方媛瑗 丁惠君

抗生素是指一類用于殺死或抑制存在于人類和動物宿主內細菌的天然、半合成或合成的化合物。自1928年英國細菌學家弗萊明發(fā)現青霉素以來，抗生素的種類已達幾千種，常用的有β-內酰胺類、氨基糖苷類、大環(huán)內酯類、四環(huán)素類、喹諾酮類、磺胺類等。作為人類和動物防治疾病的藥品以及促進牲畜生長的激素，抗生素已廣泛應用于全球的醫(yī)藥業(yè)、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)。由于不同生物對藥物的代謝程度不同，人類和動物所攝入的抗生素有30%～90%都不能被完全吸收，而是隨著尿液和糞便一起排入到環(huán)境中。此外，畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展大幅度增加了獸用抗生素的使用量，而普遍過度使用抗生素的現象也進一步提高了抗生素的排泄量和釋放量。

環(huán)境中抗生素大多存在于水體和土壤這 2種介質中。水體中抗生素主要來源包括抗生素集中排放的醫(yī)院，沖洗牲畜排泄物的養(yǎng)殖廠，污水處理廠等；土壤中抗生素則主要來自畜禽糞便的直接排放和農業(yè)施肥。大量的抗生素殘留于環(huán)境中，不僅會對微生物和動植物產生毒性效應，通過遷移轉化還會進入到人類的食物和飲用水中，對人類健康造成潛在的風險。更有研究表明，抗生素的長期濫用會誘導抗性基因的產生，對生態(tài)環(huán)境造成基因污染，構成嚴重威脅。

1 抗生素的使用及污染現狀

1.1 抗生素的生產和使用現狀

有資料顯示，1999年歐洲抗生素使用量為13200 t，其中醫(yī)用抗生素為8500 t，約占65%；獸用抗生素為4700 t，約占35%。美國是抗生素消費大國，大量抗生素用于動物喂養(yǎng)，1999年美國僅獸用抗生素就達9300 t。進入 21世紀后，抗生素的生產量和使用量在全球大范圍增加。據估計，2002年全球抗生素的使用量為10萬～20萬t。2003年，韓國超過16種抗生素的生產量多于7 t，其中阿莫西林和頭孢的生產量最大，分別為96 t和84 t。2008年，捷克共和國獸用抗生素的使用量也增加到80 t。我國作為抗生素生產和使用大國，2009年抗生素生產量就為14.7萬t，到2013年則增加到24.8萬t。更有調查顯示，2013年中國抗生素使用量為16.2萬t，是同年英國抗生素用量的150多倍。

1.2 抗生素的污染現狀

抗生素的過度生產和使用導致了環(huán)境中殘留的抗生素不斷增加，使得不同國家的地表水體和土壤都受到污染。目前，英國的伊利河，法國的塞納河，意大利的亞諾河，美國的伊利諾斯州河流域，韓國的漢江，中國的巢湖、渤海灣、黃浦江等地表水體都檢測出不同程度的抗生素含量；意大利的雷焦艾米利亞，土耳其的伊斯坦布爾，巴西的圣保羅州，馬來西亞的森美蘭州，中國的北京、天津、江蘇等不同的土壤介質也檢測到各種抗生素的污染。

地表水體中抗生素的種類較多，包括磺胺類、大環(huán)內酯類、喹諾酮類、四環(huán)素類等，濃度一般在幾到幾百ng/L，而污染較重的河流或湖泊抗生素則達到幾千ng/L，這與當地人口密集，工業(yè)發(fā)達，醫(yī)院較多是分不開的；不同于水體介質，土壤中抗生素的污染主要為四環(huán)素類，這是因為該類抗生素廣泛使用于獸藥當中，并通過畜禽糞便大量進入土壤介質。由于抗生素有抑制和殺死細菌的作用，進入到水體和土壤中后，抗生素就必然會對介質中微生物、植物、動物產生影響，破壞生物群落結構。除此之外，抗生素還會誘導抗性基因的產生，使得其在各種介質中以及動植物體內進行傳播，給人類生活健康帶來重大隱患。

