抗生素在生態(tài)環(huán)境中的污染轉(zhuǎn)歸以及應(yīng)對措施

曾慶軍

（湖南省南縣畜牧水局三仙湖鎮(zhèn)動物防疫站,湖南南縣413202）

抗生素在生態(tài)環(huán)境中的污染轉(zhuǎn)歸以及應(yīng)對措施

曾慶軍

（湖南省南縣畜牧水局三仙湖鎮(zhèn)動物防疫站,湖南南縣413202）

對當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中抗生素污染現(xiàn)狀及在生態(tài)環(huán)境中的分配降解機(jī)制進(jìn)行概述，探討了能有效解決抗生素污染的可行方法，為我國畜禽養(yǎng)殖中抗生素的有效使用和處理提供參考。

抗生素；畜禽養(yǎng)殖；危害；生態(tài)環(huán)境；吸附；降解；污染途徑；應(yīng)對措施

我國是農(nóng)業(yè)大國，養(yǎng)殖生產(chǎn)中抗生素使用十分廣泛。在畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)中，抗生素的使用主要分為兩大部分，一是用于預(yù)防和治療疾病，二是用于提高動物生產(chǎn)性能[1]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全球抗生素總產(chǎn)量的70%左右用于畜牧業(yè)，抗生素類添加劑的用量占全部飼料添加劑用量的45.8%[2]。目前，我國現(xiàn)有藥廠6 000多家，可生產(chǎn)抗菌藥物有1 000多個品種，每年有超過9.7萬噸的抗生素投入畜禽養(yǎng)殖業(yè)中，用于動物的催速生長和疾病治療[3-4]。

1 抗生素的對生態(tài)污染危害

抗生素在生產(chǎn)中的應(yīng)用給養(yǎng)殖帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益，但其對生態(tài)的污染和影響也逐漸引起人們的重視。與重金屬、化學(xué)肥料、農(nóng)藥、多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯等環(huán)境污染物不同，抗生素的環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)在近年來才受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]?？股貙θ梭w和動物體內(nèi)的病原性致病菌有著很好的治療效果，因此在設(shè)計(jì)之初就用于人體和動物的治療，這就必然為人體和環(huán)境中其他有機(jī)體產(chǎn)生了潛在的健康威脅[6]。Sanderson等通過水生生態(tài)毒理學(xué)試驗(yàn)對多種抗生素的生態(tài)危害進(jìn)行了評價(jià)，發(fā)現(xiàn)有接近20%抗生素對藻類存在毒性，近50%對大型溞有毒，近33.3%對魚類非常毒，并且超過一半的抗生素對魚類有毒[7]。

因此，在畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化發(fā)展給我國帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，養(yǎng)殖場每天排放的大量糞污作為抗生素最大污染源也已成為急需解決的一大問題。我國作為畜禽養(yǎng)殖大國，一直以來存在養(yǎng)殖密度大、疾病問題多而繁雜、糞污處理不規(guī)范、市場監(jiān)控不嚴(yán)等問題，此外，濫用抗生素的現(xiàn)象多且難以控制，這將嚴(yán)重威脅生態(tài)不平衡，威脅人類生存環(huán)境。長期濫用抗生素會導(dǎo)致動物和土壤環(huán)境中的微生物耐藥性增強(qiáng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的抗生素抗性基因，破壞土壤微生物種群數(shù)量及結(jié)構(gòu)的平衡。

2 抗生素對生態(tài)環(huán)境的影響以及污染途徑

作為一種抗微生物性藥物，抗生素不僅可以殺滅土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中某些微生物，還可以抑制相關(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?？股赝ㄟ^畜禽養(yǎng)殖中產(chǎn)生的廢棄物從而進(jìn)入生態(tài)環(huán)境，給土壤中的微生物區(qū)系、水體環(huán)境帶來巨大影響，進(jìn)而通過食物鏈對整個環(huán)境產(chǎn)生毒害作用，使生態(tài)環(huán)境中的有益菌生長被抑制、有害菌產(chǎn)生耐藥性，使其生物量、群落結(jié)構(gòu)和生物多樣性發(fā)生改變。

有研究發(fā)現(xiàn)，抗生素對土壤微生物生長的影響具有持久性的。磺胺類 (磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑)和四環(huán)素類 (土霉素)抗生素能夠抑制土壤細(xì)菌和放線菌生長[8]，雖然能明顯降低土壤中微生物生物數(shù)量，但土壤中真菌生物數(shù)量反而增加。因此，說明抗生素能夠影響生態(tài)環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)?？股匚廴静坏绊懎h(huán)境介質(zhì)中微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)，還影響參與生態(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[9]。

