院污水系統(tǒng)中,醫(yī)院廢水抗生素濃度可達(dá)到μg/L。比如,瑞典某一醫(yī)院廢水中檢測出多種抗生素:環(huán)丙沙星3.6—101.0μg/L,磺胺甲惡唑0.4—12.8μg/L,氧氟沙星0.2—7.6μg/L,甲氧芐氨嘧啶0.6—7.6μg/L,強(qiáng)力霉素0.6—6.7μg/L。而醫(yī)藥企業(yè)污水廢料也是環(huán)境抗生素的重要來源,但其類型和濃度尚未有報(bào)道。獸用抗生素是環(huán)境介質(zhì)中抗生素的另一重要來源,主要來自于集約化的畜禽養(yǎng)殖業(yè)。以美國為例,按其抗生素類獸藥每年用量約11000t計(jì)算,每年從養(yǎng)殖業(yè)流入環(huán)境的抗生素就達(dá)到6600—9900t?，F(xiàn)今的集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖也大量使用抗生素。土霉素、喹酸和喹諾酮類是在魚類養(yǎng)殖中經(jīng)常使用的抗生素。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水通常未作處理與自然水體直接交換,因而引起自然水體(水和沉積物)抗生素濃度增加。據(jù)估計(jì),水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的抗生素至少有75%進(jìn)入自然水體并在底泥中形成蓄積性污染。畜禽糞便農(nóng)用則是抗生素進(jìn)入土壤的最主要途徑。因糞便農(nóng)用途徑進(jìn)入土壤的抗生素估計(jì)每年達(dá)每公頃數(shù)百克。另外,噴灑抗生素防治水果、蔬菜和觀賞性植物細(xì)菌性病害是抗生素進(jìn)入土壤的另一重要途徑。此類抗生素包括土霉素、氟苯尼考、沙拉沙星、紅霉素、磺胺類中的甲氧芐氨嘧啶等?？股匾步?jīng)集污系統(tǒng)進(jìn)入污水處理廠。然而,現(xiàn)代污水處理技術(shù)很難將抗生素類微量污染物完全去除。在污水處理廠出水中檢出了包括紅霉素、磺胺甲惡唑等多種抗生素。因此,污水處理廠也是環(huán)境介質(zhì)中抗生素的來源之一。1.2養(yǎng)豬場廢水中抗生素的檢出情況水、沉積物和土壤是三大重要的環(huán)境介質(zhì),也是各種污染物的源匯載體。Gros等在不同水體(包括市政污水、河水、湖水甚至地下水)中檢出了30多種抗生素?；前奉惡头Z酮類是水體中常見的抗生素,其次是大環(huán)內(nèi)酯類?；前奉惡头Z酮類抗生素—磺胺甲惡唑和環(huán)丙沙星在生活污水較為常見,但農(nóng)業(yè)徑流可檢測到磺胺二甲嘧啶;大環(huán)內(nèi)酯類阿奇霉素和泰樂菌素則在生活污水和農(nóng)業(yè)徑流中都存在。相對于城市生活污水和甲魚養(yǎng)殖場廢水,養(yǎng)豬場廢水中抗生素的檢出種類最多,其濃度也最高;磺胺類抗生素在3種廢水中檢出頻率最高,包括磺胺甲惡唑、磺胺二甲嘧啶和磺胺甲氧嘧啶。沉積物和土壤是吸附累積抗生素的重要環(huán)境介質(zhì)。醫(yī)用和獸用抗生素在沉積物中可被大量檢出,包括四環(huán)素、磺胺類和大環(huán)內(nèi)脂類抗生素等。集約式水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)水體(水和沉積物)中抗生素含量普遍偏高,沉積物土霉素含量可高達(dá)285mg/kg。根據(jù)有限的研究表明(表1),不同環(huán)境介質(zhì)中抗生素殘留濃度差異較大:水體為痕量殘留(μg/L);土壤殘留含量一般為μg/kg(糞便農(nóng)用的土壤含量相對較高,可達(dá)到mg/kg);沉積物殘留含量受抗生素結(jié)構(gòu)、用量和環(huán)境條件不同而差異較大,通常在μg/kg—mg/kg之間。續(xù)表2抗生素的再分配和其它有機(jī)污染物一樣,進(jìn)入土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)的抗生素通過吸附、遷移和降解等一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)過程在環(huán)境介質(zhì)間發(fā)生再分配。