環(huán)境中抗生素及抗性基因的污染研究進(jìn)展

楊 威

（武漢理工大學(xué)，湖北 430070）

1 研究背景及意義

抗生素是指可以預(yù)防或治療人類和動(dòng)物細(xì)菌感染的抗菌藥物[1]，是20世紀(jì)以來(lái)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。自從1929年英國(guó)細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)第一種抗生素（青霉素）[2]以來(lái)，科研工作者已開(kāi)發(fā)出各種天然和合成抗生素，并廣泛用于獸醫(yī)和人類治療，作為水產(chǎn)養(yǎng)殖，畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)的生長(zhǎng)促進(jìn)劑[3-5]。然而，大部分抗生素在使用后不能被人體所完全吸收，主要是以母體及相關(guān)代謝產(chǎn)物的形式排出，最終進(jìn)入環(huán)境。這些的抗生素因?yàn)樗鼈兙哂休^強(qiáng)的水溶性和抗降解性，以及其對(duì)環(huán)境和人類健康的潛在影響而受到重點(diǎn)關(guān)注[7，8]。

本文綜合近年來(lái)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)抗生素及抗生素抗性基因在環(huán)境中的污染現(xiàn)狀、檢測(cè)技術(shù)、污染控制技術(shù)及治理策略等方面進(jìn)行綜述研究，并對(duì)未來(lái)的研究熱點(diǎn)方向和趨勢(shì)提出了建議和展望。

2 抗生素及抗性基因污染研究現(xiàn)狀綜述

由于常用抗生素及抗生素殘留物排放到環(huán)境中的問(wèn)題日益嚴(yán)重，抗生素在環(huán)境中的存在和擴(kuò)散已經(jīng)在細(xì)菌中產(chǎn)生了抗生素抗性。尤其是，在市政污水處理廠，抗生素和細(xì)菌密度較大，細(xì)菌很容易抵抗那些抗生素。這些通過(guò)遺傳轉(zhuǎn)化釋放的ARG可以很容易地轉(zhuǎn)移到環(huán)境細(xì)菌和病原體，增加了對(duì)環(huán)境和人類的風(fēng)險(xiǎn)和危害。人類不完全的新陳代謝以及抗生素對(duì)污水處理廠的不當(dāng)處置已成為抗生素釋放到環(huán)境中的主要來(lái)源。這使細(xì)菌有足夠的時(shí)間和足夠的接觸，通過(guò)改變它們的基因和細(xì)胞機(jī)制來(lái)保護(hù)自己，有利于它們的生長(zhǎng)和繁殖。

研究發(fā)現(xiàn)，一些抗生素在自然條件下對(duì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分解或降解具有抗性。低水平抗生素的長(zhǎng)期持續(xù)存在可以促進(jìn)河流基流或地下水中抗生素抗性細(xì)菌的增殖，這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境健康問(wèn)題。抗生素耐藥性不是一種新現(xiàn)象，但隨著抗生素和其他如重金屬等污染物排放的增加，近年來(lái)ARG的迅速和廣泛增加加速進(jìn)入環(huán)境。因此，抗生素及其引發(fā)的抗性基因和抗生素抗性細(xì)菌等相關(guān)問(wèn)題已成為環(huán)境科學(xué)的重要主題。

3 抗生素及抗性基因的檢測(cè)研究綜述

3.1 抗生素檢測(cè)

理化分析檢測(cè)是抗生素測(cè)試中比較常用的方法，主要有高效液相色譜法（HPLC）、薄層色譜法（TLC）、氣相色譜法（GC）、質(zhì)譜法（MS） 以及聯(lián)用技術(shù)等。此外還有抗生素的微生物檢測(cè)法、酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA）；目前主流的抗生素檢測(cè)技術(shù)為超高效液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。

超高效液相色譜不受樣品揮發(fā)性的限制，廣泛用于高沸點(diǎn)、低熱穩(wěn)定性、高相對(duì)分子質(zhì)量的有機(jī)物的測(cè)定，具有快速分離、效率高和操作自動(dòng)化等多種優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)譜分析靈敏度精確高、測(cè)樣速度快、樣品用量少，而且分離和鑒定能同時(shí)進(jìn)行，應(yīng)用廣泛。將色譜質(zhì)譜聯(lián)合起來(lái)的超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法兼具色譜的強(qiáng)分離能以及質(zhì)譜的高靈敏度和極強(qiáng)的定性檢測(cè)能力。

3.2 抗性基因檢測(cè)

抗性基因檢測(cè)技術(shù)，主要有應(yīng)用廣泛的平板培養(yǎng)法（膜過(guò)濾法、多管發(fā)酵法、選擇性底物試驗(yàn)等）；聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR反應(yīng)）；熒光定量PCR方法；高通量熒光定量PCR；高通量測(cè)序等。在目前的研究中，研究者們利用高通量測(cè)序來(lái)獲取更為廣泛的遺傳信息，在抗性基因相關(guān)研究中也應(yīng)用廣泛。

4 抗生素及抗性基因的治理策略綜述

4.1 抗生素的去除技術(shù)

目前的水處理控制技術(shù)主要分為以下幾類，常規(guī)技術(shù)處理、臭氧活性炭吸附技術(shù)、高級(jí)氧化（基于O3氧化）、光催化氧化、電化學(xué)處理以及膜處理技術(shù)等。

