四環素類抗生素環境行為及其生態毒性研究進展

敖蒙蒙，魏健，陳忠林，劉利，宋永會*

1.中國環境科學研究院水生態環境研究所 2.遼寧大學環境學院

四環素類抗生素(tetracycline antibiotics，TCs)是一類廣譜抗菌藥物，在臨床上被廣泛用于多種細菌及立克次體、支原體、衣原體等所致感染性疾病的治療，其還是一類常用的飼料添加劑，可作為生長促進劑促進機體生長[1]。TCs包括天然四環素和半合成四環素兩大類，天然四環素主要有金霉素(chlotetracycline，CTC)，土霉素(oxytetracycline，OTC)，四環素(tetracycline，TET)，去甲金霉素(demeclocycline，DMCT)等；半合成四環素主要有強力霉素(doxycycline，DOC)，甲烯土霉素(methacycline)，二甲胺四環素(minocycline)等。其中使用最多的是土霉素、四環素和金霉素[2]。TCs由4個六元環構成，包含二甲胺基〔—N(CH3)2〕、酰胺基(—CONH2)和酚羥基3個官能團，此外還有包含酮基和烯醇基的共軛雙鍵系統[3](圖1)。TCs屬于兩性化合物，能與多種酸、堿形成鹽，其中鹽酸鹽性質最為穩定，廣泛應用于實際中[4-5]。

圖1 TCs的分子結構Fig.1 Molecular structure of TCs

TCs在臨床疾病治療和畜牧業生產方面發揮著巨大的作用，但該類藥物的大量使用并進入環境，導致水體、土壤等環境介質中污染物殘留濃度升高，誘導大量耐藥性致病菌出現，給生態環境安全帶來嚴重威脅。筆者梳理分析了環境中TCs的來源及污染現狀，闡述了其在環境中的遷移轉化和降解，并對其生態毒性效應進行了總結，指出了該類污染物的生態風險，并對未來的研究方向進行了展望，以期為TCs污染環境風險防控提供參考。

1 TCs的來源與污染現狀

根據文獻計量學統計對中國知網(CNKI)數據庫關鍵詞四環素、污染進行檢索，得到2009—2019年TCs文獻數量變化，如圖2所示。由圖2可知，近10年TCs在環境污染中的相關文獻共有140篇，其中涉及水環境污染文獻有56篇(占比40%)，土壤污染文獻有55篇(占比39%)，禽畜糞便污染文獻有13篇(占比9%)，沉積物污染文獻有5篇(占比4%)，區域污染文獻有11篇(占比8%)，水環境和土壤污染文獻數量較多；檢出頻率較高的4種TCs為TET、OTC、CTC和DOC；涉及抗性基因的文獻有36篇，占總文獻數量的26%，說明抗生素抗性基因引發的問題引起了廣大學者的關注，是當前的研究熱點。

圖2 2009—2019年TCs文獻數量變化Fig.2 Change of TCs literature quantity from 2009 to 2019

1.1 來源

TCs在環境中的遷移途徑如圖3所示。由圖3可知，臨床醫療和畜禽養殖是環境中抗生素污染的主要來源。TCs通過人體代謝由醫院污水處理系統排出，通過市政管網進入城鎮污水處理系統，殘留TCs及中間降解產物最終進入環境中。在畜禽養殖行業，TCs主要作為飼料添加劑和預防動物疾病藥物被大量使用，TCs在動物體內難以被完全吸收，一半以上以動物排泄物的形式排出，包括代謝產物在內的污染物最終進入到水體、土壤等環境中[6]。環境中殘留的TCs不但給生態系統帶來不良影響，還會導致多種耐藥性細菌的產生，從而引發生態毒性效應，其在環境中的遷移轉化和毒性效應引起廣泛關注。

圖3 環境中TCs的來源和環境遷移途徑Fig.3 Sources and migrating pathways of TCs in the environment

1.2 污染現狀

1.2.1水體TCs污染

水環境中TCs以OTC、CTC和TET污染較為普遍，不同地區水環境(地表水、養殖廢水、污水處理廠)中TCs污染物的種類及污染水平如表1所示。

由表1可知，TCs在不同水體中殘留量與污水的來源和特性有關，一般而言養殖廢水和污水處理廠的TCs濃度較高(μgL級)。如在日本的養殖廢水中檢測到CTC濃度為0.002～68 μgL[18]，發達地區養殖場周圍水體中TCs的污染水平相對較高，廢水中殘留濃度較大[30]。中國北方污水處理廠中檢測到TET的濃度為0～1.11 μgL[28]。污水處理廠中TCs殘留與所在地的氣候環境、居住人口密度、污水量和人類對此類抗生素的使用量等均有關系，通常污水處理廠對抗生素去除率為60%～90%。盡管城市污水大部分進入污水處理系統，仍會存在TCs對地表水、飲用水源和地下水造成污染的情況，如德國、韓國部分地區地表水中檢測到TCs濃度最高達

