磺胺类兽药的环境行为及生态毒理学研究进展

杨灿,李莉,杨轶博,卢静静

(吉林农业大学 资源与环境学院,吉林 长春 130118)

磺胺类兽药的环境行为及生态毒理学研究进展

杨灿,李莉,杨轶博,卢静静

(吉林农业大学 资源与环境学院,吉林 长春 130118)

摘要：指出了磺胺类抗生素是一种广泛使用的兽药,其对环境和生态产生的危害已经引起社会各界的关注。论述了国内外磺胺类抗生素的环境行为以及生态毒理研究进展,并提出了应该尽快建立和完善抗生素的环境生态风险评估体系的建议。

关键词：磺胺类抗生素;吸附-迁移;降解;生态毒理学

1引言

抗生素是由真菌、放线菌或细菌等微生物在代谢过程中产生的可以抑制或杀死细菌的一类化学物质,除微生物产生之外,还有一部分可通过人工合成或半合成得到类似物[1]。磺胺类药作为人工合成的一类抗菌药,在1935年正式应用于临床,其具有广谱抗菌、产量大、价格低廉等优点,在全世界广泛应用。1997年,磺胺类抗生素成为欧洲第五大广泛使用的兽药,占总兽药销售量的2%,在英国和新西兰则是第二大广泛使用的兽药,分别占每年销售总量的21%和25%[2]。我国是磺胺类药物的生产大国,生产种类多达30余种。据统计,20世纪90年代产量就比80年代翻了一番,至2008年,磺胺类抗生素比例占到总兽药的20%以上[3]。经过几十年的发展,磺胺类药物不仅用于临床应用,更多的应用于动物疾病的防治。

磺胺类药物主要通过亚治疗剂量添加到畜禽和水产饲料中被动物食用[4]。进入到动物体内的药物很难被机体吸收,约有50%~90%以原药或代谢形式通过粪便或尿液排出体外,由于农业循环耕种,进入到农田土壤中,并在土壤中存留数周甚至数月[5]。这些物质一方面可诱使土壤中微生物产生耐药基因,这些基因可转入动物或与人类共生的微生物体内,甚至转入人类致病菌体内,人类一旦感染这些致病菌,将对现有药物的治疗失去作用[6];另一方面,会通过吸附、迁移、渗滤以及植物吸收等作用,对生态环境造成安全隐患。目前,各界都对抗生素的环境问题引起重视,并对之采取一系列调查研究,取得了阶段性的成果。

2磺胺类药物的环境行为

磺胺类药物一旦脱离机体进入土壤介质,会和土壤中有机质和矿物质以及土中微生物共同作用,产生物理化学变化,从而对磺胺类药物的吸附、解吸和降解等环境行为产生影响[7]。

2.1　吸附

粪便的农田利用已经被认为是抗生素包括磺胺类药物进入土壤中的最主要途径,而土壤对这些药物的吸附是影响其在土壤环境中一系列环境行为的先决条件。关于土中兽药吸附行为,可分为物理吸附和化学吸附。主要通过范德华力、氢键、疏水键力、配位基交换、偶极间作用力与土壤中的有机质或颗粒表面吸附位点吸附或通过药物本身官能团如羧基、醛基等与环境中化学物质相互作用形成络合物或螯合物从而被土壤吸附[8]。

土壤对抗生素吸附能力强弱主要取决于抗生素本身性质以及土壤有机质,土壤的其它特性包括pH值、阳离子类型和土壤粒径也会对吸附产生不同程度的影响。磺胺嘧啶在黑土及其不同组分中的吸附结果表明,不同组分吸附有差异,吸附容量从大到小为:粘粒>粉粒>原土>砂粒,磺胺嘧啶在黑土及其不同粒径上的吸附主要发生在非均质吸附剂表面,且线性分配作用较弱[9]。对太湖地区的水稻土吸附研究4种磺胺类药物在水稻土中均为物理吸附,吸附能力强弱顺序:磺胺间甲氧嘧啶>磺胺氯吡啶>磺胺二甲嘧啶>磺胺甲嘧啶[10]。

2.2　迁移

不同土壤和兽药迁移能力差异很大。Boxall[11]和金彩霞[12]分别对磺胺氯哒嗪和磺胺间甲氧嘧啶进行研究,研究结果相似,2种磺胺类药物吸吸附系数均较低,在土中迁移性均较强,易对地下水产生危害,且在已知研究中已经发现,这些药在地下水中的检出率较普遍。Gao[13]和孔晶晶[14]的实验结果表明,磺胺类兽药的吸附能力的强弱不仅取决于其杂环取代基,还和存在形态有关:阳离子形态吸附能力最高,其次是中性分子形态,阴离子形态吸附性最差。秦建国[15]研究发现3种磺胺类兽药在海南砂土中的迁移性与土壤pH、有机质含量有关,pH越小,有机质越少,3种药物的吸附能力越强,迁移力越弱。文春波的室内模拟研究表明磺胺嘧啶在3种供试土壤中的迁移能力为砂土>粘土>壤土。说明磺胺嘧啶的迁移能力与土壤性质密切相关,是影响迁移能力的重要影响因素[16]。

