第三节 抗生素

一、抗生素与环境污染

人们在很久以前就发现某些微生物对另外一些微生物的生长繁殖有抑制作用，这种现象被称为抗生。1928年英国细菌学家Alexander Fleming在检查培养皿时发现了青霉菌产生青霉素。1935年，英国病理学家Florey和德国生物化学家Chain解决了青霉素的浓缩问题，并把青霉素实际应用于临床医药。因为最初发现的抗生素，例如青霉菌产生的青霉素、灰色链丝菌产生的链霉素，主要对细菌有抑制或杀灭作用，故将其称为抗菌素。随着抗生素研究的不断深入发展，抗病毒、抗衣原体、抗支原体、抗肿瘤的抗生素也陆续被发现并应用于临床医学。鉴于“抗菌素”早已越出了抗菌范围。因此，1981年我国第四次全国抗生素学术会议将抗菌素改称为抗生素，其定义为由某些微生物产生的，或者人工化学合成的，能抑制微生物和其他细菌增殖的化学物质叫作抗生素。

抗生素可以天然提取也可以人工合成，天然品是某些微生物生长繁殖过程中所产生的一种物质，人工合成品是人们对天然抗生素进行结构改造得到的部分人工合成产品或完全由人工合成的产品。

以往，抗生素被认为是对环境和人体无害的药物，主要用于人类医疗事业和畜牧养殖业的疾病治疗。我国集约化畜牧业发展迅速，致使每年兽用、医用抗生素总量巨大。数据显示，中国每年用于畜牧养殖的抗生素平均使用量高达6000t。Halling-Sorensen等研究发现，随粪、尿等排泄物被排出体外的抗生素量为机体摄入量的60%～90%。张慧敏等对浙北地区畜禽粪便和农田土壤中四环素类抗生素残留测定表明，施用畜禽粪肥农田表层土壤土霉素、四环素和金霉素的平均含量分别为未施畜禽粪肥农田的38倍、13倍和12倍，因此，畜禽粪肥是农田土壤抗生素的重要来源。环境中残留的抗生素属于持久性有机污染物（POPs），在环境中不易被降解，存留时间较长，这必然导致大量抗生素残留于环境中，对环境造成影响。目前，我国大多是将人畜粪便作为有机肥源利用，土壤是其中残留抗生素的主要归属场所。进入土壤中的抗生素，一部分随水渗入至地下水，对水体造成污染或随地表径流污染其他土体；另外一部分会被吸附在土壤中，影响土壤微生物群落功能；还有一部分，例如磺胺类药物和四环素类抗生素易被农作物吸收累积。抗生素进入食物链后，在累积过程中会导致耐药性致病菌出现，其产生的耐药基因会在健康人群、患者、动物之间相互传播。例如，引起国际恐慌的“超级细菌”对目前大多数抗生素具有广泛耐药性，一旦患者感染这种细菌，会给临床治疗带来很大困难。

目前我国的主要有机肥源为畜禽粪便，而其中的抗生素类药物残留是有机肥料中一类重要的、被严重忽视的POPs与环境激素。抗生素类药物常用于预防和治疗畜禽疾病。由于给药量大，不能被完全吸收利用而残留于动物粪便中。这种情况在规模化畜禽养殖场中普遍存在。规模化养殖场的废弃物可能被直接施用于农田，或者制成有机肥料施入农田，抗生素因此进入农业环境。城市污泥也是有机肥的主要原料之一。过期药物的丢弃、医院废水及医药化工废水等也会造成城市污泥中含有多种抗生素类污染物。可以肯定，我国特别是经济较发达地区的有机肥料中必然存在多种抗生素类污染物。目前，有关抗生素类药物污染已经引起了学术界、媒体、公众的广泛关注，但是相关研究集中在地表水或地下水体系、鱼类养殖过程中抗生素类药物污染上，而蔬菜、粮食等农产品以及农业土壤中的抗生素污染极少涉及。然而，农产品中的相关污染问题并没有得到充分认识。蔬菜等农产品是我国主要出口商品之一，蔬菜作物上大量使用有机肥。中国每年约有几百亿美元（占出口产品的20%）遭“绿色壁垒”的限制。研究有机肥使用对蔬菜等农产品抗生素含量的影响，有利于我们生产出合格的出口产品，也可以为有机肥料的生产提供制定标准的依据。

