中國典型水域磺胺類合成藥物的環(huán)境生物地球化學(xué)特征*

戴佳佳 宋金明 李學(xué)剛 馬 駿 袁華茂 段麗琴 溫麗聯(lián) 王啟棟

中國典型水域磺胺類合成藥物的環(huán)境生物地球化學(xué)特征*

戴佳佳1, 4宋金明1, 2, 3, 4①李學(xué)剛1, 2, 3, 4馬 駿1, 4袁華茂1, 2, 3, 4段麗琴1, 2, 3, 4溫麗聯(lián)1, 3王啟棟1, 4

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 中國科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266237; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 山東青島 266071)

作為廣譜抗菌的人工合成藥物——磺胺類(SAs)是應(yīng)用最早的一類人工合成抑菌劑之一, 被廣泛用于人類醫(yī)療、禽畜及水產(chǎn)養(yǎng)殖等。大量磺胺類藥物的應(yīng)用隨代謝進(jìn)入水環(huán)境中, 對水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生重要影響并構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn), 截至目前, 這些影響和風(fēng)險(xiǎn)并未被探明。因此, 對8種典型磺胺類合成藥物在我國典型水環(huán)境中的分布特征進(jìn)行了闡述, 評估了它們對不同水生生物的生態(tài)毒性及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 并詮釋了它們在生物體內(nèi)的代謝及其在生態(tài)系統(tǒng)中的降解途徑。結(jié)果表明, 不同水環(huán)境中磺胺類合成藥物的濃度分布差異顯著, 磺胺甲惡唑和磺胺嘧啶分別在水體及沉積物中的濃度和污染程度最高; 水體藻類是磺胺類合成藥物最敏感的水生物種, 其次是甲殼類和魚類, 磺胺甲惡唑?qū)λ鷳B(tài)系統(tǒng)構(gòu)成高風(fēng)險(xiǎn); 磺胺類合成藥物進(jìn)入體內(nèi)后被代謝成不同的產(chǎn)物, 與母體合成藥物一同進(jìn)入水環(huán)境中經(jīng)歷降解過程; 生物降解是水生生態(tài)系統(tǒng)中磺胺類合成藥物去除的主要途徑, 不同種細(xì)菌、真菌及藻類均可降解磺胺類合成藥物。在以后的研究中, 應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)磺胺類合成藥物對水生生物的慢性毒性以及合成藥物混合毒性的研究, 明晰水環(huán)境磺胺類合成藥物的分布-代謝-傳輸-效應(yīng)的綜合過程, 探析磺胺類合成藥物在水生生物體內(nèi)的代謝過程與途徑, 探明磺胺類合成藥物在水環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 為構(gòu)建和諧地球健康環(huán)境、實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

磺胺類藥物; 分布特征; 生物降解; 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn); 水環(huán)境

人工合成藥物是水環(huán)境中的一類新污染物, 其種類繁多, 包括解熱鎮(zhèn)痛藥、抗生素、抗酸藥、安眠藥、鎮(zhèn)靜藥、止瀉藥等, 被人用或動(dòng)物養(yǎng)殖后, 通常隨代謝被排入環(huán)境中, 特別是水環(huán)境中, 在污水處理廠和自然水體中均能檢測到不同殘留水平的人工合成藥物。水環(huán)境中殘留的人工合成藥物可能對人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅, 其研究已成為環(huán)境與健康領(lǐng)域的熱點(diǎn)(彭全材等, 2018; Peng, 2019)。

目前, 化學(xué)合成原料藥約有2 000余種, 總量達(dá)1 070萬噸左右, 中國、意大利、印度的生產(chǎn)量約占全球總量的70%, 中國作為全球最大的原料藥生產(chǎn)國占28%。我國生產(chǎn)的化學(xué)合成原料藥1 500余種, 2013～2021年間化學(xué)合成原料藥在262.1～347.8萬噸, 平均年產(chǎn)300.1萬噸。我國也是全球最大的抗菌類合成藥物的生產(chǎn)國, 2020年產(chǎn)量達(dá)22.3萬噸, 需求量約13.8萬噸。磺胺類作為人工合成廣譜抑菌劑自20世紀(jì)30年代末開始使用以來, 被廣泛應(yīng)用于人類疾病治療以及禽畜和水產(chǎn)養(yǎng)殖疾病預(yù)防。磺胺類合成藥物含有對氨基苯磺酰胺母核結(jié)構(gòu), 可以中斷葉酸的合成, 從而抑制細(xì)菌的生長和繁殖。據(jù)統(tǒng)計(jì), 2018年全球磺胺類產(chǎn)量達(dá)到7萬噸, 我國產(chǎn)量1.45萬噸, 這其中約90%用于獸用, 人用約10%。2020年我國磺胺類藥物使用量約4 800噸, 其中獸用4 290噸。磺胺類合成藥物由于在人類和動(dòng)物體內(nèi)的吸收和降解能力較差, 大約有40%～90%以母體合成藥物或者代謝產(chǎn)物的形式通過尿液和糞便排出體外(Motoyama, 2011), 污水處理廠并不能完全去除磺胺類合成藥物(楊釗等, 2019; Wu, 2021), 且由于在生物處理過程中代謝產(chǎn)物N4-乙酰磺胺發(fā)生反向轉(zhuǎn)化, 甚至檢測到磺胺類合成藥物在污水處理廠流出水中濃度的增加(García Galán, 2012), 從而導(dǎo)致大量的磺胺類合成藥物進(jìn)入水環(huán)境中。目前水環(huán)境中磺胺類合成藥物的殘留主要來源于生活污水、醫(yī)用及制藥廢水、畜牧及水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水, 在地表水、地下水甚至飲用水中都頻繁檢測到磺胺類合成藥物, 其殘留濃度大多在ng/L至μg/L水平(沈群輝等, 2012; 楊俊等, 2019; Zeng, 2022)。

