畜禽粪污源抗生素及耐药基因在环境中的归趋

黄荣才, 高胜涛, 范士杰, 马 露, 卜登攀,2,3*

1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 动物营养学国家重点实验室, 北京 100193;2.中国农业科学院与世界农用林业中心, 农用林业与可持续畜牧业联合实验室, 北京 100193;3.湖南畜产品质量安全协同创新中心, 长沙 410128

我国是抗生素使用大国，每年都要使用大量的抗生素。据统计，2013年我国共使用了162 000 t 抗生素[1]。而动物吸收降解抗生素的能力较差，大部分的抗生素都通过动物粪尿排出体外，且以原型或有抗菌活性的代谢产物的形式存在于土壤、地表水甚至地下水中[2,3]。其被人体摄入或农作物吸收后，可通过直接或间接的方式对人体健康造成危害[4,5]。

动物粪便中还含有大量的不同种类的耐药基因[6～9]，这些耐药基因随着动物粪便的施用而在环境中扩散。此外，在土壤、水体等低浓度抗生素的选择压力下，耐药基因水平转移作用增强，从而增加了环境中耐药细菌的丰度[10,11]。本文就动物粪便中抗生素及耐药基因在环境中的归趋做一综述，以期为研究畜禽粪污源抗生素及耐药基因对生态系统及人类健康的危害提供科学参考。

1 抗生素在畜牧业中的使用现状

我国是畜牧业大国，每年都要使用大量抗生素。究其原因，一定程度上是由于我国畜牧业生产水平较低，且管理水平和卫生条件有限，养殖过程中畜禽时常发病，而在饲料中添加低剂量抗生素能有效降低动物的发病率[12]；此外，许多抗生素具有提高日增重、饲料转化效率等作用[13]；加之部分基层养殖户和兽医工作者专业知识欠缺，其在进行动物疾病防治时可能存在盲目使用抗生素的情况。Zhang等[1]统计发现中国2013年共使用了92 700 t 36种常用抗生素，这些抗生素经人体和动物粪尿排出到环境中(约为54 000 t)，随后经过环境的一系列降解，仍有32 500 t抗生素残留于环境中。由此可见，当前面临着非常严峻的抗生素污染问题。

2 抗生素和耐药基因在畜禽粪便中的分布

在畜牧业中，使用最多的是四环素类、磺胺类和喹诺酮类抗生素。四环素类抗生素包括四环素、土霉素、金霉素、甲烯土霉素、强力霉素及米诺环素等，其抗菌能力强，具有促生长及提高饲料转化率等作用，且是价格最为便宜的一类抗生素，所以在畜牧业中常作为饲料添加剂而被大量使用[14]。磺胺类抗生素能杀灭大多数革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，其主要通过抑制二氢叶酸的合成来发挥抑菌作用。喹诺酮类抗生素由人工合成，抗菌谱广，能同时杀灭革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌，并且还具有一定的促生长作用。表1统计了近年来畜禽粪便中抗生素的残留情况。从数据来看，畜禽粪便中普遍残留有四环素类(tetracyclines, TCs)、磺胺类(sulfonamides, SAs)及喹诺酮类(quinolones, QNs)抗生素，并且四环素类抗生素的浓度较高。

同时，动物粪便也是一个巨大的耐药基因库。He等[22]检测了中国南方地区3个商业猪场猪粪中ARGs的含量，发现几乎在所有的样品中都检测到了所研究的22种ARGs，并且丰度较高。其中，sul、cml以及MLSB类耐药基因的检测率为100%。

表1 抗生素在畜禽粪便中的残留情况Table 1 Residues of antibiotics in animal manures.

