抗生素生物毒性及对环境的影响的调研报告

抗生素生物毒性及对环境的影响毛瑞祥，张贝贝，武文权，乔鑫指导老师：张纪亮概要：在过去三年来，受关注的化学污染物已几乎完全侧重于传统的“优先”的污染物，特别是急性毒性/致癌性农药和能在环境中持续留存的工业中间体。然而，这个范围的化学物质只是较大的“整体”的风险评估中的一部分。另一类不同的生物活性化学物质抗生素被收到相对较少的关注，不过他们确实潜在的环境污染物，这类化学物质包括抗生素和个人护理产品中的活性成分，人类和兽医用药，不仅包括处方药和生物制品，也包括诊断剂，食品，香料，防晒剂，及许多其他类似物。这些化合物及其活性代谢产物可以不断地被运送到水生环境。本次调查研究试图综合抗生素环境起源，分布和发生方面的文献，以影响和促进其在环境科学界的更集中讨论。关键词：毒性残留环境处理抗生素促进更集中讨论ThebiologicaltoxicityofantibioticsanditseffectonEnvironmentMaoRui-xiang,ZhangBei-bei,WuWen-quan,QiaoxinSupervisor:ZhangJi-liangAbstract：Duringthelastthreedecades,theimpactofchemicalpollutionhasfocusedalmostexclusivelyontheconventionalprioritypollutants,especiallythoseacutelytoxic/carcinogenicpesticidesandindustrialintermediatesdisplayingpersistenceintheenvironment.Thisspectrumofchemicals,however,isonlyonepieceofthelargerpuzzleinholisticriskassessment.Anotherdiversegroupofbioactivechemicalsreceivingcomparativelylittleattentionaspotentialenvironmentalpollutantsincludesthepharmaceuticalsandactiveingredientsinpersonalcareproducts(inthisreviewcollectivelytermedPPCPs),bothhumanandveterinary,includingnotjustprescriptiondrugsandbiologics,butalsodiagnosticagents,nutraceuticals,fragrances,sun-screenagents,andnumerousothers.Thesecompoundsandtheirbioactivemetabolitescanbecontinuallyintroducedtotheaquaticenvironmentascomplexmixturesviaanumberofroutesbutprimarilybybothuntreatedandtreatedsewage.Thisreviewattemptstosynthesizetheliteratureonenvironmentalorigin,distribution/occurrence,andeffectsandtocatalyzeamorefocuseddiscussionintheenvironmentalsciencecommunity.Keywords：ToxicresiduesEnvironmenttreatmentantibioticmorefocuseddiscussion内容抗生素是一类广泛应用于防治人类、禽畜及水产养殖中各种细菌感染疾病的化合物。近年来，抗生素的种类、产量与用量不断增加，加上药品管理的混乱和药物的滥用问题非常严重，从而导致了人体以及环境中细菌耐药性的不断增强。