环境中抗生素及抗性基因的污染研究进展

杨 威

（武汉理工大学，湖北 430070）

1 研究背景及意义

抗生素是指可以预防或治疗人类和动物细菌感染的抗菌药物[1]，是20世纪以来医学领域最重要的发现之一。自从1929年英国细菌学家弗莱明发现第一种抗生素（青霉素）[2]以来，科研工作者已开发出各种天然和合成抗生素，并广泛用于兽医和人类治疗，作为水产养殖，畜牧业和农业的生长促进剂[3-5]。然而，大部分抗生素在使用后不能被人体所完全吸收，主要是以母体及相关代谢产物的形式排出，最终进入环境。这些的抗生素因为它们具有较强的水溶性和抗降解性，以及其对环境和人类健康的潜在影响而受到重点关注[7，8]。

本文综合近年来发表的相关文献，对抗生素及抗生素抗性基因在环境中的污染现状、检测技术、污染控制技术及治理策略等方面进行综述研究，并对未来的研究热点方向和趋势提出了建议和展望。

2 抗生素及抗性基因污染研究现状综述

由于常用抗生素及抗生素残留物排放到环境中的问题日益严重，抗生素在环境中的存在和扩散已经在细菌中产生了抗生素抗性。尤其是，在市政污水处理厂，抗生素和细菌密度较大，细菌很容易抵抗那些抗生素。这些通过遗传转化释放的ARG可以很容易地转移到环境细菌和病原体，增加了对环境和人类的风险和危害。人类不完全的新陈代谢以及抗生素对污水处理厂的不当处置已成为抗生素释放到环境中的主要来源。这使细菌有足够的时间和足够的接触，通过改变它们的基因和细胞机制来保护自己，有利于它们的生长和繁殖。

研究发现，一些抗生素在自然条件下对转化产物的分解或降解具有抗性。低水平抗生素的长期持续存在可以促进河流基流或地下水中抗生素抗性细菌的增殖，这可能导致严重的环境健康问题。抗生素耐药性不是一种新现象，但随着抗生素和其他如重金属等污染物排放的增加，近年来ARG的迅速和广泛增加加速进入环境。因此，抗生素及其引发的抗性基因和抗生素抗性细菌等相关问题已成为环境科学的重要主题。

3 抗生素及抗性基因的检测研究综述

3.1 抗生素检测

理化分析检测是抗生素测试中比较常用的方法，主要有高效液相色谱法（HPLC）、薄层色谱法（TLC）、气相色谱法（GC）、质谱法（MS） 以及联用技术等。此外还有抗生素的微生物检测法、酶联免疫吸附法（ELISA）；目前主流的抗生素检测技术为超高效液相色谱质谱联用技术。

超高效液相色谱不受样品挥发性的限制，广泛用于高沸点、低热稳定性、高相对分子质量的有机物的测定，具有快速分离、效率高和操作自动化等多种优点。质谱分析灵敏度精确高、测样速度快、样品用量少，而且分离和鉴定能同时进行，应用广泛。将色谱质谱联合起来的超高效液相色谱-串联质谱法兼具色谱的强分离能以及质谱的高灵敏度和极强的定性检测能力。

3.2 抗性基因检测

抗性基因检测技术，主要有应用广泛的平板培养法（膜过滤法、多管发酵法、选择性底物试验等）；聚合酶链式反应（PCR反应）；荧光定量PCR方法；高通量荧光定量PCR；高通量测序等。在目前的研究中，研究者们利用高通量测序来获取更为广泛的遗传信息，在抗性基因相关研究中也应用广泛。

4 抗生素及抗性基因的治理策略综述

4.1 抗生素的去除技术

目前的水处理控制技术主要分为以下几类，常规技术处理、臭氧活性炭吸附技术、高级氧化（基于O3氧化）、光催化氧化、电化学处理以及膜处理技术等。

加氯消毒处理是饮用水处理厂或污水处理厂最后一道处理单元，是目前应用最为广泛的一种典型常规处理技术[3]。活性炭的比表面积很大，且具有丰富的孔隙，对有机物的物理吸附能力较强。此外，由于活性炭表面存在的多种官能团能与有机物进一步反应，从而增强了对有机物的去除效果[4]。活性炭在处理厂的长期运行，其表面会形成一层生物膜，其附着的微生物对有机物的降解去除也起到了一定作用。O3是一种常用的强氧化剂，在发生氧化还原反应后生成H2O和CO2，因无污染而受到处理水厂的青睐。光催化氧化技术能彻底破坏有机物结构、加速有机物分解速度，且没有二次污染。