作為進(jìn)入環(huán)境的主要途徑，畜禽糞便一直是土壤抗生素污染的源頭。諸多研究表明，抗生素進(jìn)入動物機(jī)體內(nèi)后，只有少量參與內(nèi)臟器官的新陳代謝并被有效利用，約30%～90%的抗生素及其在動物體內(nèi)誘導(dǎo)出的抗生素抗性基因（ARGs）通過動物尿液和糞便的形式直接排出體外[10-11]。如果這些含有大量殘留抗生素的糞便不經(jīng)過任何處理，作為有機(jī)肥進(jìn)入到農(nóng)田中，將會加大土壤和水資源環(huán)境中微生物的耐藥性，再次誘導(dǎo)出抗生素抗性基因，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)毒性，并通過食物鏈最終影響人類的健康[11]。據(jù)了解，目前大部分規(guī)?；B(yǎng)殖場采用常規(guī)厭氧沼氣發(fā)酵和好氧SBR處理組合工藝，主要處理常規(guī)污染元素（總氮TN和總磷TP等），但對于日漸嚴(yán)重的抗生素污染卻沒有很好的針對性措施，甚至并沒有進(jìn)行處理而直接排放到環(huán)境中[12]。另外，一些污水處理廠所進(jìn)行的污水處理并不能將抗生素完全去除，甚至在污水處理廠的出水中檢測出了包括紅霉素、磺胺甲惡唑等多種抗生素。因此，大部分規(guī)?；B(yǎng)殖場周圍的土壤環(huán)境中可能存在較大的抗生素污染，對于小型養(yǎng)殖場而言，其周邊環(huán)境的污染可能更為嚴(yán)重。

除此之外，抗生素在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的廣泛使用，也不可避免的造成了水環(huán)境中抗生素污染問題，并可能會引發(fā)多種危害。水產(chǎn)養(yǎng)殖與家畜養(yǎng)殖不同，其產(chǎn)生廢水通常未作處理便直接排入環(huán)境中，造成自然環(huán)境嚴(yán)重污染，而其未經(jīng)處理的抗生素如土霉素、喹酸和喹諾酮類等也逐漸在自然水體中富集，破壞生態(tài)環(huán)境，例如對細(xì)菌產(chǎn)生選擇壓力誘導(dǎo)抗生素抗性基因、對非靶生物產(chǎn)生毒害、對水產(chǎn)品消費(fèi)者構(gòu)成健康威脅等[13-14]。受到水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的影響，研究發(fā)現(xiàn)海水中也存在著不同程度的抗生素污染，通過對海洋沉積物的檢測，發(fā)現(xiàn)海洋沉淀物中土霉素含量就已經(jīng)達(dá)到500～4 000 μg/kg[15]。梁惜梅等研究發(fā)現(xiàn)，珠江口水產(chǎn)養(yǎng)殖的廢水排放造成周圍水環(huán)境出現(xiàn)了嚴(yán)重的抗生素污染，并且在相同養(yǎng)殖模式下，抗生素沉積量隨著養(yǎng)殖時(shí)間的增加不斷積累[16]。

此外，一些抗生素還可以作為農(nóng)用殺蟲劑和殺菌劑用于防治水果、蔬菜以及觀賞性植物細(xì)菌性病害，這是抗生素進(jìn)入土壤的另一重要途徑，這類抗生素包括阿維菌素以及衍生物、多殺菌素、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[17]。

3 抗生素污染作用機(jī)制和降解機(jī)制

3.1 抗生素在環(huán)境中的吸附和遷移

抗生素和其它有機(jī)污染物一樣，進(jìn)入土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)后，經(jīng)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)中發(fā)生再分配，從而從環(huán)境中逐步清除。吸附作為抗生素在環(huán)境介質(zhì)中的重要物理化學(xué)過程，決定了抗生素在環(huán)境介質(zhì)中的再分配過程?？股氐淖陨斫Y(jié)構(gòu)特性和沉淀物的性質(zhì)是影響抗生素在沉淀物中的吸附特性的最重要的因素，并且土壤和沉積物及其組成成分是抗生素重要的吸附劑?？股卦诔恋砦镏械奈讲粌H僅與抗生素自身的憎水性、極性、可極化性以及空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且與環(huán)境介質(zhì)理化特性以及環(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)的一個重要過程[18]。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，抗生素在環(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（或生物有效性），同時(shí)也決定抗生素了在環(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[5]。另外，還有一部分的抗生素由于自身以及代謝物具有極性，不與環(huán)境中的固相物質(zhì)結(jié)合，很容易通過河流影響河流以及海洋生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)生物，并且通過水環(huán)境對地下水造成威脅。由于抗生素的不同性質(zhì)以及代謝途徑，因此決定了抗生素在環(huán)境中的遷移方式不同，易受到其自身的光穩(wěn)定性、鍵合、吸附特性、淋洗和降解速率等因素影響。

