氟喹諾酮類抗生素在我國農(nóng)田土壤中殘留及其風(fēng)險研究進展

藍(lán)賢瑾，劉益仁，呂真真，侯紅乾，冀建華，王聯(lián)紅，劉秀梅*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200；2.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200；3.污染控制與資源化研究國家重點實驗室/南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210023)

我國作為抗生素第一生產(chǎn)大國和第二消費大國，由于人用及獸用抗生素的不合理使用甚至濫用，造成了大量抗生素被排泄進入環(huán)境中[1]。而進入環(huán)境中的抗生素一方面會在環(huán)境基質(zhì)中吸附累積，破壞土著微生物群落，誘導(dǎo)產(chǎn)生抗性細(xì)菌和抗性基因[2-3]；另一方面，環(huán)境中的抗生素也會通過食物鏈傳遞產(chǎn)生生物富集效應(yīng)，進而對人類乃至整個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生威脅[4-6]。

氟喹諾酮類抗生素(Fluoroquinolone antibiotics,FQs)作為第三代人工合成的喹諾酮類抗菌藥，主要通過作用于DNA回旋酶、干擾細(xì)菌細(xì)胞的DNA復(fù)制而呈現(xiàn)殺菌作用，是一類人畜通用的抗菌藥，具有廣譜、高效、低毒、與其他抗菌藥物無交叉耐藥性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)。僅2013年，全國FQs的使用量就達(dá)到了27300 t，超過了該年四環(huán)素類和磺胺類抗生素用量的總和[1]。目前，國內(nèi)學(xué)者已對四環(huán)素類和磺胺類抗生素在土壤環(huán)境中的殘留分布、降解、歸趨以及環(huán)境風(fēng)險等做了大量的研究[7-11]，但相對而言，對氟喹諾酮類抗生素研究工作的重視程度還不及前兩類；此外，由于FQs獨特的抗菌機理，其在環(huán)境中的諸多行為很可能也會與其他類型抗生素不相同。本文通過對我國農(nóng)田土壤中FQs的檢測方法、污染現(xiàn)狀、輸入途徑以及主要生態(tài)風(fēng)險進行綜述分析，并作簡單展望，以期為全面評價我國農(nóng)田土壤中FQs污染現(xiàn)狀及生態(tài)風(fēng)險提供依據(jù)，進而為科學(xué)管控土壤抗生素污染提供理論支持。

1 檢測方法及污染現(xiàn)狀

1.1 檢測方法

按照不同的檢測目的，F(xiàn)Qs的檢測方法可分為定性分析法和定量分析法兩類，前者主要包括酶聯(lián)免疫吸附法[12-13]、熒光偏振免疫分析法[14-15]、微生物抑制分析法[16]、電化學(xué)分析法[17]、傳感分析法[18]等，這些方法具有操作簡單、靈敏度高、成本低等優(yōu)點，但精確性和重現(xiàn)性較差，主要用于農(nóng)產(chǎn)品及食品中FQs的快速篩查，目前鮮有在土壤及復(fù)雜基質(zhì)中應(yīng)用的相關(guān)報道。

FQs的定量分析方法主要有毛細(xì)管電泳法[19]、薄層色譜法[20]、液相色譜法[21-22]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[23-26]等，其中液相色譜法和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法被廣泛用于檢測土壤中FQs，且國內(nèi)學(xué)者們已開發(fā)出一系列包括前處理技術(shù)在內(nèi)的、可同時測定多種多類抗生素的分析方法，如陳磊等[26]報道了一種基于分相固相萃取技術(shù)(QuEChERS)結(jié)合超高液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用同時測定土壤中的19種喹諾酮類抗生素的方法；郭欣妍等[24]通過超聲提取-固相萃取并結(jié)合超高液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，建立了可同時測定土壤中包括喹諾酮類、磺胺類、四環(huán)素、大環(huán)內(nèi)脂類抗生素類等25種抗生素的分析方法。這些分析方法的建立，為分析農(nóng)田土壤抗生素殘留奠定了基礎(chǔ)[25-58]。