目前，抗生素类药物在动物性农产品中的残留已受到人们的广泛关注。如瑞典在1986年就全面禁止向饲料中添加抗生素，1996年欧盟也将饲料中允许加入的抗生素减少到9种， 1999年进一步减少到4种，而2006年起将全面停止施用抗生素类饲料添加剂。随着中国加入WTO以及中国外贸在世界贸易中地位的提高、“绿色壁垒”日趋全球化的快速发展，近年来“绿色壁垒”对中国外贸出口的影响程度已经开始超过“反倾销”案件的影响。

饲料中常用的抗生素类药物包括林可霉素、四环素类、氯霉素、磺胺类、喹诺酮等，这些药物性质非常稳定，不易被动物消化吸收，大部分被排泄到体外。动物排泄物主要以肥料的形式施入土壤，从而造成环境污染。有机肥料、土壤和水中的抗生素一旦被植物吸收，将对植物的生长产生影响，导致抗生素在植物体内的残留。如果人类长期食用这些含有抗生素的植物，那么必然对人类健康产生严重的影响。有机肥料中的有机污染问题是不得不解决的重要问题。但是，目前对粪便、废水、污泥以及土壤中抗生素迁移及降解情况知之甚少。另外，抗生素进入环境后对环境产生的影响也少有研究。因此，应尽快掌握抗生素在粪便、废水、污泥以及土壤中的降解和迁移情况，抗生素对植物生长的影响和抗生素在植物体内的转化、残留情况。

二、抗生素的分类

目前常见的抗生素类型主要包括：

（1）四环素类：是由链霉菌发酵产生的一类广谱抗生素，其作用机制是阻止氨酞基与核糖核蛋白体的结合，从而阻止肽链的增长和蛋白质的合成，高浓度时有杀菌作用。在促进禽畜生长、提高饲料利用率、防治疾病等方面发挥着重要作用。属于人畜共用抗生素，容易产生耐药性。同时，由于其具有良好的水溶性、体内代谢后大部分以原型排出体外而且在环境中不易发生生物降解等特点，成为易在环境中储存和蓄积的一类抗生素。常用四环素类抗生素有四环素、氧四环素、氯四环素、多西环素、米诺环素等。

（2）磺胺类：是合成的广谱抗菌药，其通过竞争性抑制叶酸代谢循环中的对氨基苯甲酸，干扰细菌核酸和蛋白质的合成而抑制细菌增殖。代表物有磺胺嘧啶、磺胺甲氧嘧啶、磺胺二甲基嘧啶，磺胺异恶唑、磺胺甲恶唑等。

（3）喹诺酮类：又称吡酮酸类或吡啶酮酸类，是一类合成的广谱抗生素，其作用机制是以细菌的脱氧核糖核酸为靶，阻碍DNA回旋酶，造成细菌DNA的不可逆性损害，来达到抗菌效果。细菌对本类药物发生耐药突变的几率很低，无交叉耐药性。与头孢菌素类药物的抗菌作用相似，且价格便宜，不良反应少。喹诺酮类抗生素按发明顺序及抗菌性能的不同分为一、二、三、四代，常用的种类有诺氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、依诺沙星、洛美沙星、加替沙星、莫西沙星等。

（4）其他常用抗生素：

B-内酰胺类：药物种类多，主要包括两类：①青霉素类，是最早的B-内酰胺类，其杀菌力强、毒性低、价格低廉且使用方便。常用的品种有青霉素钠、阿莫西林等。②头孢菌素类，杀菌力强、毒性低，过敏反应较青霉素类少，广泛用于各类感染性疾病。根据其抗菌作用特点及临床应用的不同，可分为四代头孢菌素。常用种类有头孢拉定、头孢三秦、头孢曲松钠等。

大环内酯类：其作用机制是抑制细菌蛋白质的合成，主要从肠道吸收，能够产生交叉耐药性，代表药物有红霉素、乙酰螺旋霉素、阿奇霉素等。

氨基糖苷类：其作用机制是阻碍细菌蛋白质的合成。这类药物在肠内不易被吸收。代表药物有链霉素、庆大霉素、阿米卡星等。还有抗细菌的去甲万古霉素、利福平；抗真菌的制霉菌素、克念菌素；抗肿瘤的阿霉素、丝裂霉素；免疫抑制作用的环孢素等。