3.2 抗生素在環(huán)境中的降解過程

除了再分配過程以外，降解作為抗生素最重要的代謝途徑，是我們急需研究的方向。在環(huán)境介質(zhì)中，抗生素的降解方式主要分為水解、光解和生物降解等降解過程[19]。另外，研究表明在不同的環(huán)境介質(zhì)中抗生素降解的主要方式不同，其中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種降解方式并存[20]。

3.2.1 光解

光解是糞便中抗生素的主要降解方式，主要原因是四環(huán)素類、喹諾酮類和磺胺類抗生素，以及泰樂菌素和硝基呋喃等抗生素對光照敏感，容易在光照充足的條件下發(fā)生分解[21]。這種光解作用主要存在于光照充足的地方，如在土壤中，污水中以及淤泥等很少發(fā)生，主要分為直接降解和間接降解，其中影響光解作用主要因素主要包括光照頻率以及光照強(qiáng)度，另外，抗生素的光解作用效率還受到各種環(huán)境條件的影響，如水的pH值和硬度等因素對光解作用均有影響。W erner等研究發(fā)現(xiàn)在不同的pH值和離子濃度下(Ca2+和M g2+)，四環(huán)素的光解一級速率常數(shù)可以達(dá)到一個數(shù)量級的差異[22]。

3.2.2 生物降解

生物降解是大部分抗生素降解的重要途徑，抗生素可以通過生物降解轉(zhuǎn)換為沒有毒性的小分子物質(zhì)，其中又分為植物降解和微生物降解。前者主要是通過自身直接吸收或分解，以及促進(jìn)根部微生物對抗生素吸收利用。而微生物降解又以耐藥菌株參與的降解作用尤為重要，通過微生物改變殘留微生物的空間結(jié)構(gòu)，從而改變抗生素的物理和化學(xué)性質(zhì)，最終變?yōu)閷Νh(huán)境無害的CO2和H2O。又以耐藥菌株參與的降解作用尤為重要，可以通過水解、基團(tuán)轉(zhuǎn)移和氧化還原等方法直接破壞抗生素使其失活[23]。但抗生素生物降解效率受其種類影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的抗生素在相同的密閉環(huán)境條件下，其降解效率不同[24]。同樣，生物降解效率受各種環(huán)境因素的影響，如溫度、PH、有機(jī)和無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣濃度、懸浮沉物以及環(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[25]。

3.2.3 水解

水解是水體中抗生素降解的主要方式。抗生素的分子結(jié)構(gòu)決定了其在環(huán)境介質(zhì)中的降解方式。一些抗生素呈水不穩(wěn)定性，容易被水解，但有些抗生素則不易水解，如β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類和喹諾酮類等抗生素。此外，溫度和pH也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)[26]。大環(huán)內(nèi)脂和磺胺在中性pH條件下幾乎沒有降解[27]。

無論生物降解，還是水解和光解，其降解過程對土壤、水和沉積物等環(huán)境介質(zhì)中殘留抗生素的去除都發(fā)揮著重要的作用，減輕了抗生素殘留物在環(huán)境中的累積及其對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，并且減少其向地表水和地下水的遷移。

4 抗生素污染的應(yīng)對措施

抗生素作為一類抗菌性藥物被廣泛用于畜牧生產(chǎn)中，用于治療疾病以及提高動物的生產(chǎn)性能，但隨著抗生素的大規(guī)模應(yīng)用，由于其使用量大和誘導(dǎo)產(chǎn)生抗生素耐藥菌株等特點(diǎn)，逐漸成為環(huán)境中一類新型污染物，對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，但由于我國對這些問題沒有引起重視，因此在以后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)對抗生素污染問題的研究以及解決方法。

4.1 加大對復(fù)合污染問題的研究

目前國內(nèi)外進(jìn)行的多為對單種或單類抗生素的污染機(jī)制進(jìn)行研究，而現(xiàn)實(shí)生存環(huán)境中抗生素多而繁雜，有待對抗生素復(fù)合污染機(jī)制進(jìn)行更深的研究，以期為抗生素管理提供參考依據(jù)。

4.2 對環(huán)境中抗生素來源的探索

飼料是畜禽攝入抗生素的主要來源，而其排泄物是污染環(huán)境的罪魁禍?zhǔn)住５愑郎降韧ㄟ^對浙江一豬場抗生素飼料攝入濃度和檢測濃度的比較發(fā)現(xiàn)，飼料并非是抗生素?cái)z入的主要途徑[1]，這一事實(shí)表明抗生素可能還有其他來源，這在今后的畜禽養(yǎng)殖獸用抗生素研究中更應(yīng)引起重視，并且積極探索環(huán)境中抗生素的來源情況，為緩解生態(tài)環(huán)境中抗生素污染提供一些理論依據(jù)。