国际环境科学界乃至公众已开始广泛关注河流、湖泊等水环境中药物污染及其潜在的危害性。抗生素是指由细菌、霉菌或其它微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类物质，广泛用于人体医药卫生和畜禽养殖疾病的预防和控制.据统计，我国兽用抗生素平均年使用量约为6000t［1］，按30%～90%的排泄率估算［2］，每年约有1800～5400t的兽用抗生素排放进入环境.这些抗生素或随禽畜粪肥回到土壤，或通过废水排放进入地表水系统.全球共有16类以上的抗生素在土壤、地表水、底泥、生物体内检出，甚至在饮用水水源地和地下水也有检出的报道［3～8］，表明此类物质已经成为较为严重环境污染物之一，需引起人们对其在环境中的分布、转化以及对生物生态及人类健康产生的危害等一系列问题的关注.然而我国对抗生素的环境污染问题的关注仍处于初步阶段，流域尺度的抗生素污染情况鲜有报道.1、抗生素生物毒性其对环境的影响主要表现为:(1)诱导耐药性的菌株产生。以药物原型进入环境或以动物粪、尿等排泄物排入环境的各类抗菌药物可能使人类病原菌长期接触和暴露在这些低浓度的药物中,可能诱导产生耐药性菌株,并且耐药基因可能会在人群中细菌、动物群中细菌和生态系统中细菌间互相传递,由此可导致致病菌产生耐药性而引起人类和动物感染性疾病治疗的失败[28]。另一方面可能使细菌发生基因突变或转移,部分病原生物产生抗药性[30-31]。Dijek进行的21种抗生素对土壤和水体中的36种典型微生物的影响的研究发现,其中有29种对常用抗生素都有耐药性[32]。近年来人畜、人禽共患病的发生可能和人类长期大量而频繁使用抗各种抗生素药物而导致耐药性微生物的产生有关,虽然对此报道还缺乏科学的实验证据,但对食用动物的养殖过程中各种抗生素药物的使用应该采取谨慎的态度,这已是各国政府的共识。(2)破坏微生态平衡。水体生态系统中各种微生物群落是处在一种相互依存和相互制约的动态平衡中,其中一些有益微生物群落如光合细菌、硝化细菌和一些芽孢杆菌等微生物对水相和沉积物相中有机物分解、转化和循环中起着重要作用。养殖过程中大量频繁使用抗生素药物可能会使水体环境正常生态平衡遭到破坏,这些有益微生物类群生长受到抑制,而导致一些耐性强的有害微生物的增殖。Costanzo等(2005)报道许多抗生素如红霉素对反硝化细菌有抑制作用,而反硝化细菌在水体氮的循环中扮演着重要作用[16]。已有报道证明有抗菌药残留的动物性食品,可以对人类胃肠道的正常菌群产生不良影响,部分敏感菌受抑制或杀死,致使平衡破坏,有些条件性致病菌(如大肠杆菌)可能大量繁殖,损害人类健康[27]。(3)对水生生物产生影响。抗生素药物对环境影响倍受关注的另一方面在于抗生素药物在用于靶生物的疾病防治过程中对非靶生物(如对藻类和浮游动物生长的影响)的影响。Pomati等(2004)报道水体中1mg/L红霉素或四环素就严重抑制淡水单细胞藻类的生长,而且强烈刺激藻类激素脱落酸(ABA)的合成和释放[33]。Wollenberger(2000)研究了磺胺嘧啶、土霉素等九种抗生素药物对大型蚤的生长、繁殖的影响,其半有效浓度分别为13.7mg/L,46.2mg/L[34]。抗生素药物对非靶生物的影响最终可能导致生态系统中种群数量变化和群落结构的改变,破坏生态系统的平衡。(4)对水产品安全和人体健康影响。水产养殖过程中在使用抗生素药物预防或治疗疾病后,药物的原形或其代谢产物可能以游离的形式或部分以结合的形式蓄积在养殖对象的组织、器官或可食性产品中,对消费的人群健康构成威胁。许多抗生素药物理化性质比较稳定,不容易降解,有些具有较长的半衰期,也有可能通过食物链的传递而对人体健康构成威胁。Hektoen等(1995)[35]报道恶喹酸(Oxolinieacid)、沙拉沙星(Sarafloxacin)等氟诺喹诺酮类药物在海水养殖渔场底泥中半衰期达300d,并且附近捕捉的野生鱼体内也检测出这类药物。