三、环境中的抗生素污染及其危害

进入环境中的抗生素来源较多，导致残留在环境介质中抗生素的种类也多种多样。超过16类抗生素类药物在水体及沉积物等环境介质中有高含量的检出。王敏、俞慎等在鱼塘、螃蟹池、蛙池、虾池、鸭池海产养殖区5种不同养殖生物水体中检测出5类14种抗生素的残留，其中鱼和鸭养殖水中检出的抗生素多达6种。德国在巴登——符腾堡州的108个地下井水样品中共检出60种药物，其中8种药物可在至少3个样品中同时被检测到。邰义萍等在土壤中检测到4种喹诺酮类抗生素。马丽丽等用SPE-HPLC-MS-MS法同时检测土壤中18种抗生素。

环境中的药物具有综合持久性，其持久性可以用半衰期来表示。在环境中，不同类药物的持久性差别很大。总的来说，无论是水环境、土壤、沉积物环境，一般情况下，抗生素类药物在环境中的持久性要远远大于在生物体内。国内外有研究表明各类药物在环境中的持久性由数天到几个月不等，甚至有的是几年时间。即便是在同组分的环境介质中的同种类的化合物，其持久性依然具有较大的差异。徐维海等在香港理工大学水动力学实验室利用大型流动水槽（FLUME系统）模拟了亚热带河流环境，实验结果显示，在60天内系统中典型抗生素的消除比例在59%～84%，残留的药物主要存在于沉积物中。因此，对土壤中残留的抗生素进行研究是十分必要的。

90年代后期，人们逐渐关注并开始研究抗生素在环境中残留的现况以及可能导致的负面效应。抗生素与许多有害的外源性物质如持久性有机污染物相类似，对环境主要产生慢性、远期及持久性的危害。部分研究表明尽管抗生素药物残留在环境中的浓度为痕量，但是远远达不到其起显著作用的浓度。可是对于持久性有机污染物的相关研究提示我们：仅仅依靠简单的外推在高浓度下，某些化合物的急性毒理特征，并不能够说明其在低浓度下产生相应的生物效应。抗生素类化合物在低剂量、长周期的暴露下也能够在个体或者生态各层面中起到负面效应。同理，当人类食用残留抗生素的食物时，造成人体长期暴露在此类抗生素环境下，通常不会导致急性中毒，主要是引起慢性中毒危害。由于多种类药物共同作用存在，就有可能产生协同作用致使其毒性加剧，这样导致的后果严重度将无法估计。

1．对人体健康状况的影响

现有大多数的自来水厂和污水处理厂缺乏专门针对环境抗生素的有效处理工艺。即使依照现有的处理工艺，也不能够完全去除水体中的抗生素，加之目前现有的消毒技术对水体中抗生素的处理并不完善，所以抗生素及其衍生物能够通过饮用水直接对人体的健康造成巨大的威胁。与此同时，由于在畜禽养殖业及水产养殖业中人类滥用抗生素现象严重，造成在蛋、肉、奶以及水产品等食物中出现不同浓度的抗生素残留。这使得对人体健康安全的潜在危害尤为严重，并且影响深远。这些危害主要表现在：

（1）毒性损害：由于食品中残留的抗生素对人群引起的急性中毒事件相对较少，但是抗生素药物残留可通过食物链进行长期富集。当人体长期摄入具有抗生素药物残留的食品后，可以造成该抗生素药物在人体内的逐渐蓄积，并最终引发毒性损害伤及人体健康，特别是多种类抗生素之间的协同作用对人体健康，尤其是孕妇和胎儿发育的危害尤其严重。四环素类可以抑制幼儿牙发育和骨骼生长；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；链霉素等氨基糖苷类抗生素能够损伤听神经和肾功能；氯霉素可以引发再生性、障碍性以及溶血性贫血；链霉素、青霉素类抗生素药物易使患者产生过敏以及变态反应；呋喃唑酮类抗生素可引起多发性神经炎、急性重型肝炎和溶血性贫血；喹乙醇类抗生素属于基因诱变剂等。

（2）变态反应：在畜禽养殖业中经常使用的磺胺类、四环素类、哇诺酮类以及某些氨基糖苷类抗生素是极其容易引起变态反应的药物品种。当这些残留在饲养的动物性产品中的药物进入人体后，会导致敏感的个体致敏并且产生效应抗体。当这些被致敏的个体再一次接触这些抗生素时，则会造成剧烈的变态反应或者过敏反应。临床症状较轻者会表现出恶心、呕吐、搔痒的荨麻疹、腹痛腹泻等，重症患者则表现为血压的极速下降、速发型过敏性休克以及死亡。

