四環素類抗生素在我國水環境污染現狀及其對水生生物的毒性研究進展

陳小平,王萌,楊長明,吳玲玲,3

(1.同濟大學 環境科學與工程學院,上海 200092;2.吉首大學 生物資源與環境科學學院,湖南 吉首 416000;3.上海市污染控制與生態安全研究所,上海 200092)

四環素類抗生素(TCs)是抗生素中使用量最多、最廣泛的一種。據統計，在歐盟TCs的年消費量約占總抗生素消費量的46%(2 300 t)[1]，而我國2013年TCs約占抗生素消耗量的7%(12 000 t)[2]。TCs的主要種類包括四環素(TC)、土霉素(OTC)、金霉素(CTC)及半合成衍生物甲烯土霉素、強力霉素、二甲胺基四環素等，其中使用最多的為第一代四環素類抗生素TC、OTC和CTC，其分子結構和理化性質見表1。高水溶性和低的辛醇-水分配系數(logKow) 以及相對較低的酸度系數(pKa)值表明TC、OTC和CTC的親水性和酸穩定性。TCs的抗菌原理是通過阻礙氨酰 tRNA與核糖體結合位點的結合來抑制細菌蛋白合成，進而達到抑菌作用，主要應用于人類和動物疾病的防治以及畜禽養殖等。TCs應用于生物體后難以被完全利用，超過75%的TCs以原形或代謝物的形式通過尿液和糞便排出體外[3]，最終不可避免地進入水環境，對非目標生物產生毒性作用，對水環境中水生生物構成潛在的危害，甚至可以通過水生動物的富集進入食物鏈，進而影響人體的健康。

表1 3種TCs的理化性質和分子結構Table 1 The physicochemical properties and molecular structural of TCs

目前，關于TCs對水生生態的影響已有一定的研究。本文對TCs在水環境中的來源、在我國的污染現狀及其對水生生物毒性效應等相關的研究結果進行綜述，旨在對近年來關于TCs在我國水環境的污染現狀及其對水生生物的毒性研究進行總結，引起人類對水環境中TCs污染的重視，并對今后的研究提出展望。

1 水環境中TCs來源與污染現狀

1.1 水環境中TCs來源

水環境是抗生素的重要環境歸宿，據統計，約有50%的抗生素經各種途徑最終進入到水環境當中[4]。TCs進入水環境中的可能來源與路徑見圖1。

水環境中殘留的TCs主要來自其生產和使用過程中產生的廢水和人畜排泄物[5]。這些含有TCs的工業廢水、生活污水和排泄物等通過不同途經如污水處理廠處理、堆肥及直接排放等方式最終進入到水環境中。根據研究，目前傳統污水處理廠對TCs的去除能力有限，在處理過程中TCs會大量吸附在懸浮顆粒物和污泥中，導致處理效率降低[6]。例如某牲畜污水處理廠CTC進水濃度為21.16 mg/L， 經過厭氧消化和高級氧化工藝后，出水中仍殘留濃度為4.5 mg/L的CTC[7]。含有TCs的排泄物和污泥經過堆肥后可作為有機肥料施用到土壤中，造成TCs在土壤中的高濃度污染，如采用糞便施肥的蔬菜基地土壤中，TCs的殘留濃度高達82.75 μg/kg[8]。這些進入土壤的TCs，相當一部分會經淋溶、徑流、浸出等作用最終進入地下水中。此外，一些養殖行業的養殖廢水未經處理就直接排放到環境水體中，也是TCs進入水環境的重要途徑。

1.2 我國水環境中TCs的污染現狀

TCs進入水環境后在復雜的水動力條件下，經過一系列的分布、擴散、遷移、轉化，會進入到不同的環境介質中。目前，在我國地表水、海水、地下水、飲用水和沉積物中都檢測到TCs的存在[9],見表2。

表2 3種TCs在我國水環境中的污染分布(污染濃度：水樣：ng/L；沉積物：ng/g，干重)Table 2 The pollution distribution of TCs in China’s water environment (concentration:water sample:ng/L; sediment:ng/g,dw)