與微塑料等新污染物相比, 雖然水環(huán)境中磺胺類合成藥物的存留時(shí)間較短, 但由于其使用量大且使用頻繁更易于進(jìn)入水環(huán)境中, 表現(xiàn)出“假持久性”, 由于這種在水環(huán)境中的持久存在, 水環(huán)境中殘留的磺胺類合成藥物可能對水生生物的生長產(chǎn)生影響, 對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)。更為嚴(yán)重的是, 磺胺類合成藥物的過度使用和濫用可能會誘導(dǎo)抗生素抗性基因(antibiotic resistant genes, ARGs)的產(chǎn)生, 增加致病菌的抗藥性, 并加速合成藥物抗藥性在環(huán)境介質(zhì)和動(dòng)植物體內(nèi)的傳播。此外, 殘留的磺胺類合成藥物經(jīng)食物鏈富集, 進(jìn)入人體內(nèi)吸收利用, 導(dǎo)致人類健康受到威脅(He, 2016; Xiong, 2019a)。環(huán)境中磺胺類合成藥物的降解主要有生物降解和非生物降解兩類, 目前針對生物降解的研究較多, 在有氧或厭氧條件下的生態(tài)系統(tǒng)中都觀察到磺胺類合成藥物的生物降解, 并已從活性污泥、土壤及海水中分離出多種磺胺類合成藥物降解菌株, 提出了一些磺胺類合成藥物的生物降解途徑(Ricken, 2013; Jiang, 2014)。此外, 微藻介導(dǎo)的磺胺類合成藥物生物降解備受關(guān)注, 可能是一種環(huán)保、有效和安全地去除磺胺類合成藥物的技術(shù)手段(Xiong, 2018)。

本文在對八種常用的磺胺類合成藥物(表1)在我國典型水環(huán)境中的分布特征進(jìn)行歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上, 解析了其在生物體內(nèi)的代謝及其在生態(tài)系統(tǒng)中的降解途徑及生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn), 為系統(tǒng)了解磺胺類人工合成藥物的水環(huán)境生物地球化學(xué)特征, 進(jìn)而為進(jìn)一步探明其在水環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和污染防治提供借鑒。

1 磺胺類合成藥物的水環(huán)境分布特征

由于磺胺類合成藥物的高水溶性和應(yīng)用廣泛性, 因此水環(huán)境是磺胺類合成藥物最主要的歸宿地之一。大量研究表明, 在我國地表水(七大河流和主要湖泊)、海水(四大海域和海灣)以及沉積物中均有磺胺類合成藥物檢出, 其中, 最常檢出的磺胺類合成藥物包括磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶等。

1.1 地表水及海水

我國典型水環(huán)境水體中磺胺類合成藥物的濃度水平見表2。在我國七大河流中, 海河、遼河和珠江中磺胺類合成藥物的污染情況較為嚴(yán)重, 尤其是海河流域, 受污染程度最高, 其中磺胺甲惡唑的最大檢出濃度高達(dá)4 870 ng/L(Chen, 2018)。主要原因是海河位于人口密度高的發(fā)達(dá)地區(qū), 流經(jīng)北京和天津, 導(dǎo)致磺胺類合成藥物在污水中的排放密度及排放量均較大; 其次, 海河中較低的水流量也可能導(dǎo)致其合成藥物濃度升高(Zhou, 2011)。遼河中磺胺甲惡唑的檢出濃度最高, 最大濃度超過1 000 ng/L, 僅次于海河(Bai, 2014)。珠江中磺胺二甲嘧啶的檢出濃度最高, 最大濃度為623 ng/L(Cui, 2020)。近年來, 長江流域磺胺類合成藥物的濃度有下降趨勢(Zhang, 2020), 這可能與2016～2017年不允許在長江干流和支流1 km范圍內(nèi)建造重工企業(yè)和危險(xiǎn)化工廠有關(guān)(Yin, 2021), 因?yàn)槠渌廴疚飼訌?qiáng)和累計(jì)磺胺類物質(zhì)在水環(huán)境中的輸送匯集(Peng, 2019)。盡管黃河是中國第二長河, 但其相關(guān)研究相對較少, 少許的報(bào)道顯示其檢出濃度較低, 磺胺甲惡唑的最大濃度為56 ng/L, 磺胺二甲嘧啶和磺胺嘧啶濃度均低于檢測限(Xu, 2009), 與磺胺類物質(zhì)被高泥沙黃河水的吸附有關(guān)。有關(guān)松花江和淮河的研究報(bào)道最少, 且檢出濃度相對較低(Wang, 2017c; 張慧等, 2019)。松花江中磺胺甲惡唑檢出濃度最高, 最大濃度為73.1 ng/L, 其次是磺胺嘧啶, 最大濃度僅為13.9 ng/L。其余六條河流也存在類似現(xiàn)象, 磺胺甲惡唑的平均濃度和最大濃度遠(yuǎn)高于磺胺嘧啶。有數(shù)據(jù)表明, 2013年磺胺嘧啶在中國的總使用量達(dá)1 260 t, 約為磺胺甲惡唑的4倍(Zhang, 2015), 這應(yīng)當(dāng)與磺胺嘧啶和磺胺甲惡唑的吸附性能差異大有關(guān)。

表1 八種常用磺胺類合成藥物的理化性質(zhì)