1.2 污染現(xiàn)狀

從表1可以看出，我國農(nóng)田土壤中FQs總量范圍介于ND～1527.4 μg/kg，平均值介于0～195.3 μg/kg。就具體的FQs而言，恩諾沙星、諾氟沙星和環(huán)丙沙星的檢出率及殘留濃度最高，這3種抗生素在我國農(nóng)田土壤中殘留的濃度范圍分別是0～1347.6、0～1998.2、0～1030 μg/kg，殘留濃度的均值分別介于0～99.4、0～141.73、0～126.25 μg/kg，其最高值接近或者高于獸藥國際協(xié)調(diào)委員會提出的生態(tài)毒害效應(yīng)觸發(fā)值(100 μg/kg)。同時，我國農(nóng)田土壤中的殘留濃度也比其他國家農(nóng)田土壤要高，如瑞士土壤中諾氟沙星和環(huán)丙沙星殘留濃度范圍為270～320 μg/kg和270～400 μg/kg[59]，而澳大利亞農(nóng)田土壤中恩諾沙星和環(huán)丙沙星殘留濃度的最大值分別為370 μg/kg和450 μg/kg[60]。

從檢出率來看，我國的華南、西南地區(qū)農(nóng)田土壤中FQs的檢出率最高，其次是華北和華東地區(qū)。Zhang等[1]報道了2013年我國華東、華北、華南、東北和西南地區(qū)FQs的使用量分別為7290、6700、1970、1140、3850 t，可以看出我國農(nóng)田土壤中FQs檢出率和殘留的地區(qū)分布特征基本與其使用量分布相吻合。從土地利用類型來看，我國農(nóng)田土FQs總量較高的報道數(shù)據(jù)主要來源于菜地土壤，如北京市郊和山東某地的設(shè)施蔬菜基地土壤[31,37-38]、長三角地區(qū)的菜地土壤[10,42,45]、福建沿海地區(qū)的菜地土壤[48-49]、珠三角地區(qū)的菜地土壤等[51,53,55,56]，這些沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的菜地主要是高投入高產(chǎn)出的集約化種植模式，在蔬菜的種植過程中往往會投入較多的糞肥等其他有機肥[30,41]。

表1 我國農(nóng)田土壤中氟喹諾酮類抗生素的檢出率及含量范圍

續(xù)表1:

2 輸入途徑

外源FQs進入農(nóng)田土壤的途徑主要有以下2類：(1)施肥，包括直接施用畜禽糞便，施用以畜禽糞便為原料堆制成的有機肥，施用以畜禽糞便為原料進行發(fā)酵后產(chǎn)生的沼渣或沼液，以及施用城市污水廠剩余污泥或以剩余污泥為原料堆制成的有機肥等。(2)灌溉，包括灌溉畜禽養(yǎng)殖場廢水和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水，灌溉生活污水或其他污水、受抗生素污染的地表水或地下水等。此外，未使用或過期的、生產(chǎn)和運輸過程中殘留的抗生素藥物在農(nóng)田中填埋處理，以及噴灑抗生素防治水果、蔬菜和觀賞性植物細(xì)菌性病害也可能導(dǎo)致外源FQs進入農(nóng)田土壤[61]。

2.1 施肥

畜禽糞便作為農(nóng)家肥使用在我國已有悠久的歷史，而已有不少研究報道揭示我國各地養(yǎng)殖場的畜禽糞便中普遍存在抗生素殘留[31,62-64]。Zhao等[63]對采自我國多省市共計143個畜禽糞便樣品中的3類19種常用抗生素進行檢測，發(fā)現(xiàn)約有80%的畜禽糞便樣品中至少同時檢出2種FQs，且其殘留濃度也很高，如雞糞中諾氟沙星、環(huán)丙沙星、恩諾沙星的最大殘留濃度分別高達(dá)225.45、45.59、1420.76 mg/kg。畜禽糞便經(jīng)過高溫堆肥制成商品有機肥后，其殘留的各類抗生素雖有不同程度地降解[65-66]，但商品有機肥尤其是以畜禽糞便為主要原料制成的有機肥中抗生素的殘留情況仍不容樂觀[67-69]。葛峰等[68]報道了8種南京市售商品有機肥中諾氟沙星、環(huán)丙沙星、恩諾沙星和氧氟沙星的最大殘留量分別為111.9、141.0、225.5和360.6 μg/kg。這些含有抗生素的畜禽糞便或以畜禽糞便為主要原料制成的商品有機肥被大量施用至農(nóng)田后，導(dǎo)致土壤抗生素污染，而基于不同施肥方式的對比試驗也已經(jīng)證實了這一點，說明施用糞肥或施用以畜禽糞便為主要原料制成的商品有機肥是外源FQs進入農(nóng)田土壤的主要途徑[42,44,70]。