2.1環(huán)素類和環(huán)境因素的篩選和污染物造成的吸附吸附-解吸和遷移是抗生素在環(huán)境介質(zhì)間的重要物理化學(xué)過程,決定了抗生素在環(huán)境介質(zhì)中的再分配過程。土壤和沉積物及其組成成分是抗生素重要的吸附劑?？股卦诃h(huán)境固相介質(zhì)上的吸附-解吸行為決定了液相抗生素的濃度(或者生物有效性),也決定抗生素在環(huán)境介質(zhì)中的遷移(速率和模式)、生物學(xué)效應(yīng)及其降解速率。環(huán)境介質(zhì)吸附抗生素的能力與介質(zhì)理化特性、抗生素性質(zhì)(空間構(gòu)型和官能團(tuán))及環(huán)境因子有關(guān)。同時(shí),土壤和沉積物對抗生素的吸附被認(rèn)為是消減其環(huán)境效應(yīng)的一個(gè)重要過程。不同于其它有機(jī)污染物,抗生素是一類具有多個(gè)離子型官能團(tuán)的離子型極性有機(jī)化合物,存在多級解離,其不同價(jià)態(tài)離子具有較強(qiáng)的親水性。離子型官能團(tuán)類型和數(shù)量可能決定了抗生素在環(huán)境介質(zhì)上的吸附能力。粘土礦物\,土壤及活性污泥對抗生素的吸附強(qiáng)度依次為:四環(huán)素類﹥大環(huán)內(nèi)酯類和氟喹諾酮類﹥磺胺類。四環(huán)素類和喹諾酮類抗生素具有較多的羧基、羰基和酰胺基等極性官能團(tuán)使其與環(huán)境介質(zhì)有很強(qiáng)的親和力,大環(huán)內(nèi)酯類抗生素因含有較少的極性官能團(tuán)與環(huán)境介質(zhì)的吸附作用較弱,而含有苯胺基和酰胺基的磺胺類抗生素與環(huán)境介質(zhì)的吸附作用很弱。氨基糖苷類和β-內(nèi)酰胺類抗生素與環(huán)境介質(zhì)吸附作用的研究相對較少。氨基糖苷類由氨基糖與氨基環(huán)醇通過氧橋連接而成,此類化合物具有較強(qiáng)的極性。氨基糖苷類的氨基在酸性條件下由于質(zhì)子化作用帶正電荷,正電荷可促進(jìn)其吸附在帶負(fù)電荷的土壤中的粘土礦物上,而β-內(nèi)酰胺類極性較強(qiáng),土壤對此類抗生素的吸附能力較弱。與金屬陽離子結(jié)合性比較強(qiáng)的抗生素在環(huán)境固相介質(zhì)中易累積,且具有較為持久的潛在毒性。比如,四環(huán)素、氟喹諾酮類和大環(huán)內(nèi)酯類等抗生素能和金屬離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+或Al3+)形成絡(luò)合物,使其在環(huán)境介質(zhì)中較穩(wěn)定存在。土壤和沉積物以及粘土礦物對抗生素的吸附行為(吸附容量和強(qiáng)度)受環(huán)境因子的調(diào)控。以四環(huán)素為例,pH和離子強(qiáng)度的增加會降低粘土對其的吸附量,Ca2+和K+存在的條件下粘土對四環(huán)素的吸附能力則增強(qiáng);而腐殖質(zhì)則因占據(jù)粘土表面吸附位點(diǎn)而降低粘土對四環(huán)素的吸附,尤其降低了抗生素向粘土礦物內(nèi)層的擴(kuò)散吸附。章明奎等發(fā)現(xiàn)長江和珠江三角洲地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤對泰樂菌素和土霉素的吸附容量不但與土壤粘粒含量相關(guān),而且與有機(jī)質(zhì)和氧化鐵含量呈正相關(guān)。粘粒礦物和有機(jī)質(zhì)組分是抗生素在土壤和沉積物中的主要吸附位點(diǎn),抗生素在土壤和沉積物中的吸附是兩者共同作用的結(jié)果。研究表明,有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致土壤對土霉素的吸附曲線呈非線性,并影響其吸附容量和強(qiáng)度,且對褐土的影響要大于紅壤。而有機(jī)質(zhì)對沉積物吸附抗生素的影響則因抗生素種類而異。氟苯尼考在沉積物去除有機(jī)質(zhì)前后其吸附系數(shù)變化不大,但四環(huán)素在沉積物去除有機(jī)質(zhì)后吸附系數(shù)降低80%以上;然而,兩者吸附系數(shù)都隨pH和鹽度的增加而降低。水溶性有機(jī)質(zhì)(DOM)對蒙脫石吸附抗生素具有雙重性:低濃度DOM與抗生素在蒙脫石上發(fā)生共吸附,促進(jìn)抗生素的吸附;而高濃度DOM則對抗生素的增溶作用顯著,使抗生素從蒙脫石上解吸下來?？