畜禽糞便殘留四環(huán)素類抗生素的水體污染狀況及生態(tài)毒理效應(yīng)

張杏艷，陳中華，龔 勝，藍(lán)海恩，鄧海明，楊 楷，盧文學(xué)

（廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所，廣西 南寧 530001）

畜禽糞便殘留四環(huán)素類抗生素的水體污染狀況及生態(tài)毒理效應(yīng)

張杏艷，陳中華，龔 勝，藍(lán)海恩，鄧海明，楊 楷，盧文學(xué)

（廣西壯族自治區(qū)畜牧研究所，廣西 南寧 530001）

四環(huán)素類抗生素是我國畜牧業(yè)使用量最大的廣譜抗生素之一，因其在動(dòng)物腸胃系統(tǒng)內(nèi)難以被完全吸收而在畜禽糞便中殘留量較大，導(dǎo)致大量四環(huán)素類抗生素隨畜禽糞便還田進(jìn)入土壤，最終進(jìn)入水環(huán)境，并對(duì)水環(huán)境造成潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。綜述了四環(huán)類抗生素對(duì)我國水體的污染狀況及其對(duì)水生生物的生態(tài)毒理效應(yīng)，以期為控制該類抗生素對(duì)我國水環(huán)境的污染提供參考。

四環(huán)素；抗生素；水體污染狀況；生態(tài)毒理；畜禽糞便

四環(huán)素類抗生素 （tetracycline antibiotics，TCs）是一類具有并四苯結(jié)構(gòu)的廣譜抗生素（見圖1），主要分為天然類和半合成類兩種，包括土霉素、四環(huán)素、金霉素和強(qiáng)力霉素等，對(duì)革蘭陽性菌、革蘭陰性菌、衣原體、支原體、立克次體、螺旋體、放線菌和某些原蟲等均有抑制作用，高濃度時(shí)還有殺滅作用。金霉素是最早分離出的四環(huán)素類抗生素，于1945年被本杰明·達(dá)格爾（Benjamin Duggar）博士從金黃色鏈絲菌中分離，土霉素和四環(huán)素分別于1950年和1953年被分離。1965年以后，四環(huán)素類抗生素進(jìn)入半合成時(shí)代。20世紀(jì)60年代前后，四環(huán)素類抗生素作為疾病治療藥物和動(dòng)物促生長劑在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用［1］。四環(huán)素類抗生素難以被動(dòng)物腸胃系統(tǒng)吸收完全，其排泄率高達(dá)69%～86%［2］，導(dǎo)致其在畜禽糞便中的殘留量較高。四環(huán)素類抗生素水溶性較好，很容易隨糞便還田進(jìn)入土壤，最終進(jìn)入水環(huán)境，給人類健康和生態(tài)安全造成威脅。筆者主要介紹了我國四環(huán)素類抗生素水體污染狀況及該類抗生素對(duì)水生生物的生態(tài)毒理效應(yīng)，以期為控制四環(huán)素類抗生素對(duì)我國水環(huán)境的污染提供參考。

圖1 四環(huán)素類抗生素的分子結(jié)構(gòu)

