畜禽糞污源抗生素及耐藥基因在環(huán)境中的歸趨

黃榮才, 高勝濤, 范士杰, 馬 露, 卜登攀,2,3*

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所, 動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院與世界農(nóng)用林業(yè)中心, 農(nóng)用林業(yè)與可持續(xù)畜牧業(yè)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100193;3.湖南畜產(chǎn)品質(zhì)量安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 長(zhǎng)沙 410128

我國(guó)是抗生素使用大國(guó)，每年都要使用大量的抗生素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)共使用了162 000 t 抗生素[1]。而動(dòng)物吸收降解抗生素的能力較差，大部分的抗生素都通過(guò)動(dòng)物糞尿排出體外，且以原型或有抗菌活性的代謝產(chǎn)物的形式存在于土壤、地表水甚至地下水中[2,3]。其被人體攝入或農(nóng)作物吸收后，可通過(guò)直接或間接的方式對(duì)人體健康造成危害[4,5]。

動(dòng)物糞便中還含有大量的不同種類(lèi)的耐藥基因[6～9]，這些耐藥基因隨著動(dòng)物糞便的施用而在環(huán)境中擴(kuò)散。此外，在土壤、水體等低濃度抗生素的選擇壓力下，耐藥基因水平轉(zhuǎn)移作用增強(qiáng)，從而增加了環(huán)境中耐藥細(xì)菌的豐度[10,11]。本文就動(dòng)物糞便中抗生素及耐藥基因在環(huán)境中的歸趨做一綜述，以期為研究畜禽糞污源抗生素及耐藥基因?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)及人類(lèi)健康的危害提供科學(xué)參考。

1 抗生素在畜牧業(yè)中的使用現(xiàn)狀

我國(guó)是畜牧業(yè)大國(guó)，每年都要使用大量抗生素。究其原因，一定程度上是由于我國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)水平較低，且管理水平和衛(wèi)生條件有限，養(yǎng)殖過(guò)程中畜禽時(shí)常發(fā)病，而在飼料中添加低劑量抗生素能有效降低動(dòng)物的發(fā)病率[12]；此外，許多抗生素具有提高日增重、飼料轉(zhuǎn)化效率等作用[13]；加之部分基層養(yǎng)殖戶(hù)和獸醫(yī)工作者專(zhuān)業(yè)知識(shí)欠缺，其在進(jìn)行動(dòng)物疾病防治時(shí)可能存在盲目使用抗生素的情況。Zhang等[1]統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)中國(guó)2013年共使用了92 700 t 36種常用抗生素，這些抗生素經(jīng)人體和動(dòng)物糞尿排出到環(huán)境中(約為54 000 t)，隨后經(jīng)過(guò)環(huán)境的一系列降解，仍有32 500 t抗生素殘留于環(huán)境中。由此可見(jiàn)，當(dāng)前面臨著非常嚴(yán)峻的抗生素污染問(wèn)題。

2 抗生素和耐藥基因在畜禽糞便中的分布

在畜牧業(yè)中，使用最多的是四環(huán)素類(lèi)、磺胺類(lèi)和喹諾酮類(lèi)抗生素。四環(huán)素類(lèi)抗生素包括四環(huán)素、土霉素、金霉素、甲烯土霉素、強(qiáng)力霉素及米諾環(huán)素等，其抗菌能力強(qiáng)，具有促生長(zhǎng)及提高飼料轉(zhuǎn)化率等作用，且是價(jià)格最為便宜的一類(lèi)抗生素，所以在畜牧業(yè)中常作為飼料添加劑而被大量使用[14]?；前奉?lèi)抗生素能殺滅大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌，其主要通過(guò)抑制二氫葉酸的合成來(lái)發(fā)揮抑菌作用。喹諾酮類(lèi)抗生素由人工合成，抗菌譜廣，能同時(shí)殺滅革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌，并且還具有一定的促生長(zhǎng)作用。表1統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)畜禽糞便中抗生素的殘留情況。從數(shù)據(jù)來(lái)看，畜禽糞便中普遍殘留有四環(huán)素類(lèi)(tetracyclines, TCs)、磺胺類(lèi)(sulfonamides, SAs)及喹諾酮類(lèi)(quinolones, QNs)抗生素，并且四環(huán)素類(lèi)抗生素的濃度較高。