加氯消毒處理是飲用水處理廠或污水處理廠最后一道處理單元，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種典型常規(guī)處理技術(shù)[3]。活性炭的比表面積很大，且具有豐富的孔隙，對(duì)有機(jī)物的物理吸附能力較強(qiáng)。此外，由于活性炭表面存在的多種官能團(tuán)能與有機(jī)物進(jìn)一步反應(yīng)，從而增強(qiáng)了對(duì)有機(jī)物的去除效果[4]。活性炭在處理廠的長(zhǎng)期運(yùn)行，其表面會(huì)形成一層生物膜，其附著的微生物對(duì)有機(jī)物的降解去除也起到了一定作用。O3是一種常用的強(qiáng)氧化劑，在發(fā)生氧化還原反應(yīng)后生成H2O和CO2，因無(wú)污染而受到處理水廠的青睞。光催化氧化技術(shù)能徹底破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)、加速有機(jī)物分解速度，且沒(méi)有二次污染。

4.2 抗生素抗性基因的去除技術(shù)

近年來(lái)，隨著抗生素的嚴(yán)重污染，引發(fā)的抗性基因污染情況愈發(fā)嚴(yán)重，研究者們也在不斷探索飲用水廠與污水處理廠中不同去除工藝對(duì)抗生素抗性基因的去除效果，希望能通過(guò)不同去除工藝的耦合來(lái)達(dá)到最佳的抗生素抗性基因去除效果。

加氯消毒工藝：在游離性有效氯消毒過(guò)程中，只有當(dāng)加氯量較高時(shí)才能破壞分解大量DNA。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，劑量較高的加氯消毒工藝對(duì)污水的處理后能增加四環(huán)素類抗性細(xì)菌的耐藥性。紫外消毒工藝：通過(guò)使用紫外光來(lái)達(dá)到細(xì)胞滅活的效果，紫外光的特異專一性使其具有潛在的有效滅活抗性基因的可能。

深度處理工藝：有學(xué)者通過(guò)對(duì)活性污泥法+氯消毒、氧化溝+紫外消毒等幾種不同處理工藝對(duì)抗性基于去除的處理效果分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)抗性基因去除效果最佳的為膜生物反應(yīng)器。總而言之，隨著飲用水和污水深度處理工藝的應(yīng)用的不斷成熟和完善，其對(duì)未來(lái)抗生素及抗性基因的污染控制工作的貢獻(xiàn)愈發(fā)顯著。

5 存在問(wèn)題

5.1 抗生素研究中存在問(wèn)題

抗生素在水生和陸地環(huán)境中的出現(xiàn)主要是由于在廢水處理廠中應(yīng)用這些化合物的常規(guī)處理方法不成功。這些抗生素促進(jìn)抗生素抗性微生物的增殖，這可能引起公眾健康問(wèn)題。因此，找到檢測(cè)抗生素及其副產(chǎn)物的多殘留方法至關(guān)重要。液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用，為水中抗生素的分析提供了新的機(jī)會(huì)。幾個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)并有效實(shí)施了液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用，用于測(cè)定痕量抗生素，這主要?dú)w功于質(zhì)譜的已知優(yōu)勢(shì)檢測(cè)常規(guī)檢測(cè)方法，如紫外線和熒光。

5.2 抗生素抗性基因研究中存在的問(wèn)題

由于實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)等相關(guān)檢測(cè)技術(shù)自身存在的問(wèn)題，在進(jìn)行抗生素抗性基因研究過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同研究目的，對(duì)實(shí)驗(yàn)所采取的方案和相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

在用傳統(tǒng)PCR或RTQ-PCR等技術(shù)手段來(lái)檢測(cè)抗性基因的工作中，模板和引物的設(shè)計(jì)與選擇先得尤為關(guān)鍵。根據(jù)其它研究者的總結(jié)，應(yīng)注意以下幾方面：1） 引物序列和探針序列的關(guān)系處理，不保證不發(fā)生重疊的情況下，盡可能靠近；2）引物的退火溫度的控制，需比探針溫度要低10℃左右。另外，利用RTQ-PCR對(duì)抗性基因進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)，定量方法的選擇需根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究需要將絕對(duì)定量和相對(duì)定量?jī)煞N表示方法互相結(jié)合、補(bǔ)充。

6 總結(jié)和展望

由于抗生素及抗性基因引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題受到了人們的廣泛關(guān)注，有關(guān)抗生素及抗性基因的研究成為研究者們重點(diǎn)研究領(lǐng)域，盡管有大量的研究文獻(xiàn)發(fā)表，但研究結(jié)果僅多集中在土壤環(huán)境或食物、水環(huán)境中發(fā)現(xiàn)或檢測(cè)到抗生素及抗性基因，有關(guān)其在環(huán)境中的濃度水平分布、污染來(lái)源、傳播和擴(kuò)散機(jī)制及控制策略等還需進(jìn)一步研究。因此，對(duì)未來(lái)抗生素及抗性基因的研究提出了以下幾點(diǎn)建議：

1）飲用水和污水處理廠是抗生素及抗性基因的主要儲(chǔ)庫(kù)，也是控制抗生素及抗性基因的關(guān)鍵。未來(lái)的研究應(yīng)集中在多種去除技術(shù)的耦合，來(lái)協(xié)同去除抗生素及抗性基因。

2）水處理廠可以對(duì)存在于水管中的生物膜施加選擇壓力，并且生物膜中的細(xì)菌可以對(duì)許多抗生素產(chǎn)生抗性。未來(lái)的工作應(yīng)該確定分配線中生物膜的存在，抗生素抗性的選擇壓力的存在以及開(kāi)發(fā)減少飲用水中ARG的方法。

3）未來(lái)的研究需對(duì)抗生素及抗性基因的污染進(jìn)行深入的機(jī)理方面的研究，側(cè)重研究基因污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響，為控制抗性基因污染提供理論依據(jù)。