抗生素的生态毒性效应研究进展

方媛瑗 丁惠君

抗生素是指一类用于杀死或抑制存在于人类和动物宿主内细菌的天然、半合成或合成的化合物。自1928年英国细菌学家弗莱明发现青霉素以来，抗生素的种类已达几千种，常用的有β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类、四环素类、喹诺酮类、磺胺类等。作为人类和动物防治疾病的药品以及促进牲畜生长的激素，抗生素已广泛应用于全球的医药业、畜牧业、养殖业。由于不同生物对药物的代谢程度不同，人类和动物所摄入的抗生素有30%～90%都不能被完全吸收，而是随着尿液和粪便一起排入到环境中。此外，畜牧业和养殖业的迅速发展大幅度增加了兽用抗生素的使用量，而普遍过度使用抗生素的现象也进一步提高了抗生素的排泄量和释放量。

环境中抗生素大多存在于水体和土壤这 2种介质中。水体中抗生素主要来源包括抗生素集中排放的医院，冲洗牲畜排泄物的养殖厂，污水处理厂等；土壤中抗生素则主要来自畜禽粪便的直接排放和农业施肥。大量的抗生素残留于环境中，不仅会对微生物和动植物产生毒性效应，通过迁移转化还会进入到人类的食物和饮用水中，对人类健康造成潜在的风险。更有研究表明，抗生素的长期滥用会诱导抗性基因的产生，对生态环境造成基因污染，构成严重威胁。

1 抗生素的使用及污染现状

1.1 抗生素的生产和使用现状

有资料显示，1999年欧洲抗生素使用量为13200 t，其中医用抗生素为8500 t，约占65%；兽用抗生素为4700 t，约占35%。美国是抗生素消费大国，大量抗生素用于动物喂养，1999年美国仅兽用抗生素就达9300 t。进入 21世纪后，抗生素的生产量和使用量在全球大范围增加。据估计，2002年全球抗生素的使用量为10万～20万t。2003年，韩国超过16种抗生素的生产量多于7 t，其中阿莫西林和头孢的生产量最大，分别为96 t和84 t。2008年，捷克共和国兽用抗生素的使用量也增加到80 t。我国作为抗生素生产和使用大国，2009年抗生素生产量就为14.7万t，到2013年则增加到24.8万t。更有调查显示，2013年中国抗生素使用量为16.2万t，是同年英国抗生素用量的150多倍。

1.2 抗生素的污染现状

抗生素的过度生产和使用导致了环境中残留的抗生素不断增加，使得不同国家的地表水体和土壤都受到污染。目前，英国的伊利河，法国的塞纳河，意大利的亚诺河，美国的伊利诺斯州河流域，韩国的汉江，中国的巢湖、渤海湾、黄浦江等地表水体都检测出不同程度的抗生素含量；意大利的雷焦艾米利亚，土耳其的伊斯坦布尔，巴西的圣保罗州，马来西亚的森美兰州，中国的北京、天津、江苏等不同的土壤介质也检测到各种抗生素的污染。

地表水体中抗生素的种类较多，包括磺胺类、大环内酯类、喹诺酮类、四环素类等，浓度一般在几到几百ng/L，而污染较重的河流或湖泊抗生素则达到几千ng/L，这与当地人口密集，工业发达，医院较多是分不开的；不同于水体介质，土壤中抗生素的污染主要为四环素类，这是因为该类抗生素广泛使用于兽药当中，并通过畜禽粪便大量进入土壤介质。由于抗生素有抑制和杀死细菌的作用，进入到水体和土壤中后，抗生素就必然会对介质中微生物、植物、动物产生影响，破坏生物群落结构。除此之外，抗生素还会诱导抗性基因的产生，使得其在各种介质中以及动植物体内进行传播，给人类生活健康带来重大隐患。

2 抗生素对水生态环境的毒性效应

2.1 浮游植物

浮游植物是一类营养丰富、光合利用度高的微小生物，其种类繁多，分布广泛，包括蓝藻门、绿藻门、硅藻门、金藻门、黄藻门等8个门类的藻类。作为水生态环境中的初级生产者，浮游植物对整个生态系统有着十分重要的作用，当抗生素进入水生态环境中，浮游植物无疑是最先也是最易受到影响的一类水生生物。