Tab.1 The physico-chemical properties of eight common sulfonamides

注: 表中數(shù)據(jù)來源于Chemical Aquatic Fate and Effects (CAFE)數(shù)據(jù)庫(2022),a表示ow的對數(shù),ow表示正辛醇-水分配系數(shù),b表示在某溫度下的水溶性

在我國已研究報(bào)道的湖泊中, 磺胺類合成藥物檢出濃度相對較高的是白洋淀和洪湖, 其中磺胺甲惡唑和磺胺嘧啶的最高檢出濃度分別為452和642 ng/L (白洋淀)、254.9和322.5 ng/L(洪湖)(Wang, 2017a; Yang, 2021b)。作為湖北省最大的淡水湖, 洪湖自身也被用作大型的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地(楊聰?shù)? 2022), 這是其磺胺類合成藥物檢出濃度比其他湖泊更高的主要原因。洞庭湖作為連接長江的湖泊以及我國第二大淡水湖, 水體流動(dòng)性大, 具有較強(qiáng)的稀釋作用。與國內(nèi)其他湖泊相比, 洞庭湖中磺胺甲惡唑和磺胺二甲嘧啶的檢出濃度較低。此外, 除了白洋淀湖和洪湖以外, 洞庭湖中磺胺嘧啶的檢出濃度遠(yuǎn)高于其他湖泊(Liu, 2018)。巢湖和淀山湖中磺胺二甲嘧啶的檢出濃度較高, 最大濃度分別為214.71和54.09 ng/L(Cao, 2020; Zhou, 2022)。鄱陽湖和太湖的檢出濃度較低, 太湖中除了磺胺甲惡唑最高檢出濃度為12.4 ng/L外, 其余磺胺類合成藥物最高濃度均小于10 ng/L, 可能是由于湖水流動(dòng)性較大導(dǎo)致合成藥物濃度降低(Ding, 2017; Hu, 2017)。

總體來講, 在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集的地區(qū), 磺胺類合成藥物的檢出濃度較高。在所有檢出的磺胺類合成藥物中, 磺胺甲惡唑的檢出頻率以及濃度水平最高, 最高濃度可達(dá)到μg/L級別。盡管磺胺甲惡唑的用量較小, 但可能由于其水溶性較高, 且難以被沉積物吸附, 導(dǎo)致大多數(shù)情況下其在水體中具有高檢出濃度和頻率。此外, 在某些水域中還檢測到了磺胺類合成藥物的代謝產(chǎn)物(Jia, 2011), 這提示研究要更加關(guān)注合成藥物代謝產(chǎn)物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

同種磺胺類合成藥物在不同水域中的濃度存在較大差異, 與我國的河流、湖泊地表水相比, 作為陸架邊緣海的渤海、黃海、東海以及南海海水中的磺胺類合成藥物濃度普遍較低, 其中磺胺甲惡唑的濃度相對更高。海水中磺胺類合成藥物濃度低, 這在很大程度上歸因于海水的環(huán)境容量大、稀釋能力較強(qiáng), 此外, 河流運(yùn)輸中稀釋、沉積和降解的影響也不容忽視(Anh, 2021)。磺胺類合成藥物在不同區(qū)域的生產(chǎn)及應(yīng)用存在差異, 與其采樣方法及時(shí)間不同或被調(diào)查地區(qū)的季節(jié)變化等有關(guān)。多數(shù)磺胺類合成藥物濃度水平存在明顯的季節(jié)性變化, 冬季檢出頻率和濃度普遍高于夏季。一是冬季發(fā)病率高, 合成藥物使用量較大。二是夏季是汛期, 水流量大會導(dǎo)致合成藥物濃度的稀釋。三是水溫較高的夏季可能會加快合成藥物在水中的生物降解和光降解速率。但也有的水域表現(xiàn)完全相反, 夏季合成藥物的含量反而高于冬季(Hu, 2017), 一方面可能是因?yàn)橄募緯r(shí)這些合成藥物的使用量增加, 另一方面也可能是沿河水產(chǎn)養(yǎng)殖場的合成藥物殘留在汛期被雨水沖入河中所致。

表2 我國典型水環(huán)境水體中磺胺類合成藥物的濃度(單位: ng/L)

Tab.2 The concentrations of sulfonamides in typical waters in China (unit: ng/L)

注: 表中數(shù)據(jù)為最小值和最大值濃度范圍,a表示最大值, 括號內(nèi)為平均值, ND表示未檢出或低于檢測限, 空白項(xiàng)表示無數(shù)據(jù)

1.2 沉積物

沉積物作為水環(huán)境物質(zhì)的最終歸宿和二次污染源, 沉積物中的物質(zhì)行為是水環(huán)境生物地球化學(xué)的極為重要的組成部分(Song, 2010), 同樣, 沉積物也是新污染物合成藥物的儲存庫及水中合成藥物潛在的污染源。合成藥物進(jìn)入水環(huán)境后可能被吸附, 并蓄積在沉積物中, 此時(shí)沉積物成為合成藥物的儲存庫。當(dāng)水環(huán)境發(fā)生改變時(shí), 沉積物中的合成藥物又可能重新釋放進(jìn)入水中。然而, 相對于水中磺胺類合成藥物環(huán)境殘留水平的研究, 沉積物中的相關(guān)研究相對較少。