3 抗生素及耐药基因在水体、土壤及植物中的分布

3.1 抗生素及耐药基因在水体中的分布

经过处理或未经处理的养殖污水是河流受抗生素及耐药基因污染的重要源头。广东是养殖大省，2017年生猪出栏量为3 712万头[23]，其面临的畜禽粪污污染相当严峻。Xu等[24]检测了珠江涨水季和退水季常用的兽药抗生素的含量，包括氧氟沙星、诺氟沙星、阿莫西林等9种抗生素，除阿莫西林外，其他8种抗生素均被检出，涨水季的浓度为11～67 ng/L，退水季的浓度达到了66～460 ng/L。还有研究检测了江苏省北部、中部及南部地区畜禽养殖场流出的污水及靠近养殖场附近的河流水中10种抗生素的含量，结果显示养殖场流出的污水和附近的河流水中均能检测到除强力霉素外的9种抗生素，最高浓度范围分别为0.44～169 μg/L和0.46～4.66 μg/L[25]。此外，在黄河及其支流中也检测到了兽药抗生素的存在，如氧氟沙星、诺氟沙星、罗红霉素、红霉素及磺胺甲恶唑在黄河水中的平均浓度为25～152 ng/L，在黄河某些支流的浓度达到了44～240 ng/L[26]。除了在江河水中检测到抗生素，湖泊水中也检测到了抗生素的残留。Li等[27]从白洋淀湖水中检测到氧氟沙星、恩诺沙星等17种抗生素。此外，在用动物粪便当有机肥种植有机蔬菜的大棚的地下水中也检测到了抗生素[5]。从中国南方到北方的河流、湖泊甚至地下水中都检测到抗生素的存在，由此可见我国水体受抗生素污染的情况相当严峻。

除抗生素外，河流中还检测到大量的耐药基因。如天津海河中磺胺类耐药基因(sul1和sul2)的检出率为100%，且其丰度较高[10]；珠江水体中存在tetA和tetB2种四环素类耐药基因，其检出率为分别为43%和40%[28]。Jiang等[29]检测了上海黄浦江和上海饮用水水库中的耐药基因，结果检测到了2种磺胺类耐药基因、9种四环素类耐药基因和1种β-内酰胺类耐药基因。这些被耐药细菌污染的水体对人类来说是一种潜在的威胁，直接饮用可能会对人体健康造成危害。

3.2 抗生素及耐药基因在土壤中的分布

养殖场周边或在用畜禽粪便施肥后的土壤中一般都能检测到较高浓度的抗生素。Ji等[8]研究了上海猪场、牛场及鸡场附近农田土壤中抗生素的含量，发现四环素和土霉素的浓度为1.87～4.24 mg/kg DM，磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶和磺胺甲恶唑的浓度为1.29～2.45 mg/kg DM。Hu等[5]调查了天津4个不同地区用鸭粪和猪粪当有机肥种植有机蔬菜的土壤中抗生素的含量，发现在冬季土壤中检测到了所研究的11种抗生素(包括四环素类、磺胺类及喹诺酮类等)，其中土霉素含量最高，达到了2.68 mg/kg DM；而在夏季土壤中检测到6种抗生素，其中四环素含量最高，达到了2.5 μg/kg DM。河流的底泥也常常受到抗生素的污染。Zhou等[30]调查了黄河、海河和辽河底泥中17种抗生素的含量，结果发现诺氟沙星、恩诺沙星、环丙沙星和土霉素是检出率较高的几种抗生素，其含量分别达到了5 770 ng/g DM、1 290 ng/g DM、653 ng/g DM和652 ng/g DM。

土壤中含有大量的微生物，有些微生物基因组中携带耐药基因[31]。在低浓度抗生素的作用下，这些存在于微生物基因组中的耐药基因被激活而表达，并且会转移到质粒中[32,33]。Gillings和Stokes[34]指出抗生素会增加耐药基因水平转移的频率，这可使土壤中不携带耐药基因的微生物获得耐药基因，甚至出现多重耐药细菌。并且动物粪便中的重金属(如铜、锌及铬等)也会促进耐药基因水平转移[8]。动物粪便作为有机肥施用于农业土壤后，其携带的耐药基因会水平转移给土壤微生物，从而显著增加了土壤中耐药细菌的数量[35]。

