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1、抗生素生物毒性及对环境的影响毛瑞祥，张贝贝，武文权，乔鑫指导老师：张纪亮概要：在过去三年来，受关注的化学污染物已几乎完全侧重于传统的“优先”的污染物，特别是急性毒性/致癌性农药和能在环境中持续留存的工业中间体。然而，这个范围的化学物质只是较大的“整体”的风险评估中的一部分。另一类不同的生物活性化学物质抗生素被收到相对较少的关注，不过他们确实潜在的环境污染物，这类化学物质包括抗生素和个人护理产品中的活性成分，人类和兽医用药，不仅包括处方药和生物制品，也包括诊断剂，食品，香料，防晒剂，及许多其他类似物。这些化合物及其活性代谢产物可以不断地被运送到水生环境。本次调查研究试图综合抗生素环境起源，分布和
2、发生方面的文献，以影响和促进其在环境科学界的更集中讨论。关键词：毒性残留 环境处理 抗生素 促进更集中讨论 The biological toxicity of antibiotics and its effect on EnvironmentMao Rui-xiang , Zhang Bei-bei , Wu Wen-quan , Qiao xinSupervisor:Zhang Ji-liangAbstract：During the last three decades, the impact of chemical pollution has focused almost exclusi
3、vely on the conventional priority pollutants, especially those acutely toxic/carcinogenic pesticides and industrial intermediates displaying persistence in the environment. This spectrum of chemicals, however, is only one piece of the larger puzzle in holistic risk assessment. Another diverse group
4、of bioactive chemicals receiving comparatively little attention as potential environmental pollutants includes the pharmaceuticals and active ingredients in personal care products (in this review collectively termed PPCPs), both human and veterinary, including not just prescription drugs and biologi
5、cs, but also diagnostic agents, nutraceuticals, fragrances, sun-screen agents, and numerous others. These compounds and their bioactive metabolites can be continually introduced to the aquatic environment as complex mixtures via a number of routes but primarily by both untreated and treated sewage.T
6、his review attempts to synthesize the literature on environmental origin, distribution/occurrence, and effects and to catalyze a more focused discussion in the environmental science community. Keywords： Toxic residues Environment treatment antibiotic more focused discussion 内容抗生素是一类广泛应用于防治人类、禽畜及水产养殖