我國典型水環(huán)境沉積物中磺胺類合成藥物的濃度水平如表3所示。沉積物中檢出的磺胺類合成藥物種類基本與水體一致, 但磺胺類合成藥物在沉積物中的濃度水平相對較低, 平均濃度大多低于10 ng/g。這可能是由于磺胺類合成藥物的分配系數(shù)較低, 易溶于水且不易吸附在沉積物中所致。目前, 關(guān)于我國不同水域沉積物中磺胺類合成藥物濃度的研究很不系統(tǒng), 還未見到有關(guān)松花江和淮河沉積物中的相關(guān)研究報(bào)道。從已報(bào)道的研究來看, 海河沉積物中磺胺類合成藥物的濃度相對較高, 其中, 磺胺嘧啶的最大濃度高達(dá)12 300 ng/g, 而磺胺甲惡唑只有25.4 ng/g, 與水中的數(shù)據(jù)完全相反(Chen, 2018), 這可能是由于磺胺嘧啶的吸附性能較強(qiáng)所致(Na, 2013)。與水體不同的是, 沉積物中磺胺類合成藥物濃度的季節(jié)性變化并不明顯, 這可能是因?yàn)槌练e物中合成藥物的移動(dòng)性相對差一些, 具有一定的穩(wěn)定性。因此, 沉積物中合成藥物的污染特征可反映該水體中合成藥物的歷史使用情況。目前, 關(guān)于合成藥物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化相關(guān)的研究很少, 沉積物吸附可能是導(dǎo)致合成藥物在水環(huán)境中持續(xù)存在的最重要機(jī)制之一(Yang, 2021a)。

表3 我國典型水環(huán)境沉積物中磺胺類合成藥物的濃度(單位: ng/g)

Tab.3 The concentrations of sulfonamides in sediment of typical waters in China (unit: ng/g)

注: 表中數(shù)據(jù)為最小值和最大值濃度范圍,a表示最大值, 括號內(nèi)為平均值, ND表示未檢出或低于檢測限, 空白項(xiàng)表示無數(shù)據(jù)

2 磺胺類合成藥物的生物轉(zhuǎn)化及降解

2.1 生物轉(zhuǎn)化

磺胺類合成藥物進(jìn)入生物體內(nèi)后主要在肝臟中進(jìn)行代謝。研究表明, 磺胺類合成藥物在體內(nèi)并沒有完全代謝, 大多數(shù)是以原藥或代謝產(chǎn)物的形式排出體外, 進(jìn)入生態(tài)環(huán)境中(Motoyama, 2011)。磺胺類合成藥物在人或動(dòng)物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化主要通過N4-氮原子的氧化、乙酰化或羥基化途徑進(jìn)行, N1-或N4-氮原子的葡萄糖醛酸化也有發(fā)生(Baran, 2011)。在人體內(nèi), 磺胺嘧啶通過其N4-氮原子的氧化和乙酰化途徑生成代謝產(chǎn)物N4-羥基磺胺嘧啶和N4-乙酰磺胺嘧啶(Vree, 1995)。磺胺二甲氧嘧啶在人體內(nèi)通過N1-葡萄糖醛酸化和N4-乙酰化途徑進(jìn)行代謝(Vree, 1990)。在人尿液樣本中檢測到磺胺甲惡唑的三種代謝產(chǎn)物, 分別為5-甲基羥基磺胺甲惡唑、N4-乙酰基-5-甲基羥基磺胺甲惡唑以及磺胺甲惡唑-N1-葡萄糖醛酸苷(Vree, 1994)。磺胺類合成藥物在動(dòng)物體內(nèi)的代謝與人體內(nèi)相似, N4-乙酰化是其主要代謝途徑。在牛和豬養(yǎng)殖場中發(fā)現(xiàn)了磺胺二甲嘧啶的代謝產(chǎn)物N4-乙酰磺胺二甲嘧啶, 代謝產(chǎn)物的濃度比母體合成藥物低2～50倍, 表現(xiàn)出不同的生物轉(zhuǎn)化率(Haller, 2002)。此外, 動(dòng)物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物還包括其他形式, 比如脫氨代謝物和N4-葡萄糖偶聯(lián)物(García-Galán, 2008)。這些代謝產(chǎn)物通常具有較低的抗菌活性, 但是其活性在體外條件下可以很容易地恢復(fù), 如N4-乙酰磺胺二甲嘧啶在廢水處理過程中又重新轉(zhuǎn)化為母體合成藥物磺胺二甲嘧啶(G?bel, 2005)。除上述主要代謝產(chǎn)物外, 其他代謝產(chǎn)物的濃度很低, 在環(huán)境中可能不明顯。磺胺類合成藥物的主要代謝產(chǎn)物如圖1所示。應(yīng)當(dāng)注意的是, 一旦從體內(nèi)釋放到環(huán)境中, 母體合成藥物及其代謝產(chǎn)物都可能經(jīng)歷生物降解和非生物降解過程。

圖1 磺胺類合成藥物在生物體內(nèi)的主要代謝產(chǎn)物(García-Galán et al, 2008)