股卦谕寥阑虺练e物剖面內(nèi)的遷移受土壤或沉積物及其組成成分的吸附-解吸作用的影響,其遷移速率受土壤或沉積物性質(zhì)調(diào)控。比如,在粘壤質(zhì)土壤中殘留的土霉素和泰樂菌素等抗生素較為穩(wěn)定,不易發(fā)生遷移;而砂質(zhì)土壤殘留的抗生素,特別是泰樂菌素,具有較高的遷移速率,因而具有一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。2.2抗菌活性產(chǎn)物的光降解速率抗生素進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)中除了通過吸附-解吸和遷移過程發(fā)生再分配以外,降解過程是環(huán)境抗生素重要的代謝途徑?？股卦诃h(huán)境介質(zhì)中可發(fā)生水解、光解和生物降解等降解過程。研究表明,糞肥中抗生素降解以光解為主,土壤中主要是生物降解,而水體中3種降解方式都相當(dāng)重要。生物降解是大部分抗生素降解的重要途徑,其中以耐藥菌株參與的降解作用尤為重要。但抗生素生物降解效率受其種類影響。Alexy等在28d密閉瓶中模擬18種抗生素的降解實(shí)驗(yàn)表明,某些抗生素的生物降解率較低,其中芐青霉素降解27%,氧氟沙星的降解率僅為7.5%,而磺胺甲惡唑和甲氧芐氨嘧啶幾乎沒有發(fā)生降解,但芐青霉素和金霉素則被完全降解。同樣,環(huán)境抗生素生物降解效率受眾多環(huán)境因素的影響,尤其是受影響降解微生物生存和活性的環(huán)境因子調(diào)控,包括溫度、有機(jī)和無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)、供氧狀況、生物量、懸浮沉積物以及環(huán)境中抗生素濃度水平等。一般高氧分壓會抑制抗生素降解,但抗生素濃度則決定生物降解的速率。水解是水體中抗生素主要的降解方式,β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類有不同程度的水解。分子結(jié)構(gòu)決定了抗生素在環(huán)境介質(zhì)中的降解方式。一些抗生素呈水不穩(wěn)定性,易被水解,但有些抗生素則不易水解,如喹諾酮類等抗生素。溫度和pH是影響抗生素水解的重要環(huán)境因子,與金霉素、土霉素和四環(huán)素的水解速率顯著相關(guān)。大環(huán)內(nèi)脂和磺胺在中性pH條件下幾乎沒有降解。同時(shí),喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素屬光降解敏感型?？股毓饨庑蕸Q定于環(huán)境光強(qiáng)度和頻率,環(huán)境因子(如土壤含水量)也影響光解速率。目前對抗生素光降解反應(yīng)過程的研究表明,某些抗生素光降解產(chǎn)物具有更強(qiáng)的毒性,但尚需深入研究。然而,無論生物降解還是非生物降解過程對土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中殘留抗生素的去除都發(fā)揮著重要作用,減輕了環(huán)境抗生素的累積及其對棲息生物的負(fù)面影響,并且減少其向地表水和地下水的遷移。3抗菌藥物影響環(huán)境微生物的機(jī)制基于微生物生態(tài)學(xué)的環(huán)境暴露學(xué)研究是近年來國際環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn),包括污染物對微生物生物量、活性和群落結(jié)構(gòu)影響的研究。一種化學(xué)污染物對某一生態(tài)系統(tǒng)中微生物(群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能)的影響,可以間接地反映出該化學(xué)品對此生態(tài)系統(tǒng)的影響。但是,目前抗生素的環(huán)境污染研究主要集中在其污染作用機(jī)制和降解機(jī)制,而對其環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)效應(yīng)的研究較少涉及。