由表2可知，我國部分水環境介質中TCs的殘留濃度普遍處于ng/L到μg/L的范圍，其中在地表水和沉積物中的污染水平和檢出率較高。季節溫度變化等也會影響TCs在水中的殘留濃度。飲用水直接關乎到生態系統的公共健康，包括地下飲用水和地表飲用水。長江是我國重要的飲用水水源地，根據研究，TC、OTC和CTC在長江流域中的最大檢出濃度分別為11.16,18.98,5.86 ng/L，檢出率分別為27.2%,27.2%,7.1%[10]，而淮河流域的飲用水水源中的TC的污染水平可以達到68.6～632 ng/L[11]。 據報道，中國香港學齡兒童學習環境的自來水中檢測到OTC的濃度為0.6 ng/L，而在上海自來水中未檢測到TCs的存在[12]。另有研究指出，我國瓶裝和桶裝飲用水中也有TCs被檢出[13]。除淡水系統外，海水水域也受到了TCs的污染，尤其在淺海區域和海水養殖區，如廣東海岸線[14]、渤海[15]、中國東海等[16]都有TCs檢出。

總體來說，我國水環境中普遍存在著TCs污染，地表水和養殖區域及其相關河網水體中的污染較嚴重，其中，OTC的污染水平相對較高，這可能與OTC在我國的生產和消耗較多并且其在水環境中的半衰期(約55 d)顯著高于TC和CTC有關[2]。此外，TCs還可進入地下水和飲用水水源地，危害飲用水安全，直接對人類健康構成威脅。

2 TCs對水生生物的生態毒性

TCs進入水環境后會對受暴露的水生生物直接產生毒性作用。此外，研究表明TCs會在生物體內發生富集。例如，在太湖野生魚魚體樣本的肝臟、膽汁和肌肉中均檢測到OTC和TC的存在，其中，肝臟部位含量最高，其次是膽汁和肌肉，OTC在三者中的檢出濃度最高分別為12.5,5.33,0.90 μg/L，TC在三者中檢出濃度最高分別為5.63,4.0,3.70 μg/L， 此外，在肌肉中OTC的生物積累因子(BAF)最高可達8 180 L/kg，在膽汁和肝臟中TC的BAF都超過5 000 L/kg[24]。因此，TCs可能會通過生物富集在食物鏈中進行傳遞，從而對整個生態環境乃至人類健康造成威脅。目前，已有大量關于TCs對水生生物毒性的研究。

2.1 TCs對藻類的毒性

植物作為初級生產者，在整個水生生態系統中具有重要地位。其中藻類被經合組織(OECD)推薦為毒理學研究中的模式生物，TCs暴露可導致藻類產生一系列的毒理學效應。根據研究，OTC對近頭狀偽蹄形藻和紡錘纖維藻生長抑制的96 h LC50(50% Inhibition concentration)值為(0.64±0.38) mg/L和(4.17±3.79) mg/L，而CTC對兩種藻類的96 h LC50值為(1.19±0.53) mg/L和(3.23±0.53) mg/L， OTC相比CTC對藻類的毒性較大，而近頭狀偽蹄形藻對毒物的敏感性較高[25]。Ye等[26]對比了CTC、OTC和TC對銅綠微囊藻的毒性效應，其結果表明3種TCs對藻類生長抑制效應從大到小分別為TC > CTC > OTC。通過更多LC和EC等指標的研究也表明了TCs對藻類毒性作用的差異性[27-29]。TCs還可以改變藻類細胞膜的通透性，進而影響藻類細胞生長。例如TC和CTC暴露后，蛋白核小球藻和斜生柵藻的膜通透性改變，造成生長抑制[30]。在趙鳳等[31]和Shang等[32]的研究中，TCs在一定濃度暴露下可顯著降低銅綠微囊藻中葉綠素和蛋白質的含量。TCs還可誘導藻類出現氧化應激，例如經TC一定濃度暴露后，小球藻中活性氧(ROS)水平、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性均顯著增加。此外，TCs同樣對高等水生植物具有一定的生態毒性[33-34]，但相關研究較少。