表1 不同地區水體中TCs污染水平

563和254.82 μg/L[6,8]，我國多數城市地表水中檢測到的濃度在ng/L級。

1.2.2土壤沉積物中TCs污染

土壤/沉積物中TCs以OTC、TET和CTC為主，濃度在ng/kg～mg/kg數量級[31]。不同地區土壤/沉積物中TCs種類及污染水平如表2所示。

表2 不同地區土壤沉積物中TCs的污染水平

Table 2 Concentrations of TCsin soils and sediments of different regions

表2 不同地區土壤沉積物中TCs的污染水平

樣品類型采樣地點TCs種類濃度土壤德國西北部[32-34]韓國江原道[35]中國珠三角地區[36]中國江西[37]中國廣州[38]TCs∕(μg∕kg)450～900TCs∕(μg∕kg)27.60～177.64TCs∕(μg∕kg)0～242.6TCs∕(μg∕kg)0～59.77OTC∕(μg∕kg)38.39CTC∕(μg∕kg)8.92TET∕(μg∕kg)5.64畜禽糞便奧地利[33]意大利北部[33]中國安徽[39]中國江蘇[40-41]CTC∕(mg∕kg)46OTC∕(mg∕kg)29TET∕(mg∕kg)23OTC∕(μg∕kg)246.3CTC∕(mg∕kg)11.2TET∕(mg∕kg)0.6CTC∕(mg∕kg)1.9TCs∕(mg∕kg)71.17～105.76沉積物韓國江原道[8]TCs∕(μg∕kg)1.91～75.70中國海河、遷河、黃河[4243]TCs∕(ng∕kg)652中國貴陽[44]OTC∕(μg∕kg)99.2中國江蘇[41]TCs∕(μg∕kg)1.35～25.43

由表2可知，由于抗生素用量、畜禽糞肥施用量、環境條件等差異，導致不同地區土壤/沉積物中TCs污染水平存在差異。畜禽糞便中TCs的濃度最高，均在mg/kg級，檢出最多的為CTC。由于畜禽糞便普遍存在，且往往不經無害化處理便作為有機肥直接還田，且TCs與土壤親和力強、不易遷移，導致土壤中殘留濃度較高。河流沉積物中的抗生素由于長期蓄積而導致殘留濃度偏高，如貴陽市某河流沉積物中OTC濃度高達99.2 μg/kg[43]。

2 TCs的環境行為

抗生素通過各種途徑進入到環境后，在土壤、水、沉積物和植物等不同環境介質中發生吸附、降解和轉化等物理化學過程，深入了解這類污染物的環境行為，對開展抗生素污染防治和風險防控具有重要意義。

2.1 TCs的吸附和遷移

吸附是抗生素在環境中的常見環境行為之一，吸附過程對抗生素在環境中的遷移和轉化有重要影響，吸附能力強弱取決于抗生素種類和土壤特性。有研究表明[45]，抗生素較強的吸附性導致其在底泥中的濃度遠高于水體。抗生素在土壤中的遷移主要取決于其自身的光穩定性、鍵合、吸附特性等，一般情況弱酸、弱堿性和親脂性類抗生素與土壤有良好的親和力，在土壤中不易遷移。

抗生素進入水環境后被水中的顆粒物和沉積物吸附，吸附方式主要包括物理吸附、化學吸附、氫鍵結合、配位鍵結合等[46]。吸附行為主要發生在土壤中，吸附方式包括物理吸附和化學吸附，污染物的化學結構和理化性質均會影響其吸附能力。有研究表明[47]，不同環境條件下，TCs可被土壤強烈吸附，在酸性黏土中吸附作用更強。土壤對抗生素的吸附能力主要與土壤黏粒、有機質和氧化鐵含量呈正相關，與其他土壤性質的相關性較小[48]。抗生素吸附作用強弱為四環素類>大環內酯類>氟喹諾酮類>磺胺類>氨基糖苷類>青霉素類[49-50]。武庭瑄等[51]采用吸附試驗考察了TET在黃土中的吸附行為，結果表明：黃土對TET有較強的吸附能力，添加可溶性腐殖酸會導致吸附量降低；在pH為4.0～9.0時，黃土對TET的吸附能力隨著pH的增大而減小。

