抗生素制藥菌渣健康風險評價研究

朱 瑩，苗 楊，王曉紅，孟憲林

(哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090)

抗生素菌渣是抗生素制藥生產企業(yè)在生產過程中的固體廢棄物，是發(fā)酵菌種在葡萄糖、大豆等營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基上進行發(fā)酵，發(fā)酵液經酸化、過濾后的濾渣［1］.經過調查發(fā)現菌渣中含有殘留抗生素、重金屬、多環(huán)芳烴等一定的有毒有害物質，還被國家列為危險性廢棄物，必須經過一定的處置方案防治二次污染［2］.然而目前由于對菌渣中抗生素的研究才剛剛開始，缺乏二次利用安全數據，加之對抗生素菌渣作為危險性物質的管理體系也不完善，導致許多企業(yè)的菌渣處理不徹底甚至不處理就直接二次利用，這樣必將給生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在的風險隱患，因此有必要對經過不同處置方式的菌渣帶來的環(huán)境風險進行評價.本文主要以四環(huán)素類菌渣為例，按照抗生素的處理率把處置技術分為兩類，處置率為0%和90%以上，采用健康風險評價模型對經過不同處置途徑的四環(huán)素類抗生素對人體健康風險評價進行研究.

1 抗生素制藥菌渣的風險識別

風險識別是判別菌渣在經過一定的處置后對人體健康的危害，本文是通過構建層次分析法構建風險識別體系來完成的，依據以下原則［3］進行了指標體系的構建.

1)相對固定原則

評分標準的制定要有合理的依據和清晰地界定，能夠表征指標間的差異，要盡量選擇容易獲取的、量化簡單的指標.

2)全面與概括原則

由于目標污染物質在篩選過程中涉及到多方面的因素，因此要盡可能考慮各項影響因素，不能遺漏任何一方面，此外還要把指標分類，使選中的指標具有代表性.

3)通用原則

指標選擇要有普遍性，在實際應用是方便作調整.

1.1 建立風險識別指標體系

以菌渣風險因子識別為最終目標，根據查閱的相關文獻，選擇風險源性質、危害性、擴散性等三個方面的11個指標作為風險因子識別的依據，建立的風險因子識別體系如圖1所示.

圖1 菌渣風險識別體系

其中菌渣產生量、產品的衛(wèi)生標準、菌渣及產品成分、菌渣處理處置方式決定著風險源的量的大小，環(huán)境的背景含量、急性毒性、亞急性毒性、三致作用等決定著風險源的毒性大小，在動物體內的吸收情況、環(huán)境持久性、生物富集系數等影響著風險因子在環(huán)境介質中的傳播.

1.2 確定識別體系中各指標的評分標準及綜合得分

通過大量查閱關于抗生素及其菌渣性質、環(huán)境行為等的相關文獻并結合國內外最新研究現狀確定評分標準，同時依據上述指標選取的原則，將評分標準劃分為5個等級，每個等級賦予不同的分值，具體見表1.

然后依據專家打分法以及層次分析法計算指標權重，權重計算結果見表2.本文以石家莊某中型土霉素制造廠為例，經過調查該廠的抗生素菌渣的主要風險物質是土霉素及其代謝物殘留、重金屬、多環(huán)芳烴等物質.根據調查得到的土霉素菌渣的相關指標的數據資料以及上述分級標準和各個指標的權重計算綜合得分值，從而篩選出對環(huán)境危害大的污染因子，評價結果見表2.

表1 菌渣風險識別指標評分標準

表2 菌渣中危害因子的指標得分

根據計算得到的處置前后菌渣中危害因子的綜合得分，可知菌渣中的主要環(huán)境風險因子是殘留的抗生素及代謝物，其次是多環(huán)芳烴和重金屬.在調查中發(fā)現菌渣中多環(huán)芳烴和重金屬都低于相應的控制標準［4］，因此本研究考慮的菌渣中的風險因子是菌渣中的殘留抗生素及其代謝產物.下面就以四環(huán)素菌渣為例對抗生素菌渣進行環(huán)境風險評價.

