抗生素賦存、來源及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展

陳宇，許亞南，龐燕

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院 2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 3.江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心

自1928年弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素以來，抗生素逐漸應(yīng)用到人類的生產(chǎn)生活當(dāng)中，其不僅有效地預(yù)防、治療了人類和動(dòng)物的傳染性疾病，而且促進(jìn)了農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展[1]。但大量的殘余抗生素隨市政污水排放、地表沖刷及滲濾等方式進(jìn)入人類賴以生存的環(huán)境之中，給人類的生產(chǎn)和生活帶來潛在威脅。即使是低劑量的抗生素長期存在于環(huán)境中，也可能會(huì)通過改變酶的活性、代謝碳源的方式誘導(dǎo)微生物產(chǎn)生抗性基因[2-5]。另外，抗生素能夠隨著食物鏈或食物網(wǎng)向頂端動(dòng)植物富集，對(duì)人體健康造成危害[6-8]。已有研究表明，克羅地亞某制藥企業(yè)排放廢水中的阿奇霉素最高濃度為11 mg/L[9]；中國渤海河口表層沉積物中土霉素的最高濃度為4 695 ng/g[10]；Liu等[11]對(duì)中國水產(chǎn)品中抗生素殘留進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)抗生素的檢出濃度已超標(biāo)。

隨著全球各地水環(huán)境中抗生素檢出數(shù)據(jù)的增加，人們開始意識(shí)到抗生素的危害。2015年，世界衛(wèi)生組織(WHO)宣布了一項(xiàng)全球抗微生物藥物行動(dòng)計(jì)劃[12]；同年，中華人民共和國農(nóng)業(yè)部公告第2292號(hào)宣布禁止在食用動(dòng)物中使用洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星、諾氟沙星4種獸藥。目前，抗生素已經(jīng)成為備受關(guān)注的新興污染物(ECs)之一，為了更好地控制和預(yù)防抗生素污染，許多學(xué)者積極開展調(diào)查和試驗(yàn)研究[13-15]。筆者概述了抗生素的使用狀況及在地表水中的污染現(xiàn)狀，對(duì)環(huán)境中單個(gè)抗生素的主要來源進(jìn)行分析，并總結(jié)了水體、沉積物中抗生素及混合抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以期為今后抗生素的環(huán)境行為研究及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供借鑒。

1 抗生素使用及污染現(xiàn)狀

1.1 使用現(xiàn)狀

中國是抗生素的生產(chǎn)和使用大國，2013年抗生素的總產(chǎn)量約248 000 t，總使用量約162 000 t[16](表1)，其中獸用量占比為52%，人用量占比為48%。每年有超過3 000 t的恩諾沙星被用于生豬養(yǎng)殖，有1 000 t以上的磺胺喹啉被投入雞類養(yǎng)殖[17]。2013年中國人均抗生素消費(fèi)量已達(dá)到發(fā)達(dá)國家同期的5～8倍。據(jù)van Boeckel等[4]估計(jì)，2010—2030年全球抗生素的消費(fèi)量將增長67%?？股厥褂昧垦杆僭鲩L的主要原因：一方面與國家有關(guān)部門對(duì)抗生素類藥物使用的監(jiān)管力度不足有關(guān)；另一方面也與居民對(duì)抗生素的濫用及醫(yī)療機(jī)構(gòu)的不良用藥習(xí)慣有關(guān)。

表1 中國和其他國家/地區(qū)抗生素的使用量[17]Table 1 Use of antibiotics in China and other countries/regions