研究表明，不同的抗生素对藻类的毒性机制不同，如β-内酰胺类抗生素主要是抑制藻类细胞壁的合成，氨基糖苷类抗生素主要抑制藻类糖的代谢，四环素类抗生素主要抑制藻类蛋白质的合成，喹诺酮类抗生素则主要抑制藻类DNA的复制和叶绿素的合成，而磺胺类抗生素主要是抑制藻类叶酸的代谢。

目前，国内外报道抗生素对浮游植物毒性效应的文献较多，EC50几乎都小于20 mg/L，有的甚至在1 mg/L以下，毒性较强。Anna等选取12种不同的磺胺类抗生素对栅藻进行研究，经过24 h的毒性试验获知，栅藻对磺胺类抗生素十分敏感，EC50在 1.54～32.25 mg/L之间；徐冬梅等通过96 h的暴露试验分析了四环素、金霉素和强力霉素对蛋白核小球藻和斜生栅藻的毒性影响，结果显示，强力霉素在多种浓度下都会使得蛋白核小球藻和斜生栅藻细胞膜的通透性降低，抑制藻类的生长作用；杨弯弯等对铜绿微囊藻进行96 h毒性暴露试验，结果发现，恩诺沙星和硫氰酸红霉素对铜绿微囊藻生长均有抑制作用，且随着抗生素浓度增加，铜绿微囊藻的光合色素含量下降，2 种抗生素EC50分别为0.08和0.05mg/L；Boris Kolar等开展了土霉素对鱼腥藻的毒性试验，得到 72 hEC50为 2.7mg/L；A Magdaleno等研究氨苄青霉素、阿莫西林、头孢噻吩、环丙沙星、庆大霉素、万古霉素这6种抗生素对月牙藻的毒性效应，结果表明，环丙沙星和庆大霉素的毒性较强，72 h的EC50分别为（11.3±0.7）（19.2±0.5） mg/L；Marta Borecka等通过48 h和72 h的暴露试验研究了4种抗生素对普通小球藻的毒性效应得到，磺胺甲恶唑和磺胺嘧啶对普通小球藻的毒性最强，暴露48 hEC50分别为0.98 mg/L和1.93 mg/L；Pan等通过 12 h的毒性暴露实验发现，当诺氟沙星浓度为0.05、0.5、5、50 mg/L时，四尾栅藻的藻密度分别降低了3.62%、32.46%、40.20%、50.29%。

2.2 浮游动物

浮游动物是一类经常在水中浮游，本身不能制造有机物的异养型无脊椎动物和脊索动物幼体的总称，其种类极多，包括原生动物、腔肠动物、栉水母、轮虫、甲壳动物、腹足动物、尾索动物等，它们是中上层水域水生动物的主要饵料，对维持水生态系统的稳定有着重要作用。

多数学者在抗生素的毒性研究中采用的浮游动物是大型溞。Yamashita等通过 48 h暴露试验发现，当左氧氟沙星和克拉霉素浓度在0.01～10 mg/L时，抗生素对大型溞没有明显的毒性作用；Kim等研究了四环素、磺胺甲嘧啶、林可霉素对大型溞的毒性效应，结果表明，四环素和磺胺甲嘧啶48 h的LC50分别为36.56、66.22 mg/L，而林可霉素LC50则＞3651 mg/L；Marta等进行了多拉菌素、甲硝唑、氟苯尼考、土霉素对大型溞的毒性试验，结果表明，除了多拉菌素48 h的EC50较小之外，其他几种抗生素EC50均要＞100 mg/L；同样的，严拾伟也进行了诺氟沙星对大型溞的急性毒性实验，结果表明，诺氟沙星的12 h-EC50、24 h-EC50、48 h-EC50、96 h-EC50分别为 257.5、55.56、28.46、7.24 mg/L。

另外，还有一些学者对卤虫、轮虫进行了研究，如 Migliore等通过对卤虫幼虫的 72 h毒性试验得到，巴龙霉素、氟甲喹和林可霉素的EC50在93.4～846.5 mg/L之间；Marina Isidori等研究了红霉素、土霉素、磺胺甲恶唑、氧氟沙星、林可霉素、克拉霉素对萼花臂尾轮虫的毒性效应，结果发现，6种抗生素的LC50均在30.0～52.7 mg/L之间。由此可见，尽管抗生素对水体浮游动物具有一定的毒性作用，但相对于浮游植物，其所受毒性作用大大降低。