7、中各种细菌感染疾病的化合物。近年来，抗生素的种类、产量与用量不断增加，加上药品管理的混乱和药物的滥用问题非常严重，从而导致了人体以及环境中细菌耐药性的不断增强。国际环境科学界乃至公众已开始广泛关注河流、湖泊等水环境中药物污染及其潜在的危害性。 抗生素是指由细菌、霉菌或其它微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类物质，广泛用于人体医药卫生和畜禽养殖疾病的预防和控制. 据统计，我国兽用抗生素平均年使用量约为6 000 t1，按30% 90% 的排泄率估算2，每年约有1 800 5 400 t 的兽用抗生素排放进入环境.这些抗生素或随禽畜粪肥回到土壤，或通过废水排放进入地表水系统. 全
8、球共有16 类以上的抗生素在土壤、地表水、底泥、生物体内检出，甚至在饮用水水源地和地下水也有检出的报道3 8，表明此类物质已经成为较为严重环境污染物之一，需引起人们对其在环境中的分布、转化以及对生物生态及人类健康产生的危害等一系列问题的关注. 然而我国对抗生素的环境污染问题的关注仍处于初步阶段，流域尺度的抗生素污染情况鲜有报道.1、 抗生素生物毒性 其对环境的影响主要表现为: ( 1) 诱导耐药性的菌株产生。以药物原型进入环境或以动物粪、尿等排泄物排入环境的各类抗菌药物可能使人类病原菌长期接触和暴露在这些低浓度的药物中, 可能诱导产生耐药性菌株, 并且耐药基因可能会在人群中细菌、动物群中细菌和
9、生态系统中细菌间互相传递, 由此可导致致病菌产生耐药性而引起人类和动物感染性疾病治疗的失败28。另一方面可能使细菌发生基因突变或转移, 部分病原生物产生抗药性30- 31。Dijek进行的21种抗生素对土壤和水体中的36 种典型微生物的影响的研究发现, 其中有29 种对常用抗生素都有耐药性32。近年来人畜、人禽共患病的发生可能和人类长期大量而频繁使用抗各种抗生素药物而导致耐药性微生物的产生有关, 虽然对此报道还缺乏科学的实验证据, 但对食用动物的养殖过程中各种抗生素药物的使用应该采取谨慎的态度, 这已是各国政府的共识。 ( 2) 破坏微生态平衡。水体生态系统中各种微生物群落是处在一种相互依存和
10、相互制约的动态平衡中, 其中一些有益微生物群落如光合细菌、硝化细菌和一些芽孢杆菌等微生物对水相和沉积物相中有机物分解、转化和循环中起着重要作用。养殖过程中大量频繁使用抗生素药物可能会使水体环境正常生态平衡遭到破坏, 这些有益微生物类群生长受到抑制,而导致一些耐性强的有害微生物的增殖。Costanzo等(2005)报道许多抗生素如红霉素对反硝化细菌有抑制作用, 而反硝化细菌在水体氮的循环中扮演着重要作用16。已有报道证明有抗菌药残留的动物性食品, 可以对人类胃肠道的正常菌群产生不良影响, 部分敏感菌受抑制或杀死, 致使平衡破坏, 有些条件性致病菌( 如大肠杆菌) 可能大量繁殖, 损害人类健康27
11、。 ( 3) 对水生生物产生影响。抗生素药物对环境影响倍受关注的另一方面在于抗生素药物在用于靶生物的疾病防治过程中对非靶生物(如对藻类和浮游动物生长的影响)的影响。Pomati等(2004)报道水体中1mg/L红霉素或四环素就严重抑制淡水单细胞藻类的生长, 而且强烈刺激藻类激素脱落酸(ABA)的合成和释放33。Wollenberger( 2000) 研究了磺胺嘧啶、土霉素等九种抗生素药物对大型蚤的生长、繁殖的影响, 其半有效浓度分别为13.7mg/L, 46.2mg/L34。抗生素药物对非靶生物的影响最终可能导致生态系统中种群数量变化和群落结构的改变, 破坏生态系统的平衡。 ( 4) 对水产品
12、安全和人体健康影响。水产养殖过程中在使用抗生素药物预防或治疗疾病后, 药物的原形或其代谢产物可能以游离的形式或部分以结合的形式蓄积在养殖对象的组织、器官或可食性产品中,对消费的人群健康构成威胁。许多抗生素药物理化性质比较稳定, 不容易降解, 有些具有较长的半衰期, 也有可能通过食物链的传递而对人体健康构成威胁。Hektoen等(1995)35报道恶喹酸(Oxolinie acid)、沙拉沙星(Sarafloxacin)等氟诺喹诺酮类药物在海水养殖渔场底泥中半衰期达300d, 并且附近捕捉的野生鱼体内也检测出这类药物。如果长期摄入含有这些药物的动物性食品导致致蓄积浓度增加, 可能产生慢性毒性作用
13、5,28。如常用的氯霉素可引起再生障碍性贫血; 四素类、磺胺类等均具有抗原性, 可引起人们的过敏反应。 水产养殖过程中使用的各种抗生素药物在环境中的归趋及其环境生态效应是一个值得关注的问题, 环境中抗生素药物残留对生态环境可能产生多方面的影响, 目前研究只是很初步的, 它对生态环境产生的危害、对人类健康的影响以及如何进行评价等问题尚需人们进行更加深入的研究。长期通过食物链摄入暴露于低浓度抗生素特别是多种抗生素之间的协调毒害作用对人体健康尤其是孕妇和胎儿发育严重危害 如四环素类抗生素影响胎儿骨骼生长，磺胺类影响胎儿器官发育而致畸形和造成胎儿溶血性贫血具体表现举例（表格1）名称用途实验对象生物毒性