2.2 TCs的降解

TCs的降解分為非生物降解和生物降解，非生物降解包括光降解、水解和氧化降解，生物降解包括微生物降解和植物吸附。

2.2.1光降解

光降解是分子吸收光能后從基態躍遷變成激發態從而引發的各種反應，分為直接光解和間接光解[52-54]。抗生素分子直接吸收光子發生躍遷，產生化學變化稱為直接光解；間接光解則是借助環境中對光敏感的吸光物質(光敏劑)進行[55]。影響光降解效率的因素主要有pH、光敏劑、水的硬度、介質類型、季節和緯度等[56]。有研究表明[57]，僅使用不同光源對TET溶液照射不會發生任何降解，加入光敏劑TiO2后TET迅速發生降解。Doi等[58]研究了OTC的光降解行為，發現隨著溶液pH升高OTC降解速率加快，水中有機礦物質能促進OTC的降解。一般情況下，反應溫度升高有助于化學反應進行，溫度每升高10 ℃，OTC的降解速率可增加2倍，降解速率常數的對數與溫度存在線性關系[59]。

2.2.2水解

水解是抗生素在水環境的主要降解途徑之一，主要發生在易溶于水的抗生素中。TCs分子中含有多個功能團，在酸性條件下C—6羥基和C—5上的氫處于反式構型，易發生消除反應，生成無活性橙黃色脫水物，而C—4二甲胺基易發生可逆的差向異構化反應，在堿性條件下TCs可生成具有內酯結構的異構體。因此，TCs水解速率主要受pH和溫度的影響[60]。鄭麗英等[61]研究了CTC在不同溫度、和pH條件下的降解情況，結果表明CTC較易水解，水解速率受溫度和pH影響較明顯，在堿性和中性條件下水解速率大于酸性條件，并且高溫環境(70 ℃)下水解速率大于室溫環境(20 ℃)。Loftin等[62]通過分析氯四環素、OTC和TET等在不同溫度和pH條件下的水解速率，發現隨著pH和溫度的升高污染物水解速率明顯加快，但離子強度對其水解無顯著影響。

2.2.3氧化降解

TCs在強氧化劑的作用下可以迅速氧化降解，常見的氧化劑主要有臭氧、HClO、H2O2、K2FeO4等，其中臭氧氧化對TCs具有較好的降解效果，在水處理中被廣泛應用[63]。臭氧氧化法預處理含有CTC的廢水，處理后廢水可生化性增強，污染物對活性污泥微生物的抑制作用顯著降低，臭氧氧化降解速率主要取決于pH和臭氧劑量[64]，但單獨臭氧氧化過程難以將TET徹底礦化[65-66]。李國亭等[67]研究了高錳酸鉀對TET的降解過程，在不同反應條件下高錳酸鉀對TET的降解率為27.2%～90.9%。

2.2.4微生物降解

微生物降解是抗生素在環境中降解的重要途徑。微生物可以改變抗生素的結構和理化性質，將抗生素殘留物從大分子化合物降解成小分子化合物，直至轉變成H2O和CO2，實現抗生素污染物的無害化。耐藥菌在抗生素的降解過程中發揮著重要作用，通過水解、乙酰轉移和氧化還原機制直接破壞抗生素分子結構而使其失活[68-69]。Huang等[70]從制藥廠排污口的污水樣品中分離出一株酵母菌，其對四環素降解率達到78.28%。Maki等[71]從養殖海水魚的底泥中馴化篩選出具有高效降解作用并有較強耐受能力的效應菌株，其對OTC、DOC和TET等有顯著降解功能。在抗生素微生物降解過程中，主要影響因素有pH、溫度、含氧量及環境介質等[72-73]。在同樣環境條件下，不同類型TCs的微生物降解速率也不同，研究發現在豬糞中添加外源微生物可以提高其中TCs的降解率，不同污染物的降解率為CTC>OTC>TET，且外源微生物的降解能力隨時間逐漸增強[74-76]。微生物降解法處理抗生素污染物具有成本低、特異性強、無二次污染等優點，在抗生素污染物的處理中被廣泛應用。

2.2.5植物吸附

植物吸附通過綠色植物對污染物降解、轉化、吸收、代謝和去毒來修復已被污染的土壤、水體和大氣環境[77]，是一項綠色技術。由于植物擁有龐大的葉冠和發達的根系，其可在環境中進行復雜的物質交換和能量交換，對生態環境的平衡起重要作用[78]。陳小潔等[79]發現，大漂和鳳眼蓮對水中的TCs有清除作用，將大漂和鳳眼蓮在污水中培養一段時間后，其對鹽酸四環素的去除率分別達80%和90%以上。廖杰等[80]研究表明，水芹和空心菜對TCs都有較好的吸收和去除效果，其中水芹對TCs的吸收去除效果明顯高于空心菜，且夏季吸收效果明顯優于冬季，植物吸收的抗生素主要積累在莖部，葉子部位相對較少。Kumara等[81]研究發現，玉米、洋蔥和卷心菜3種植物對土壤中的CTC具有較好的吸收效果，但對泰樂菌素吸收去除效果有限。