2.3 水生动物及两栖类动物

抗生素对水生动物毒性效应研究的对象主要包括一些鱼类、虾类和贝类。Robinson等选取 7种喹诺酮类抗生素对黑头呆鱼进行研究，结果显示，抗生素在10 mg/L的浓度内对黑头呆鱼并无显著影响；Huang等对青鳉鱼进行96 h毒性试验研究发现，甲氧嘧啶的LC50＞1000 mg/L；王慧珠等采用斑马鱼和鲫鱼作为受试生物，研究四环素类抗生素的生态毒性，结果表明，四环素对鲫鱼96 h的LC50为322.8 mg/L，对斑马鱼96 h的LC50为406.0 mg/L；沈洪艳等对锦鲤进行鱼类毒性试验，结果得到，当诺氟沙星暴露质量浓度达到1000 mg/L时，诺氟沙星对锦鲤无急性毒性；Tu等研究了恩诺沙星和呋喃唑酮对黑虎虾体内乙酰胆碱酯酶的活性影响，发现当2种抗生素分别以4 g/kg投入食物中喂养黑虎虾7 d后，黑虎虾肌肉中乙酰胆碱酯酶的活性几乎没有变化；Matozzo等对菲律宾蛤仔和紫贻贝进行毒性试验；结果表明，当阿莫西林浓度为0.1、0.2、0.4 mg/L时，抗生素对菲律宾蛤仔和紫贻贝的血细胞参数没有显著影响。

近年来，抗生素对水生态毒性研究的对象还包括青蛙、蟾蜍等两栖类动物，Peltzer等通过对蟾蜍幼体进行96 h毒性试验得到，当恩诺沙星和环丙沙星浓度范围为0.001～1 mg/L时，蟾蜍幼体死亡率均不超过2%；刘臻等采用氯霉素、红霉素和四环素对热带爪蟾胚胎进行72 h暴露试验，结果表明，浓度为1000 mg/L时，3种抗生素对热带爪蟾胚胎的存活率几乎没有影响。

总体上可以看出，抗生素对鱼类等水生动物及两栖类动物均呈低毒性。虽然短时间内无明显影响，但长期暴露下这些生物可能会出现基因变异、胚胎畸形现象，从而破坏生态系统的平衡。

3 抗生素对土壤环境的毒性效应

3.1 土壤微生物

土壤微生物是土壤环境的重要组成部分，也是土壤中物质转化的动力来源。当抗生素通过粪便排放或污水灌溉进入土壤时，残留的抗生素会改变土壤中微生物的结构群落和微生物的活性，产生各种毒性效应。

在微生物结构群落方面，Kong等发现，土壤微生物的群落多样性会随着土霉素浓度的增加而降低，当土霉素浓度为 11 μmol/L时，微生物的群落多样性抑制率为20%。Hammesfahr等将不同浓度的磺胺嘧啶加入到土壤进行试验，结果显示，各浓度下的磺胺嘧啶都会使得土壤中磷脂脂肪酸减少，细菌和真菌的比例降低，甚至2个月后微生物的群落结构依旧在变化。刘燕等利用Biolog-ECO技术分析了不同青霉素浓度处理下土壤微生物的结构多样性，发现当青霉素浓度为800 mg/kg时，土壤中微生物多样性指数显著降低。

在微生物活性方面，Thiele Bruhn等研究得到，磺胺嘧啶和四环素会使得微生物的数量明显减少，且抗生素在浓度为 0.003～7.35 mg/kg时能抑制10%的微生物活性。Yang等进行土霉素对小麦根际土壤微生物的结构群落和活性影响研究得到，土霉素为10 mg/kg时，微生物结构群落显著减少，细菌、放线菌量分别减少了22.2%和31.7%，碱性磷酸酶活性的抑制率达41.3%，当土霉素浓度超过30 mg/kg时，碱性磷酸酶活性的抑制率则增加到64.3%～80.8%。余彬彬等通过盆栽实验研究了不同浓度罗红霉素对小麦根际土壤微生物生物量氮的影响，结果表明，添加罗红霉素后土壤微生物生物量氮在小麦苗期、拔节期和抽穗期均受到显著抑制。另外，土壤的呼吸作用也是反映土壤中微生物活性的一个重要参数。Sara Boleas等发现，土霉素为100 mg/kg时会抑制16%～25%的微生物呼吸作用，而浓度1000 mg/kg时抑制率为 28%～38%。Fang等对磺胺嘧啶和金霉素的研究也表明，2种抗生素均会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着在土壤当中，土壤是植物生长发育的基质，它可以为植物提供养分、水分和空气。有研究报道，当抗生素进入土壤后，植物会产生明显的富集作用，Migliore等通过实验得到，大麦和玉米的根部含有培养土壤中所添加的磺胺间二甲氧嘧啶；Kumar等也证实了玉米、洋葱和甘蓝会吸收土壤中的金霉素；鲍陈燕等对水芹进行土培试验发现，土壤中的恩诺沙星和土霉素都会在水芹中积累，且抗生素在水芹各器官中的累积顺序为根＞叶、茎；同样的，许多其他植物如黄瓜、莴苣、萝卜、菜豆、冬小麦、马铃薯、胡萝卜、韭菜等也会对抗生素进行富集。

