抗生素對水生生物毒性影響的研究進展

胡 藝，沈夢楠，楊 帆，卜小丹，胡嘯威，蔡 航，陳 濤，張 明，劉青宇

（1.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林長春 130118；2.長春水務(wù)集團城市排水有限責(zé)任公司，吉林長春 130118）

抗生素也被稱為抗菌素，是殺死或抑制細菌生長的一種藥物，通常由真菌、細菌及其他微生物產(chǎn)生或化學(xué)方法合成。自1929年第一種抗生素——青霉素的發(fā)現(xiàn)至今，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并研究合成了數(shù)萬種抗生素，在人類醫(yī)療、畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面作出了巨大的貢獻。但由于缺乏科學(xué)的規(guī)范性指導(dǎo)，抗生素濫用的現(xiàn)象非常嚴(yán)峻，據(jù)統(tǒng)計全世界一年約有20萬t 的抗生素被消耗，而生物體消耗后殘留的藥物會隨著自然環(huán)境的水土流失和人工污水的排放進入地表水，并長期存在于水體環(huán)境中。同時水體中抗生素代謝和降解的產(chǎn)物可能會影響抗藥細菌和耐藥基因的發(fā)展和轉(zhuǎn)移，這已經(jīng)是危害全球生物體健康的風(fēng)險之一。研究表明，抗生素能抑制部分細菌酶DNA 的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，也可阻礙蛋白質(zhì)、核酸和細胞壁的生長合成等，其作用于大部分細胞而無區(qū)分，無法做到主動性地趨利避害，所以在治療生物體相關(guān)疾病的同時其副作用可能會對生物的發(fā)育、心血管、代謝系統(tǒng)和光合作用等造成不同程度的損害，因此，抗生素對水生生物的危害不容小覷。水域生態(tài)系統(tǒng)作為抗生素的主要歸宿之一，容納了多種抗生素，Liu 等[1]綜述了中國河流湖泊中抗生素的分布情況，發(fā)現(xiàn)我國地表水中存在37種不同種類的抗生素，主要為磺胺類、大環(huán)類脂類、喹諾酮類和四環(huán)素類，且污染水平均在納克每升至微克每升之間。在這些水域系統(tǒng)中的生物體內(nèi)共計檢測出24種抗生素，其中遼河水域中喹諾酮類抗生素恩諾沙星在生物體內(nèi)的富集水平最高可達1 653.17 ng/L。

1 抗生素對水生生物生長發(fā)育的影響

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對抗生素對水生生物生長發(fā)育的影響做了大量研究，發(fā)現(xiàn)水體中的四環(huán)素類、磺胺類和喹諾酮類抗生素對生物的生殖和器官的健康均有一定影響。Yan 等[2]將斑馬魚暴露在200 μg/L 的磺胺甲惡唑水體中，發(fā)現(xiàn)磺胺甲惡唑改變了斑馬魚的卵母細胞，使其閉鎖，且卵巢組織環(huán)境也受到影響，進而導(dǎo)致胚胎的產(chǎn)量減少且子代孵化率和存活率顯著下降，存活的仔魚在成長發(fā)育過程中畸形數(shù)量也增多。另有研究表明，阿莫西林會導(dǎo)致斑馬魚水腫、尾部畸形和胚胎畸形、提前孵化，而四環(huán)素會導(dǎo)致斑馬魚胚胎延遲孵化[3]。Zhou 等[4]研究發(fā)現(xiàn)四環(huán)素可能引起斑馬魚腸道杯狀細胞數(shù)量顯著減少、抗炎因子的表達增加、擾亂腸道菌群從而損害斑馬魚腸道健康。較高濃度的磺胺甲惡唑還可能使澳洲條紋沼蝦和蝌蚪觸覺反應(yīng)逐漸喪失，造成魚類肝臟細胞漿染色增亮和細胞核變大等[5]。

光合作用是植物通過葉綠體將光能轉(zhuǎn)化為生命所需的化學(xué)能。葉綠素是植物吸收、傳輸和轉(zhuǎn)化光能的生產(chǎn)車間，其含量的變化會直接影響水生植物光合作用能否正常進行，從而影響植物體內(nèi)有機質(zhì)（如蛋白質(zhì)）的合成。因此當(dāng)水生植物遭受抗生素污染時，根、莖的葉綠素合成途徑可能受到限制。Yan 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的環(huán)丙沙星對鳳眼蓮葉片內(nèi)葉綠素合成產(chǎn)生不同影響，低濃度的環(huán)丙沙星（10 μg/L）會促進鳳眼蓮體內(nèi)葉綠素a、葉綠素b 和總?cè)~綠素的催化合成，而暴露于高濃度時則會抑制大部分種類的葉綠素合成。Baciak 等[7]將浮萍暴露于四環(huán)素的水體中，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素不僅可以抑制浮萍葉綠素的合成還能使其生長速率、葉片數(shù)量、葉表面積、鮮重均受到抑制。