3 TCs的生態毒性

TCs在環境中的生態毒性主要表現在：通過影響環境中各種微生物的種群數量以及水生生物、動物、植物等高等生物的種群結構和營養方式，破壞環境中固有的食物鏈和生態系統的平衡；誘發產生各種耐藥菌，其通過大量繁殖和傳播威脅人類健康。

3.1 影響環境生態系統平衡

3.1.1對微生物的生態毒性

抗生素能直接殺死環境(土壤和水體等)中某些微生物或抑制其生長，影響環境中微生物群落結構，導致土壤微生物對其他污染物的降解能力降低[82]。抗生素可有效抑制菌類生長，一般來說，四環素類藥物對微生物的影響為細菌>放線菌>真菌[83]。Dijck等[84]研究發現，含有抗生素的飼料添加劑對土壤和水中多種微生物有顯著影響。TCs可以顯著地降低微生物數量，導致土壤微生物群落結構發生改變，其抑制作用隨抗生素濃度的增加而增強[85-86]。Thiele-Beuhn等[87]研究表明，不同種類抗生素對發光細菌的毒性有差異，微毒(microtox)毒性測試結果顯示，OTC、TET和CTC的半最大效應濃度(EC50)分別為6.119、20.72和64.32 mg/L。張勁強等[88-89]研究表明，牛奶中的OTC對費氏弧菌和青海弧菌有抑制作用，一定濃度范圍內其毒性抑制率隨時間呈對數趨勢增加。TCs對微生物的毒性見表3。

表3 TCs對生物的毒性

3.1.2對水生生物的生態毒性

TCs對水生生物有很強的毒害作用。以藻類為例，當淡水綠藻暴露在TCs下，DOC可使細胞膜通透性降低，CTC和TET在低濃度下可以增加綠藻細胞膜的通透性。徐冬梅等[90-91]研究表明，TET和CTC對銅綠微囊藻的EC50分別為0.09和0.05 mg/L，對綠藻的EC50分別為2.2和3.1 mg/L，銅綠微囊藻對TCs的敏感程度比綠藻要高。王慧珠等[98]以大型溞、斑馬魚和鯽魚等進行測試，結果表明:TET和CTC對水生動物毒性敏感順序為鯽魚>斑馬魚>大型溞，CTC毒性明顯高于TET；經毒性分級標準判斷，TET對3種水生動物均屬于低毒物質，CTC對大型溞屬低毒，對斑馬魚和鯽魚屬中毒。曲甍甍等[99-100]研究表明，TCs對鯽魚腎細胞DNA有損傷，對鯽魚胚胎有致畸現象。Gagne等[92]研究表明，OTC對河蚌的免疫系統有一定毒性影響，可嚴重抑制海膽性腺的生長(表3)。

3.1.3對植物的生態毒性

TCs隨動物糞便和污水排放進入土壤中，進而被植物吸收，并對植物的根和芽等產生生態毒性。Bradel等[101]研究發現，當TET達到一定濃度時，植物芽和根的生長均被抑制，其中根對TET的生態毒性比芽更敏感，TET被植物吸收后主要富集在根部。張乙涵等[102]研究表明，不同植物對TCs的吸收能力不同，一般順序為番茄>黃瓜>黑麥草>苜蓿>胡蘿卜>南瓜>萵筍>玉米。Kong等[93]研究表明，紫花苜蓿對TCs的吸收過程為主動吸收，最后TCs積累在根部，隨著濃度升高會出現葉子變黃現象，主要是由于TCs與葉綠體合成酶結構相似，抑制了葉綠體的翻譯活性所致。

TCs對植物生長發育的影響與其化學性質、使用劑量和土壤吸附能力等因素均有關。Batchelder等[103-104]研究發現，紅扁豆對CTC和OTC 2種抗生素表現非常敏感，當營養液中濃度為160 mg/L時，植物全部死亡；但在土壤中，對紅扁豆進行同樣濃度的處理卻未表現出相應的毒性效應，主要原因是TCs與土壤中二價金屬離子形成了螯合物，降低了其在土壤中的有效濃度。