如果长期摄入含有这些药物的动物性食品导致致蓄积浓度增加,可能产生慢性毒性作用[5,28]。如常用的氯霉素可引起再生障碍性贫血;四素类、磺胺类等均具有抗原性,可引起人们的过敏反应。水产养殖过程中使用的各种抗生素药物在环境中的归趋及其环境生态效应是一个值得关注的问题,环境中抗生素药物残留对生态环境可能产生多方面的影响,目前研究只是很初步的,它对生态环境产生的危害、对人类健康的影响以及如何进行评价等问题尚需人们进行更加深入的研究。长期通过食物链摄入暴露于低浓度抗生素特别是多种抗生素之间的协调毒害作用对人体健康尤其是孕妇和胎儿发育严重危害．如四环素类抗生素影响胎儿骨骼生长，磺胺类影响胎儿器官发育而致畸形和造成胎儿溶血性贫血．具体表现举例（表格1）名称用途实验对象生物毒性表现阿维菌素对动物的消化道线虫和外寄生虫有很强的驱杀作用金鱼对鱼类具有潜在的生殖毒性，对雌性生殖细胞不具致突变作用[35]庆大霉素(gentamycin)、新霉素(neomycin)、链霉素(streptomycin)可起到杀菌作用，属于镇静止痛杀菌药斑马鱼幼体出现身体失衡及体位异常,以及耳囊结构的异常变化[36]合成麝香硝基麝香多环麝香大环麝香用做香料添加剂多数多环麝香都具有内分泌干扰性[37];大剂量的注射多环麝香还会导致肝脏、肾脏等器官的损伤[38]环丙沙星抗菌谱广、杀菌力强、起效快、不易产生耐药性、价格低廉等特点,广泛应用禽畜治疗小鼠对小鼠具有一定的免疫毒性,明显减少了肌肉蛋白质含量。[39]五氯苯酚(PCP)最早被用作木材防腐剂,随后其用途逐渐扩展,与其它的氯代酚一起被广泛地用作除草剂、除海藻剂以及杀虫剂等脑神经功能退化、男性性欲较低[40]伊维菌素对线虫、钩虫、蛔虫、螨虫、蠕虫和昆虫均有驱虫活性成年雄性大白鼠当伊维菌素用药剂量达到3mg/kg以上就呈现出一定的生殖毒性,睾丸系数、附睾系数下降,精子密度和精子活率下降,但对精子活力并没影响[41]2、抗生素污染现状抗生素使用后通常大部分以药物原形随粪排出［3］．人用抗生素在污水厂进出水中含量均较高，致使流域水体受到抗生素污染［4～11］．规模化养殖场动物粪便中抗生素的浓度高达几十、甚至几百mg/kg［12～17］．以太湖苕溪流域抗生素测定结果为例【9】，苕溪流域底泥的14种抗生素污染情况如表2所示.从检出结果看，4种四环素类抗生素是该流域主要的污染物质，别是土霉素和金霉素最高可达276.6和131.6μg·kg－1，高于国际兽用药品注册基准研究委员会VeterinaryInternationalCorporationonHarmonization，VICH)规定的环境阈值(土壤为100μg·kg－1)和美国科罗拉多州北部的CacheLaPoudre河的整个流域底泥检测结果(最高仅为102.7μg·kg－1)［5，14］，表明苕溪流域的四环素类抗生素的污染问题已经比较突出，需要引起人们的关注.磺胺类(磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑和磺胺二甲嘧啶)、喹诺酮类(诺氟沙星和氧氟沙星)和大环内酯类(红霉素和罗红霉素)的检出结果较低，可能与区域的用药特征、物质的迁移性及水环境中稳定性有关［15～17］，但其较高的检出率(70%)需要引起人们的重视，因为抗性基因的污染和传播已经成为新的环境问题［18，19］，并已有研究表明底泥的抗生素污染可以引起微生物抗性基因的产生和转化［20～22］.氯霉素作为食用动物的禁用药品在流域底泥中仍有一定检出量，除了该物质在水环境中较为稳定，容易成为禁用前期的残留外［23］，可能也存在非法使用的情况.另外2种氯霉素类物质(甲砜氯霉素和氟苯尼考)作为新型氯霉素替代品，在该流域也表现出一定程度的残留.表2苕溪流域底泥的14种抗生素污染特征1）/μg.kg-1TableConcentrationsof14antibioties/μg.kg-1养殖业中抗生素的使用和排放是地表水环境中抗生素的重要来源之一.如表3所示，该养猪场虽然具有良好的废水处理系统(