1.2 污染現(xiàn)狀

目前，針對(duì)水體、沉積物中抗生素污染情況的調(diào)查顯示，被檢出的抗生素主要種類為喹諾酮類、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類及四環(huán)素類。一般而言，抗生素在自然水體的表層水中檢出濃度為ng/L～μg/L量級(jí)，在污泥、沉積物及土壤中檢出濃度為μg/kg～mg/kg量級(jí)[18]。據(jù)報(bào)道[19]，中國水體環(huán)境中的抗生素濃度與國外河流中的抗生素濃度相當(dāng)或更高。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所2015年發(fā)布的《首份中國抗生素使用量和排放量清單》顯示，中國河流中抗生素平均濃度為303 ng/L，同比美國為120 ng/L，德國為20 ng/L，意大利為9 ng/L[17]。國內(nèi)外地表水中抗生素檢出濃度如表2所示。由表2可知，中國河流、湖泊中抗生素的檢出種類較國外更多，污染情況更為復(fù)雜。另外，中國內(nèi)陸與沿海水體中抗生素的主要污染物種類存在一定的差異性：內(nèi)陸湖泊河流以磺胺類為主，如太湖[20]、巢湖[21]、黃浦江[22]；沿海地區(qū)則以喹諾酮類為主[23]，如珠江口[24]、渤海灣[25]及香港主要河流[26]。造成這種分布特征的原因可能是區(qū)域經(jīng)濟(jì)，環(huán)境條件(生產(chǎn)活動(dòng)、氣候、水文、生物活性等)，抗生素自身的吸附性、結(jié)構(gòu)及溶解性等?；前奉悺⑧Z酮類均是被廣泛使用的獸藥，磺胺類因其較高的穩(wěn)定性和較弱的吸附性，往往比其他抗生素更易在水體中長期賦存。在水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)，喹諾酮類抗生素的抗水解性使其在檢出中占比較大[27]。

表2 國內(nèi)外地表水體中抗生素檢出濃度Table 2 Antibiotic concentrations detected in groundwater at home and abroad ng/L

2 抗生素污染來源

目前,環(huán)境中抗生素的主要來源為城市污水處理廠出水、醫(yī)療廢水、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水[39]。如Evgenidou等[40]發(fā)現(xiàn)多座污水處理廠排放的廢水中羅紅霉素的檢出率為100%；Rowe等[41]在調(diào)查英國劍橋大學(xué)醫(yī)院出水時(shí)，發(fā)現(xiàn)了較高濃度的抗生素抗性基因。

2.1 污水處理廠出水

污水處理廠出水中最常檢測到的抗生素包括被廣泛用于傳染病治療、水產(chǎn)養(yǎng)殖及畜牧養(yǎng)殖的磺胺類、喹諾酮類及大環(huán)內(nèi)酯類[41-42]。國內(nèi)外污水處理廠進(jìn)、出水抗生素檢出濃度如表3所示。由表3可知，污水處理廠出水中最為常見的抗生素是氧氟沙星，其在國內(nèi)外污水處理廠的進(jìn)、出水中均存在較高檢出濃度，這可能與其應(yīng)用廣泛性、難降解性及疏水性相關(guān)[25]。污水處理廠的處理工藝往往針對(duì)生化需氧量(BOD)、營養(yǎng)物質(zhì)及微生物[43]等方面，較少關(guān)注抗生素的去除效果。因此，一旦污水處理廠出水或污泥含有較高濃度抗生素或處置不當(dāng)，就可能對(duì)周圍水體及土壤造成污染。已有研究表明，巢湖[21]、長江[28]因接收污水處理廠出水，水體中抗生素、抗性基因濃度呈增加趨勢。在污水處理的過程中甚至存在抗生素濃度增加的可能，如Dinh等[44]研究發(fā)現(xiàn)，磺胺甲唑、紅霉素和甲氧芐啶分子經(jīng)污水廠處理后發(fā)生去共軛作用而使其濃度升高。為提高抗生素的去除率，不同抗生素分子在污水處理過程中的生化反應(yīng)過程還需要進(jìn)一步深入地研究。另外，建議相關(guān)部門盡早將抗生素納入污水處理廠去除目標(biāo)。

表3 國內(nèi)外污水處理廠進(jìn)、出水抗生素檢出濃度Table 3 The concentrations of antibiotics in the inlet and outlet of sewage plants at home and abroad ng/L

