SAs在環(huán)境中的分布及修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

范 碩，侯艷紅，王子銘，霍瑞朋，徐 帥，張雪雪，王巨媛*

（1.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東聊城 252000；2.聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東聊城 252000）

SAs（磺胺類抗生素）是應(yīng)用最早、最廣泛的抗生素之一，是一類人工合成的廣譜抑菌藥，用于臨床醫(yī)學(xué)已近50 年，具有抗菌譜廣、性質(zhì)穩(wěn)定、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。磺胺類抗生素主要包括磺胺嘧啶（sulfadiazine）、磺胺甲噁唑（sulfamethoxazole）、磺胺甲基嘧啶（sulfamerazine）等。1969 年，抗菌增效劑——甲氧芐氨嘧啶（TMP）被發(fā)現(xiàn)，研究顯示TMP 與SAs 聯(lián)合使用可使抗菌效果與治療范圍大增。雖然隨著時(shí)代變遷有許多新抗生素生產(chǎn)問(wèn)世，但SAs仍是不可替代的治療藥物[1]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中。本文重點(diǎn)討論SAs 對(duì)環(huán)境的影響。

1 SAs在環(huán)境中的分布及風(fēng)險(xiǎn)研究

1.1 SAs污染殘留現(xiàn)狀研究

近年來(lái)，由于人們過(guò)度依賴抗生素，缺乏合理、適量使用的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致抗生素用量大大增加。2013 年SAs 的使用量達(dá)到了7 920 t，其中用作獸藥的占76%[2]。無(wú)論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，SAs 是使用量最大的獸藥之一。抗生素過(guò)量使用后會(huì)通過(guò)各種途徑排放到環(huán)境中，無(wú)法徹底降解，又經(jīng)食物鏈循環(huán)、碳循環(huán)等多種途徑層層累積，導(dǎo)致抗生素殘留，破壞生態(tài)環(huán)境，威脅人類健康。

1.1.1 SAs在地表水中的分布

SAs 是地表水中常見(jiàn)的污染物之一，其國(guó)內(nèi)外檢出率和濃度均相對(duì)較高，部分地表水SAs 殘留研究報(bào)道見(jiàn)表1。可以看出，沈群輝等調(diào)查得到黃浦江主干及支流中的SAs 檢出濃度是6 種抗生素中最高的，達(dá)到1.3 μg·L-1[3]；徐浩等對(duì)海口市城區(qū)地表水做了檢測(cè)，4 種磺胺類抗生素的平均檢出率為31.25%，其中SMZ 檢出濃度較高，其值為1.138 5 μg·L-1[4]；姜春霞等檢測(cè)了海南東寨港水域，其中SM2 檢出值為0.925 μg·L-1[5]；唐俊等對(duì)安徽巢湖進(jìn)行檢測(cè)，SMZ 檢出值為19.3 μg·L-1[6]。Kolpin等對(duì)美國(guó)30個(gè)洲100多條河流進(jìn)行檢測(cè)，80%的水體被檢測(cè)出有機(jī)污染物共95 種，其中抗生素占21 種，被檢測(cè)出頻率較高的有SMX[7]。Cui等對(duì)長(zhǎng)江流域水進(jìn)行檢測(cè)，SMX 檢出值在1.26～51.86 ng·L-1之間[8]。葉計(jì)朋等檢測(cè)了深圳河水域，SMX檢出值為880 ng·L-1[9]。

表1 抗生素在地表水中的檢出研究結(jié)果

1.1.2 SAs在土壤中的分布

具有吸附性的土壤是污染物一個(gè)重要的匯。抗生素通過(guò)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)殘留物、人類排泄物等作肥料直接或間接地排入土壤，醫(yī)院、家庭等丟棄的過(guò)期抗生素藥品，都造成了土壤中抗生素的積累。張海豐等研究SMZ 污染土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，土壤真菌的多樣性沒(méi)有特別大的變化[10]。抗生素可使土壤微生物的生物量減少，土壤微生物的群落多樣性降低，產(chǎn)生各種毒性效應(yīng)。