4.3 政府應(yīng)加強(qiáng)管理

由于抗生素的大量使用并未引起政府部門對抗生素污染問題的重視，因此需要國家有關(guān)部門加大對這個問題的重視，加大對抗生素生態(tài)毒理學(xué)科研項(xiàng)目基金的投入以及支持力度，并制定適合我國的污染控制措施以及消除措施的相關(guān)政策，加強(qiáng)對抗生素使用量的控制。

4.4 采用堆肥處理

堆肥是一種有效處理畜禽糞便的常用途徑，被廣泛的應(yīng)用于大規(guī)模養(yǎng)殖中產(chǎn)生的畜禽糞便處理中，能夠有效地去除畜禽糞便中有害污染物，還具有殺菌、除臭等作用。有研究表明，在豬糞堆肥高溫階段，攜帶主要抗性基因的大腸桿菌在高溫下被殺滅，與堆肥前相比微生物多樣性增強(qiáng)[28]。這證明堆肥過程中加入額外抗生素能在一定程度上影響優(yōu)勢菌群的變化，且堆肥后抗性基因的絕對豐度變低。然而隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生的糞便越來越多，并不是所有的養(yǎng)殖廠都將糞便進(jìn)行堆肥處理。因此，在規(guī)?；B(yǎng)殖擴(kuò)大的同時(shí)，養(yǎng)殖戶們也需要及時(shí)加強(qiáng)糞污處理。

4.5 尋找抗生素替代物

抗菌肽是廣泛存在于生物體內(nèi)的一種具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)，具有高效性、廣譜性、穩(wěn)定性、強(qiáng)堿性以及不易產(chǎn)生耐藥性等特點(diǎn)，對細(xì)菌具有很強(qiáng)的殺傷作用，并且對部分病毒、真菌、原蟲和癌細(xì)胞等有殺滅作用，甚至對動物機(jī)體能提高免疫力、加速傷口愈合過程，且對正常細(xì)胞毒性小，被認(rèn)為是現(xiàn)在抗生素的最佳替代品[29]。其他的還包括酶制劑、植物提取物、益生菌、益生元和有機(jī)酸等等均可以做為抗生素的替代物，從而用于生產(chǎn)實(shí)踐中以緩解或者替代部分抗生素。

5 小結(jié)

抗生素由于其獨(dú)特的治療作用而被廣泛應(yīng)用于畜牧行業(yè)中，主要用于促進(jìn)飼養(yǎng)動物生長和預(yù)防動物疾病的防治，但隨著在畜牧養(yǎng)殖也中的大量使用，導(dǎo)致對生態(tài)環(huán)境的污染，并逐漸成為我國面臨的重大難題，因此在以后的發(fā)展過程中，我們加大對抗生素濫用的重視，一方面要注重對抗生素濫用從而對環(huán)境污染的治理。另外一方面要發(fā)現(xiàn)新的替抗物質(zhì)替代抗生素，從而緩解對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

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建立追溯體系打造郴字品牌

2007年9月26日，全省畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯暨品牌建設(shè)工作現(xiàn)場會在郴州市召開。

據(jù)介紹，今年5月，郴州市先行先試“互聯(lián)網(wǎng)+”等現(xiàn)代電子信息技術(shù)在畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管中的應(yīng)用，創(chuàng)新推進(jìn)了畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系建設(shè)，消費(fèi)者和監(jiān)管部門只需掃一掃二維碼，就能簡便、快捷、全面地了解產(chǎn)品信息，為生產(chǎn)者銷售產(chǎn)品、消費(fèi)者選擇產(chǎn)品、企業(yè)推介產(chǎn)品、政府監(jiān)管產(chǎn)品和打造品牌搭建了一個具有公信力的優(yōu)質(zhì)平臺。

郴州市副市長陳榮偉表示，現(xiàn)場會在我市召開，體現(xiàn)了省畜牧水產(chǎn)局對我市養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的充分肯定，同時(shí)也是對我市進(jìn)一步做好畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯和品牌建設(shè)的鼓勵和鞭策。我市將認(rèn)真貫徹落實(shí)本次會議精神，充分借鑒兄弟市州的工作經(jīng)驗(yàn)，全面提升我市畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯和品牌建設(shè)水平。

省畜牧水產(chǎn)局黨組書記、局長袁延文表示，推進(jìn)畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯和品牌建設(shè)，是加快養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需要、是供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的必然選擇、是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)增效農(nóng)民增收的現(xiàn)實(shí)需要；要突出抓好畜禽水產(chǎn)品追溯體系和品牌建設(shè)關(guān)鍵點(diǎn)，強(qiáng)化畜禽水產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管，鼓勵企業(yè)開展追溯體系建設(shè)。

（來源：郴州日報(bào)，記者：李江華）

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1006-4907（2017）05-0049-04

10.3969/j.issn.1006-4907.2017.05.022

2017-09-11