由于抗生素為抗微生物藥物,能直接殺死土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中某些微生物或抑制相關(guān)微生物的生長,從而影響環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)和活性。比如,進(jìn)入土壤的抗生素可能會影響土壤生物的生存和繁殖、代謝功能和種群數(shù)量等,使生物量、群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性發(fā)生改變,從而影響土壤元素生物地球化學(xué)過程和自凈化能力等。3.1抗生素a、cHaller等發(fā)現(xiàn)抗生素對土壤微生物的生長具有持久性的影響?；前奉?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(xì)菌和放線菌生長,使土壤微生物生物量明顯下降,但能促進(jìn)土壤真菌生物量增加。Hammesfahr等也證實(shí)磺胺嘧啶污染糞便對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和細(xì)菌多樣性的顯著影響,使土壤細(xì)菌/真菌比例下降?？股匚廴静坏珜Νh(huán)境介質(zhì)中微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,而且也影響了參與生態(tài)系統(tǒng)過程的功能微生物群落,如參與氮循環(huán)的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。Schauss等研究發(fā)現(xiàn)磺胺嘧啶污染糞便的施用改變了參與土壤硝化和反硝化作用的功能微生物豐度和多樣性。Costanzo等也報(bào)道了紅霉素對水體中反硝化細(xì)菌有抑制作用。3.2環(huán)素及其衍生物微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,尤其是功能微生物群落的消長,直接影響微生物的生態(tài)功能。Boleas等發(fā)現(xiàn)四環(huán)素在濃度為1mg/kg時(shí)即可顯著抑制土壤脫氫酶和磷酸酶的活性,但和牲畜糞便混施時(shí)酶活性先受抑制,但抑制作用隨后消失。污染土壤中四環(huán)素的平均濃度約為0.3mg/kg,而相關(guān)研究表明四環(huán)素濃度在0.003—7.35mg/kg時(shí)對土壤微生物活性具有抑制作用。而磺胺嘧啶對土壤基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸作用的影響隨時(shí)間、劑量和土壤性質(zhì)的不同有所變化?？股貙Νh(huán)境微生物活性的影響也干擾微生物參與的碳、氮循環(huán)等重要生態(tài)系統(tǒng)過程。Kong等發(fā)現(xiàn)土壤微生物的碳源利用多樣性(Biologue617,或者群落功能多樣性)隨土霉素濃度升高顯著降低。而土壤氮素循環(huán)則明顯受到高濃度四環(huán)素類抗生素的抑制,例如恩諾沙星在低濃度(0.0lmg/kg和0.1mg/kg)時(shí)可刺激土壤氨化作用,但在濃度為1mg/kg時(shí)對土壤氨化作用產(chǎn)生抑制,并對硝化作用也顯現(xiàn)一定的抑制作用;而在濃度為10mg/kg時(shí),強(qiáng)烈抑制土壤硝化作用。由此可見,抗生素污染將危及土壤微生物參與的生態(tài)系統(tǒng)過程(比如碳、氮循環(huán)過程),但對其生態(tài)毒性和對不同環(huán)境介質(zhì)中微生物生態(tài)功能的影響有待進(jìn)一步研究。3.3抗藥基因的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和要點(diǎn)抗生素不但對環(huán)境微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)及其相關(guān)生態(tài)功能產(chǎn)生影響,而且抗生素能誘導(dǎo)環(huán)境微生物產(chǎn)生抗性基因,從分子遺傳水平上改變環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)。