2.2 磺胺類的降解

2.2.1 生物降解 生態(tài)系統(tǒng)中生物降解在磺胺類合成藥物的去除中具有重要作用(García Galán, 2012)。盡管在常規(guī)污水處理廠中被廣泛應(yīng)用的活性污泥工藝對磺胺甲惡唑的去除效果并不明顯, 但是從活性污泥中分離出的純細(xì)菌可顯著增強(qiáng)對磺胺甲惡唑的去除能力, 某些物種甚至可以完全礦化磺胺甲惡唑(Wang, 2018)。迄今為止, 已經(jīng)分離出多種磺胺類合成藥物的降解微生物, 其中大多數(shù)都是從活性污泥、廢水、土壤和海水中分離得到的。接種微桿菌BR1培養(yǎng)24.5 h后, 磺胺甲惡唑、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶和磺胺甲噻二唑可被完全降解。進(jìn)一步研究表明, 其降解是由還原型輔酶Ⅰ (nicotinamide adenine dinucleotide, NADH)依賴性羥基化引發(fā), 鑒定出磺胺甲惡唑的降解產(chǎn)物為3-氨基-5-甲基異惡唑、4-苯醌-亞胺和4-氨基苯酚以及磺胺嘧啶的降解產(chǎn)物為2-氨基嘧啶, 另外還有其他三種磺胺類合成藥物的降解產(chǎn)物也被發(fā)現(xiàn)(Ricken, 2013)。不同菌種在不同的營養(yǎng)條件下表現(xiàn)出特定的生物降解速率, 易于降解的能源可能對于有效的磺胺甲惡唑生物降解至關(guān)重要(Herzog, 2013)。從活性污泥中分離出的水谷鞘氨醇桿菌LLE5以磺胺甲惡唑?yàn)槲ㄒ惶荚? 7天內(nèi)可降解高達(dá)93.87%的50 mg/L磺胺甲惡唑, 其中磺胺、4-氨基苯硫酚、3-氨基-5-甲基異惡唑和苯胺為降解途徑中的代謝產(chǎn)物(Song, 2021)。從活性污泥和廢水中分離出的反硝化無色桿菌PR1能夠以磺胺甲惡唑?yàn)槲ㄒ粊碓椿蚺c醋酸鹽和琥珀酸鹽共同代謝磺胺甲惡唑, 并且在環(huán)境相關(guān)和高濃度下(ng/L至mg/L水平)均能夠完全降解磺胺甲惡唑。同時(shí)觀察到3-氨基-5-甲基異惡唑是其唯一的代謝物, 并且發(fā)現(xiàn)它是無毒的(Nguyen, 2017)。嗜冷假單胞菌HA-4在10 °C下培養(yǎng)192 h后對磺胺甲惡唑的最大去除率為34.30%, 表明其在低溫下降解甲惡唑的潛力。鑒定HA-4生物降解磺胺甲惡唑的主要中間體包括苯胺、3-氨基-5-甲基異惡唑、4-氨基苯硫酚和磺胺(Jiang, 2014)。兩種土壤微桿菌(SDZm4和sp.C448)可以完全降解磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶, 并且觀察到磺胺類合成藥物的生物降解速率隨著碳源的添加而增加, 此外鑒定出二者的降解產(chǎn)物分別2-氨基嘧啶和2-氨基-4,6-二甲基嘧啶(Tappe, 2013; Topp, 2013)。從海水中分離得到的不動(dòng)桿菌HS51可在2天內(nèi)降解72%的磺胺吡啶和67%的磺胺噻唑(10 mg/L)(Zhang, 2012)。

除細(xì)菌外, 真菌也具有降解磺胺類合成藥物的能力。有研究表明, 白腐真菌(糙皮側(cè)耳、肺形側(cè)耳和栓菌屬)都能夠降解磺胺甲惡唑和甲氧芐啶(De Araujo, 2017)。側(cè)耳屬真菌的降解能力高于栓菌屬。其中糙皮側(cè)耳的降解能力最強(qiáng), 培養(yǎng)15 d后降解了大約74%的磺胺甲惡唑和40%的甲氧芐啶。血紅密孔菌和糞產(chǎn)堿菌共培養(yǎng)24 h后, 去除了73.7%的磺胺甲惡唑, 去除效率顯著高于單一培養(yǎng)物(Li, 2016)。

關(guān)于藻類降解磺胺類合成藥物的研究也有報(bào)道。已經(jīng)證實(shí), 混合營養(yǎng)微藻可以通過生物降解過程從廢水或合成廢水中降解磺胺類合成藥物(Xiong, 2018)。一種綠色微藻斜生柵藻與磺胺二甲嘧啶和磺胺甲惡唑培養(yǎng)11 d后的降解率分別為17.3%和29.3%, 聯(lián)合作用時(shí)降解率發(fā)生了變化, 加入磺胺甲惡唑后, 磺胺二甲嘧啶的降解率明顯提高了3.4倍。同時(shí)鑒定出磺胺甲惡唑的6種代謝產(chǎn)物和磺胺二甲嘧啶的7種中間體, 并提出了轉(zhuǎn)化途徑, 包括環(huán)裂解、羥基化、甲基化、亞硝化和脫氨反應(yīng)。此外, 還觀察到僅磺胺甲惡唑抑制假單胞菌的生長, 而其代謝產(chǎn)物無毒性(Xiong, 2019b)。蛋白核小球藻在沒有其他碳源的情況下11 d內(nèi)降解了14.9%的磺胺甲惡唑, 而當(dāng)培養(yǎng)5 d時(shí)添加乙酸鈉后, 蛋白核小球藻對磺胺甲惡唑的降解效率從6.05%顯著提高到99.3%。此外, 對其代謝途徑的研究表明磺胺甲惡唑的15種代謝產(chǎn)物是氧化、羥基化、甲酰化、側(cè)鏈斷裂以及與蝶呤相關(guān)的偶聯(lián)作用的結(jié)果(Xiong, 2020)。

總體而言, 有關(guān)磺胺甲惡唑生物降解的研究報(bào)道最多, 可能是與它在水環(huán)境中表現(xiàn)出較高的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。磺胺甲惡唑的主要生物降解途徑如圖2和圖3所示。在細(xì)菌中, 磺胺甲惡唑生物降解的主要中間體通過其苯胺或胺基芳雜環(huán)側(cè)基的羥基化和乙酰化反應(yīng)生成, 3-氨基-5-甲基異惡唑是最常檢測到的產(chǎn)物。藻類的生物降解目前尚未得到系統(tǒng)的研究, 已報(bào)道的降解途徑涉及環(huán)裂解、氧化、偶聯(lián)、羥基化、甲基化、亞硝化和脫氨等多種反應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意的是, 磺胺類合成藥物降解菌株的實(shí)際應(yīng)用具有引起合成藥物抗性細(xì)菌繁殖和抗性基因傳播的潛在風(fēng)險(xiǎn), 真菌形態(tài)和緩慢的分解代謝動(dòng)力學(xué)阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。此外, 細(xì)菌和真菌的正常生長還需要額外的碳源和營養(yǎng)源來維持, 固碳最終會釋放到大氣CO2中, 這也是應(yīng)用細(xì)菌和真菌進(jìn)行生物降解的缺點(diǎn)。而藻類介導(dǎo)的生物降解是一種太陽能驅(qū)動(dòng)、生態(tài)綜合和可持續(xù)的策略, 可能是一種更為環(huán)保、有效和安全的磺胺類合成藥物去除手段(Xiong, 2018)。