1.1.3 SAs在生物體內(nèi)的分布

有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，魚(yú)蝦類[11-12]、獸禽肉[13-14]、乳制品[15]等均存在抗生素殘留。程丹汝等檢測(cè)銅陵順安河中7 種魚(yú)類樣本中的7 種磺胺類抗生素濃度，根據(jù)磺胺類藥物的最高殘留限量（MRL）和人體每日允許攝入量（ADI）對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，魚(yú)樣中7 種磺胺類抗生素的檢出率為27%～100%，總平均質(zhì)量濃度46.99～291.46 ng·g-1[11]。抗生素的不科學(xué)使用現(xiàn)象在蝦養(yǎng)殖中很常見(jiàn)，如王明珠等檢測(cè)出國(guó)內(nèi)外養(yǎng)殖的蝦體內(nèi)都存在抗生素殘留[12]。

1.2 SAs污染殘留風(fēng)險(xiǎn)研究

1.2.1 SAs對(duì)植物的毒害作用

植物吸收土壤中的抗生素，其與植物體內(nèi)某些組分發(fā)生作用，會(huì)對(duì)植物的新陳代謝產(chǎn)生影響。低濃度抗生素會(huì)促進(jìn)植株生長(zhǎng)，但抗生素超過(guò)一定濃度會(huì)對(duì)植物造成傷害。張?zhí)飕摰妊芯炕前范谆奏?duì)小麥種子及幼苗生長(zhǎng)的影響，當(dāng)SM2 濃度到達(dá)10.0 mg·L-1時(shí)開(kāi)始對(duì)小麥種子根伸長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，且隨濃度增大抑制作用顯著增強(qiáng)，采用熒光染色法觀察到小麥根系受到不同程度的傷害[16]。李亞寧等研究磺胺類（SMZ、SM1、ST）抗生素對(duì)油菜葉片可溶性蛋白含量的抑制作用隨濃度增加而逐漸增強(qiáng)，其中SMZ 毒性效應(yīng)最強(qiáng)[17]。徐秋桐等研究SM2 對(duì)蔬菜種子萌發(fā)的影響，當(dāng)抗生素濃度超過(guò)25 mg·kg-1時(shí)會(huì)顯著抑制根伸長(zhǎng)[18]。

1.2.2 SAs對(duì)人體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

前人研究表明，家禽養(yǎng)殖場(chǎng)工作人員攜帶慶大霉素耐藥大腸桿菌的危險(xiǎn)性高于社區(qū)普通人群，約有50%工人感染對(duì)慶大霉素耐藥的大腸桿菌，而其他場(chǎng)地的工人只有3%的感染率[19-20]。這說(shuō)明，如果長(zhǎng)時(shí)間使用抗生素喂養(yǎng)動(dòng)物，會(huì)使動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生耐藥菌，這些耐藥菌通過(guò)直接或間接途徑傳給人類，并且通過(guò)質(zhì)粒等介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移而不斷擴(kuò)增。受感染的動(dòng)物也會(huì)直接將耐藥菌傳播給與其密切接觸的養(yǎng)殖戶、獸醫(yī)等工作人員。

2 SAs修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 生物方法

生物降解主要有植物降解和微生物降解兩種途徑。微生物降解法是一種典型的抗生素殘留去除方法，具有成本低、效能高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，是處理抗生素污染的有效途徑之一[21]。植物既可通過(guò)吸收來(lái)降解抗生素，也可通過(guò)根系分泌物實(shí)現(xiàn)對(duì)抗生素的降解，還可與微生物聯(lián)合降解抗生素。Pei 等研究黑麥草對(duì)土壤中6種抗生素殘留的降解作用均高于對(duì)照，同時(shí)黑麥草還可降低土壤中抗生素對(duì)微生物活性的抑制[22]。周紹軍等人研究白掌、綠蘿、銅錢草和吊蘭4種植物對(duì)過(guò)期諾氟沙星膠囊污染的土壤和水體均有修復(fù)效果。隨著植物培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤和水體中的諾氟沙星濃度逐漸降低，其中吊蘭對(duì)土壤中的諾氟沙星去除率最高，達(dá)到20.95%；白掌對(duì)水體中的諾氟沙星去除效果最好，達(dá)到16.30%[23]。