2 抗生素對水生態(tài)環(huán)境的毒性效應

2.1 浮游植物

浮游植物是一類營養(yǎng)豐富、光合利用度高的微小生物，其種類繁多，分布廣泛，包括藍藻門、綠藻門、硅藻門、金藻門、黃藻門等8個門類的藻類。作為水生態(tài)環(huán)境中的初級生產者，浮游植物對整個生態(tài)系統有著十分重要的作用，當抗生素進入水生態(tài)環(huán)境中，浮游植物無疑是最先也是最易受到影響的一類水生生物。

研究表明，不同的抗生素對藻類的毒性機制不同，如β-內酰胺類抗生素主要是抑制藻類細胞壁的合成，氨基糖苷類抗生素主要抑制藻類糖的代謝，四環(huán)素類抗生素主要抑制藻類蛋白質的合成，喹諾酮類抗生素則主要抑制藻類DNA的復制和葉綠素的合成，而磺胺類抗生素主要是抑制藻類葉酸的代謝。

目前，國內外報道抗生素對浮游植物毒性效應的文獻較多，EC50幾乎都小于20 mg/L，有的甚至在1 mg/L以下，毒性較強。Anna等選取12種不同的磺胺類抗生素對柵藻進行研究，經過24 h的毒性試驗獲知，柵藻對磺胺類抗生素十分敏感，EC50在 1.54～32.25 mg/L之間；徐冬梅等通過96 h的暴露試驗分析了四環(huán)素、金霉素和強力霉素對蛋白核小球藻和斜生柵藻的毒性影響，結果顯示，強力霉素在多種濃度下都會使得蛋白核小球藻和斜生柵藻細胞膜的通透性降低，抑制藻類的生長作用；楊彎彎等對銅綠微囊藻進行96 h毒性暴露試驗，結果發(fā)現，恩諾沙星和硫氰酸紅霉素對銅綠微囊藻生長均有抑制作用，且隨著抗生素濃度增加，銅綠微囊藻的光合色素含量下降，2 種抗生素EC50分別為0.08和0.05mg/L；Boris Kolar等開展了土霉素對魚腥藻的毒性試驗，得到 72 hEC50為 2.7mg/L；A Magdaleno等研究氨芐青霉素、阿莫西林、頭孢噻吩、環(huán)丙沙星、慶大霉素、萬古霉素這6種抗生素對月牙藻的毒性效應，結果表明，環(huán)丙沙星和慶大霉素的毒性較強，72 h的EC50分別為（11.3±0.7）（19.2±0.5） mg/L；Marta Borecka等通過48 h和72 h的暴露試驗研究了4種抗生素對普通小球藻的毒性效應得到，磺胺甲惡唑和磺胺嘧啶對普通小球藻的毒性最強，暴露48 hEC50分別為0.98 mg/L和1.93 mg/L；Pan等通過 12 h的毒性暴露實驗發(fā)現，當諾氟沙星濃度為0.05、0.5、5、50 mg/L時，四尾柵藻的藻密度分別降低了3.62%、32.46%、40.20%、50.29%。

2.2 浮游動物

浮游動物是一類經常在水中浮游，本身不能制造有機物的異養(yǎng)型無脊椎動物和脊索動物幼體的總稱，其種類極多，包括原生動物、腔腸動物、櫛水母、輪蟲、甲殼動物、腹足動物、尾索動物等，它們是中上層水域水生動物的主要餌料，對維持水生態(tài)系統的穩(wěn)定有著重要作用。