1 我國四環(huán)素類抗生素水體污染狀況

我國畜禽疫病復(fù)雜，四環(huán)素類抗生素使用量巨大。2010年我國金霉素的年使用量高達(dá)71 900 t，是美國所有四環(huán)素類抗生素年使用量的22倍［3］。2013年我國抗生素的總使用量約為16.2萬t，其中四環(huán)素類抗生素的使用量為6 950 t，是英國抗生素總使用量的6倍［4］。四環(huán)素類抗生素很難在動(dòng)物體內(nèi)被完全吸收或代謝，大部分抗生素以原藥形式隨動(dòng)物糞便和尿液排出體外，從而污染水體。目前，環(huán)境水體中，豬場等養(yǎng)殖廢水中四環(huán)素類抗生素的殘留量最高，濃度可達(dá) 1 mg/L［5］，其中四環(huán)素、土霉素、金霉素的殘留濃度范圍分別為0.391～0.931、0.640～16.923、0.266～0.709 μg/L［6］；畜禽養(yǎng)殖排污口及周邊水體次之，其四環(huán)素、土霉素、金霉素的殘留濃度范圍分別為 0.10～10.34、0.07～72.91、0.08～3.67 μg/L［7］；而地表水多在1 μg/L以下，如溫榆河、巴河、通惠河、清江四環(huán)素類抗生素的濃度分別為0.017 5、0.069 3、0.055 7、0.049 7 μg/L［8］，但部分地區(qū)地表水四環(huán)素類抗生素的污染較為嚴(yán)重，其四環(huán)素、土霉素、金霉素的殘留量分別達(dá) 10.0、8.0、3.4 μg/L［9］，甚至部分地區(qū)地下水和飲用水源已檢測到土霉素和四環(huán)素的存在，濃度分別為0.008 6 μg/L和0.003 6 μg/L［6］。此外，四環(huán)素類抗生素的污染范圍也在不斷擴(kuò)大，2015 年，Zhang 等［4］公布了全國 58 個(gè)流域的抗生素污染預(yù)測結(jié)果，其中四環(huán)素類抗生素在58個(gè)流域的預(yù)測平均濃度＞0～＜99 ng/L；其繪制的全國58個(gè)流域“抗生素環(huán)境濃度地圖”顯示，全國受抗生素污染的水域已經(jīng)超過一半，且東部流域抗生素污染遠(yuǎn)比西部流域嚴(yán)重，其中海河和珠江分別是北方流域和南方流域抗生素污染最為嚴(yán)重的河流，其抗生素環(huán)境預(yù)測濃度是雅魯藏布江等西部流域的幾十倍。

2 四環(huán)素類抗生素對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)

抗生素是針對(duì)人體和動(dòng)物體內(nèi)的病原性致病菌進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)，這導(dǎo)致其必然也對(duì)人體和環(huán)境中其他有機(jī)體產(chǎn)生潛在的健康威脅。2004年，Sanderson等［10］基于現(xiàn)有的水生生態(tài)毒理學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用定量結(jié)構(gòu)活性相關(guān)性（quantitative structure activity relationships，QSARs） 對(duì)226種抗生素進(jìn)行生態(tài)危害性評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，超過一半的抗生素對(duì)魚類有毒性作用，其中，20%的抗生素對(duì)藻類的毒性作用非常強(qiáng)（very toxic），約33%的抗生素對(duì)魚類的毒性作用非常強(qiáng) （very toxic），44%的抗生素對(duì)大型溞的毒性作用非常強(qiáng) （very toxic），16%的抗生素對(duì)大型溞的毒性作用極強(qiáng)（extreme toxic）。

四環(huán)素類抗生素的水溶性較好，是水環(huán)境中主要的抗生素污染物之一。研究表明，四環(huán)素類抗生素對(duì)很多水生生物均有毒性效應(yīng)，且不同水生生物對(duì)四環(huán)素類抗生素的敏感性不同。四環(huán)素類抗生素對(duì)水生生物的半最大效應(yīng)濃度或半致死濃度見表1。

表1 四環(huán)素類抗生素對(duì)水生生物的半最大效應(yīng)濃度或半致死濃度

根據(jù)毒性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，由表1可知，土霉素對(duì)黑脊倒刺鲃、斑馬魚、大型溞是低毒（100 mg/L＜EC50/LC50＜1000 mg/L）；四環(huán)素對(duì)斑馬魚、鯽魚、大型溞是低毒；金霉素對(duì)大型溞是低毒，而對(duì)斑馬魚、鯽魚是中毒（10 mg/L ＜EC50/LC50＜ 100 mg/L)；強(qiáng)力霉素對(duì)沙蠶是低毒，而對(duì)斑馬魚和綠藻卻是中毒。金霉素和強(qiáng)力毒素的毒性高于土霉素和四環(huán)素。在水環(huán)境中，鯽魚、斑馬魚、大型溞對(duì)金霉素和四環(huán)素毒性的敏感性順序?yàn)椋忽a魚＞斑馬魚＞大型溞［19］。對(duì)于藻類而言，四環(huán)素類抗生素屬于中毒和高毒，甚至是極毒，且原核生物藻類對(duì)四環(huán)素類抗生素的敏感性比真核生物藻類更高。由表1可知，銅綠微囊藻對(duì)四環(huán)素類抗生素的敏感性比綠藻對(duì)四環(huán)類抗生素的敏感性高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見，四環(huán)素類抗生素對(duì)水生生物存在毒性影響，且其對(duì)不同水生生物的毒性影響不同。