2 抗生素制藥菌渣劑量－效應研究

健康風險評價的劑量－效應評估方法按照化學物質的毒性效應分為無閾效應(如致癌效應)和有閾效應(如非致癌)兩種，由于四環(huán)素類抗生素是非致癌物質，應該按照非致癌物的程序完成，特點是通過計算參考劑量(RfD)進行劑量－效應評估［5］.

RfD的計算公式為:其中:MF為調整因子，通常取1～10，用來表征資料庫完整性;UF為不確定性因子即安全系數，計算公式為 UF=F1×F2×F3，F1、F2分別是種間、種內不確定性系數，取值分別為1～10;F3為毒性性質不確定性系數，取值范圍為1～100.

四環(huán)素類抗生素的毒理學數據有:雖然1998年歐盟已經把獸藥抗生素的風險評價提上了日程，但是抗生素的生態(tài)風險這方面的數據比較少，并且集中在新發(fā)現與合成的抗生素上，而已經存在的抗生素的研究很少［6］.Baguer等［7］通過測定常用的兩種獸藥抗生素即土霉素和泰樂菌素對土壤動物的影響來研究抗生素的生態(tài)風險評價.結果表明在相應的環(huán)境濃度下，兩種抗生素對蚯蚓、彈尾蟲和線蚓均無很嚴重的危害，并且最低觀察效應含量(LOAEL)值為 3 000 mg/kg.

其中UF中由動物實驗數據向人群外推的不確定性系數F1取10;人群中的差異不確定系數F2取10;由亞慢性實驗數據推導慢性毒性數據時的不確定性系數F3取10.同時由于四環(huán)素類抗生素對生物的毒性資料非常少，外推時有很大的局限性，因此修正系數(MF)取值為10.因此從土壤動物實驗向人群外推計算的土霉素的RfD值為0.3 mg/(kg·d).

由于抗生素主要是抑制細菌的活性，而人體腸道菌群約有400～500個不同品種的總數達1 013個細菌，因此研究抗生素在腸道中的作用意義很大，美國獸藥管理中心(FDA－CVM)在評價含獸藥殘留的食品安全時，抗生素對人體腸道菌群的影響也加以考慮.Carman等［8］利用離體恒化器模式研究四環(huán)素對人體腸道菌群的影響，結果表明四環(huán)素對人體腸道菌群的無觀察影響水平(NOEL)值為0.25 mg/(kg·d)，這與本研究結果土霉素RfD值為0.3 mg/(kg·d)基本一致.

3 抗生素制藥菌渣暴露評價

暴露評價的本質是摸清楚待評價有害物質從產生到與受體接觸的整個過程的環(huán)境行為，是風險評價定量的重要依據.因此暴露評價主要包括兩方面的研究內容:一是分析待評價化學物質從產生到最終進入環(huán)境的整個遷移轉化過程，以及在不同環(huán)境介質中的分布和歸趨;二是通過分析總結受體的暴露途徑、暴露方式等計算污染物質對受體的暴露量.

3.1 菌渣中殘余抗生素的暴露方式

由于抗生素的揮發(fā)性差，故在環(huán)境中的主要遷移介質為水體、土壤和食物鏈［9］.菌渣制作成肥料后，隨著肥料農用化進入土壤中，一部分被土壤中的生物和微生物吸收，另一部分隨著雨水的沖刷進入地下水，進入食物鏈.菌渣作為飼料和飼料添加劑用于畜牧業(yè)或水產養(yǎng)殖中，只有15%的抗生素可以被機體吸收利用隨著肉、蛋、奶等動物性食品進入人體，另一部分則殘留于人畜糞便中，可能通過肥料的施用、徑流等進入水體［10］，或者隨著廢水進入污水處理廠，然而現代污水處理技術很難將抗生素類微量污染物完全去除，在污水處理廠出水中檢出了包括紅霉素、磺胺甲惡唑等多種抗生素，故大量的抗生素及其代謝產物最終進入水體［11］.提取或制備制藥原料與化工原料、厭氧發(fā)酵等過程中，抗生素會隨著這些資源化過程中的廢水進入污水處理廠，還有一小部分抗生素隨產品進入環(huán)境中.菌渣在堆放或填埋過程中還會隨垃圾滲濾液污染地下水.如圖2為菌渣在經過不同處置后殘留的抗生素在環(huán)境中的暴露途徑分析.因此從抗生素的暴露途徑可以看出飲食攝入途徑是菌渣中抗生素在人體內暴露的最主要途徑.