同時(shí)，動(dòng)物糞便也是一個(gè)巨大的耐藥基因庫(kù)。He等[22]檢測(cè)了中國(guó)南方地區(qū)3個(gè)商業(yè)豬場(chǎng)豬糞中ARGs的含量，發(fā)現(xiàn)幾乎在所有的樣品中都檢測(cè)到了所研究的22種ARGs，并且豐度較高。其中，sul、cml以及MLSB類(lèi)耐藥基因的檢測(cè)率為100%。

表1 抗生素在畜禽糞便中的殘留情況Table 1 Residues of antibiotics in animal manures.

3 抗生素及耐藥基因在水體、土壤及植物中的分布

3.1 抗生素及耐藥基因在水體中的分布

經(jīng)過(guò)處理或未經(jīng)處理的養(yǎng)殖污水是河流受抗生素及耐藥基因污染的重要源頭。廣東是養(yǎng)殖大省，2017年生豬出欄量為3 712萬(wàn)頭[23]，其面臨的畜禽糞污污染相當(dāng)嚴(yán)峻。Xu等[24]檢測(cè)了珠江漲水季和退水季常用的獸藥抗生素的含量，包括氧氟沙星、諾氟沙星、阿莫西林等9種抗生素，除阿莫西林外，其他8種抗生素均被檢出，漲水季的濃度為11～67 ng/L，退水季的濃度達(dá)到了66～460 ng/L。還有研究檢測(cè)了江蘇省北部、中部及南部地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)流出的污水及靠近養(yǎng)殖場(chǎng)附近的河流水中10種抗生素的含量，結(jié)果顯示養(yǎng)殖場(chǎng)流出的污水和附近的河流水中均能檢測(cè)到除強(qiáng)力霉素外的9種抗生素，最高濃度范圍分別為0.44～169 μg/L和0.46～4.66 μg/L[25]。此外，在黃河及其支流中也檢測(cè)到了獸藥抗生素的存在，如氧氟沙星、諾氟沙星、羅紅霉素、紅霉素及磺胺甲惡唑在黃河水中的平均濃度為25～152 ng/L，在黃河某些支流的濃度達(dá)到了44～240 ng/L[26]。除了在江河水中檢測(cè)到抗生素，湖泊水中也檢測(cè)到了抗生素的殘留。Li等[27]從白洋淀湖水中檢測(cè)到氧氟沙星、恩諾沙星等17種抗生素。此外，在用動(dòng)物糞便當(dāng)有機(jī)肥種植有機(jī)蔬菜的大棚的地下水中也檢測(cè)到了抗生素[5]。從中國(guó)南方到北方的河流、湖泊甚至地下水中都檢測(cè)到抗生素的存在，由此可見(jiàn)我國(guó)水體受抗生素污染的情況相當(dāng)嚴(yán)峻。

除抗生素外，河流中還檢測(cè)到大量的耐藥基因。如天津海河中磺胺類(lèi)耐藥基因(sul1和sul2)的檢出率為100%，且其豐度較高[10]；珠江水體中存在tetA和tetB2種四環(huán)素類(lèi)耐藥基因，其檢出率為分別為43%和40%[28]。Jiang等[29]檢測(cè)了上海黃浦江和上海飲用水水庫(kù)中的耐藥基因，結(jié)果檢測(cè)到了2種磺胺類(lèi)耐藥基因、9種四環(huán)素類(lèi)耐藥基因和1種β-內(nèi)酰胺類(lèi)耐藥基因。這些被耐藥細(xì)菌污染的水體對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)是一種潛在的威脅，直接飲用可能會(huì)對(duì)人體健康造成危害。