抗生素进入植物体内后会影响植物的生长发育，与多数污染物相似，高浓度抗生素会抑制植物生长，低浓度抗生素则促进植物生长。Kong等发现当土霉素浓度高于0.002 mmol/L时会显著抑制紫花苜蓿的生长，在0.002～0.2 mmol/L范围内，土霉素对紫花苜蓿茎和根的抑制率分别可达 61%和 85%。魏赛金等研究了链霉菌702对水稻种子萌发及幼苗生长的影响，结果表明“农抗702”（链霉菌702发酵产物中的多烯大环内酯抗生素）在低浓度下可促进水稻种子萌发及根长的生长，提高根系活力，随着抗生素浓度升高，种子的萌发及根长的生长受到抑制。张继旭等采用盆栽试验系统研究了不同剂量四环素的添加对烤烟生长发育的影响，结果表明，低量四环素的添加促进了烟草株高的增加，中高量四环素的添加对株高有明显的抑制作用。

根据抗生素自身化学性质、土壤特性及植物种类的不同，抗生素对植物的影响也会不同。Batchelder等通过研究金霉素和土霉素对萝卜、小麦、玉米和斑豆的影响发现，在同等实验条件下，土霉素和金霉素会抑制斑豆的生长，减少斑豆对Ca、Mg、K、N等营养物质的吸收，但会促进萝卜和小麦的生长，2种抗生素对玉米的生长则无明显影响。Farkas等研究表明，玉米在含有金霉素的土壤中生长时，其谷胱甘肽硫转移酶和过氧化物酶的活性会显著增强，而斑豆中却没有检测到这种现象。David等进行植物对四环素和阿莫西林的吸收试验得到，不同土壤介质中胡萝卜和生菜对抗生素的吸收量不同，而同种土壤介质中 2种植物内阿莫西林的积累量要大于四环素的积累量。Min等进行了抗生素对生菜、番茄、胡萝卜和黄瓜的毒性试验研究，结果表明，抗生素会显著影响植物根系的生长，4种植物中生菜对抗生素的毒性最为敏感，不同抗生素毒性的强弱顺序依次为四环素＞诺氟沙星＞红霉素＞磺胺甲嘧啶＞氯霉素；刘娣等采用土培试验比较了不同土壤中四环素类抗生素污染对小白菜根长生长的影响，结果得到，当添加的四环素为2.5 mg/kg时，砖红壤、青紫泥和红壤中的小白菜根长会显著升高，而黑土中小白菜的根长则没有明显影响。

3.3 土壤动物

土壤动物是土壤环境中重要的消费者，在生态系统中起着重要作用，它们既会同化土壤中各种有利物质建造自身，又会将排泄物归还到土壤中，从而不断改造环境。目前抗生素对土壤动物的毒性研究相对较少。Jensen等测定了泰妙菌素、喹乙醇和甲硝唑对跳虫和线蚓的毒性，发现抗生素浓度最大时（喹乙醇3000 mg/kg，泰妙菌素5000 mg/kg，甲硝唑 5000 mg/kg）其对跳虫和线蚓均无明显的影响。Dong等通过测定赤子爱蚯蚓DNA的破坏来研究四环素和金霉素对赤子爱蚯蚓的基因毒性，结果表明，2种抗生素在浓度为0.3～300 mg/kg对赤子爱蚯蚓的基因毒性具有明显的剂量效应关系，且短期内金霉素的基因毒性更大。Suzana等研究了拉沙里菌素对安德爱胜蚓和土鳖虫的生态毒性，结果得到，当拉沙里菌素为 163 mg/kg时，安德爱胜蚓的死亡率明显增加；而当拉沙里菌素为202 mg/kg时，其对土鳖虫的成长和生存则无明显影响：Gao等研究了赤子爱蚯蚓在含土霉素土壤中的回避行为，经过 48 h的毒性暴露实验得到，在土霉素浓度为0～2560 mg/kg范围内，均没有发现蚯蚓死亡。