3.2 暴露量的計算

化學品在環(huán)境中的暴露量計算方法有:1)簡單估算，統(tǒng)計化學品產生源強，大概估計污染物在環(huán)境中的暴露含量;2)現場監(jiān)測，通過對實際環(huán)境介質或者模擬環(huán)境中化學品含量進行監(jiān)測來計算暴露量，精確度高但有些監(jiān)測還是不能實現的;3)模型計算，通過建立數學模型來預測菌渣在環(huán)境中的暴露含量，這是在化學品暴露評價中最常用的一種.本文采用人體暴露模型計算，計算公式為

圖2 菌渣中抗生素的暴露途徑分析

其中:ADI為抗生素的每日攝入量，μg/(kg·d);Ck為植物或肉類中抗生素的含量，mg/kg;VC為人每日對蔬菜、肉類等的攝入量，g/d;FC為蔬菜或肉類消耗的比率，無量綱;BW為人體的平均體重，kg;EF為暴露頻率，d/a;ED為暴露持續(xù)時間，a;AT為平均暴露時間，d.

1)處置率為90%以上的菌渣的人體暴露量計算

計算公式中參數的取值依據主要是2002年我國農業(yè)部發(fā)布第235號公告即《動物食品中抗生素的最高殘留量》，見表3.

表3 《動物性食品中獸藥最高殘留限量》規(guī)定四環(huán)素殘留量

其中對于受抗生素污染的蔬菜食品安全還沒有相應規(guī)定.暨南大學的李彥文等［12］對惠州市蔬菜基地疏菜鮮樣中含四環(huán)素量做了一系列的研究，表明含土霉素、四環(huán)素、金霉素和強力霉素的量范圍分別為 ND ～22.3 μg/kg、ND ～4.69 μg/kg、ND～2.58 μg/kg、ND ～0.76 μg/kg，平均含量分別為0.87 μg/kg、0.22 μg/kg、0.06 μg/kg、0.05 μg/kg(ND為低于檢測限)，可見蔬菜中抗生素的含量還是很有限的.本研究假定食品動物、畜禽等在生長周期內接觸到的抗生素來源只有菌渣制成的飼料及添加劑，把蔬菜中四環(huán)素的量按照200μg/kg計算，人類對動物性食品和蔬菜的攝入量參考《中國居民膳食指南》，見表4、5.

表4 《中國居民膳食指南》中規(guī)定各種食品的攝入量

表5 攝入途徑量計算參數

所以四環(huán)素的人體暴露量為:0.465μg/(kg·d)(成人)，0.520 μg/(kg·d)(兒童).

2)處置率為0%的菌渣的暴露量計算

假定最終進入到人體中的菌渣的源強不變，四環(huán)素菌渣的處理率按照90%處理，則未經過處理的菌渣中抗生素在人體的暴露量為4.65μg/(kg·d)(成人)，5.20 μg/(kg·d)(兒童).

4 健康風險表征

風險評價是將前面已經進行的風險識別、劑量－效應、暴露評價等內容進行總結，并按照一定的模型對所研究的結果進行定性和定量表達的過程.定性表征主要是初步說明或者僅僅粗略描述風險的性質以及風險的有無，是一個相對模糊的表達，而定量分析則有了明顯的改進，可以給出明確的計算過程從定量角度描述風險的程度，主要包括商值法和外推法［13］.本文的健康風險表征用暴露－反應法，計算公式為:

其中:R為待評價非致癌性污染物的健康風險，1/a;1×10－6為待評價非致癌性污染物風險可接受水平;D為待評價非致癌性污染物的每日攝入量，mg/(kg·d);RfD為非致癌性污染物的參考劑量，mg/(kg·d);70為所取的平均人類壽命，a.