致病致害微生物抗藥性的誘導(dǎo)會對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、多樣性和健康產(chǎn)生表觀或潛在的威脅。Pruden等認(rèn)為抗生素誘導(dǎo)產(chǎn)生的環(huán)境微生物抗藥性基因也是環(huán)境污染物。研究者普遍認(rèn)為抗生素對環(huán)境微生物抗藥性的選擇和誘導(dǎo)是抗生素環(huán)境效應(yīng)的最重要組成?？股卦谇菪蠛退a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的大量使用是導(dǎo)致環(huán)境微生物抗性增強(qiáng)的重要誘因。飼料添加抗生素和養(yǎng)殖廢水得不到處理是抗生素大量進(jìn)入環(huán)境的重要途徑,對致病微生物和環(huán)境微生物群落施加選擇性壓力,提高了抗藥性基因的產(chǎn)生概率。具有多藥抗性的超級致病細(xì)菌(Staphylococcusaureus等)已經(jīng)成為本世紀(jì)的醫(yī)學(xué)難題。表2中列出了在水體、沉積物及土壤中發(fā)現(xiàn)的已編碼的各種抗藥性基因,醫(yī)院廢水、生活污水、沉積物、畜禽糞便、污水處理廠活性污泥等成為環(huán)境抗性基因污染的主要來源。而抗生素抗性基因在生物中的轉(zhuǎn)移主要有垂直和水平基因轉(zhuǎn)移兩種機(jī)制。垂直基因轉(zhuǎn)移是抗性基因由親代傳遞給子代,為遺傳基因DNA自身變化的結(jié)果,具有典型的種屬特異性,能夠代代相傳。水平基因轉(zhuǎn)移(horizontalgenetransfer,HGT),又稱側(cè)向基因轉(zhuǎn)移,是細(xì)菌從附近其它細(xì)菌攝取抗藥基因,為外界環(huán)境誘導(dǎo)的遺傳因子。基因水平轉(zhuǎn)移可能存在4種機(jī)制,即抗性基因通過轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化\,接合和轉(zhuǎn)座在微生物間傳播。轉(zhuǎn)導(dǎo)是在同種細(xì)菌間由噬菌體轉(zhuǎn)移抗藥基因,轉(zhuǎn)化則是外界環(huán)境耐藥菌溶解后釋放抗藥基因后進(jìn)入敏感菌體內(nèi)。接合是細(xì)菌間的直接接觸、轉(zhuǎn)移抗藥質(zhì)粒DNA,不僅可在同種菌之間進(jìn)行,也可在屬間不同菌之間進(jìn)行,通過接合方式可完成對多種抗性基因的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)座則是抗藥基因依賴細(xì)菌的染色體、噬菌體或質(zhì)粒進(jìn)行復(fù)制和繁殖?？股貙δ退幘昕剐曰虻恼T導(dǎo)具有專一性,因此,抗生素在環(huán)境中的遷移、轉(zhuǎn)化及歸趨等環(huán)境行為與其所誘導(dǎo)的抗藥性基因在環(huán)境中的傳播在理論上應(yīng)該具有相似性和一致性。具有抗生素抗藥性基因的微生物群落在環(huán)境中轉(zhuǎn)移、傳播和擴(kuò)散,并在群落競爭中逐漸成為優(yōu)勢群落,從而改變自然微生物群落結(jié)構(gòu)。因此,集約式水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)大量使用抗生素使水、土壤和沉積物不僅成為抗藥性基因庫,也成為抗藥性基因擴(kuò)展和演化的媒介,使得加強(qiáng)集約式水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)抗生素使用管理及對其抗藥性基因的傳播、擴(kuò)散機(jī)制的研究迫在眉睫。同時(shí),環(huán)境抗生素對致病微生物(病原菌)抗藥性基因的誘導(dǎo)以及環(huán)境抗藥性基因向致病微生物轉(zhuǎn)移直接威脅人類健康,也使得醫(yī)用抗生素的有效管理、環(huán)境行為以及抗藥性基因誘導(dǎo)和轉(zhuǎn)移的研究十分迫切。4環(huán)境抗生素的環(huán)境和微生物生態(tài)效應(yīng)研究亟待加強(qiáng)四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類、磺胺類和β-內(nèi)酰胺類等五大類抗生素的環(huán)境效應(yīng)研究已都有