靜態(tài)水環(huán)境中抗生素賦存狀態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律*

余子賢 趙婧瀅 饒培源 謝蓉蓉 張夢露 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)利用重點實驗室(福建師范大學(xué))，福建 福州 350007)

自20世紀初期，英國科學(xué)家亞歷山大·弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來，各類抗生素藥物被廣泛用于治療和預(yù)防各種細菌感染疾病，挽救了無數(shù)人的生命，因此被稱為20世紀最偉大的發(fā)明之一[1]。目前，世界上使用的抗生素種類主要有β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類、氨基糖苷類和氯霉素類等。中國也是抗生素生產(chǎn)和使用大國，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年中國抗生素使用量達到16.2萬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能通過水平基因轉(zhuǎn)移實現(xiàn)在同類甚至跨物種間的傳播，從而促進細菌抗生素抗性在不同環(huán)境介質(zhì)中的擴散，這無疑對整個生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成巨大威脅[5]。

目前，國內(nèi)外對河流中抗生素的遷移轉(zhuǎn)化進行了大量研究，然而靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的時空分布及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律還鮮有關(guān)注。靜態(tài)水是流速很低甚至沒有流動或水體交換速度緩慢的水體統(tǒng)稱，如湖泊、水庫和水產(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)化機理的梳理能為正確評估靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的生態(tài)風(fēng)險和降低其危害性提供一定參考。

1 靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的來源

靜態(tài)水環(huán)境中的抗生素主要來自3個方面：(1)醫(yī)療機構(gòu)和個人家庭用藥，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)由體液進入污水排放系統(tǒng)，醫(yī)療機構(gòu)過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高于自然環(huán)境水體，其質(zhì)量濃度可達5.9～11.8 μg/L[6]。另外，大眾在使用抗生素過程中存在不合理和不科學(xué)問題，導(dǎo)致大量的過期抗生素藥品隨意丟棄，隨生活污水或地表徑流進入靜態(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隨著排泄物作為有機肥進入到農(nóng)田系統(tǒng)，經(jīng)地表和地下徑流最終進入靜態(tài)水環(huán)境。水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的抗生素一部分會直排進入湖泊、河流或海洋，另一部分則會殘留于底泥中。如鄱陽湖區(qū)典型養(yǎng)豬場廢水和下游水體均檢測出磺胺類、喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素，其中氧氟沙星達到0.911 μg/L，四環(huán)素高達5.6 mg/L[7]。(3)來自于抗生素生產(chǎn)廠家產(chǎn)生的含抗生素廢水的排放。目前，中國生產(chǎn)抗生素藥品的企業(yè)有1 000多家，生產(chǎn)抗生素種類繁多。研究表明，抗生素生產(chǎn)廠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

湖泊和水庫等水體交換速度較慢的水體是抗生素的重要儲存場所[9]，大量的抗生素可能會通過生活和畜禽養(yǎng)殖廢水進入其中。值得注意的是，中國的湖泊、水庫同水產(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)境中均存在各類抗生素藥物，具體見表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，中國研究者在各種湖泊、水庫和養(yǎng)殖區(qū)中均檢出抗生素的存在，其中三峽水庫抗生素最高可達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未被水生動物食用的剩余餌料或水生動物的糞便進入到水體環(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%被水生動物所吸收，其余的70%～80%進入到水環(huán)境當(dāng)中[28]。

