水體中抗生素污染研究進展

曾冠軍 柳嫻 馬滿英

摘要 使用抗生素引發的水體污染已成為水環境亟待解決的問題之一。介紹了水體中抗生素的主要來源和危害，歸納了水中殘留抗生素的去除方法，并對其發展方向進行了展望。

關鍵詞 水體污染；抗生素；研究進展

中圖分類號 S949 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）03-0072-03

Abstract Water pollution caused by the wide application of antibiotics is nowadays recognized as one of the most urgent issues in water environment.The main sources and harms of antibiotics as well as the removal methods of antibiotic residues in water were introduced，and the future development direction of antibiotics removal was forecasted.

Key words Water pollution；Antibiotics；Research advance

抗生素（Antibiotics）是生物（包括微生物、植物和動物）在其生命活動過程中所產生或者由其他方法獲得的，能在低濃度下有選擇地抑制或影響他種生物功能的有機質[1]。目前，抗生素的種類已達幾千種，主要有β-內酰胺類、氨基糖甘類、酰胺醇類、大環內酯類、多肽類、硝基咪唑類、抗結核菌類、四環素類等。自1928年發現青霉素以來，人們開始在治療各種病癥方面大量使用抗生素，并在家禽飼養、水產養殖和食品加工等方面廣泛應用?，F有的污水處理工藝并不能將抗生素完全去除，以至于水體中殘留的抗生素類物質越來越多，加重了水體中抗生素的污染。目前，抗生素對水體的污染日益嚴重，引起了國內外專家的重視，并展開了相關研究[2]。筆者綜述了水體中抗生素的來源及危害，并對發展方向進行展望。

1 水體中抗生素的來源

長久以來，抗生素不僅用于治療人類疾病及預防畜禽疾病，并且還應用于水產養殖以促進水產動物的生長?？梢?，水體中殘留的抗生素主要來自生產抗生素類藥物產生的污廢水、人用抗生素、動物用抗生素和農用抗生素。

1.1 生產抗生素類藥物產生的污廢水

制藥產生的污水因其污染物多屬于結構復雜、有毒有害和難以降解的有機物質，對水體造成嚴重污染。我國是一個抗生素使用大國，生產抗生素類藥物的公司很多。在生產抗生素類藥物的同時會產生大量含有抗生素的污廢水。在抗生素類藥物制藥公司，主要從生產過程中排水、輔助過程中排水、沖洗水這3條途徑產生抗生素污廢水[3-5]。在生產過程中所排的污廢水水量可能不大，但是抗生素類物質濃度含量很高。

制藥公司產生的污廢水雖然會經過處理再排放到自然水體中，但是現有的傳統污水處理工藝難以將抗生素類物質完全去除。甚至有些制藥公司為節約成本，直接將未經任何處理的含有抗生素的污廢水直接排入水體，對自然水體造成了嚴重污染。如2014年山東魯抗醫藥被曝出向京杭大運河大量偷排抗生素污水，濃度超自然水體10 000倍。

1.2 人用抗生素

人類使用抗生素藥物一般分為醫院抗生素的使用和家庭抗生素的使用，抗生素在人類疾病治療上的廣泛使用，使得抗生素的污染加重。據世界衛生組織一項調查顯示，我國住院患者抗生素藥物使用率高達80%，其中使用廣譜抗生素和聯合使用2種以上抗生素的占58%，而家庭自備抗生素的使用率也已高達80%，我國患者的抗生素使用率高達70%左右，遠高于西方國家（30%）?？梢?，我國抗生素濫用情況較嚴重[6]。

醫院是抗生素大量使用的地方，由于病人集中，也是抗生素污染的主要地方?？股匚镔|不僅從人體排出進入水體，還有一些醫用器械清洗掉的殘留抗生素也進入水體。醫院的污廢水經過簡單處理就直接排入城市污水收集管網中，甚至一些醫院的污廢水不經任何處理就直接排放到城市污水收集管網或者自然水體中，對水體造成了嚴重的抗生素污染。此外，還有將一些未經使用但已經過期的抗生素類藥物和殘留抗生素的藥瓶直接丟棄到自然環境中，使得抗生素類物質經過地表徑流和地下徑流進入水體，對水體造成污染[7-13]。

家庭抗生素的使用也是造成水體抗生素污染的重要因素之一，一些病人長期服用抗生素類藥物治療疾病和一些個人護理品也含有大量抗生素。人體只能吸收小部分的抗生素，80%～90%的抗生素以原形和代謝物的形式隨著糞便和尿液排出體外，最終進入水體對水體造成污染。

1.3 動物用抗生素

動物用抗生素分為畜禽和水產養殖的病害防治及飼料添加劑?？股卦陴B殖業使用廣泛，但是大部分未進行有效處理直接將抗生素殘留物或代謝物暴露于環境中，最終進入水體，對水體造成污染。根據美國食品和藥品管理局（FDA）報告，2011年全美所售抗生素的80%用于牲畜飼養，用于牲畜的所有藥品中四環素占66.67%以上[6]。

隨著大規模的畜牧養殖和水產養殖，含有抗生素類的病害防治藥物和飼料添加劑被大量使用。家禽和家畜對于抗生素類物質的吸收只有20%～30%，其余70%～80%以原形或者代謝物的形式排出體外。隨著畜牧業的迅速發展，含有各類抗生素物質的糞便也越來越多。大多數畜牧養殖場對糞便的處理就是用水沖洗。水產養殖中抗生素類物質的使用，使抗生素類物質直接對水體造成污染。只有25%左右的抗生素被水產類動物吸收，其余溶解在水體中，或者沉積在水體底泥中[14]。

