抗生素生物毒性及对环境的影响的调研研究报告.docx

抗生素生物毒性及对环境影响毛瑞祥，张贝贝，武文权，乔鑫指导老师：张纪亮概要：在过去三年来，受关注化学污染物已几乎完全侧重于传统“优先”污染物，尤其是急性毒性/致癌性农药和能在环境中连续留存工业中间体。然而，这个范围化学物质只是较大“整体”风险评定中一部分。另一类不一样生物活性化学物质抗生素被收到相对较少关注，不过她们确实潜在环境污染物，这类化学物质包含抗生素和个人护理产品中活性成份，人类和兽医用药，不仅包含处方药和生物制品，也包含诊疗剂，食品，香料，防晒剂，及很多其它类似物。这些化合物及其活性代谢产物能够不停地被运输到水生环境。此次调查研究试图综合抗生素环境起源，分布和发生方面文件，以影响和促进其在环境科学界更集中讨论。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 exclusively 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 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 biologics, 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.This 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、禽畜及水产养殖中多种细菌感染疾病化合物。多年来，抗生素种类、产量和用量不停增加，加上药品管理混乱和药品滥用问题很严重，从而造成了人体和环境中细菌耐药性不停增强。国际环境科学界乃至公众已开始广泛关注河流、湖泊等水环境中药品污染及其潜在危害性。 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含有抗病原体或其它活性一类物质，广泛用于人体医药卫生和畜禽养殖疾病预防和控制. 据统计，中国兽用抗生素平均年使用量约为6 000 t1，按30% 90% 排泄率估算2，每十二个月约有1 800 5 400 t 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，或经过废水排放进入地表水系统. 全球共有16 类以上抗生素在土壤、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报道3 8，表明这类物质已经成为较为严重环境污染物之一，需引发大家对其在环境中分布、转化和对生物生态及人类健康产生危害等一系列问题关注. 然而中国对抗生素环境污染问题关注仍处于初步阶段，流域尺度抗生素污染情况鲜有报道.1、 抗生素生物毒性 其对环境影响关键表现为: ( 1) 诱导耐药性菌株产生。以药品原型进入环境或以动物粪、尿等排泄物排入环境各类抗菌药品可能使人类病原菌长久接触和暴露在这些低浓度药品中, 可能诱导产生耐药性菌株, 而且耐药基因可能会在人群中细菌、动物群中细菌和生态系统中细菌间相互传输, 由此可造成致病菌产生耐药性而引发人类和动物感染性疾病诊疗失败28。其次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21种抗生素对土壤和水体中36 种经典微生物影响研究发觉, 其中有29 种对常见抗生素全部有耐药性32。多年来人畜、人禽共患病发生可能和人类长久大量而频繁使用抗多种抗生素药品而造成耐药性微生物产生相关, 即使对此报道还缺乏科学试验证据, 但对食用动物养殖过程中多种抗生素药品使用应该采取谨慎态度, 这已是各国政府共识。 ( 2) 破坏微生态平衡。水体生态系统中多种微生物群落是处于一个相互依存和相互制约动态平衡中, 其中部分有益微生物群落如光合细菌、硝化细菌和部分芽孢杆菌等微生物对水相和沉积物相中有机物分解、转化和循环中起着关键作用。养殖过程中大量频繁使用抗生素药品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,而造成部分耐性强有害微生物增殖。Costanzo等()报道很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循环中饰演着关键作用16。已经有报道证实有抗菌药残留动物性食品, 能够对人类胃肠道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。 ( 3) 对水生生物产生影响。抗生素药品对环境影响倍受关注其次在于抗生素药品在用于靶生物疾病防治过程中对非靶生物(如对藻类和浮游动物生长影响)影响。Pomati等()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生长, 而且强烈刺激藻类激素脱落酸(ABA)合成和释放33。