3.2 抗生素及耐藥基因在土壤中的分布

養(yǎng)殖場(chǎng)周邊或在用畜禽糞便施肥后的土壤中一般都能檢測(cè)到較高濃度的抗生素。Ji等[8]研究了上海豬場(chǎng)、牛場(chǎng)及雞場(chǎng)附近農(nóng)田土壤中抗生素的含量，發(fā)現(xiàn)四環(huán)素和土霉素的濃度為1.87～4.24 mg/kg DM，磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶和磺胺甲惡唑的濃度為1.29～2.45 mg/kg DM。Hu等[5]調(diào)查了天津4個(gè)不同地區(qū)用鴨糞和豬糞當(dāng)有機(jī)肥種植有機(jī)蔬菜的土壤中抗生素的含量，發(fā)現(xiàn)在冬季土壤中檢測(cè)到了所研究的11種抗生素(包括四環(huán)素類(lèi)、磺胺類(lèi)及喹諾酮類(lèi)等)，其中土霉素含量最高，達(dá)到了2.68 mg/kg DM；而在夏季土壤中檢測(cè)到6種抗生素，其中四環(huán)素含量最高，達(dá)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]調(diào)查了黃河、海河和遼河底泥中17種抗生素的含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)諾氟沙星、恩諾沙星、環(huán)丙沙星和土霉素是檢出率較高的幾種抗生素，其含量分別達(dá)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，有些微生物基因組中攜帶耐藥基因[31]。在低濃度抗生素的作用下，這些存在于微生物基因組中的耐藥基因被激活而表達(dá)，并且會(huì)轉(zhuǎn)移到質(zhì)粒中[32,33]。Gillings和Stokes[34]指出抗生素會(huì)增加耐藥基因水平轉(zhuǎn)移的頻率，這可使土壤中不攜帶耐藥基因的微生物獲得耐藥基因，甚至出現(xiàn)多重耐藥細(xì)菌。并且動(dòng)物糞便中的重金屬(如銅、鋅及鉻等)也會(huì)促進(jìn)耐藥基因水平轉(zhuǎn)移[8]。動(dòng)物糞便作為有機(jī)肥施用于農(nóng)業(yè)土壤后，其攜帶的耐藥基因會(huì)水平轉(zhuǎn)移給土壤微生物，從而顯著增加了土壤中耐藥細(xì)菌的數(shù)量[35]。

3.3 抗生素及耐藥基因在植物組織中的分布

植物能從施用動(dòng)物糞便的土壤中吸收抗生素。Hu等[5]檢測(cè)了天津4個(gè)不同地區(qū)4個(gè)大棚中用鴨糞和豬糞當(dāng)有機(jī)肥種植的蘿卜、油菜、芹菜和香菜中11種抗生素的含量，結(jié)果在蘿卜中檢測(cè)出10種抗生素(0.1～57 μg/kg DM)，在油菜中檢測(cè)出8種抗生素(0.1～187 μg/kg DM)，在芹菜中檢測(cè)出7種抗生素(0.1～20 μg/kg DM)，在香菜中檢測(cè)出7種抗生素(0.1～532 μg/kg DM)。除常見(jiàn)的蔬菜外，用動(dòng)物糞便施肥后的牧草、玉米、小麥及花生中也能檢測(cè)到抗生素的存在[36,37]。

