SAs在环境中的分布及修复技术研究进展

范 硕，侯艳红，王子铭，霍瑞朋，徐 帅，张雪雪，王巨媛*

（1.聊城大学农学院，山东聊城 252000；2.聊城大学地理与环境学院，山东聊城 252000）

SAs（磺胺类抗生素）是应用最早、最广泛的抗生素之一，是一类人工合成的广谱抑菌药，用于临床医学已近50 年，具有抗菌谱广、性质稳定、使用简便等优点。磺胺类抗生素主要包括磺胺嘧啶（sulfadiazine）、磺胺甲噁唑（sulfamethoxazole）、磺胺甲基嘧啶（sulfamerazine）等。1969 年，抗菌增效剂——甲氧苄氨嘧啶（TMP）被发现，研究显示TMP 与SAs 联合使用可使抗菌效果与治疗范围大增。虽然随着时代变迁有许多新抗生素生产问世，但SAs仍是不可替代的治疗药物[1]，广泛应用于医疗、农业领域中。本文重点讨论SAs 对环境的影响。

1 SAs在环境中的分布及风险研究

1.1 SAs污染残留现状研究

近年来，由于人们过度依赖抗生素，缺乏合理、适量使用的认识，导致抗生素用量大大增加。2013 年SAs 的使用量达到了7 920 t，其中用作兽药的占76%[2]。无论是发达国家还是发展中国家，SAs 是使用量最大的兽药之一。抗生素过量使用后会通过各种途径排放到环境中，无法彻底降解，又经食物链循环、碳循环等多种途径层层累积，导致抗生素残留，破坏生态环境，威胁人类健康。

1.1.1 SAs在地表水中的分布

SAs 是地表水中常见的污染物之一，其国内外检出率和浓度均相对较高，部分地表水SAs 残留研究报道见表1。可以看出，沈群辉等调查得到黄浦江主干及支流中的SAs 检出浓度是6 种抗生素中最高的，达到1.3 μg·L-1[3]；徐浩等对海口市城区地表水做了检测，4 种磺胺类抗生素的平均检出率为31.25%，其中SMZ 检出浓度较高，其值为1.138 5 μg·L-1[4]；姜春霞等检测了海南东寨港水域，其中SM2 检出值为0.925 μg·L-1[5]；唐俊等对安徽巢湖进行检测，SMZ 检出值为19.3 μg·L-1[6]。Kolpin等对美国30个洲100多条河流进行检测，80%的水体被检测出有机污染物共95 种，其中抗生素占21 种，被检测出频率较高的有SMX[7]。Cui等对长江流域水进行检测，SMX 检出值在1.26～51.86 ng·L-1之间[8]。叶计朋等检测了深圳河水域，SMX检出值为880 ng·L-1[9]。

表1 抗生素在地表水中的检出研究结果

1.1.2 SAs在土壤中的分布

具有吸附性的土壤是污染物一个重要的汇。抗生素通过种植业、养殖业残留物、人类排泄物等作肥料直接或间接地排入土壤，医院、家庭等丢弃的过期抗生素药品，都造成了土壤中抗生素的积累。张海丰等研究SMZ 污染土壤中的微生物群落结构，发现细菌群落结构发生显著改变，土壤真菌的多样性没有特别大的变化[10]。抗生素可使土壤微生物的生物量减少，土壤微生物的群落多样性降低，产生各种毒性效应。

1.1.3 SAs在生物体内的分布

有监测数据表明，鱼虾类[11-12]、兽禽肉[13-14]、乳制品[15]等均存在抗生素残留。程丹汝等检测铜陵顺安河中7 种鱼类样本中的7 种磺胺类抗生素浓度，根据磺胺类药物的最高残留限量（MRL）和人体每日允许摄入量（ADI）对人体健康风险进行评估。结果表明，鱼样中7 种磺胺类抗生素的检出率为27%～100%，总平均质量浓度46.99～291.46 ng·g-1[11]。抗生素的不科学使用现象在虾养殖中很常见，如王明珠等检测出国内外养殖的虾体内都存在抗生素残留[12]。

1.2 SAs污染残留风险研究

1.2.1 SAs对植物的毒害作用

植物吸收土壤中的抗生素，其与植物体内某些组分发生作用，会对植物的新陈代谢产生影响。低浓度抗生素会促进植株生长，但抗生素超过一定浓度会对植物造成伤害。张天莹等研究磺胺二甲基嘧啶对小麦种子及幼苗生长的影响，当SM2 浓度到达10.0 mg·L-1时开始对小麦种子根伸长产生抑制作用，且随浓度增大抑制作用显著增强，采用荧光染色法观察到小麦根系受到不同程度的伤害[16]。李亚宁等研究磺胺类（SMZ、SM1、ST）抗生素对油菜叶片可溶性蛋白含量的抑制作用随浓度增加而逐渐增强，其中SMZ 毒性效应最强[17]。徐秋桐等研究SM2 对蔬菜种子萌发的影响，当抗生素浓度超过25 mg·kg-1时会显著抑制根伸长[18]。