則處理前四環(huán)素菌渣的風險值為0.22×10－9(成人)、0.25 ×10－9(兒童).處理后四環(huán)素菌渣的風險值為 0.022 ×10－9(成人)、0.025 ×10－9(兒童).

按照美國EPA規(guī)定，小型人群可接受的風險值為10－5～10－4/a;社會人群可接受的風險值為10－7～10－6/a.菌渣降解前后的風險值表明菌渣對兒童的健康風險較成人稍高，但總體來說風險值很低.

5 結語

在進行人體健康風險評價時，RfD值由動物實驗外推得出為0.3 mg/(kg·d)，處理率為90%的菌渣中四環(huán)素對兒童和成年人的暴露量分別為0.46 5 μg/(kg·d)(成人)、0.520 μg/(kg·d)(兒童)，處理率為0%的菌渣中四環(huán)素對兒童和成年人的暴露量分別為4.65μg/(kg·d)(成人)、5.20μg/(kg·d)(兒童)，表明四環(huán)素降解前后兒童和成年人的健康風險均＜10－8/a，風險水平很小.

［1］張紅娟.抗生素菌渣堆肥化處理研究［D］.鄭州:鄭州大學，2010.

［2］BACKHAUST，GRIMME L H.The toxicity of antibiotic agents to the luminescent bacterium Vibrio fischeri［J］.Chemosphere，1999，38(14):3291－3301.

［3］丁 暉，石碧清，徐海根.外來物種風險評估指標體系和評估方法［J］.生態(tài)與農村環(huán)境學報，2006，22(2):92－96.

［4］李月海，劉冬玲，謝幼梅.抗生素菌渣的綜合利用［J］.山東畜牧獸醫(yī)，2000(6):28－39.

［5］胡二邦.環(huán)境風險評價實用技術和方法［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2000:20－28.

［6］TURKDOGAN F I，YETILMEZSOY K.Appraisal of potential environmental risks associated with human antibiotic consumption in turkey［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，166(1):297－308.

［7］BAGUER A J，JENSEN J，KROGH PH.Effects of the antibiotics oxytetracycline and tylosin on soil fauna［J］.Chemosphere，2000，40(7):751－757.

［8］CARMAN R J，SIMON M A，PETZOLD H E，etal.Antibiotics in the human food chain:establishing no effect levels of tetracycline，neomycin，and erythromycin using a chemostat model of the human colonic microflora［J］.Regulatory Toxicology and Pharmacology，2005，43(2):168 －180.

［9］俞 慎，王 敏，洪有為.環(huán)境介質中的抗生素及其微生物生態(tài)效應［J］.生態(tài)學報，2011，31(15):4437－4446.

［10］HEMANDOE M D，MEZCUA M，FERNANDEZ－ALB A R，etal.Environmental risk assessment of pharmaceutical residues in wastewater effluents，surface waters and sediments［J］.Talanta，2006，69(2):334 －342.

［11］KUMMERER K，AL－AHMAD A，MERSCH －SUNDERMANN V，etal.Biodegradability of some antibiotics，elimination of the genotoxicity and affection of wastewater bacteria in a simple test［J］.Chemosphere，2000，40(7):701 －710.

［12］李彥文，莫測輝，趙 娜.菜地土壤中磺胺類和四環(huán)素類抗生素污染特征研究［J］.環(huán)境科學，2009，30(6):1762－1766.

［13］European Commission.European commission technical guidance document in support of commission directive 93/67/EEC on risk assessment for new notified substances and commission regulation(EC)No 1488/94 on risk assessment for existing substances，Part II.In commission E［R］.Luxembourg:Office for Official Publications of the European Communities，2000.