土壤中的微生物也能轉(zhuǎn)移到植物中，這些轉(zhuǎn)移到植物中的微生物在一定階段或全部階段生活在健康植物的各種組織、器官的細(xì)胞間隙或細(xì)胞內(nèi)，其被稱(chēng)為植物內(nèi)生菌[38,39]。土壤中很多微生物都攜帶耐藥基因，這些攜帶耐藥基因的微生物轉(zhuǎn)移到植物組織后，會(huì)使植物間接地?cái)y帶上耐藥基因。Yang等[40]發(fā)現(xiàn)用雞糞種植的芹菜、小白菜和黃瓜內(nèi)生菌普遍存在抗生素抗性，并且對(duì)頭孢氨芐的耐藥率最高。Marti等[41]檢測(cè)了用牛糞和豬糞種植的西紅柿、黃瓜、辣椒、蘿卜、胡蘿卜及生菜內(nèi)生菌攜帶耐藥基因的情況，與未施加動(dòng)物糞便的對(duì)照組相比，施用動(dòng)物糞便的處理組能檢測(cè)出更多種類(lèi)的耐藥基因。西紅柿、黃瓜、蘿卜、胡蘿卜及生菜等都是可以生吃的蔬菜，生吃這些攜帶耐藥細(xì)菌的蔬菜對(duì)人類(lèi)健康可能存在潛在威脅。

4 抗生素及耐藥基因的危害

殘留于環(huán)境中的抗生素會(huì)破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡，并且可以通過(guò)飲水或食物鏈傳遞給人類(lèi)。已有研究表明，土壤中的抗生素會(huì)擾亂土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，抑制土壤中酶的活性，進(jìn)而改變土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，此外，有些抗生素具有植物毒性[42]?？股剡€會(huì)引起人體胃腸功能紊亂、皮疹、口腔潰瘍等，如氨基糖苷類(lèi)抗生素具有腎毒性，四環(huán)素類(lèi)抗生素會(huì)引起四環(huán)素變色牙，氟喹諾酮類(lèi)抗生素會(huì)引起線粒體損傷[43,44]。雖然，口服抗生素可顯著改變小鼠及人腸道菌群群落[45～47]，然而，腸道微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收、免疫調(diào)節(jié)、機(jī)體穩(wěn)態(tài)及防止病原體入侵等發(fā)揮著重要作用，腸道微生物的改變可能會(huì)引起多種疾病[48～51]。如人體肥胖與腸道菌群息息相關(guān)，腸道菌群的改變可能會(huì)引起肥胖癥。Stark等[52]對(duì)333 353位兒童分析發(fā)現(xiàn)幼兒攝入抗生素與肥胖存在關(guān)聯(lián)。

耐藥基因的危害主要表現(xiàn)為細(xì)菌對(duì)抗生素產(chǎn)生抗性，從而使抗生素失效或效果降低。目前因耐藥細(xì)菌引起的感染在全球范圍內(nèi)較為普遍[53,54]。美國(guó)新興感染網(wǎng)絡(luò)(Emerging Infection Network)對(duì)傳染病專(zhuān)家調(diào)查顯示，超過(guò)60%的參與者表示在上一年看到了泛耐藥性、不可治愈的細(xì)菌感染[55]。世界衛(wèi)生組織在2014年警告細(xì)菌的抗生素抗性已經(jīng)成為一場(chǎng)可怕的危機(jī)[56]。

5 展望

糞污是巨大的抗生素和耐藥基因庫(kù)，這些殘留在糞污中的抗生素和耐藥基因能通過(guò)糞污在環(huán)境中擴(kuò)散，導(dǎo)致土壤、植物、江河、湖泊甚至地下水受到污染，最終威脅人類(lèi)健康及生態(tài)系統(tǒng)平衡。降低糞污中抗生素及耐藥基因的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)抗生素替代產(chǎn)品。現(xiàn)已有研究表明益生菌(LactobacillusgasseriLA39和Lactobacillusfrumenti)和生物堿(血根堿)等具有替代抗生素的潛力[57,58]。未來(lái)將利用宏基因組學(xué)技術(shù)、菌糞移植及生物信息學(xué)等手段進(jìn)一步挖掘抗生素替代物，并解析其作用機(jī)制。