圖2 磺胺甲惡唑在不同細(xì)菌中的降解途徑(Ricken et al, 2013; Jiang et al, 2014; Song et al, 2021)

圖3 磺胺甲惡唑在不同藻類中的降解途徑(Xiong et al, 2019b, 2020)

2.2.2 非生物降解 非生物降解主要包括光降解、水解和吸附等。其中, 光降解是磺胺類合成藥物重要的降解過程, 因?yàn)樗鼈兙哂蟹枷悱h(huán)、雜原子和其他能吸收太陽輻射的功能性發(fā)色團(tuán)(Fatta-Kassinos, 2011)。在模擬太陽光照24 h內(nèi), 輻照導(dǎo)致除磺胺二甲嘧啶(52%)外的磺胺類合成藥物(磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑)及其N4-乙酰代謝產(chǎn)物幾乎全部降解(88%～ 98%), 其光降解產(chǎn)物主要通過S-N鍵的斷裂和SO2的擠出這兩條途徑生成(Peri?a, 2013)。在紫外線照射下, 磺胺類合成藥物的光降解均遵循準(zhǔn)一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué), 具有五雜環(huán)的磺胺類合成藥物(磺胺甲惡唑、磺胺噻唑)表現(xiàn)出比具有六雜環(huán)磺胺類合成藥物(磺胺二甲嘧啶、磺胺嘧啶)明顯更高的光降解速率(Lian, 2015)。光降解在水中能夠有效降解磺胺類合成藥物, 但由于紫外光的實(shí)際應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn), 因此利用太陽光對水環(huán)境中磺胺類合成藥物進(jìn)行降解具有實(shí)際意義。

3 磺胺類合成藥物的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

3.1 磺胺類合成藥物的生態(tài)毒理

磺胺類合成藥物殘留對水環(huán)境中的生態(tài)危害主要體現(xiàn)在對水生生物的影響以及對物質(zhì)循環(huán)的干擾兩個(gè)方面。當(dāng)合成藥物的殘留濃度和時(shí)間超過微生物的耐受極限時(shí), 會抑制微生物的生長甚至殺死微生物, 顯著影響微生物的數(shù)量和種類, 使微生物群落產(chǎn)生抗藥性, 擾亂生態(tài)系統(tǒng)的平衡, 干擾物質(zhì)循環(huán)(Zeng, 2022)。盡管水環(huán)境中的磺胺類合成藥物及代謝產(chǎn)物相對存留的時(shí)間較短, 但是由于其在水環(huán)境中具有“假持久性”特點(diǎn), 其生物毒性仍不可忽視。

磺胺類合成藥物對水生生物危害的研究主要是通過毒性試驗(yàn)評估。現(xiàn)有的毒性試驗(yàn)大多聚焦在高濃度合成藥物對水生生物的急性毒性試驗(yàn), 而對于環(huán)境中的低濃度合成藥物殘留毒性試驗(yàn)研究較少。不同種類的合成藥物對于水生生物的急性毒性是不同的, 根據(jù)海洋環(huán)境保護(hù)科學(xué)問題聯(lián)合專家組(GESAMP)提出的分類標(biāo)準(zhǔn), 半數(shù)效應(yīng)濃度(median effect concentration, EC50)或半數(shù)致死濃度(median lethal concentration, LC50)值低于0.1 mg/L的被劃分為極高毒性, 在0.1～1 mg/L范圍內(nèi)被歸為高度毒性, 1～10 mg/L之間屬于中度毒性, 10～100 mg/L之間被認(rèn)為是輕度毒性, 高于100 mg/L被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)無毒性(Duan, 2022)。