2.2 TCs對魚類的毒性

目前，使用魚類對TCs的毒性進行研究的相關報道較多且方法趨于成熟。魚類暴露TCs后的毒性主要表現在個體、組織、酶活、分子、組學等水平上，且研究方法中急性暴露較多。不同TCs暴露對不同魚類的毒性差異較大。例如根據研究，TC、OTC和CTC對斑馬魚成魚的96 h LC50分別為406.0,1 341.76,61.15 mg/L，此外TCs暴露還可導致斑馬魚胚胎出現體長縮短、心包水腫、尾部畸形等亞致死效應[35-36]。在急性毒性研究中，TCs對魚類產生毒性的濃度往往高于其在水環境中的殘留濃度，然而，在一些養殖密度較高的附近河流中，TCs殘留濃度接近于毒性效應值，如某研究中TC對斑馬魚胚胎的96 h EC10為3.16 μg/L[36]，其中，在某些養殖廠廢水和接納污水排放的河網中的TCs污染水平甚至遠高于該96 h EC10值，表明TCs對魚類的生態毒性仍不可忽視，具有較大的生態風險[19]。此外，TCs暴露可誘導魚體發生氧化應激，例如TC暴露可顯著增加斑馬魚胚胎中ROS的過量產生[36]。還有研究指出TCs可能引起遺傳毒性，如OTC暴露能誘導鯽魚腎細胞嚴重的DNA損傷[37]。另有研究顯示，TCs暴露可能會短時間內影響魚類的行為，如CTC暴露于成年斑馬魚后，會引起斑馬魚運動過度，并可能促進認知能力下降和加劇攻擊行為[38]。

2.3 TCs對其它水生生物的毒性

水環境生態系統中物種豐富，除上述的藻類和魚類外，其它水生生物在水環境生態系統中同樣處于重要位置，是物質和能量流動的重要環節。研究表明，TCs的暴露也可導致其它水生生物產生一系列的不良后果。如TCs的急性暴露對大型溞具有致死性和亞致死性，其中TC和OTC對大型溞的48 h LC50值分別為2.87,4.44 mg/L[3]，TC、CTC和OTC對大型溞的48 h EC50值分別為617.2,137.6 mg/L[39]和114 mg/L[40]。另有研究指出，TC對浮萍的生長速率、生物量以及葉綠素a和b的含量均具有植物毒性[41]。OTC對水產養殖廠污水中常出現的水滴偽康纖蟲的96 h EC50為 21.38 mg/L[42]。

3 總結與展望

隨著科技發展與經濟進步，抗生素在全球范圍均存在濫用的情況，目前抗生素已被認定為一種新型污染物而受到人們的廣泛關注。四環素類抗生素作為抗生素中生產和使用量較大的一類，在全球各地水環境中頻繁被檢出，其對水環境的潛在生態風險不容忽視。本文綜述了近年來四環素類抗生素在我國水環境中的污染及其對水生生物的毒理研究現狀。總體而言，四環素類抗生素在我國水環境中污染范圍廣、污染水平較高，且沉積物中殘留濃度遠高于地表水。四環素類抗生素會對水生生物造成一定的負面影響，具有一定的潛在生態風險。然而，目前關于四環素類抗生素生態毒性的研究仍有一些不足之處，可以從以下幾個方面展開相關研究工作：

(1)目前關于四環素類抗生素生物效應的研究大多使用遠高于環境濃度的劑量進行短期暴露。通常，生物受到環境污染物的暴露是一個長期過程，而且暴露濃度往往較低，這種較低的暴露濃度在短期可能不會表現出不利影響，但在長期暴露后會對生物體表現出毒害作用。急性高劑量暴露對生物表現出的毒性效應和致毒機制可能與慢性低劑量暴露有所不同。因此，應該加強環境水平下四環素類抗生素長期生物效應的研究。

(2)相比于持久性有機污染物，四環素類抗生素降解速率較快，然而其自然降解過程難以完全礦化，而是產生一系列的中間代謝/降解產物。歐洲藥品評價局(EMEA)就指出在環境風險評估中也必須強調藥物代謝/降解產物的作用[43]。然而，目前關于四環素類抗生素乃至所有抗生素的代謝/降解產物生物效應的研究鮮見報道。