14、表现阿维菌素对动物的消化道线虫和外寄生虫有很强的驱杀作用金鱼对鱼类具有潜在的生殖毒性，对雌性生殖细胞不具致突变作用35庆大霉素(gentamycin) 、新霉素 (neomycin)、链霉素 (streptomycin)可起到杀菌作用，属于镇静止痛杀菌药斑马鱼幼体出现身体失衡及体位异常, 以及耳囊结构的异常变化36合成麝香硝基麝香多环麝香大环麝香用做香料添加剂多数多环麝香都具有内分泌干扰性37 ;大剂量的注射多环麝香还会导致肝脏、肾脏等器官的损伤38环丙沙星抗菌谱广、杀菌力强、起效快、不易产生耐药性、价格低廉等特点,广泛应用禽畜治疗小鼠对小鼠具有一定的免疫毒性, 明显减少了肌肉蛋白质含量。39
15、五氯苯酚( PCP)最早被用作木材防腐剂, 随后其用途逐渐扩展, 与其它的氯代酚一起被广泛地用作除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等脑神经功能退化、男性性欲较低40伊维菌素对线虫、钩虫、蛔虫、螨虫、蠕虫和昆虫均有驱虫活性成年雄性大白鼠当伊维菌素用药剂量达到3mg/kg以上就呈现出一定的生殖毒性,睾丸系数、附睾系数下降,精子密度和精子活率下降,但对精子活力并没影响412、 抗生素污染现状 抗生素使用后通常大部分以药物原形随粪排出3 人用抗生素在污水厂进出水中含量均较高，致使流域水体受到抗生素污染4 11 规模化养殖场动物粪便中抗生素的浓度高达几十、甚至几百mg / kg12 17 以太湖苕溪流域抗生素测
16、定结果为例【9】，苕溪流域底泥的14 种抗生素污染情况如表2所示. 从检出结果看，4 种四环素类抗生素是该流域主要的污染物质，别是土霉素和金霉素最高可达276. 6 和131. 6 gkg 1 ，高于国际兽用药品注册基准研究委员会 Veterinary International Corporation on Harmonization，VICH) 规定的环境阈值( 土壤为 100 gkg 1 ) 和美国科罗拉多州北部的Cache La Poudre 河的整个流域底泥检测结果( 最高仅为 102. 7 gkg 1 )5，14，表明苕溪流域的四环素类抗生素的污染问题已经比较突出，需要引起人们的关
17、注. 磺胺类( 磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑和磺胺二甲嘧啶)、喹诺酮类( 诺氟沙星和氧氟沙星) 和大环内酯类( 红霉素和罗红霉素) 的检出结果较低，可能与区域的用药特征、物质的迁移性及水环境中稳定性有关15 17，但其较高的检出率( 70% ) 需要引起人们的重视，因为抗性基因的污染和传播已经成为新的环境问题18，19，并已有研究表明底泥的抗生素污染可以引起微生物抗性基因的产生和转化20 22.氯霉素作为食用动物的禁用药品在流域底泥中仍有一定检出量，除了该物质在水环境中较为稳定，容易成为禁用前期的残留外23，可能也存在非法使用的情况. 另外2 种氯霉素类物质( 甲砜氯霉素和氟苯尼考) 作为新型氯霉素替
18、代品，在该流域也表现出一定程度的残留.表 2 苕溪流域底泥的14种抗生素污染特征1）/g.kg-1Table Concentrations of 14 antibioties/g.kg-1养殖业中抗生素的使用和排放是地表水环境中抗生素的重要来源之一. 如表3 所示，该养猪场虽然具有良好的废水处理系统( 按废水流程分别有初沉池、好氧生化池、厌氧消化池、二沉池、一级氧化塘、二级氧化塘和三级氧化塘) ，但养殖废水排放对周边地表水环境的抗生素污染仍相当严重，特别是4 种四环素类抗生素和磺胺嘧啶，可能的原因是目前废水处理系统多为去除COD、总氮和总磷等常规污染物质，基本不考虑抗生素之类的痕量有机污染物的
19、削减29. 而且一些研究表明生物技术( 该养猪场废水处理系统主要为生物技术) 对污水中的COD、总氮和总磷等常规污染物质有较好的去除效果，但对四环素、磺胺和大环内酯类的抗生素去除效果不理想30 32. 因此，如何高效消减养殖废水中兽用抗生素是今后抗生素农业面源污染控制首要解决的问题.表 3 规模化养猪场排水口（入苕溪）底泥的14种抗生素污染特征/g.kg-1Table Concentrations of 14 antibiotices in sediments in the main stream around the outfall from the pig farm/g.kg-1另外，富含