迄今為止, 已確定受影響的非目標(biāo)水生物種包括海洋細(xì)菌(費(fèi)舍爾弧菌)、藻類(藍(lán)藻、綠藻和)、甲殼類(大型溞)和魚類(青鳉魚和斑馬魚)。細(xì)菌、藻類、甲殼類和魚類在食物鏈中都占據(jù)著重要的營養(yǎng)水平, 這些都是值得關(guān)注的關(guān)鍵類群。藻類代表水生食物鏈底部的初級生產(chǎn)者, 甲殼類和魚類代表水生食物鏈中上層的生物。表4中總結(jié)了常用磺胺類合成藥物對這四類非目標(biāo)水生生物的急性毒性數(shù)據(jù)(EC50和LC50值)。如表4所示, 急性毒性數(shù)據(jù)因試驗(yàn)物種和合成藥物種類不同而有所差異。其中, 最敏感的淡水生物是藍(lán)藻, 磺胺甲惡唑?qū)ζ浔┞?6 h的EC50值僅為0.026 8 mg/L, 表現(xiàn)出極高毒性(Ferrari, 2004)。磺胺類合成藥物對淡水綠藻暴露24 h的EC50值在1.54～32.25 mg/L (Bia?k-Bielińska, 2011), 屬于輕度或中度毒性。對于海洋生物而言, 海洋細(xì)菌對磺胺類合成藥物大多不敏感, 其中磺胺甲惡唑和磺胺二甲嘧啶暴露30 min的EC50值大于100 mg/L, 磺胺二甲氧嘧啶則超過500 mg/L (Bia?k-Bielińska, 2011)。磺胺類合成藥物對甲殼類和魚類幾乎無毒性, 其中對甲殼類(大型溞)暴露48 h的EC50值范圍為149.3～375.3 mg/L (Kim, 2007; De Liguoro, 2009), 對青鳉魚作用96 h的LC50值大多超過500 mg/L (Kim, 2007; Park, 2008)。此外, 磺胺甲惡唑?qū)Π唏R魚的96 h EC50值甚至大于1 000 mg/L (Isidori, 2005)。總體來講, 低營養(yǎng)水平的生物(如藻類)對磺胺類合成藥物的敏感性比高營養(yǎng)水平的生物(如甲殼類和魚類)更高, 即營養(yǎng)水平越高, 毒性越低。磺胺甲惡唑?qū)υ孱惖募毙远拘宰罡? 尤其是藍(lán)藻, 比綠藻高出兩個(gè)數(shù)量級。海水中的磺胺類合成藥物由于其濃度較低, 對海洋細(xì)菌并未表現(xiàn)出較高的急性毒性。

由于水環(huán)境中磺胺類合成藥物的殘留濃度較低(從ng/L至μg/L水平), 因此在這些濃度下, 它們不太可能引起急性毒性。然而, 這些污染物的持續(xù)排放和持續(xù)存在很可能對非目標(biāo)水生生物產(chǎn)生意想不到的危害, 比如抑制藻類生長、光合作用和抗氧化系統(tǒng)(Wang, 2017b), 導(dǎo)致魚類發(fā)育畸形、運(yùn)動(dòng)能力下降、器官功能紊亂和氧化應(yīng)激等(Lin, 2014; 林濤等, 2014), 因此不應(yīng)該低估它們的潛在危害。根據(jù)已有研究, 磺胺類合成藥物對水生生物的影響主要涉及三種機(jī)制: (1) 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激, 生物標(biāo)志物包括過氧化氫酶(catalase, CAT)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(glutathione S-transferase, GST)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase, GR)、丙二醛(malonaldehyde, MDA)、還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)和7-乙氧基異吩惡唑酮脫乙基酶(7-ethoxyresorufin-O-deethylase, EROD); (2) 引起神經(jīng)毒性, 生物標(biāo)志物為乙酰膽堿酯酶(acetylcholinesterase, AChE); (3) 影響遺傳毒性的DNA完整性(Duan, 2022)。當(dāng)草魚在0.3 μg/L的磺胺甲惡唑濃度下處理30 d時(shí), CAT和SOD的活性顯著降低, 這表明低濃度的磺胺甲惡唑誘導(dǎo)了氧化應(yīng)激并造成了嚴(yán)重?fù)p傷(Zhao, 2020)。較高濃度的磺胺甲惡唑短期處理可抑制金魚中AChE的活性, 而低濃度長期處理并未顯著改變AChE的活性卻顯著降低了SOD的活性(Yang, 2019)。低濃度(260 ng/L)的磺胺甲惡唑持續(xù)作用84 d后, 不僅損害了尼羅羅非魚的腸道完整性并誘發(fā)腸道菌群失調(diào), 還引起了其腸道和肝臟氧化應(yīng)激并造成了DNA損傷(Limbu, 2018)。

表4 磺胺類合成藥物對非目標(biāo)水生生物的急性毒性

Tab.4 Acute toxicity of sulfonamides to non-target aquatic organisms

3.2 磺胺類合成藥物代謝及降解產(chǎn)物的生態(tài)毒理

不僅母體合成藥物, 其代謝及降解產(chǎn)物也對非目標(biāo)水生生物具有毒理學(xué)作用。通過光降解產(chǎn)生的磺胺甲惡唑降解產(chǎn)物對費(fèi)舍爾弧菌仍然保持發(fā)光毒性, 其生長抑制活性與母體合成藥物相比略有下降, 但是這種下降與磺胺甲惡唑的轉(zhuǎn)化不成比例(Gmurek, 2015)。磺胺甲惡唑的部分臭氧化降解產(chǎn)物對大型蚤和近頭狀偽蹄形藻的毒性顯示在反應(yīng)早期階段形成了有毒副產(chǎn)物, 并且在磺胺甲惡唑完全耗盡后仍有相當(dāng)大的毒性持續(xù)存在(del Mar Gómez-Ramos, 2011)。此外, 盡管未觀察到磺胺甲惡唑代謝產(chǎn)物對蛋白核小球藻生長的明顯抑制, 但是磺胺甲惡唑與蝶呤偶聯(lián)復(fù)合物的形成可能會干擾葉酸的生物合成(Xiong, 2020)。這些研究都表明去除母體合成藥物不足以避免環(huán)境中有毒物質(zhì)的釋放, 應(yīng)當(dāng)重視其代謝及降解產(chǎn)物所產(chǎn)生的潛在不利影響。然而, 目前有關(guān)這方面的研究相對匱乏, 未來還應(yīng)加強(qiáng)對磺胺類合成藥物代謝及降解產(chǎn)物的毒理學(xué)表征。