經(jīng)檢索和匯總統(tǒng)計，相關(guān)文獻資料中靜態(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(磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑等)、喹諾酮類(恩諾沙星、氧氟沙星等)和四環(huán)素類(四環(huán)素、土霉素等)在水體中被廣泛檢出。常見的5大類抗生素(氯霉素類、磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類和大環(huán)內(nèi)酯類)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)素類最高，氯霉素類最低。恩諾沙星在17篇文獻中被檢出，是被檢索文獻中被檢出次數(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)境由于水體交換時間長，導(dǎo)致抗生素能長時間在系統(tǒng)中進行分布和擴散，使得靜態(tài)水環(huán)境成為抗生素一個重要的“匯”[29]。人類活動產(chǎn)生的抗生素進入靜態(tài)水環(huán)境中致使水體中的細菌和藻類產(chǎn)生一定的毒性，同時還會導(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)化的重要過程，一般包括物理性和化學(xué)性吸附?？股赝ㄟ^范德華力、色散力、誘導(dǎo)力和氫鍵等分子間作用力與水體、土壤中有機物或顆粒物表面吸附點相吸附，或抗生素分子的功能集團(如羧基、醛基、胺基)與水體中有機物質(zhì)形成絡(luò)合物，從而被吸附在水體中[31]。吸附能力較強的抗生素在環(huán)境中較穩(wěn)定，容易蓄積，對所處水環(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，進一步對下游水環(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，抗生素會發(fā)生一種或多種降解反應(yīng)。抗生素的降解途徑主要涵蓋水解、光降解和微生物降解。通常，降解過程會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?，甚至毒性可能會更強[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大類抗生素中大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類容易發(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。現(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)備和長波紫外光)對四環(huán)素進行TiO2光催化研究，研究發(fā)現(xiàn)，紫外燈、浴室照明設(shè)備和長波紫外光下四環(huán)素的半衰期分別為10、20、120 min，說明了不同光源對同種抗生素的光降解速率有一定的影響。抗生素所處水環(huán)境酸堿度對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到最高。腐殖酸是在地表水中廣泛存在的天然有機物，具有很強的光敏性。葛林科等[38]探討了模擬日光下腐殖酸的添加對加替沙星光降解的影響，研究發(fā)現(xiàn)，腐殖酸對其光降解產(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、水解作用和基團轉(zhuǎn)移作用。微生物降解主要是依托微生物本身對抗生素進行有效降解，所以微生物所處的生活環(huán)境直接影響微生物的活性，進而對抗生素降解產(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生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和人類健康均存在潛在風(fēng)險[40]，其主要表現(xiàn)為3個方面。

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，其主要機制是抗生素通過與特定細菌靶標相互作用，表現(xiàn)為抑制細菌細胞壁合成、蛋白質(zhì)合成或核酸復(fù)制。細菌對抗菌劑產(chǎn)生耐藥性的作用部位和潛在機制見圖1[41]。無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編碼特定的生化耐藥性機制，其中可能包括藥物的酶促失活、抗生素靶位點結(jié)構(gòu)改變和阻止獲得足夠濃度的抗菌劑到達活動站點。另外，抗生素能誘使ARGs的產(chǎn)生，ARGs可能在不同細菌間傳遞，從而導(dǎo)致其特殊的生態(tài)毒理效應(yīng)[42]。

圖1 細菌對抗菌劑產(chǎn)生耐藥性的作用部位和潛在機制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

由外源進入并殘留在環(huán)境中的抗生素對環(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，進而影響生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)[43]。

4.3 抗生素對人類及動物健康的威脅

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)生組織報告，美國每年因為ARB的影響，有上百萬人需要接受治療，并有上千人死于這類疾病。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)移到人類共生微生物和病原體中產(chǎn)生“三致”效應(yīng)或激素類藥物的作用，嚴重干擾了人類的各項生理功能，威脅人類健康[44]。

5 結(jié) 語

由于人類生產(chǎn)生活導(dǎo)致了湖泊、水庫和水產(chǎn)養(yǎng)殖塘中含有大量的抗生素并產(chǎn)生累積的現(xiàn)象，將勢必對水生生態(tài)系統(tǒng)和水產(chǎn)品品質(zhì)帶來較大的影響。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、含量和分布，評述抗生素的遷移轉(zhuǎn)化過程和危害，并在此基礎(chǔ)上對靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的研究方向進行展望：(1)當(dāng)前對靜態(tài)水環(huán)境中抗生素的來源和去向研究較少。靜態(tài)水環(huán)境作為一個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源。開展水體、水生生物和底泥沉積物系統(tǒng)中抗生素、ARB和ARGs遷移轉(zhuǎn)化機理及其影響因素研究是其重要內(nèi)容。(3)目前，對于靜態(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，因此從微觀角度研究抗生素的降解機理具有一定意義。