2 抗生素對水生生物抗氧化系統(tǒng)的影響

在自然生長條件下，水生生物體內(nèi)產(chǎn)生和清除的活性氧（ROS）可維持著一種動態(tài)平衡，但若長期暴露于有毒污染物的環(huán)境中，生物體內(nèi)將會生成過量的ROS，破壞其平衡狀態(tài)，致使具有強氧化性的超氧自由基（O2-）、羥自由基（OH-）和過氧化氫（H2O2）分子大量游離。而這些自由基會導(dǎo)致膜脂過氧化反應(yīng)，進而破壞細胞膜，增加細胞膜通透性，加速與細胞中大分子物質(zhì)的化合反應(yīng)，最終影響細胞的正常代謝，阻礙生物體內(nèi)細胞的正常生長和繁殖。

生物體在受到諸如抗生素、重金屬和有機污染物脅迫時，其體內(nèi)會產(chǎn)生大量的ROS，這些ROS 會引起抗氧化酶如超氧化歧化酶（SOD）、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）等活性變化。吳志剛等[8]將鯉魚暴露于含有環(huán)丙沙星的水體環(huán)境中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在暴露初期，高濃度的環(huán)丙沙星脅迫使鯉魚肝臟SOD 酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而低濃度的脅迫影響與之相反呈先降低后升高趨勢，盡管趨勢不相同，但暴露初期整體SOD 酶活性均高于對照組，而隨暴露時間增加，在暴露后期SOD 酶活性均低于對照組，受到顯著抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的環(huán)丙沙星和諾氟沙星（0.05、0.5 mg/L）可以誘導(dǎo)魚體肝臟內(nèi)GSH 的產(chǎn)生，而高濃度的（5、50 mg/L）抗生素則是先誘導(dǎo)再抑制GSH 產(chǎn)生。環(huán)丙沙星對植物體內(nèi)的抗氧化酶活性也會產(chǎn)生影響，鳳眼蓮受到環(huán)丙沙星脅迫后，葉片的SOD 酶活性可能會出現(xiàn)先誘導(dǎo)后抑制的變化，CAT 酶活性會隨著環(huán)丙沙星濃度增高而增高，但是在第7 d 其體內(nèi)CAT 酶活性開始降低[6]?？股貙ι矬w內(nèi)酶活性“低促高抑”的作用現(xiàn)象，可能是因為生物體暴露于污染物中后，當(dāng)污染物濃度未達機體承受極限時，生物體能夠利用自身調(diào)節(jié)機制，增強其抗氧化酶的活力并同時產(chǎn)生抗氧化性的化合物以排除機體多余的單線態(tài)氧自由基，借此來抵抗或減少氧化破壞。但是，如果污染物的含量超過其生物體承受的閾值時，即機體內(nèi)部的抗氧化酶系統(tǒng)無法保證自由基相對數(shù)量的產(chǎn)生并滿足動態(tài)平衡，將可能直接造成生物體組織與機能破壞或者凋亡，使得酶活性削弱。

3 抗生素對水生生物在分子水平上的影響

研究表明，土霉素會使虹鱒魚和羅非魚體內(nèi)的魚紅細胞DNA 鏈斷裂，且能與DNA 相互作用抑制參與DNA 修復(fù)的酶活性，使魚紅細胞表現(xiàn)出顯著的DNA 損傷[9-10]。這種抑制生物體內(nèi)DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的作用在羊角月牙藻和綠藻體內(nèi)也出現(xiàn)。針對紅霉素[11]對羊角月牙藻的基因毒性研究結(jié)果顯示，紅霉素不僅可以阻斷DNA 的復(fù)制還有可能產(chǎn)生DNA 錯配修復(fù)信號引起基因毒性。低濃度的紅霉素（4 μg/L）通過上調(diào)與DNA 復(fù)制通路相關(guān)的基因區(qū)間表達促進植物生長，而高濃度抗生素則通過下調(diào)DNA 復(fù)制和修復(fù)的通路抑制植物生長[11]。在大西洋鮭腸道內(nèi)土霉素上調(diào)腸道吸收相關(guān)的蛋白表達引起腸道菌群的損傷?？股貙ι矬w基因的影響主要表現(xiàn)為，低濃度的暴露會激活解毒系統(tǒng)，而高濃度抗生素在生物體內(nèi)過量積累可能會抑制解毒相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素不僅可能會影響生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的運輸、酶基因的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄，以及光合作用基因的編碼，還可能會使機體產(chǎn)生抗生素耐藥菌，促進耐藥基因（ARGs）的產(chǎn)生，且這種耐藥基因可能通過垂直傳播或水平傳播等途徑在環(huán)境中傳播，使多種生物體產(chǎn)生耐藥性，這一點尤其值得關(guān)注。

4 結(jié)束語

抗生素雖然在人類醫(yī)療史上對抗細菌感染方面的成就功不可沒，但由于其在醫(yī)療和畜牧等行業(yè)的濫用對環(huán)境也造成了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。通過分類綜述相關(guān)研究，建議未來針對抗生素的研究，可以側(cè)重于降低生物體內(nèi)抗生素的毒性影響和研究經(jīng)濟環(huán)保型技術(shù)消除環(huán)境中抗生素殘留。