20、抗生素的动物粪便作为有机肥施用会导致土壤抗生素污染14 18 区域性农业土壤中也存在抗生素污染问题19 土壤中各种抗生素能够被蔬菜等农作物吸收累积20 24，从而危及农产品安全和人体健康如表格4所示广州市超市内蔬菜中喹诺酮类抗生素的含量。 表4 广州市超市蔬菜( 干重) 中喹诺酮类抗生素的含量特征2/gkg 1Table 2 Concentrations of quinolones in vegetables(D W ) from supermarkets of Guangzhou /gkg 1化合物 最大值 最小值 平均值 标准偏差 检出率/%诺氟沙星(NOR) 148. 92 ND1) 2
21、3. 22 29. 92 98环丙沙星( CIP) 108. 11 ND 24. 2 22. 88 98洛美沙星( LOM) 6. 62 ND 1. 44 1. 66 93恩诺沙星( ENR) 85. 19 5. 05 25. 52 19. 36 100总含量( QNs ) 193. 25 10. 16 4. 38 45. 94 1001)ND 表示低于检测限，按0 参与统计3、抗生素污染渠道随着水产养殖业的不断发展, 水产养殖病害的发生频率越来越高。其中抗生素药物在水产养殖病害控制过程中发挥了重要的作用。目前水产养殖中用得最多最广的有6类: 大环内酯类、- 内酰胺类、磺胺类、四环素类、呋喃类
22、以及喹诺酮类。但是抗生素药物的不合理使用可能导致水产品中药物的残留, 对消费者健康构成威胁; 另一方面, 抗生素药物会以原形化合物或代谢产物的方式从粪、尿等排泄物进入环境, 这些药物或代谢产物在环境中往往能维持很长时间的活性, 对微生物、水生动物和部分植物产生不同程度的影响, 造成水体污染, 给生态环境带来负面的影响25- 29。下图为水体抗生素的来源和影响。4、现有改良措施水体是鱼虾等水产动物生存生长所必须依赖的环境，水质的好坏是水产养殖特别是集约化养殖成败的关键。随着水产养殖业的迅速发展，水质污染越来越严重。目前应用于水质处理的有物理、化学、生物等修复方法。微生物修复是一种利用微生物对环境
23、污染物吸收、代谢降解的技术。20世纪90 年代初，澳大利亚著名微生物学家Moriarty 在养殖系统内部的微生物生态学方面进行了长期地研究，提出了利用微生物生态技术控制养殖病害的可行性及其对养殖可持续发展的重要意义。有益微生物能够将复杂的有机物转化为供浮游生物生长繁殖所需的简单无机物，同时净化环境，维持水产养殖环境的生态平衡。2007年，韩国的Choi等副对给水处理混凝工艺和活性炭吸附工艺去除四环素类抗生素(TAS)效果进行了研究。研究结果表明，浓度为10一60 mgL的聚合氯化铝对河水本底初始浓度loo恤gL的TAS具有1966的去除率；煤质活性炭对初始浓度10斗gL的TAS的去除率高于68
24、。2006年美国的Ye和weinberg发现水库原水经氯消毒工艺处理后，仍被检出6种大环内酯类和氟喹诺酮类抗生素物质；但研究者并未对消毒前的混凝、沉淀、(活性炭)过滤工艺除抗生素效能进行研究。上述研究结果尽管可以为给水处理厂提供一些去除抗生素污染效能的基础数据，但对于各处理工艺单元的去除能力尚需进一步研究。此外，活性炭吸附工艺目前并未在我国给水常规处理工艺中使用，我国所采用的混凝一沉淀一石英砂过滤消毒工艺对抗生素污染的去除规律仍待深入研究。化学氧化是指通过氧化剂本身与抗生素反应或产生羟基自由基等强氧化剂将抗生素转化降解，化学氧化法几乎可以降解处理所有的污染物。常用的氧化剂主要有O”KMn04、
25、C102等。对于地下水，可能因抗生素土壤残留渗透而被污染。吸附是抗生素在土壤环境中迁移和转化的重要过程，对一定的土壤或沉积物等吸附介质而言，有机污染物的吸附主要与它们自身的憎水性、极性、可极化性及其空间构型等有关。由于各类抗生素的结构各不相同，分别含有一些特殊的官能团、取代基，使得它们的吸附行为存在一定差异。关于抗生素吸附的研究，吸附介质采用较多的是单一组分，实验条件也与现实的土壤环境有差距。在真实土壤中。这些组分几乎很少单独存在，往往是与其他组分共存并共同作用对污染物进行吸附，因此有必要更加系统地研究抗生素在接近自然土壤环境条件下的吸附规律，通过更多的实验结果来揭示土壤的理化性质对抗生素吸附
26、产生的影响，以及抗生素的结构与其吸附迁移能力的关系。要治理中部地区的水环境污染, 主要措施为:( 1) 坚持科学发展观, 正确处理经济发展和环境保护之间的关系( 2) 对排污企业开征污染税。( 3) 加大环保执法的力度, 解决 守法成本高、违法成本低的问题( 4) 多方筹集资金, 加快城市污水处理设施的建设步伐( 5) 各级政府重视城镇和工业区的规划。努力优化乡镇企业布局, 适当集中, 建设工业开发区和加工区, 发展小城镇和小城市, 并采取总量控制方法严格限制重点污染源的污染物排放量 8 , 有利于污染的控制和改善。( 6) 加强对排污企业的动态监控参考
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