2.2 化學(xué)方法

抗生素化學(xué)修復(fù)方法有很多，如非均相類芬頓氧化技術(shù)降解、電氣石類芬頓氧化技術(shù)降解[24]等。劉迪等研究錳氧化物修復(fù)抗生素污染技術(shù)[25]，是指MnO2通過(guò)吸附、氧化分解耦合等方式將抗生素轉(zhuǎn)化降解的技術(shù)，對(duì)土壤及生態(tài)環(huán)境的修復(fù)有重要作用[26]。Yang 等研究合成的d-MnO2對(duì)磺胺嘧啶的影響，隨溶液pH 值降低，二氧化錳氧化磺胺嘧啶的比率增加，兩者間的靜電引力減弱，并具有促進(jìn)MnO2還原的潛力[27]。

2.3 物理方法

物理修復(fù)法中最典型的就是生物炭吸附。吸附法具有成本較低、無(wú)副產(chǎn)物、可回收利用的優(yōu)點(diǎn)，在阻控抗生素污染等方面有很大的應(yīng)用潛力。可采用生活中常見(jiàn)的木屑、秸稈、菇渣、煤矸石等廢棄物制備生物炭，對(duì)其進(jìn)行高溫改性后既可減少環(huán)境污染，又能變廢為寶。如熱解后得到的畜禽糞便基質(zhì)堿性、灰分含量提高，對(duì)酸性土壤具有石灰效應(yīng)，原料中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，可直接作為生物肥料使用，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[28]。

2.3.1 生物炭對(duì)SAs的吸附機(jī)理

生物炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)理大致有分配作用和表面吸附作用，還有一些微觀吸附機(jī)制。如王開(kāi)峰等研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈生物炭對(duì)SMZ 和SM2 的吸附過(guò)程是由化學(xué)、物理等不同吸附機(jī)理共同作用完成的[29]。劉朝霞等研究發(fā)現(xiàn)高溫下制備的生物炭表面有含氧官能團(tuán)，內(nèi)部有豐富的多孔隙結(jié)構(gòu)，具有很好的吸附性能[30]。

2.3.2 生物炭吸附的安全評(píng)價(jià)

生物炭性能好、優(yōu)點(diǎn)多，應(yīng)用前景廣闊。研究者在看好生物炭保護(hù)生態(tài)作用的同時(shí)也擔(dān)憂其潛在風(fēng)險(xiǎn)。研究表明生物炭施入土壤后，可使土壤總孔隙率提高[31]。宋建麗等研究不同基質(zhì)（單施蚯蚓糞、菌糠、菌劑、生物炭及其與菌劑配施）對(duì)含四環(huán)素土壤中生長(zhǎng)的玉米幼苗生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)抗生素對(duì)玉米根長(zhǎng)的抑制作用顯著大于對(duì)株高的抑制作用，添加不同基質(zhì)可有效緩解抗生素對(duì)玉米幼苗的毒害作用[32]。研究者推斷可能是植物體受到污染脅迫時(shí)，捕光化合物L(fēng)HC 蛋白合成的轉(zhuǎn)錄過(guò)程受到抑制，進(jìn)而影響葉綠素的積累，而生物炭處理的葉綠素含量提高最顯著，整體來(lái)看生物炭對(duì)作物是相對(duì)安全的。

3 結(jié)語(yǔ)

自抗生素發(fā)明以來(lái)，在生活中很多方面給人類帶來(lái)了巨大幫助，因此應(yīng)用廣泛，尤其是SAs 在國(guó)內(nèi)外的使用量和生產(chǎn)量都占據(jù)了較高比例，且用量還在逐年上升。由于用法、用量不科學(xué)導(dǎo)致SAs 在環(huán)境中大量殘留，人們已在環(huán)境中檢測(cè)到大量殘留，認(rèn)識(shí)到SAs 殘留污染環(huán)境，導(dǎo)致食品安全、人體健康都受到較大影響等問(wèn)題。大量研究表明，針對(duì)SAs 污染的修復(fù)方法有很多，其中生物炭是較好的抗生素吸附介質(zhì)，且改性后的生物炭吸附能力明顯提高，受到廣大科研工作者的青睞。