2.1 對(duì)微生物的毒性影響 四環(huán)素類抗生素能抑制細(xì)菌、真菌繁殖，影響微生物功能，四環(huán)素類抗生素對(duì)微生物的影響順序一般為：細(xì)菌＞放線菌＞真菌［20］。水環(huán)境中大多數(shù)微生物對(duì)四環(huán)素類抗生素具有天然的耐藥性，所以水環(huán)境中的四環(huán)素類抗生素并不對(duì)所有的微生物都具有毒性作用。四環(huán)素類抗生素通過影響水體微生物的組成和活性，引起水環(huán)境微生物區(qū)系的生態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)水環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。其影響機(jī)制為四環(huán)素類抗生素的不斷聚集抑制了水體或底泥中微生物的活性，從而導(dǎo)致一個(gè)相對(duì)厭氧的環(huán)境，使得水體中的有機(jī)物發(fā)生厭氧降解，產(chǎn)生比有氧降解毒性更大的副產(chǎn)物，如氨氣和硫化氫，這些副產(chǎn)物又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致水體和底泥有機(jī)物的降解率下降，從而導(dǎo)致水體有機(jī)物的加速聚集和水環(huán)境的進(jìn)一步惡化。研究表明，土霉素和金霉素可對(duì)微生物厭氧消化產(chǎn)生抑制作用，其產(chǎn)生抑制作用的臨界濃度值分別為0.3 mg/L和0.1 mg/L，若兩者聯(lián)合，則抑制作用增強(qiáng)［21］。 四環(huán)素能影響活性污泥表面微生物組成，進(jìn)而影響活性污泥對(duì)污水中COD的處理效果［22］。

2.2 對(duì)藻類的毒性影響 四環(huán)素類抗生素能夠影響藻類的光合作用，抑制藻類的生長，破壞抗氧化酶系統(tǒng)的平衡。銅綠微囊藻在0.80～35.00 mg/L的四環(huán)素中暴露4 d后，其葉綠素?zé)晒夂蜐撛谧畲箅娮觽鬟f速率最大抑制率分別可達(dá)39.95%和44.08%，7 d后兩者最大抑制率分別高達(dá)59.48%和91.90%，而抗氧化酶系統(tǒng)在四環(huán)素下暴露4d和7d，其超氧化物歧化酶的活性分別下降30.36%～35.92%和 25.03%～35.51%［23］。 此外，四環(huán)素類抗生素可影響藻類生長和細(xì)胞膜的通透性。研究表明，96 h暴露后，強(qiáng)力霉素可導(dǎo)致淡水綠藻細(xì)胞膜通透性降低，金霉素和四環(huán)素在低濃度暴露下則導(dǎo)致淡水綠藻細(xì)胞膜通透性增大，但隨著金霉素和四環(huán)素作用濃度的升高，淡水綠藻細(xì)胞膜通透性反而轉(zhuǎn)為降低，這3種四環(huán)素類抗生素對(duì)淡水綠藻的生長抑制率大致為：強(qiáng)力霉素＞四環(huán)素＞金霉素。斜生柵藻對(duì)四環(huán)素類抗生素的毒性響應(yīng)較蛋白核小球藻更為敏感［24］。

2.3 對(duì)甲殼類動(dòng)物的毒性影響 四環(huán)素類抗生素能夠影響甲殼蟲類動(dòng)物的生長量及繁殖性能。Kim等［25］研究了四環(huán)素對(duì)大型溞多世代的存活率、繁殖數(shù)量及個(gè)體大小的影響，發(fā)現(xiàn)同一世代大型溞的種群數(shù)量增長率隨著四環(huán)素暴露濃度的升高而降低，在0.1 mg/L和5.0 mg/L四環(huán)素暴露下，大型溞種群數(shù)量增長率分別下降了30%和60%；在連續(xù)4個(gè)世代四環(huán)素暴露下，大型溞個(gè)體大小的變化趨勢(shì)與繁殖數(shù)量相反，在能量供應(yīng)量持續(xù)不變的情況下，大型溞個(gè)體大小隨世代的增加而不斷變大，而繁殖數(shù)量則隨世代的增加而減少，表明四環(huán)素縮短了大型溞世代繁殖的長度。一般來說，水生甲殼類動(dòng)物對(duì)抗生素的耐受性比藻類和細(xì)菌高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，在自然環(huán)境中，可通過評(píng)價(jià)抗生素對(duì)甲殼類動(dòng)物產(chǎn)生負(fù)面影響的程度，來預(yù)測該抗生素對(duì)水生態(tài)可能造成的破壞作用。