2．对水环境中水生生物的影响

抗生素绝大多数都是水溶性的，因此，抗生素对水环境的污染首当其冲。其中，抗生素对于水环境中的水生生物急性毒害作用相关研究比较全面，而相关的慢性毒害研究相对不足。这种不足使得对于其实验结果能否正确表明水体中抗生素的残留浓度对水生生物毒性效应的结论产生了怀疑。对于抗生素的生态危害性，Sanderson等对226种抗生素进行了研究，研究表明：超过1/5的抗生素对藻类具有强烈毒害作用。44%的抗生素为非常毒，16%的抗生素为极毒；超过33.4%的抗生素类药物对鱼类非常毒，而过半的抗生素对鱼类有毒。2006年，在Batt等对美国污水处理厂受纳水体中抗生素的相关污染研究中，氯洁霉素、四环素以及甲氧苄胺嘧啶等抗生素均被检测到存在于水体环境中，污染平均水平为0.090 ～6.0μg/L。抗生素同时也能够通过食物链传递。虽然抗生素的半衰期时间不长，但由于其长期低浓度高频率的使用会使环境中形成“假持续”的现象，极有可能影响水体中的微生物群落，进一步通过食物链的不断传递，对人体的健康乃至整个生态系统构成巨大危害并破坏生态系统的平衡。

3．对土壤中动物的毒性

目前关于土壤动物对抗生素的效应研究相对较少。Baguer 等的研究中调查了两种广泛使用的抗生素——土霉素和泰乐菌素对土壤中的跳虫、蚯蚓和线蚓的影响，发现在一般环境质量浓度的条件下这两种抗生素对土壤中的跳虫等无显著的毒害效应，甚至在最高实验浓度达到5000mg/kg时也没有观察到相关毒害效应。而国内研究中，高玉红等检测了剂量不等的兽用抗生素类药物阿苯达唑对蚯蚓肠道以及表皮超显微结构的影响。其结果显示，对蚯蚓使用不同剂量的阿苯达唑，在蚯蚓的皮肤角质层以及表皮细胞的超微结构上会产生明显的变化。当对蚯蚓使用生长不受影响的100mg/kg 剂量时，在其皮肤的超微结构上会出现代偿性变化，角质层会增厚及网状粘液细胞分泌功能增加；当蚯蚓暴露在600mg/kg 时，蚯蚓的角质层会变薄，表皮细胞分泌物也明显的减少。因此从高红玉等人的实验发现，蚯蚓暴露于阿苯达唑时，肠黏膜上皮细胞的超微结构容易受到损伤，而且蚯蚓所暴露的药物剂量的增加会引起损伤程度的加剧。

四、农业土壤中抗生素的来源及潜在危害

随着我国畜禽养殖业集约化程度越来越高、规模越来越大，含有各种抗生素的畜禽粪便的年产出量在不断增加。土壤环境中，Warman和Thomas发现粪便施肥可导致土壤抗生素等药物污染。此外，抗生素在水产养殖中的广泛应用、制药过程中排放的工业废水废渣、未使用过的药品或过期药品的随意丢弃、生产和运输抗生素过程中的意外泄漏等都会导致抗生素流入环境中。因此，环境中抗生素的来源丰富，主要污染源是医用药物和农用兽药的使用。

将残留抗生素的动物粪便及尿液作为肥料施加于土壤，能够影响植物的生长发育。与已研究的大多数污染物相似，低浓度的抗生素有促进植物生长的作用，高浓度的抗生素则能够抑制植物的生长。而且种类不同的抗生素在不同的土壤或生长基质上，对不同植物产生的影响差异也是非常大的。Batchelder研究了氯四环素和土霉素对生长在有营养液的土壤中的植物的影响。当质量浓度在160mg/L时所有的植物都死亡；在更低质量浓度条件下，根和新枝的干质量降低了大约60%～90%。鲍艳宇等研究表明，在水溶液中，同一浓度条件下，氧四环素对小麦根伸长抑制率均高于四环素；而在土壤中，同一浓度条件下，四环素对根伸长抑制率则均高于氧四环素。Boonsaner等研究表明，盐渍土中四环素和诺氟沙星能够抑制大豆的生长，受其污染的大豆最快生长速度达到2.0～2.2cm/d，而未受其污染的大豆最快生长速度（2.5～2.8cm/d）。以上结果表明，抗生素对植物生长发育的影响取决于植物的种类、基质的性质和抗生素的类型等因素。