多數學者在抗生素的毒性研究中采用的浮游動物是大型溞。Yamashita等通過 48 h暴露試驗發(fā)現，當左氧氟沙星和克拉霉素濃度在0.01～10 mg/L時，抗生素對大型溞沒有明顯的毒性作用；Kim等研究了四環(huán)素、磺胺甲嘧啶、林可霉素對大型溞的毒性效應，結果表明，四環(huán)素和磺胺甲嘧啶48 h的LC50分別為36.56、66.22 mg/L，而林可霉素LC50則＞3651 mg/L；Marta等進行了多拉菌素、甲硝唑、氟苯尼考、土霉素對大型溞的毒性試驗，結果表明，除了多拉菌素48 h的EC50較小之外，其他幾種抗生素EC50均要＞100 mg/L；同樣的，嚴拾偉也進行了諾氟沙星對大型溞的急性毒性實驗，結果表明，諾氟沙星的12 h-EC50、24 h-EC50、48 h-EC50、96 h-EC50分別為 257.5、55.56、28.46、7.24 mg/L。

另外，還有一些學者對鹵蟲、輪蟲進行了研究，如 Migliore等通過對鹵蟲幼蟲的 72 h毒性試驗得到，巴龍霉素、氟甲喹和林可霉素的EC50在93.4～846.5 mg/L之間；Marina Isidori等研究了紅霉素、土霉素、磺胺甲惡唑、氧氟沙星、林可霉素、克拉霉素對萼花臂尾輪蟲的毒性效應，結果發(fā)現，6種抗生素的LC50均在30.0～52.7 mg/L之間。由此可見，盡管抗生素對水體浮游動物具有一定的毒性作用，但相對于浮游植物，其所受毒性作用大大降低。

2.3 水生動物及兩棲類動物

抗生素對水生動物毒性效應研究的對象主要包括一些魚類、蝦類和貝類。Robinson等選取 7種喹諾酮類抗生素對黑頭呆魚進行研究，結果顯示，抗生素在10 mg/L的濃度內對黑頭呆魚并無顯著影響；Huang等對青鳉魚進行96 h毒性試驗研究發(fā)現，甲氧嘧啶的LC50＞1000 mg/L；王慧珠等采用斑馬魚和鯽魚作為受試生物，研究四環(huán)素類抗生素的生態(tài)毒性，結果表明，四環(huán)素對鯽魚96 h的LC50為322.8 mg/L，對斑馬魚96 h的LC50為406.0 mg/L；沈洪艷等對錦鯉進行魚類毒性試驗，結果得到，當諾氟沙星暴露質量濃度達到1000 mg/L時，諾氟沙星對錦鯉無急性毒性；Tu等研究了恩諾沙星和呋喃唑酮對黑虎蝦體內乙酰膽堿酯酶的活性影響，發(fā)現當2種抗生素分別以4 g/kg投入食物中喂養(yǎng)黑虎蝦7 d后，黑虎蝦肌肉中乙酰膽堿酯酶的活性幾乎沒有變化；Matozzo等對菲律賓蛤仔和紫貽貝進行毒性試驗；結果表明，當阿莫西林濃度為0.1、0.2、0.4 mg/L時，抗生素對菲律賓蛤仔和紫貽貝的血細胞參數沒有顯著影響。

近年來，抗生素對水生態(tài)毒性研究的對象還包括青蛙、蟾蜍等兩棲類動物，Peltzer等通過對蟾蜍幼體進行96 h毒性試驗得到，當恩諾沙星和環(huán)丙沙星濃度范圍為0.001～1 mg/L時，蟾蜍幼體死亡率均不超過2%；劉臻等采用氯霉素、紅霉素和四環(huán)素對熱帶爪蟾胚胎進行72 h暴露試驗，結果表明，濃度為1000 mg/L時，3種抗生素對熱帶爪蟾胚胎的存活率幾乎沒有影響。

總體上可以看出，抗生素對魚類等水生動物及兩棲類動物均呈低毒性。雖然短時間內無明顯影響，但長期暴露下這些生物可能會出現基因變異、胚胎畸形現象，從而破壞生態(tài)系統的平衡。

3 抗生素對土壤環(huán)境的毒性效應

3.1 土壤微生物

土壤微生物是土壤環(huán)境的重要組成部分，也是土壤中物質轉化的動力來源。當抗生素通過糞便排放或污水灌溉進入土壤時，殘留的抗生素會改變土壤中微生物的結構群落和微生物的活性，產生各種毒性效應。