2.4 對(duì)水生動(dòng)物的毒性影響 四環(huán)素類抗生素對(duì)水生動(dòng)物具有發(fā)育毒性、生殖毒性、免疫毒性等。四環(huán)素類抗生素不僅能夠抑制水生動(dòng)物的β-半乳糖苷酶、乙氧基試鹵靈-O-去乙基酶、乙氧基異吩噁唑酮—脫乙基酶等多種酶的活性，而且還可能造成較嚴(yán)重的DNA損傷。研究表明，四環(huán)素對(duì)斑馬魚胚胎具有發(fā)育毒性，可以明顯抑制胚胎的生長發(fā)育，其對(duì)斑馬魚胚胎的毒性機(jī)制可能為：通過形成ROS對(duì)機(jī)體產(chǎn)生氧化損傷，氧化損傷進(jìn)一步導(dǎo)致幼魚產(chǎn)生細(xì)胞凋亡，進(jìn)而抑制斑馬魚胚胎的生長發(fā)育［26］。低濃度土霉素可對(duì)日本錦鯽產(chǎn)生氧化應(yīng)激，激活肝臟抗氧化防御系統(tǒng)，但在高濃度土霉素暴露下，日本錦鯽肝臟清除氧自由基的作用強(qiáng)度大于其氧化應(yīng)激毒性，從而使得魚體氧化應(yīng)激程度減輕［27］。

3 展望

從目前的研究成果來看，四環(huán)素類抗生素對(duì)水生生物普遍存在毒性作用，水體中四環(huán)素類抗生素濃度的不斷增加威脅著水環(huán)境的生態(tài)安全。當(dāng)前，畜牧養(yǎng)殖還不能脫離抗生素的使用，雖然我國尚未制定抗生素環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和排放標(biāo)準(zhǔn)，但在環(huán)境保護(hù)要求越來越高的形勢(shì)下，探明抗生素對(duì)水生生物的生態(tài)毒理效應(yīng)及毒理作用機(jī)制，以評(píng)估抗生素對(duì)生態(tài)環(huán)境的威脅，并最終控制環(huán)境中的抗生素變得越來越重要。目前，大部分抗生素的生態(tài)毒理研究集中在急性毒性試驗(yàn)和常規(guī)的生理生化檢測方面，而基因、代謝、蛋白層面的研究較少。在受試生物方面，抗生素對(duì)雙殼類底棲生物的研究也鮮有報(bào)道。該類生物廣泛分布于江河、湖泊、溝渠、池塘及河口的咸、淡水水域，營穴居生活，移動(dòng)性較差，對(duì)多數(shù)污染物具有耐受性，是一種非常理想的水體污染指示生物，因此，抗生素對(duì)雙殼類底棲生物的影響也應(yīng)給予重視。

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Current Situation of Water Pollution Caused by Tetracycline Antibiotics in Animal Manure and Its Ecotoxicological Effect

ZHANGXing-yan，CHENZhong-hua，GONGSheng，LANHai-en，DENGHai-ming，YANGKai，LUWen-xue
（Guangxi Institute of Animal Sciences，Nanning 530001，China）

Tetracycline antibiotics,belonging to broad-spectrum antibiotics,are commonly used in animal husbandry production in China.Due to their low absorptivity in gastrointestinal system,the residues of tetracycline antibiotics are relatively higher in animal manure.The great amount of tetracycline antibiotics is discharged into soil and waterways with animal manure,resulting in potential pollution risk for water environment.Here,we reviewed the current situation of water pollution caused by tetracycline antibiotics in animal manure and its ecotoxicological effect on aquatic organisms,so as to provide references for the control of water environment pollution caused by tetracycline antibiotics in China.

tetracycline；antibiotics；situation of water environment pollution；ecological toxicology；animal manure

X171.5；X592；X713

A文章順序編號(hào)：1672-5190（2016）05-0030-04

2016－04－29

張杏艷（1986—），女，碩士，主要從事畜牧業(yè)生態(tài)安全及環(huán)境質(zhì)量研究工作。

盧文學(xué)（1976—），男，工程師，主要從事畜禽良種繁育及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃工作。

楊楷（1981—），男，獸醫(yī)師，主要從事畜禽良種繁育及養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量研究工作。

（責(zé)任編輯：趙俊利）