而隨著近些年沼氣工程在我國集約化養(yǎng)殖場的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，越來越多的畜禽糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵形成沼渣和沼液，但由于抗生素本身的抑菌性和殺菌效果，厭氧消化等常規(guī)生物技術(shù)并不能將糞便中的抗生素徹底去除[71-72]。衛(wèi)丹等[71]調(diào)查了浙江嘉興10家大型規(guī)模化養(yǎng)豬場的沼液水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)10種抗生素在不同季節(jié)的沼液中均有檢出，且抗生素的總濃度范圍為10.1～1090 μg/kg。畜禽糞便經(jīng)厭氧發(fā)酵后形成的沼渣和沼液，由于含有大量N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，也常常用作固體或液體肥料施用至農(nóng)田，如鮑陳燕等[70]發(fā)現(xiàn)施用沼渣和化肥的菜地，其土壤中抗生素的檢出率和殘留濃度要比單施化肥的菜地土壤要高，說明沼渣或沼液的施用也會造成農(nóng)田土壤抗生素污染。

城鎮(zhèn)污水處理廠是人用抗生素排泄后的主要匯集單元，其活性污泥中含有一定量的抗生素[73-74]，而剩余污泥未經(jīng)深度處理直接回田或經(jīng)簡單堆肥處理后作為有機肥施用至園林綠地或農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)田土壤抗生素污染[75-76]，但到目前為止鮮見有關(guān)我國農(nóng)田施用城鎮(zhèn)污水處理廠污泥或污泥堆肥后導(dǎo)致土壤中FQs殘留的相關(guān)報道。

2.2 灌溉

已有不少的研究揭示我國畜禽養(yǎng)殖場廢水和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中也含有各類抗生素[77-79]。當(dāng)畜禽養(yǎng)殖場廢水灌溉至附近農(nóng)田，也會造成農(nóng)田土壤抗生素污染，如Li等[80]報道了北京市郊養(yǎng)豬場附近受養(yǎng)殖場廢水污灌的農(nóng)田土壤中FQs有不同程度地檢出，而貴州貴陽地區(qū)養(yǎng)殖場附近污灌農(nóng)田土壤中抗生素檢出率和殘留濃度明顯比未污灌土壤高[58]。此外，Liu等[79]綜述了我國水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中抗生素的使用及殘留情況，發(fā)現(xiàn)我國高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中使用的抗生素達(dá)20種之多，這也導(dǎo)致了水產(chǎn)養(yǎng)殖水體或廢水中不可避免地出現(xiàn)抗生素殘留，如Pan等[81]報道了廣東東莞和深圳市郊菜地土壤和灌溉水(主要是水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水)中同時檢出多種抗生素；南京江寧某典型規(guī)模魚塘的水體、周邊土壤及蔬菜等基質(zhì)中也均檢出諾氟沙星、恩諾沙星和氧氟沙星[43]，說明農(nóng)田土壤灌溉存在抗生素污染的水產(chǎn)養(yǎng)殖水體或廢水后，也會造成土壤抗生素殘留。

生活污水或受抗生素污染的地表水污灌至農(nóng)田土壤后，也會導(dǎo)致外源氟喹諾酮類抗生素進入農(nóng)田土壤，從而造成農(nóng)田土壤抗生素污染[23,32,81-82]，如北京豐臺地區(qū)污灌區(qū)農(nóng)田土壤抗生素殘留濃度(43.32～479.55 μg/kg)也比非污灌區(qū)土壤(23.65～39.03 μg/kg)明顯要高[32]，說明污灌也是外源氟喹諾酮類抗生素進入農(nóng)田土壤環(huán)境的途徑之一。