2.2 醫(yī)療廢水

醫(yī)療廢水中的抗生素往往具有較高的濃度及較集中的檢出種類(表4)，如制藥企業(yè)排放的廢水，其單一抗生素的濃度可達(dá)mg/L量級(jí)[54]。雖然用藥習(xí)慣及出水處理要求存在一定的差異，但磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類及喹諾酮類始終是國內(nèi)外醫(yī)療廢水中的主要檢出種類。高濃度的醫(yī)療廢水若未經(jīng)處理直接排入市政污水管網(wǎng)，將導(dǎo)致污水處理廠的抗生素負(fù)荷急劇增加，出水濃度勢必受到影響。一些調(diào)查發(fā)現(xiàn)醫(yī)療廢水是城市污水處理廠中抗生素的主要來源[43-44]，但也有學(xué)者持相反意見，認(rèn)為醫(yī)療廢水的藥物負(fù)荷與居民生活污水相比仍處于較低水平。如Binh等[55]研究發(fā)現(xiàn)，越南制藥企業(yè)排放的抗生素殘留物水平與其他來源(如水產(chǎn)養(yǎng)殖或畜牧業(yè))相當(dāng)；Azuma等[56]估算的日本醫(yī)院污水抗生素負(fù)荷對(duì)污水處理廠的貢獻(xiàn)僅為0.1%～5.1%，而低劑量多源頭的居民生活污水才是污水處理廠抗生素的重要來源。雖然不同區(qū)域醫(yī)療廢水的抗生素負(fù)荷占比存在差異，但醫(yī)院作為藥物的集中使用區(qū)域，若采取污水預(yù)處理、過期藥品回收、難降解藥物替代等措施以減少抗生素的排放，會(huì)明顯改善污水處理廠的出水水質(zhì)[45]。

表4 國內(nèi)外醫(yī)院污水中抗生素檢出濃度Table 4 The concentrations of antibiotics in hospital sewage at home and abroad ng/L

2.3 水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜禽養(yǎng)殖廢水

我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)常大面積或大劑量投加抗生素以預(yù)防或治療疾病[27]，這種用藥方式不僅造成了藥劑的浪費(fèi)，還大幅增加了環(huán)境中抗生素的暴露劑量。進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)的抗生素，大部分通過糞便或尿液以原藥或代謝產(chǎn)物的形式排泄到體外[62]。大量未被利用的抗生素直接接觸環(huán)境，導(dǎo)致抗生素賦存濃度升高。如何秀婷等[63]發(fā)現(xiàn)，沿海地區(qū)沉積物中抗生素的主要來源為糞便及飼料添加劑；河海大學(xué)長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院的最新研究表明，附近的生豬、肉雞養(yǎng)殖是造成長江水體中抗生素濃度達(dá)到156 ng/L的主要原因[64]。

3 抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

3.1 水體中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，水體中抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多采用美國食品藥品監(jiān)督管理局(US FDA)和歐洲藥品評(píng)估機(jī)構(gòu)引入的藥品環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(ERA)，即根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)熵(RQ)或多種抗生素的混合風(fēng)險(xiǎn)熵(MHQ)確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[22]。若RQ或MHQ小于0.1，處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；RQ為0.1～1.0，處于中風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；RQ大于1.0，則處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。計(jì)算公式如下[65]：

RQ=MEC/PNEC

(1)

式中：MEC為水體中抗生素的濃度，ng/L；PNEC為預(yù)計(jì)無效應(yīng)濃度，ng/L。

PNEC數(shù)據(jù)缺少時(shí)，可用下式計(jì)算[66]：

PNEC=min(NOEC,LOEC,IC50,LC50,EC50)/AF

(2)

式中：NOEC為最大無影響濃度，ng/L；LOEC為最低有影響濃度，ng/L；IC50為半抑制濃度，ng/L；LC50為半致死濃度，ng/L；EC50為半數(shù)效應(yīng)濃度，ng/L；AF為評(píng)價(jià)因子，具體取值見表5。

表5 評(píng)價(jià)因子取值[67]Table 5 Values of assessment factors

部分難以從文獻(xiàn)及數(shù)據(jù)庫中查找到的抗生素急/慢性毒性數(shù)據(jù)，可通過美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)的Ecosar軟件確定。該軟件可根據(jù)抗生素轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，提供關(guān)于魚類(96 h)、水蚤(48 h)和綠藻(96 h)的急/慢性毒理數(shù)據(jù)[22,68-69]，補(bǔ)充了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白。利用以上評(píng)估公式，Deng等[26]發(fā)現(xiàn)香港主要河流中氧氟沙星對(duì)藻類存在中度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)威脅；Dong等[70]發(fā)現(xiàn)遼河3條主要支流中，氧氟沙星、紅霉素和土霉素對(duì)水生生物構(gòu)成潛在威脅；Sharma等[71]發(fā)現(xiàn)印度恒河中的磺胺甲唑?qū)λ飿?gòu)成中度風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 沉積物中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于毒性數(shù)據(jù)的限制，進(jìn)行沉積物中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，往往先將其轉(zhuǎn)化為孔隙水中濃度，再進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。轉(zhuǎn)化公式如下[31]：