4.2 抗生素抗性基因的去除技术

近年来，随着抗生素的严重污染，引发的抗性基因污染情况愈发严重，研究者们也在不断探索饮用水厂与污水处理厂中不同去除工艺对抗生素抗性基因的去除效果，希望能通过不同去除工艺的耦合来达到最佳的抗生素抗性基因去除效果。

加氯消毒工艺：在游离性有效氯消毒过程中，只有当加氯量较高时才能破坏分解大量DNA。有学者研究发现，剂量较高的加氯消毒工艺对污水的处理后能增加四环素类抗性细菌的耐药性。紫外消毒工艺：通过使用紫外光来达到细胞灭活的效果，紫外光的特异专一性使其具有潜在的有效灭活抗性基因的可能。

深度处理工艺：有学者通过对活性污泥法+氯消毒、氧化沟+紫外消毒等几种不同处理工艺对抗性基于去除的处理效果分析，发现对抗性基因去除效果最佳的为膜生物反应器。总而言之，随着饮用水和污水深度处理工艺的应用的不断成熟和完善，其对未来抗生素及抗性基因的污染控制工作的贡献愈发显著。

5 存在问题

5.1 抗生素研究中存在问题

抗生素在水生和陆地环境中的出现主要是由于在废水处理厂中应用这些化合物的常规处理方法不成功。这些抗生素促进抗生素抗性微生物的增殖，这可能引起公众健康问题。因此，找到检测抗生素及其副产物的多残留方法至关重要。液相色谱与质谱联用，为水中抗生素的分析提供了新的机会。几个研究小组开发并有效实施了液相色谱与质谱联用，用于测定痕量抗生素，这主要归功于质谱的已知优势检测常规检测方法，如紫外线和荧光。

5.2 抗生素抗性基因研究中存在的问题

由于实时荧光定量PCR技术等相关检测技术自身存在的问题，在进行抗生素抗性基因研究过程中，应根据不同研究目的，对实验所采取的方案和相应参数进行优化调整。

在用传统PCR或RTQ-PCR等技术手段来检测抗性基因的工作中，模板和引物的设计与选择先得尤为关键。根据其它研究者的总结，应注意以下几方面：1） 引物序列和探针序列的关系处理，不保证不发生重叠的情况下，尽可能靠近；2）引物的退火温度的控制，需比探针温度要低10℃左右。另外，利用RTQ-PCR对抗性基因进行定量检测时，定量方法的选择需根据实验研究需要将绝对定量和相对定量两种表示方法互相结合、补充。

6 总结和展望

由于抗生素及抗性基因引发的环境问题受到了人们的广泛关注，有关抗生素及抗性基因的研究成为研究者们重点研究领域，尽管有大量的研究文献发表，但研究结果仅多集中在土壤环境或食物、水环境中发现或检测到抗生素及抗性基因，有关其在环境中的浓度水平分布、污染来源、传播和扩散机制及控制策略等还需进一步研究。因此，对未来抗生素及抗性基因的研究提出了以下几点建议：

1）饮用水和污水处理厂是抗生素及抗性基因的主要储库，也是控制抗生素及抗性基因的关键。未来的研究应集中在多种去除技术的耦合，来协同去除抗生素及抗性基因。

2）水处理厂可以对存在于水管中的生物膜施加选择压力，并且生物膜中的细菌可以对许多抗生素产生抗性。未来的工作应该确定分配线中生物膜的存在，抗生素抗性的选择压力的存在以及开发减少饮用水中ARG的方法。

3）未来的研究需对抗生素及抗性基因的污染进行深入的机理方面的研究，侧重研究基因污染对生态环境和人体健康的影响，为控制抗性基因污染提供理论依据。