在微生物結構群落方面，Kong等發(fā)現，土壤微生物的群落多樣性會隨著土霉素濃度的增加而降低，當土霉素濃度為 11 μmol/L時，微生物的群落多樣性抑制率為20%。Hammesfahr等將不同濃度的磺胺嘧啶加入到土壤進行試驗，結果顯示，各濃度下的磺胺嘧啶都會使得土壤中磷脂脂肪酸減少，細菌和真菌的比例降低，甚至2個月后微生物的群落結構依舊在變化。劉燕等利用Biolog-ECO技術分析了不同青霉素濃度處理下土壤微生物的結構多樣性，發(fā)現當青霉素濃度為800 mg/kg時，土壤中微生物多樣性指數顯著降低。

在微生物活性方面，Thiele Bruhn等研究得到，磺胺嘧啶和四環(huán)素會使得微生物的數量明顯減少，且抗生素在濃度為 0.003～7.35 mg/kg時能抑制10%的微生物活性。Yang等進行土霉素對小麥根際土壤微生物的結構群落和活性影響研究得到，土霉素為10 mg/kg時，微生物結構群落顯著減少，細菌、放線菌量分別減少了22.2%和31.7%，堿性磷酸酶活性的抑制率達41.3%，當土霉素濃度超過30 mg/kg時，堿性磷酸酶活性的抑制率則增加到64.3%～80.8%。余彬彬等通過盆栽實驗研究了不同濃度羅紅霉素對小麥根際土壤微生物生物量氮的影響，結果表明，添加羅紅霉素后土壤微生物生物量氮在小麥苗期、拔節(jié)期和抽穗期均受到顯著抑制。另外，土壤的呼吸作用也是反映土壤中微生物活性的一個重要參數。Sara Boleas等發(fā)現，土霉素為100 mg/kg時會抑制16%～25%的微生物呼吸作用，而濃度1000 mg/kg時抑制率為 28%～38%。Fang等對磺胺嘧啶和金霉素的研究也表明，2種抗生素均會抑制土壤的呼吸作用。

3.2 土壤植物

自然界中大部分植物的根都固著在土壤當中，土壤是植物生長發(fā)育的基質，它可以為植物提供養(yǎng)分、水分和空氣。有研究報道，當抗生素進入土壤后，植物會產生明顯的富集作用，Migliore等通過實驗得到，大麥和玉米的根部含有培養(yǎng)土壤中所添加的磺胺間二甲氧嘧啶；Kumar等也證實了玉米、洋蔥和甘藍會吸收土壤中的金霉素；鮑陳燕等對水芹進行土培試驗發(fā)現，土壤中的恩諾沙星和土霉素都會在水芹中積累，且抗生素在水芹各器官中的累積順序為根＞葉、莖；同樣的，許多其他植物如黃瓜、萵苣、蘿卜、菜豆、冬小麥、馬鈴薯、胡蘿卜、韭菜等也會對抗生素進行富集。

抗生素進入植物體內后會影響植物的生長發(fā)育，與多數污染物相似，高濃度抗生素會抑制植物生長，低濃度抗生素則促進植物生長。Kong等發(fā)現當土霉素濃度高于0.002 mmol/L時會顯著抑制紫花苜蓿的生長，在0.002～0.2 mmol/L范圍內，土霉素對紫花苜蓿莖和根的抑制率分別可達 61%和 85%。魏賽金等研究了鏈霉菌702對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，結果表明“農抗702”（鏈霉菌702發(fā)酵產物中的多烯大環(huán)內酯抗生素）在低濃度下可促進水稻種子萌發(fā)及根長的生長，提高根系活力，隨著抗生素濃度升高，種子的萌發(fā)及根長的生長受到抑制。張繼旭等采用盆栽試驗系統研究了不同劑量四環(huán)素的添加對烤煙生長發(fā)育的影響，結果表明，低量四環(huán)素的添加促進了煙草株高的增加，中高量四環(huán)素的添加對株高有明顯的抑制作用。