Wollenberger( ) 研究了磺胺嘧啶、土霉素等九种抗生素药品对大型蚤生长、繁殖影响, 其半有效浓度分别为13.7mg/L, 46.2mg/L34。抗生素药品对非靶生物影响最终可能造成生态系统中种群数量改变和群落结构改变, 破坏生态系统平衡。 ( 4) 对水产品安全和人体健康影响。水产养殖过程中在使用抗生素药品预防或诊疗疾病后, 药品原形或其代谢产物可能以游离形式或部分以结合形式蓄积在养殖对象组织、器官或可食性产品中,对消费人群健康组成威胁。很多抗生素药品理化性质比较稳定, 不轻易降解, 有些含有较长半衰期, 也有可能经过食物链传输而对人体健康组成威胁。Hektoen等(1995)35报道恶喹酸(Oxolinie acid)、沙拉沙星(Sarafloxacin)等氟诺喹诺酮类药品在海水养殖渔场底泥中半衰期达300d, 而且周围捕捉野生鱼体内也检测出这类药品。假如长久摄入含有这些药品动物性食品造成致蓄积浓度增加, 可能产生慢性毒性作用5,28。如常见氯霉素可引发再生障碍性贫血; 四素类、磺胺类等均含有抗原性, 可引发大家过敏反应。 水产养殖过程中使用多种抗生素药品在环境中归趋及其环境生态效应是一个值得关注问题, 环境中抗生素药品残留对生态环境可能产生多方面影响, 现在研究只是很初步, 它对生态环境产生危害、对人类健康影响和怎样进行评价等问题尚需大家进行愈加深入研究。长久经过食物链摄入暴露于低浓度抗生素尤其是多个抗生素之间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）名称用途试验对象生物毒性表现阿维菌素对动物消化道线虫和外寄生虫有很强驱杀作用金鱼对鱼类含有潜在生殖毒性，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, 和耳囊结构异常改变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全部含有内分泌干扰性37 ;大剂量注射多环麝香还会造成肝脏、肾脏等器官损伤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,广泛应用禽畜诊疗小鼠对小鼠含有一定免疫毒性, 显著降低了肌肉蛋白质含量。39五氯苯酚( PCP)最早被用作木材防腐剂, 随即其用途逐步扩展, 和其它氯代酚一起被广泛地用作除草剂、除海藻剂和杀虫剂等脑神经功效退化、男性性欲较低40伊维菌素对线虫、钩虫、蛔虫、螨虫、蠕虫和昆虫全部有驱虫活性成年雄性大白鼠当伊维菌素用药剂量达成3mg/kg以上就展现出一定生殖毒性,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、 抗生素污染现实状况 抗生素使用后通常大部分以药品原形随粪排出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浓度高达几十、甚至几百mg / kg12 17 以太湖苕溪流域抗生素测定结果为例【9】，苕溪流域底泥14 种抗生素污染情况如表2所表示. 从检出结果看，4 种四环素类抗生素是该流域关键污染物质，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) 要求环境阈值( 土壤为 100 gkg 1 ) 和美国科罗拉多州北部Cache La Poudre 河整个流域底泥检测结果( 最高仅为 102. 7 gkg 1 )5，14，表明苕溪流域四环素类抗生素污染问题已经比较突出，需要引发大家关注. 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) 检出结果较低，可能和区域用药特征、物质迁移性及水环境中稳定性相关15 17，但其较高检出率( 70% ) 需要引发大家重视，因为抗性基因污染和传输已经成为新环境问题18，19，并已经有研究表明底泥抗生素污染能够引发微生物抗性基因产生和转化20 22.氯霉素作为食用动物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，轻易成为禁用前期残留外23，可能也存在非法使用情况. 另外2 种氯霉素类物质( 甲砜氯霉素和氟苯尼考) 作为新型氯霉素替换品，在该流域也表现出一定程度残留.表 2 苕溪流域底泥14种抗生素污染特征1）/g.kg-1Table Concentrations of 14 antibioties/g.kg-1养殖业中抗生素使用和排放是地表水环境中抗生素关键起源之一. 如表3 所表示，该养猪场即使含有良好废水处理系统( 按废水步骤分别有初沉池、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围地表水环境抗生素污染仍相当严重，尤其是4 种四环素类抗生素和磺胺嘧啶，可能原因是现在废水处理系统多为去除COD、总氮和总磷等常规污染物质，基础不考虑抗生素之类痕量有机污染物削减29. 