2.3　降解

磺胺类药物在土中的降解可分为微生物降解、光解和水解以及氧化还原降解,这些反应一般同时进行。磺胺类在土中间隙水中的非生物降解研究结果表明,土壤表面和水中磺胺类药物均可发生光解,磺胺类抗生素比其他抗生素在土中的降解速率要慢。灭菌后的磺胺间甲氧嘧啶在避光情况下,半衰期为109.8d,未灭菌避光情况下较避光灭菌条件缩短了35.7%,自然条件下较避光灭菌时间缩短了83.8%。说明光照情况下,磺胺类抗生素的光解速率大于生物降解速率。土壤含水率能够促进微生物对磺胺类药物的降解,而起始浓度的降低能加速降解的发生并且缩短半衰期[17]。牛建平等[18]研究表明,磺胺二甲嘧啶在土中的降解主要为光解和化学降解,微生物降解只占一小部分。张从良[19]等在室内模拟降解试验,对6种磺胺类抗生素进行降解研究,同时从影响因子角度对磺胺嘧啶的降解进行进一步研究。试验中,磺胺嘧啶在沙土中的降解速率大于壤土,壤土大于粘土,可能是由于吸附能力高的难降解。浓度高条件下难降解,可能由于高的抑菌效果阻碍了微生物的降解。粪便施肥前短时间存储,会导致加快受试药物的降解,长时间存储则会由于吸附作用导致降低降解[20]。

3磺胺类药物的生态毒理学研究进展

磺胺类抗生素进入到土壤介质中,随着各种降解作用,会分解一部分,但仍有部分不能分解,随着时间的增加,呈现出“假持续性”现象。进入土壤中的抗生素对土壤的微生物生长及其正常功能产生不利影响。

国彬[21]、刘锋[22]、金彩霞[23]等人分别研究了磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑、磺胺甲嘧啶和磺胺间甲氧嘧啶等几类抗生素对土壤呼吸以及酶活的影响。结果表明：这些抗生素对土壤呼吸均存在不同程度的抑制和激活作用。磺胺甲嘧啶和磺胺甲噁唑对土壤呼吸的最大抑制率分别为34.33%和34.43%;磺胺间甲氧嘧啶可显著影响土壤呼吸强度,抑制率和激活率分别可达72%和254%;磺胺二甲基嘧啶和磺胺甲恶唑这两种磺胺类抗生素苏可对土壤蔗糖酶的活性的抑制率高达50%以上,对过氧化氢酶则是激活作用,对硝酸还原酶现抑制然后起激活作用,抑制率最高达到98.6%,激活率则达到580%,对土壤磷酸酶活性则是表现为激活-抑制循环作用。对多酚氧化酶则是先激活后抑制。对脲酶则是培养前低浓度激活高浓度抑制,培养后期均抑制的作用。

抗生素不但对微生物有着不良影响,还对不同植物产生不同程度的危害。Liu[24]等研究了6种磺胺类抗生素对植物生长和土壤质量的影响,实验结果表明不同植物产生的影响不同。水稻对磺胺甲恶唑最敏感,磺胺甲恶唑和磺胺二甲嘧啶显著影响类土壤的呼吸。Migliore[25]等人发现磺胺二甲氧嘧啶对萌芽后的植物的发育、根系、胚轴及叶子生长均有影响。目前,国内外对抗生素的生态毒性研究停留在高浓度暴露下的生物影响,以急性毒性试验为主,这与抗生素在环境中的痕量残留差异较大,不能很好地反应环境中抗生素对生物的影响。对于研究对象也存在着局限性,不能很好的体现整个生物群落甚至整个生态系统的影响。

4结语

抗生素对环境的污染已经引起各界的广泛关注。各国学者对抗生素的来源以及环境转归进行研究,并取得了一定的成果,但是抗生素的污染仍是当前社会一个险峻的问题。政府部门应该就这一问题引起重视,应对有关于抗生素环境污染和生态毒理污染的项目给予技术和资金上的资助,尽早建立和完善抗生素的环境生态风险评估体系。

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收稿日期：2015-03-17

作者简介：杨灿(1989—),女,浙江人,吉林农业大学资源与环境学院硕士研究生。

中图分类号：S481.1

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2015)05-0209-03