3.1.4對哺乳動物的生態毒性

抗生素隨肥料進入土壤后，對土壤中的動物會產生生態毒性效應。Baguer等[105]研究了OTC對土壤中蚯蚓、跳蟲和線蟲的影響，結果表明，OTC對土壤中動物的毒性都很低，觀察到的最低效應濃度為3 000～5 000 mg/kg。Boleas等[82]研究了OTC對土壤生物的影響，將OTC濃度為0.01、1和100 mg/kg的土壤添加到表層土壤中，結果發現蚯蚓無死亡，但對土壤生物酶(磷酸酶、脫氫酶)活性有抑制作用。土壤環境中的抗生素不會對土壤動物產生直接毒性效應，但由抗生素引起的土壤微生物群落的變化可能會對土壤動物產生間接影響。

臨床上TCs主要用于治療細菌感染，其過程會引起部分生化功能紊亂，對腎、肝臟和生殖系統產生影響。已有研究表明[95-97，106]，當大鼠體內OTC積累到一定濃度，會產生腎毒性，引起血清尿素和肌酐顯著升高，同時抗氧化酶活性降低，低分子量抗氧化劑含量減少。TET可使大鼠睪丸、附睪和精囊相對重量減少，精子形態異常增加，睪丸組織病理學改變。此外，TET可使大鼠超氧化物歧化酶、過氧化氫酶(CAT)、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活性顯著降低，谷胱甘肽S-轉移酶(GST)和血清GSH、睪酮和γ-谷氨酰轉肽酶活性顯著升高，對大鼠生殖系統毒性比較顯著[107](表3)。

3.2 誘發和傳播耐藥基因

抗生素的大量使用會誘導產生抗性基因，嚴重威脅生態系統安全。長期使用抗生素病人的排泄物和畜牧水產養殖業的動物糞便含有大量殘留抗生素，進入環境后會促使產生抗性基因，并通過水流、雨水沖刷和地表徑流等多種途徑進行傳播和擴散。有研究表明[108]，許多國家的地表水、養殖場廢水、污水廠排水、醫療廢水、空氣、土壤沉積物，甚至是飲用水中均檢出了不同程度的抗性基因，對人類的健康造成嚴重威脅。

近年來，關于水環境中抗性基因被頻頻檢出的報道引起了廣泛關注，魚塘等養殖水體和土壤是耐藥基因產生的重要場所[109]。Dang等[110]在我國沿海養殖場中分離到了OTC抗性基因，在海膽和海參的養殖池中檢測到OTC抗性基因tetA、tetB和tetD。Agerso等[111]在泰國的綜合養魚場中檢測到TET耐藥基因tet39。Tao等[112]在我國珠江流域檢測出4個TET抗性基因tetA、tetB、tetC和tetD，其中tetA和tetB基因多次被檢出，檢測頻率分別為43%和40%。Chee-Sanford等[113]在養豬場附近的化糞池中發現8種TET抗性基因tet(O)、tet(Q)、tet(W)、tet(M)、tetB(P)、tet(S)、tet(T)和otrA；抗性基因會滲到地下水中，在養豬場下游的地下水中依然能檢測到抗性基因，對土壤中土著微生物產生不利影響。Auerbach等[114]在污水處理廠和2個淡水湖也檢測到TET抗性基因，與湖水相比，污水處理廠中TET抗性基因的種類更多，并且活性污泥中也存在高濃度的TET抗性基因。

世界衛生組織曾表示，抗生素抗性基因將成為人類21世紀重要的公共健康問題[115]。抗生素抗性基因在同種生物個體甚至不同生物種之間的傳播和擴散，給生態安全和人類健康帶來風險。作為新的全球性污染問題，抗生素抗性基因及其在環境中的傳播、擴散應引起高度重視。

4 結論與展望

作為新型污染物，TCs在環境中普遍存在，對人類健康和生態環境的危害日趨明顯，受到人們的廣泛關注。TCs在水體中濃度為ng/L～μg/L級，在土壤/沉積物中濃度為ng/L～mg/L級，其中OTC、CTC、TET濃度相對較高。環境行為和生態毒性研究表明:TCs在環境介質中吸附能力較強，更易在土壤中發生降解；TCs降低微生物活性，抑制植物和動物生長發育，對水生生物產生明顯毒害作用。我國是抗生素的生產和使用大國，但對TCs在環境中污染狀況、歸趨和生態毒性的研究還不夠，僅局限于表面現象的描述，缺乏機理研究。今后需系統研究TCs在環境中污染現狀和遷移轉化的作用機理，加強TCs與重金屬、殺蟲劑等其他污染物形成復合污染的研究，深入了解抗性基因的傳播、擴散以及防治，研發降低抗性基因危害的廢水處理技術和管理措施。