1．对土壤中微生物的毒性

由于抗生素多为抗微生物类药物，可以直接杀死土壤环境中的某些微生物或抑制其生长，并影响环境中微生物的群落组成，进而降低土壤微生物对其他污染物的固定或降解能力。研究表明抗生素对微生物产生的各种毒性效应能影响微生物的活性。其中，土壤中残留的恩诺沙星药物对三种微生物影响的强弱顺序依次为：真菌＜放线菌＜细菌，并且其影响的程度会随浓度的增加而增加，但是对真菌效果并不明显。较低浓度的恩诺沙星药物的残留并不会对土壤微生物群落功能多样性产生影响，然而相对较高浓度的恩诺沙星药物的残留则能够降低土壤微生物群落功能多样性。抗生素还能影响土壤中微生物的呼吸等活动。同一种类抗生素对土壤呼吸的影响因浓度的不同而不同，甲氧苄啶与磺胺甲恶唑对土壤呼吸的影响显示出较强的剂量依赖效应。兽药安普霉素对于不同成分土壤中微生物的呼吸活动以及种群生长的影响均有所差异。恩诺沙星的残留则通过影响土壤中微生物的功能进而影响到土壤的特性和土壤纤维分解作用、呼吸作用、氨化及硝化作用等生态过程。鉴于各种类抗生素对土壤微生物群落结构产生的可能性影响，提示应谨慎使用各种兽药抗生素，同时应对抗生素的环境风险进行更详细的研究。

2．抗生素抗性基因（ARGs）

抗生素的残留可致使环境中的微生物产生抗药性。抗生素进入环境后，会诱发并传播大量的抗药菌，河流、鱼塘等水体以及土壤、食物等环境是产生耐药菌的重要场所。水产养殖中所用的抗生素能够以药物本体的方式直接溶入水环境，导致鱼塘成为抗药基因不断扩展、演化以及繁殖的重要媒介。同时，畜禽粪便、城市生活垃圾和工业废水不停施用于农田，土壤也逐渐成为一个抗药菌产生、传播的重要媒介。更有研究显示多种类抗生素在动物或水产养殖中的交替使用引发了多重耐药菌的产生。人们在鱼塘的沉积物中高频检测出可耐受多种抗生素的耐药菌，更重要的是这种农业耐药菌会直接传给人类。从而致使环境中及人体内抗药菌的大量繁殖，降低现有药物的治疗效果。而环境中耐药性致病菌的不断增加与扩散，会对人类的生命健康构成潜在风险。

应当引起注意的是抗性基因不仅可以在代与代之间传递，而且在不同种属细菌间也可以传递。因而，一些耐药性细菌自身虽然不具有致病性，但是它却能够把耐药性最终传递给致病菌。环境中低剂量抗菌药的长期排放导致敏感菌耐药性的不断增强。最终使得耐药基因不但可以贮存在水环境中，而且可以通过水环境扩展演化为多种抗生素共同存在。至此，为诱导产生具有耐药性特别是交叉耐药菌株提供有利的条件。新的抗药性致病菌不断被发现，已报道的食源性DT 104病原菌对多种抗生素具有抗性。近年来，环境中抗生素耐药菌的种类发生了很大变化，抗性水平也越来越高，变得越来越难以控制，且发展速度惊人。表现在每当新型抗生素投入临床使用不久，细菌即可对它产生耐药性，而且往往存在交叉耐药和多重耐药现象。日益增多的试验表明，环境致病菌耐药性的不断增加与扩散，对人类的公共健康将构成潜在威胁。

目前，虽然明确了粪肥农用会造成土壤及农作物中抗生素的残留，且残留的抗生素对土壤微生物群落结构、酶活性、农作物的产量、品质都有一定的抑制作用，但对粪肥——土壤——植物体系中抗生素迁移降解机理的研究还不够系统。例如：四环素类抗生素在土壤中易与某些有机污染物质和一些重金属发生反应，其降解产物的毒性可能比其本身的毒性更大，因此抗生素在土壤中的降解产物，与其他污染物的复合污染及细菌的耐药性问题应进一步深入研究。此外，由粪肥带入的抗生素含量与土壤中抗生素残留量之间的关系，作物对不同抗生素的吸收情况，粪肥的安全用量以及对人类造成的健康问题也有待进一步研究。

鉴于我国抗生素污染的严峻事实，应从源头上减少抗生素进人环境，禁止抗生素的滥用，发展可持续农业，保障食品安全。