可以看出，抗生素对土壤动物的毒性较弱，因此在自然条件下，土壤中的抗生素对土壤动物几乎不会产生直接影响，但其对生态系统的间接影响依旧不容忽视。

4 抗生素抗性基因

抗生素对生态系统的另一个重要威胁就是会诱导抗性基因的产生。近年来，随着抗生素在医药业、畜牧业和养殖业的频繁使用，抗生素抗药性在多样性、抗性强度和传播速度上都显著增加，多种抗药细菌层出不穷，严重影响了人类的生活健康。

抗生素抗性基因（antibiotic resistance genes，ARGs）是指对抗生素具有抗性的遗传因子。自 Pruden等首先将抗生素抗性基因作为一种新型污染物以来，抗性基因问题也受到越来越多的关注。迄今为止，已经在许多国家的地表水体和土壤中都检测到了抗性基因。Isabel等研究了葡萄牙阿维罗河口水体中抗性基因的分布情况，结果发现，水体内对氨卡青霉素具有抗性的细菌中，77.8%的肠杆菌和10.5%的气单胞菌都至少含有 1种β-内酰胺酶基因；Castiglioni等在意大利奥罗纳河、兰布罗河、波河中均检测出多重抗性基因marA；Lei等对上海黄浦江中2种磺胺抗性基因（sulⅠ、sulⅡ）、8种四环素抗性基因（tet（A）、tet（B）、tet（C）、tet（G）、tet（M）、tet（O）、tet（W）、tet（X））和 1种β-内酰胺抗性基因（TEM）进行 PCR测定，结果得到，11种抗性基因中平均浓度最高为 1.62×105copy/mL（sulⅡ），最低为 3.66×10 copy/mL（tet（B））；Jih Tay等研究了台北地区养猪场附近地表水体和土壤的抗性基因分布，结果表明，地表水体和土壤中都含有磺胺抗性基因sul1、sul2，且土壤中还含有磺胺抗性基因sul3；Archundia D等对秘鲁的的喀喀湖流域的水体和土壤进行抗性基因的检测，也发现了磺胺抗性基因sul1、sul2和sul3，而在地表水体中sul1和sul2的含量较多；张兰河等对北京地区11个菜田土壤进行抗生素抗性基因种类和丰度的检测，结果得到，土壤中磺胺类抗性基因sul1、sul2和四环素类抗性基因tetL的检出率均为100%。

世界卫生组织（WTO）曾表示，抗生素抗性基因是人类21世纪重要的公共健康问题之一。在环境中，抗生素抗性基因会通过垂直转移和水平转移进行扩散，一方面抗生素抗性基因通过垂直转移的方式转移到后代细菌中，导致具有抗性的细菌不断增加，改变生态系统的微生物结构和群落，破坏生态系统的稳定和平衡；另一方面，抗生素抗性基因通过水平转移的方式转移到其他生物体内，进入到食物链，一旦这些细菌进入人体，将会给人类染病的临床治疗带来极大困难，严重危害人类的公共健康。

5 结论与展望

综上所述，抗生素在环境中对微生物、植物和动物都存在不同程度的毒性效应，其中属浮游植物和土壤微生物的毒性最为明显，植物和动物的毒性则相对较弱。虽然在自然环境中抗生素浓度较低，但它对生态系统造成的直接或间接影响以及抗性基因对整个生物圈的潜在危害却不容忽视。可以看出，近几年来国内外对抗生素的生态环境效应以及抗性基因的研究已有很大进展，但还存在一些问题需深入研究。

（1） 国内外研究中，多数试验是在较高的抗生素浓度下进行的，时间也较短，在自然条件下抗生素的影响相对来说必然是长时间低浓度的，所以需开展长时间低浓度暴露下的抗生素毒性试验研究。

（2） 由于抗生素具有络合性，在环境介质中会与重金属、杀虫剂等其他污染物共存形成复合污染物，而现有报道则多为单种或多种抗生素的试验研究，因此应加强对抗生素复合污染物的研究。

（3） 抗性基因对人类的影响和危害是十分明显的，目前研究大多只停留于检测方面，对抗性基因的传播、扩散以及防治等方面研究还不够深入，应加强研究积极寻找降低抗性基因危害的技术和管理措施。

（摘自《环境科学与技术》2018年第5期）