3.3 抗生素及耐药基因在植物组织中的分布

植物能从施用动物粪便的土壤中吸收抗生素。Hu等[5]检测了天津4个不同地区4个大棚中用鸭粪和猪粪当有机肥种植的萝卜、油菜、芹菜和香菜中11种抗生素的含量，结果在萝卜中检测出10种抗生素(0.1～57 μg/kg DM)，在油菜中检测出8种抗生素(0.1～187 μg/kg DM)，在芹菜中检测出7种抗生素(0.1～20 μg/kg DM)，在香菜中检测出7种抗生素(0.1～532 μg/kg DM)。除常见的蔬菜外，用动物粪便施肥后的牧草、玉米、小麦及花生中也能检测到抗生素的存在[36,37]。

土壤中的微生物也能转移到植物中，这些转移到植物中的微生物在一定阶段或全部阶段生活在健康植物的各种组织、器官的细胞间隙或细胞内，其被称为植物内生菌[38,39]。土壤中很多微生物都携带耐药基因，这些携带耐药基因的微生物转移到植物组织后，会使植物间接地携带上耐药基因。Yang等[40]发现用鸡粪种植的芹菜、小白菜和黄瓜内生菌普遍存在抗生素抗性，并且对头孢氨苄的耐药率最高。Marti等[41]检测了用牛粪和猪粪种植的西红柿、黄瓜、辣椒、萝卜、胡萝卜及生菜内生菌携带耐药基因的情况，与未施加动物粪便的对照组相比，施用动物粪便的处理组能检测出更多种类的耐药基因。西红柿、黄瓜、萝卜、胡萝卜及生菜等都是可以生吃的蔬菜，生吃这些携带耐药细菌的蔬菜对人类健康可能存在潜在威胁。

4 抗生素及耐药基因的危害

残留于环境中的抗生素会破坏生态系统平衡，并且可以通过饮水或食物链传递给人类。已有研究表明，土壤中的抗生素会扰乱土壤微生物群落结构，抑制土壤中酶的活性，进而改变土壤生态系统功能，此外，有些抗生素具有植物毒性[42]。抗生素还会引起人体胃肠功能紊乱、皮疹、口腔溃疡等，如氨基糖苷类抗生素具有肾毒性，四环素类抗生素会引起四环素变色牙，氟喹诺酮类抗生素会引起线粒体损伤[43,44]。虽然，口服抗生素可显著改变小鼠及人肠道菌群群落[45～47]，然而，肠道微生物对营养物质的消化吸收、免疫调节、机体稳态及防止病原体入侵等发挥着重要作用，肠道微生物的改变可能会引起多种疾病[48～51]。如人体肥胖与肠道菌群息息相关，肠道菌群的改变可能会引起肥胖症。Stark等[52]对333 353位儿童分析发现幼儿摄入抗生素与肥胖存在关联。

耐药基因的危害主要表现为细菌对抗生素产生抗性，从而使抗生素失效或效果降低。目前因耐药细菌引起的感染在全球范围内较为普遍[53,54]。美国新兴感染网络(Emerging Infection Network)对传染病专家调查显示，超过60%的参与者表示在上一年看到了泛耐药性、不可治愈的细菌感染[55]。世界卫生组织在2014年警告细菌的抗生素抗性已经成为一场可怕的危机[56]。

5 展望

粪污是巨大的抗生素和耐药基因库，这些残留在粪污中的抗生素和耐药基因能通过粪污在环境中扩散，导致土壤、植物、江河、湖泊甚至地下水受到污染，最终威胁人类健康及生态系统平衡。降低粪污中抗生素及耐药基因的关键是开发抗生素替代产品。现已有研究表明益生菌(LactobacillusgasseriLA39和Lactobacillusfrumenti)和生物碱(血根碱)等具有替代抗生素的潜力[57,58]。未来将利用宏基因组学技术、菌粪移植及生物信息学等手段进一步挖掘抗生素替代物，并解析其作用机制。