而且部分研究表明生物技术( 该养猪场废水处理系统关键为生物技术) 对污水中COD、总氮和总磷等常规污染物质有很好去除效果，但对四环素、磺胺和大环内酯类抗生素去除效果不理想30 32. 所以，怎样高效消减养殖废水中兽用抗生素是以后抗生素农业面源污染控制首要处理问题.表 3 规模化养猪场排水口（入苕溪）底泥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，富含抗生素动物粪便作为有机肥施用会造成土壤抗生素污染14 18 区域性农业土壤中也存在抗生素污染问题19 土壤中多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所表示广州市超市内蔬菜中喹诺酮类抗生素含量。 表4 广州市超市蔬菜( 干重) 中喹诺酮类抗生素含量特征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) 23. 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、抗生素污染渠道伴随水产养殖业不停发展, 水产养殖病害发生频率越来越高。其中抗生素药品在水产养殖病害控制过程中发挥了关键作用。现在水产养殖中用得最多最广有6类: 大环内酯类、- 内酰胺类、磺胺类、四环素类、呋喃类和喹诺酮类。不过抗生素药品不合理使用可能造成水产品中药品残留, 对消费者健康组成威胁; 其次, 抗生素药品会以原形化合物或代谢产物方法从粪、尿等排泄物进入环境, 这些药品或代谢产物在环境中往往能维持很长时间活性, 对微生物、水生动物和部分植物产生不一样程度影响, 造成水体污染, 给生态环境带来负面影响25- 29。下图为水体抗生素起源和影响。4、现有改良方法水体是鱼虾等水产动物生存生长所必需依靠环境，水质好坏是水产养殖尤其是集约化养殖成败关键。伴随水产养殖业快速发展，水质污染越来越严重。现在应用于水质处理有物理、化学、生物等修复方法。微生物修复是一个利用微生物对环境污染物吸收、代谢降解技术。20世纪90 年代初，澳大利亚著名微生物学家Moriarty 在养殖系统内部微生物生态学方面进行了长久地研究，提出了利用微生物生态技术控制养殖病害可行性及其对养殖可连续发展关键意义。有益微生物能够将复杂有机物转化为供浮游生物生长繁殖所需简单无机物，同时净化环境，维持水产养殖环境生态平衡。，韩国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聚合氯化铝对河水本底初始浓度loo恤gLTAS含有1966去除率；煤质活性炭对初始浓度10斗gLTAS去除率高于68。美国Ye和weinberg发觉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。上述研究结果尽管能够为给水处理厂提供部分去除抗生素污染效能基础数据，但对于各处理工艺单元去除能力尚需深入研究。另外，活性炭吸附工艺现在并未在中国给水常规处理工艺中使用，中国所采取混凝一沉淀一石英砂过滤消毒工艺对抗生素污染去除规律仍待深入研究。化学氧化是指经过氧化剂本身和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，化学氧化法几乎能够降解处理全部污染物。常见氧化剂关键有O”KMn04、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关键过程，对一定土壤或沉积物等吸附介质而言，有机污染物吸附关键和它们本身憎水性、极性、可极化性及其空间构型等相关。因为各类抗生素结构各不相同，分别含有部分特殊官能团、替换基，使得它们吸附行为存在一定差异。相关抗生素吸附研究，吸附介质采取较多是单一组分，试验条件也和现实土壤环境有差距。在真实土壤中。这些组分几乎极少单独存在，往往是和其它组分共存并共同作用对污染物进行吸附，所以有必需愈加系统地研究抗生素在靠近自然土壤环境条件下吸附规律，经过更多试验结果来揭示土壤理化性质对抗生素吸附产生影响，和抗生素结构和其吸附迁移能力关系。要治理中部地域水环境污染, 关键方法为:( 1) 坚持科学发展观, 正确处理经济发展和环境保护之间关系( 2) 对排污企业开征污染税。( 3) 加大环境保护执法力度, 处理􀀁 遵法成本高、违法成本低􀀁问题( 4) 多方筹集资金, 加紧城市污水处理设施建设步伐( 5) 各级政府重视城镇和工业区计划。努力优化乡镇企业布局, 合适集中, 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关键污染源污染物排放量 8 , 有利于污染控制和改善。( 6) 加强对排污企业动态监控参考文件:1 Zhao L，Dong Y H，Wang H. 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