Cpore water=Csediment/(Koc×foc)

(3)

Koc=Kp/foc

(4)

Kp=Csediment/Cwater

(5)

式中：Cpore water為孔隙水中抗生素的濃度，ng/L；Csediment為沉積物中抗生素的濃度，ng/g；Koc為有機(jī)碳標(biāo)準(zhǔn)化分配系數(shù)，L/kg；foc為沉積物中有機(jī)碳濃度，%；Cwater為水中抗生素濃度，ng/L；Kp為沉積物-水分配系數(shù)。

已有研究表明[65]，波蘭沿海沉積物中的磺胺甲唑、甲氧芐氨嘧啶可能存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)；在我國的巢湖[21]、太湖[72]及長江中下游湖泊[73]沉積物中，同樣發(fā)現(xiàn)了可能危害藻類生存的高濃度抗生素。目前進(jìn)行沉積物中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)研究較少，主要原因可能是沉積物前處理過程較復(fù)雜、評(píng)估過程所需參數(shù)較多、試驗(yàn)條件限制等。考慮到目前抗生素污染的嚴(yán)峻性以及沉積物二次釋放可能帶來的危害性，建議相關(guān)部門加快對(duì)沉積物中抗生素濃度檢測及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究或建立新的方便可行的沉積物評(píng)估體系，以便及時(shí)掌握沉積物中抗生素危害程度變化情況，并采取有效預(yù)防和治理措施。

3.3 混合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

實(shí)際水環(huán)境中抗生素常以多種混合的形式存在，相對(duì)于單種抗生素造成的風(fēng)險(xiǎn)，混合抗生素導(dǎo)致的危害往往更不容忽視[74]，因此有必要開展混合抗生素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估?；旌巷L(fēng)險(xiǎn)熵(MHQ)計(jì)算公式如下[66]：

(6)

式中：i為第i種抗生素，i=1,2,…,n;ECXalgae為以藻類為測試生物的效應(yīng)濃度，ng/L；ECXdaphnids為以蚤類為測試生物的效應(yīng)濃度，ng/L；ECXfish為以魚類為測試生物的效應(yīng)濃度，ng/L。

目前，國內(nèi)沉積物中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相應(yīng)毒理數(shù)據(jù)短缺，也尚未形成統(tǒng)一檢測標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上導(dǎo)致沉積物中抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)展緩慢和應(yīng)用該方法進(jìn)行評(píng)估的湖泊數(shù)量較少。水體混合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，Tang等[21]研究發(fā)現(xiàn)，巢湖水體MHQ在夏季較高，可能會(huì)帶來一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；Wang等[66]研究表明，洪湖水體中的四環(huán)素是其高混合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的主要構(gòu)成因子。

4 建議

(1)針對(duì)向河流、湖泊等自然水體違法排污或污水未達(dá)標(biāo)排放問題，建議建立水體監(jiān)測體系，通過動(dòng)態(tài)記錄查找抗生素污染源頭；加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，同時(shí)加強(qiáng)長期、短期毒理數(shù)據(jù)的獲取和研究，完善抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。

(2)擴(kuò)大污水處理廠對(duì)目標(biāo)污染物的去除范圍，盡快開展將抗生素納入控制指標(biāo)的相關(guān)研究；建議醫(yī)院及制藥企業(yè)建設(shè)針對(duì)排放廢水中高濃度抗生素的預(yù)處理設(shè)施，以減少市政污水中抗生素負(fù)荷，相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)醫(yī)院污水中抗生素濃度的檢測，嚴(yán)格限制出水中抗生素濃度；優(yōu)化污水處理設(shè)施以提高抗生素去除率，并加強(qiáng)對(duì)污水處理廠出水的監(jiān)測。

(3)抗生素在養(yǎng)殖業(yè)濫用的現(xiàn)狀嚴(yán)峻，且極易通過食用性動(dòng)物對(duì)人體造成累積危害風(fēng)險(xiǎn)。建議降低水產(chǎn)養(yǎng)殖密度，規(guī)范投藥劑量、類型及方式，從源頭減少抗生素的使用量，從而有效地縮小抗生素的污染范圍，降低農(nóng)產(chǎn)品及水產(chǎn)品中抗生素殘留檢出濃度。