根據抗生素自身化學性質、土壤特性及植物種類的不同，抗生素對植物的影響也會不同。Batchelder等通過研究金霉素和土霉素對蘿卜、小麥、玉米和斑豆的影響發(fā)現，在同等實驗條件下，土霉素和金霉素會抑制斑豆的生長，減少斑豆對Ca、Mg、K、N等營養(yǎng)物質的吸收，但會促進蘿卜和小麥的生長，2種抗生素對玉米的生長則無明顯影響。Farkas等研究表明，玉米在含有金霉素的土壤中生長時，其谷胱甘肽硫轉移酶和過氧化物酶的活性會顯著增強，而斑豆中卻沒有檢測到這種現象。David等進行植物對四環(huán)素和阿莫西林的吸收試驗得到，不同土壤介質中胡蘿卜和生菜對抗生素的吸收量不同，而同種土壤介質中 2種植物內阿莫西林的積累量要大于四環(huán)素的積累量。Min等進行了抗生素對生菜、番茄、胡蘿卜和黃瓜的毒性試驗研究，結果表明，抗生素會顯著影響植物根系的生長，4種植物中生菜對抗生素的毒性最為敏感，不同抗生素毒性的強弱順序依次為四環(huán)素＞諾氟沙星＞紅霉素＞磺胺甲嘧啶＞氯霉素；劉娣等采用土培試驗比較了不同土壤中四環(huán)素類抗生素污染對小白菜根長生長的影響，結果得到，當添加的四環(huán)素為2.5 mg/kg時，磚紅壤、青紫泥和紅壤中的小白菜根長會顯著升高，而黑土中小白菜的根長則沒有明顯影響。

3.3 土壤動物

土壤動物是土壤環(huán)境中重要的消費者，在生態(tài)系統中起著重要作用，它們既會同化土壤中各種有利物質建造自身，又會將排泄物歸還到土壤中，從而不斷改造環(huán)境。目前抗生素對土壤動物的毒性研究相對較少。Jensen等測定了泰妙菌素、喹乙醇和甲硝唑對跳蟲和線蚓的毒性，發(fā)現抗生素濃度最大時（喹乙醇3000 mg/kg，泰妙菌素5000 mg/kg，甲硝唑 5000 mg/kg）其對跳蟲和線蚓均無明顯的影響。Dong等通過測定赤子愛蚯蚓DNA的破壞來研究四環(huán)素和金霉素對赤子愛蚯蚓的基因毒性，結果表明，2種抗生素在濃度為0.3～300 mg/kg對赤子愛蚯蚓的基因毒性具有明顯的劑量效應關系，且短期內金霉素的基因毒性更大。Suzana等研究了拉沙里菌素對安德愛勝蚓和土鱉蟲的生態(tài)毒性，結果得到，當拉沙里菌素為 163 mg/kg時，安德愛勝蚓的死亡率明顯增加；而當拉沙里菌素為202 mg/kg時，其對土鱉蟲的成長和生存則無明顯影響：Gao等研究了赤子愛蚯蚓在含土霉素土壤中的回避行為，經過 48 h的毒性暴露實驗得到，在土霉素濃度為0～2560 mg/kg范圍內，均沒有發(fā)現蚯蚓死亡。

可以看出，抗生素對土壤動物的毒性較弱，因此在自然條件下，土壤中的抗生素對土壤動物幾乎不會產生直接影響，但其對生態(tài)系統的間接影響依舊不容忽視。

4 抗生素抗性基因

抗生素對生態(tài)系統的另一個重要威脅就是會誘導抗性基因的產生。近年來，隨著抗生素在醫(yī)藥業(yè)、畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的頻繁使用，抗生素抗藥性在多樣性、抗性強度和傳播速度上都顯著增加，多種抗藥細菌層出不窮，嚴重影響了人類的生活健康。