1.2.2 SAs对人体的风险评估

前人研究表明，家禽养殖场工作人员携带庆大霉素耐药大肠杆菌的危险性高于社区普通人群，约有50%工人感染对庆大霉素耐药的大肠杆菌，而其他场地的工人只有3%的感染率[19-20]。这说明，如果长时间使用抗生素喂养动物，会使动物体内产生耐药菌，这些耐药菌通过直接或间接途径传给人类，并且通过质粒等介导的水平基因转移而不断扩增。受感染的动物也会直接将耐药菌传播给与其密切接触的养殖户、兽医等工作人员。

2 SAs修复技术研究进展

2.1 生物方法

生物降解主要有植物降解和微生物降解两种途径。微生物降解法是一种典型的抗生素残留去除方法，具有成本低、效能高、环境污染小等优点，是处理抗生素污染的有效途径之一[21]。植物既可通过吸收来降解抗生素，也可通过根系分泌物实现对抗生素的降解，还可与微生物联合降解抗生素。Pei 等研究黑麦草对土壤中6种抗生素残留的降解作用均高于对照，同时黑麦草还可降低土壤中抗生素对微生物活性的抑制[22]。周绍军等人研究白掌、绿萝、铜钱草和吊兰4种植物对过期诺氟沙星胶囊污染的土壤和水体均有修复效果。随着植物培养时间的延长，土壤和水体中的诺氟沙星浓度逐渐降低，其中吊兰对土壤中的诺氟沙星去除率最高，达到20.95%；白掌对水体中的诺氟沙星去除效果最好，达到16.30%[23]。

2.2 化学方法

抗生素化学修复方法有很多，如非均相类芬顿氧化技术降解、电气石类芬顿氧化技术降解[24]等。刘迪等研究锰氧化物修复抗生素污染技术[25]，是指MnO2通过吸附、氧化分解耦合等方式将抗生素转化降解的技术，对土壤及生态环境的修复有重要作用[26]。Yang 等研究合成的d-MnO2对磺胺嘧啶的影响，随溶液pH 值降低，二氧化锰氧化磺胺嘧啶的比率增加，两者间的静电引力减弱，并具有促进MnO2还原的潜力[27]。

2.3 物理方法

物理修复法中最典型的就是生物炭吸附。吸附法具有成本较低、无副产物、可回收利用的优点，在阻控抗生素污染等方面有很大的应用潜力。可采用生活中常见的木屑、秸秆、菇渣、煤矸石等废弃物制备生物炭，对其进行高温改性后既可减少环境污染，又能变废为宝。如热解后得到的畜禽粪便基质碱性、灰分含量提高，对酸性土壤具有石灰效应，原料中营养物质丰富，可直接作为生物肥料使用，降低环境污染风险[28]。

2.3.1 生物炭对SAs的吸附机理

生物炭对有机污染物的吸附机理大致有分配作用和表面吸附作用，还有一些微观吸附机制。如王开峰等研究发现，水稻秸秆生物炭对SMZ 和SM2 的吸附过程是由化学、物理等不同吸附机理共同作用完成的[29]。刘朝霞等研究发现高温下制备的生物炭表面有含氧官能团，内部有丰富的多孔隙结构，具有很好的吸附性能[30]。

2.3.2 生物炭吸附的安全评价

生物炭性能好、优点多，应用前景广阔。研究者在看好生物炭保护生态作用的同时也担忧其潜在风险。研究表明生物炭施入土壤后，可使土壤总孔隙率提高[31]。宋建丽等研究不同基质（单施蚯蚓粪、菌糠、菌剂、生物炭及其与菌剂配施）对含四环素土壤中生长的玉米幼苗生理特性的影响，发现抗生素对玉米根长的抑制作用显著大于对株高的抑制作用，添加不同基质可有效缓解抗生素对玉米幼苗的毒害作用[32]。研究者推断可能是植物体受到污染胁迫时，捕光化合物LHC 蛋白合成的转录过程受到抑制，进而影响叶绿素的积累，而生物炭处理的叶绿素含量提高最显著，整体来看生物炭对作物是相对安全的。

3 结语

自抗生素发明以来，在生活中很多方面给人类带来了巨大帮助，因此应用广泛，尤其是SAs 在国内外的使用量和生产量都占据了较高比例，且用量还在逐年上升。由于用法、用量不科学导致SAs 在环境中大量残留，人们已在环境中检测到大量残留，认识到SAs 残留污染环境，导致食品安全、人体健康都受到较大影响等问题。大量研究表明，针对SAs 污染的修复方法有很多，其中生物炭是较好的抗生素吸附介质，且改性后的生物炭吸附能力明显提高，受到广大科研工作者的青睐。