1.4 農用抗生素

我國是一個農業大國，農藥在農業生產中應用廣泛。有些農藥中含有大量抗生素類有機質，我國已登記的農用抗生素類農藥已有20余種，170余個產品，如井崗霉素、農抗120、多抗霉素等[15]。在使用農藥防治病蟲害時，大部分農藥直接進入環境或者殘留在植物表面。這些殘留的抗生素隨著雨水的沖洗，進入水體。農藥中所含抗生素造成的面源污染，使得水體污染加重。

2 水體殘留抗生素的危害

雖然水體中抗生素的殘留物是μg/L級別，甚至是ng/L級別，但是仍會對水體生態環境造成嚴重影響，也會給人類健康帶來威脅。

2.1 對水體生態的危害

抗生素的作用就是抑制或者殺死致病菌，這就使得不耐藥菌群生長受限或被殺死，耐藥優勢菌群得以很好地生長繁殖，這嚴重破壞了水體的生態平衡。水體中長期存在抗生素殘留物，對水體中菌群的平衡有很大影響，會使水體的自凈能力降低。水體中的細菌作為水體生態系統的分解者，如果失去了平衡，將會對水體造成嚴重影響。如果有些有害物質不能分解，導致對水體造成持續性污染，也會使水體的底泥增加，造成水體功能慢慢退化。

水體中長期殘留的抗生素能夠誘導細菌產生抗藥基因，這些抗藥基因能夠在不同細菌之間傳遞，也會遺傳給子代的細菌。如果致病細菌獲得了這些抗藥基因，將對人類的健康帶來巨大危害。研究表明，抗生素能誘導病原菌產生耐藥性，特別是長期大劑量地在飼料中添加抗生素，會產生一些能夠抵抗強力抗生素的病原菌，這些病原菌株的出現，對人和動物都極具威脅[16]。

2.2 對人類健康的威脅

現代的飲用水處理工藝很難將水體中殘留的抗生素去除，雖然國內外研究表明，飲用水中ng/L級的抗生素不會對人體造成危害，但是長期飲用會抑制或者殺死對人體有益的菌群，還會影響人體一些器官組織功能，也會形成對某些物質的過敏反應，部分抗生素物質還有致癌、致畸、致突變或者激素類的作用。如某些POPs物質，在環境中的濃度與抗生素相當，但是其雌激素效應會造成人類生殖率降低，不孕癥增加等[16]。

3 水體殘留抗生素的去除方法

常規的水處理方法難以將抗生素類物質完全去除。簡單的物理方法更不能將水體中的抗生素類物質有效去除?？股仡愇镔|對某些細菌有抑制作用或者致死作用，故不能使用傳統的生物處理方法來去除。因此，只有用化學方法中的氧化法才能有效去除水體中的抗生素。

化學氧化法是指通過化學氧化劑與抗生素類物質發生反應或產生羥基自由基的強氧化劑將抗生素類物質氧化去除。常見的能去除水體中抗生素的化學氧化劑主要有O3、KMnO4、ClO2、TiO2、Na2S2O8等。劉佳等[17]研究認為，臭氧的氧化能力極強，在酸性溶液中，其氧化還原電位（E°）為2.07 V，氧化性僅次于氟（E°=2.87 V）；在堿性溶液中（E°=1.24 V），氧化能力略低于氯氣（E°=1.36 V）。同時，臭氧既可以與抗生素直接反應，又可以分解產生羥基自由基間接反應，直接反應有明顯的選擇性，對含未被質子化的氨基和雙鍵反應較快，而羥基自由基則發生無選擇性的快速反應。臭氧不會對水體造成二次污染，是一種較好的氧化劑。此外，還可以利用光催化降解水體中殘留的抗生素，這是由于抗生素在光照下產生了活性，在催化劑和光照下發生氧化反應[18]。劉利偉等[19]進行了TiO2光催化降解水中喹諾酮類抗生素的研究，結果表明，TiO2用量1.0 g/L、抗生素初始濃度10 mg/L，pH為7，反應80 min，3種喹諾酮類抗生素的降解率均達到95%以上。利用Na2S2O8的強氧化性去氧化水中的抗生素類物質，目前是一種比較前沿的高級氧化技術。在光、熱、過渡金屬離子（Fe2+）等條件下，S2O82-可活化分為SO4-，其氧化能力強于硫酸鹽本身，在難降解有機物的氧化過程中起著關鍵作用[20]。利用SO4-·的強氧化性能夠有效去除水中的難降解有機物，也能夠有效去除水中的抗生素。

4 結論與展望

目前實施的地表水109檢測指標中，尚無抗生素檢測的標準。抗生素既沒有專門監測，也沒有被專門處理。面對水體已經被抗生素污染的事實，應該從污染源頭加強對抗生素的控制和治理[21-23]。

應該摸清我國水體抗生素污染的現狀和分布規律，以及水體中抗生素隨水體溫度及在不同水質中的變化規律，加大化學氧化法去除水體中抗生素的研究力度，使高級氧化技術應用于自然水體抗生素污染處理中[24]。還可以利用植物去除水中的抗生素類物質，目前生態浮床（島）技術趨于成熟，已經應用于實際工程中，因此可以選擇特定的植物去除水中的抗生素。陳小潔等[25]研究了大漂和鳳葉蓮2種水生植物對水體抗生素的去除效果，對抗生素含量小于2.5 μg/mL的污水，培養72 h后，大漂和鳳葉蓮對鹽酸四環素的去除率分別高達80%、90%，對氨芐青霉素的去除率分別達80%、70%以上。利用植物去除水體中的抗生素，不會對水體帶來二次污染，是今后水體抗生素污染修復的研究方向。

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