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）是指對抗生素具有抗性的遺傳因子。自 Pruden等首先將抗生素抗性基因作為一種新型污染物以來，抗性基因問題也受到越來越多的關注。迄今為止，已經在許多國家的地表水體和土壤中都檢測到了抗性基因。Isabel等研究了葡萄牙阿維羅河口水體中抗性基因的分布情況，結果發(fā)現，水體內對氨卡青霉素具有抗性的細菌中，77.8%的腸桿菌和10.5%的氣單胞菌都至少含有 1種β-內酰胺酶基因；Castiglioni等在意大利奧羅納河、蘭布羅河、波河中均檢測出多重抗性基因marA；Lei等對上海黃浦江中2種磺胺抗性基因（sulⅠ、sulⅡ）、8種四環(huán)素抗性基因（tet（A）、tet（B）、tet（C）、tet（G）、tet（M）、tet（O）、tet（W）、tet（X））和 1種β-內酰胺抗性基因（TEM）進行 PCR測定，結果得到，11種抗性基因中平均濃度最高為 1.62×105copy/mL（sulⅡ），最低為 3.66×10 copy/mL（tet（B））；Jih Tay等研究了臺北地區(qū)養(yǎng)豬場附近地表水體和土壤的抗性基因分布，結果表明，地表水體和土壤中都含有磺胺抗性基因sul1、sul2，且土壤中還含有磺胺抗性基因sul3；Archundia D等對秘魯的的喀喀湖流域的水體和土壤進行抗性基因的檢測，也發(fā)現了磺胺抗性基因sul1、sul2和sul3，而在地表水體中sul1和sul2的含量較多；張?zhí)m河等對北京地區(qū)11個菜田土壤進行抗生素抗性基因種類和豐度的檢測，結果得到，土壤中磺胺類抗性基因sul1、sul2和四環(huán)素類抗性基因tetL的檢出率均為100%。

世界衛(wèi)生組織（WTO）曾表示，抗生素抗性基因是人類21世紀重要的公共健康問題之一。在環(huán)境中，抗生素抗性基因會通過垂直轉移和水平轉移進行擴散，一方面抗生素抗性基因通過垂直轉移的方式轉移到后代細菌中，導致具有抗性的細菌不斷增加，改變生態(tài)系統的微生物結構和群落，破壞生態(tài)系統的穩(wěn)定和平衡；另一方面，抗生素抗性基因通過水平轉移的方式轉移到其他生物體內，進入到食物鏈，一旦這些細菌進入人體，將會給人類染病的臨床治療帶來極大困難，嚴重危害人類的公共健康。

5 結論與展望

綜上所述，抗生素在環(huán)境中對微生物、植物和動物都存在不同程度的毒性效應，其中屬浮游植物和土壤微生物的毒性最為明顯，植物和動物的毒性則相對較弱。雖然在自然環(huán)境中抗生素濃度較低，但它對生態(tài)系統造成的直接或間接影響以及抗性基因對整個生物圈的潛在危害卻不容忽視?？梢钥闯?，近幾年來國內外對抗生素的生態(tài)環(huán)境效應以及抗性基因的研究已有很大進展，但還存在一些問題需深入研究。

（1） 國內外研究中，多數試驗是在較高的抗生素濃度下進行的，時間也較短，在自然條件下抗生素的影響相對來說必然是長時間低濃度的，所以需開展長時間低濃度暴露下的抗生素毒性試驗研究。

（2） 由于抗生素具有絡合性，在環(huán)境介質中會與重金屬、殺蟲劑等其他污染物共存形成復合污染物，而現有報道則多為單種或多種抗生素的試驗研究，因此應加強對抗生素復合污染物的研究。

（3） 抗性基因對人類的影響和危害是十分明顯的，目前研究大多只停留于檢測方面，對抗性基因的傳播、擴散以及防治等方面研究還不夠深入，應加強研究積極尋找降低抗性基因危害的技術和管理措施。

（摘自《環(huán)境科學與技術》2018年第5期）