3 環(huán)境風(fēng)險

3.1 影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全

抗生素由以上各種途徑進入農(nóng)田土壤后雖然可被土壤有機質(zhì)或礦物吸附固定或被某些特異性微生物降解，但仍有部分抗生素能被植物吸收并富集。已有的一些研究已證明，某些種植于存在抗生素殘留土壤的農(nóng)作物可能產(chǎn)生抗生素富集[5,61]，并通過食物鏈最終對人體健康產(chǎn)生威脅[6]。而農(nóng)作物對的抗生素富集與抗生素種類、農(nóng)作物品種、農(nóng)作物器官以及土壤性質(zhì)有關(guān)[45.83-85]在廣州超市蔬菜和東莞蔬菜種植基地蔬菜中普遍檢出FQs，如諾氟沙星和環(huán)丙沙星在廣州超市蔬菜樣品中的檢出率均在80%以上，最高含量大于100 μg/kg(干重)，且抗生素在蔬菜的富集差異表現(xiàn)為：瓜果類>根莖類>葉菜類。無獨有偶，鄒慧云等[85]最近發(fā)現(xiàn)山東某集約化蔬菜種植區(qū)的蔬菜中FQs殘留也較為嚴(yán)重，其檢出率高達(dá)100%，平均含量也高達(dá)161.07 μg/kg，并認(rèn)為該基地的菠菜和香菜中的抗生素暴露對兒童存在潛在的健康風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

3.2 誘導(dǎo)抗性基因

殘留于土壤中的抗生素能選擇性地促進土壤中某些微生物的新陳代謝，進而使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性或誘導(dǎo)抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes，ARGs)[4]。土壤環(huán)境中的抗生素殘留濃度雖然較低，但由于其在土壤中能長期穩(wěn)定存在，且往往是多種或多類抗生素共同存在，為誘導(dǎo)產(chǎn)生多種抗性基因創(chuàng)造了有利條件。國內(nèi)外已有不少研究[11,86-87]證實畜禽糞便施用至農(nóng)田后，其殘留抗生素能誘導(dǎo)產(chǎn)生抗性基因，如Rahman等[11]通過對我國不同地區(qū)的6個長期肥料定位實驗研究發(fā)現(xiàn)，長期施用豬糞顯著提高了土壤中ARGs如sulI、sulII、tetO和tetQ的相對豐度。

3.3 影響土壤微生物生態(tài)

由于抗生素本身的抑菌性，當(dāng)其進入土壤后能抑制甚至殺死土壤環(huán)境中某些不具備抗藥性或耐藥性的菌株，并選擇性地使那些具備耐藥性的優(yōu)勢菌大量繁殖，改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[2-3]，如Chen等[87]通過高通量測序證實長期施用豬糞影響玉米根際土壤的細(xì)菌組成，并顯著降低細(xì)菌群落的Alpha多樣性?？股貧埩魧ν寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)的改變，可能影響微生物參與的碳氮循環(huán)和其他重要生物地球化學(xué)過程，最終破壞生態(tài)平衡[4]。

4 研究展望

(1)環(huán)境管理方面。抗生素的不合理使用甚至濫用問題在我國依然嚴(yán)重，所以首先應(yīng)采取源頭控制措施。一方面，可以學(xué)習(xí)西方國家的管理經(jīng)驗，通過制定和實施法規(guī)和規(guī)范，加強對抗生素生產(chǎn)、流通和使用過程的管理，規(guī)范醫(yī)用以及獸用抗生素的使用；另一方面，積極推廣對環(huán)境影響甚小的抗生素替代品，如細(xì)菌素等，達(dá)到從源頭消減的目的。此外，由于施用畜禽糞便是獸用抗生素進入土壤環(huán)境的最主要途徑之一，所以有必要加強對糞肥利用的管控，減少糞肥的直接回田農(nóng)用，提倡堆肥及其他無害化處理技術(shù)，盡量減少畜禽糞便對農(nóng)田抗生素的輸入。

(2)科學(xué)研究方面。目前有關(guān)我國農(nóng)田土壤中FQs殘留的調(diào)查研究主要集中于東部沿海地區(qū)，關(guān)注的土地利用類型也主要以養(yǎng)殖場附近區(qū)域農(nóng)田或施用畜禽糞肥的菜地土壤為主，未來應(yīng)加強對我國中西部地區(qū)和不同流域農(nóng)田土壤，以及不同土地利用類型的土壤中抗生素殘留的調(diào)查研究。同時也應(yīng)深入研究抗生素與畜禽糞便其他污染物如與重金屬的復(fù)合污染和聯(lián)合毒理效應(yīng),抗生素對土壤微生物群落與植物之間的相互作用,抗生素及抗生素抗性基因在“土壤-作物-人體”、“土壤-地表水/地下水”間遷移機理等，為全面評價外源抗生素進入土壤環(huán)境后的生態(tài)風(fēng)險提供理論支持，進而為科學(xué)管控農(nóng)田土壤抗生素污染提供決策依據(jù)。