由于不同類型的人工合成藥物被排放到水環(huán)境, 水生生物總是暴露于多種藥物污染物的混合物中(Yang, 2020), 因此進(jìn)一步評估混合物對水生生物的影響十分重要。盡管單個(gè)磺胺類合成藥物在水環(huán)境中的濃度過低, 不會對水生生物產(chǎn)生明顯的毒性, 但多種磺胺類合成藥物的聯(lián)合作用可能對水生生物產(chǎn)生較強(qiáng)的毒性。特別是兩種及以上的合成藥物有時(shí)作為一種聯(lián)合藥物同時(shí)使用, 如磺胺甲惡唑和甲氧芐啶(Kovalakova, 2020)。合成藥物混合物對魚類、藻類、甲殼類和細(xì)菌的毒性影響已有研究, 其中磺胺類合成藥物混合物對水生生物的毒性表現(xiàn)出協(xié)同或疊加效應(yīng)(Yang, 2008; Hamid, 2020)。此外, 磺胺類合成藥物與其他類型人工合成藥物的聯(lián)合毒性也有報(bào)道。磺胺間甲氧嘧啶、頭孢噻肟鈉、四環(huán)素及恩諾沙星聯(lián)用顯著抑制了斑馬魚幼蟲的早期發(fā)育并破壞了其代謝系統(tǒng)(Qiu, 2020)。磺胺甲惡唑和咖啡因的聯(lián)合作用對金魚體內(nèi)AChE和GST活性變化表現(xiàn)為疊加作用, 而對EROD和SOD的誘導(dǎo)表現(xiàn)為拮抗作用(Li, 2012a)。這些研究提示我們未來有必要進(jìn)行深入且系統(tǒng)地研究, 以更好地了解不同人工合成藥物對水生系統(tǒng)的綜合影響。

3.3 磺胺類合成藥物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要由合成藥物的毒性體現(xiàn), 水環(huán)境中磺胺類合成藥物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)可以使用風(fēng)險(xiǎn)熵(risk quotients, RQs)進(jìn)行評估, 計(jì)算公式如下:

式中: MEC為合成藥物實(shí)測濃度(measured environmental concentration), 單位: ng/L; PNEC為預(yù)測無效應(yīng)濃度(predicted no-effect concentration), 單位: ng/L; EC50為半數(shù)效應(yīng)濃度, LC50為半數(shù)致死濃度, 單位: ng/L; AF為評估因子(assessment factor), 急性毒性試驗(yàn)中取值為1 000 (楊俊等, 2019)。

磺胺類合成藥物的急性毒性數(shù)據(jù)(EC50和LC50值)見表4, 針對其最敏感物種所對應(yīng)的急性毒性結(jié)果, 根據(jù)公式(2)計(jì)算獲得最小的PNEC值。MEC值取自表2中磺胺類合成藥物的最大檢出濃度, 通過公式(1)計(jì)算得到RQs值。根據(jù)RQs值的高低劃分風(fēng)險(xiǎn)等級, 其中: RQs<0.1為低風(fēng)險(xiǎn); 0.1≤RQs<1為中風(fēng)險(xiǎn); RQs≥1為高風(fēng)險(xiǎn)(Hernando, 2006)。需要指出的是, 由于毒性數(shù)據(jù)有限, 基于此方法獲得的PNEC值具有很大的不確定性, 因?yàn)樗鼈兺耆蕾囉谧钚〉募毙远拘詳?shù)據(jù)。每種合成藥物的毒性數(shù)據(jù)在很大程度上取決于其化學(xué)性質(zhì)、測試種類和試驗(yàn)條件。因此, 較少的毒性數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致較大的不確定性。

我國典型水環(huán)境中磺胺類合成藥物的最大RQs值見表5。如4.1中所述, 除缺乏磺胺二甲氧嘧啶對藻類的急性毒性數(shù)據(jù)外, 其余七種磺胺類合成藥物都對藻類表現(xiàn)出最高的急性毒性。其中, 磺胺甲惡唑?qū)：铀w中藻類的RQs值高達(dá)181.72, 表現(xiàn)出高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。磺胺嘧啶和磺胺二甲嘧啶分別對白洋淀和海河水體中的藻類構(gòu)成中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 而磺胺吡啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺氯噠嗪、磺胺甲嘧啶以及磺胺噻唑則對水體中的藻類或甲殼類呈現(xiàn)出低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。綜上, 磺胺甲惡唑?qū)：铀w中最敏感水生物種藻類存在高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 應(yīng)當(dāng)引起重視。

4 總結(jié)與展望

水環(huán)境正面臨著磺胺類合成藥物被廣泛使用所帶來的重大威脅。在我國七大河流、湖泊以及四大海域的水體和沉積物中都檢測到了不同種類的磺胺類合成藥物, 其中磺胺甲惡唑在水體中的檢出濃度較高, 最大濃度達(dá)到μg/L級, 而磺胺嘧啶在沉積物中的檢出濃度較高, 濃度高達(dá)μg/g級, 這與兩者的吸附能力有關(guān)。我國典型水環(huán)境中磺胺類合成藥物的濃度分布明顯不同, 這主要與經(jīng)濟(jì)水平、人口密度、降水量、水流量、采樣方法及時(shí)間等因素有關(guān)。進(jìn)入人體和動(dòng)物體內(nèi)的磺胺類合成藥物可以被代謝生成不同的產(chǎn)物, 這些代謝產(chǎn)物隨母體合成藥物一起進(jìn)入環(huán)境中。生物降解是生態(tài)系統(tǒng)中磺胺類合成藥物去除的主要途徑, 磺胺類合成藥物可以被不同種細(xì)菌、真菌及藻類所降解。在水生生態(tài)系統(tǒng)中, 磺胺類合成藥物對藻類的急性毒性高于甲殼類和魚類, 其中磺胺甲惡唑的毒性最強(qiáng)。此外, 磺胺甲惡唑?qū)：铀w中的藻類表現(xiàn)出高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn), 應(yīng)當(dāng)特別關(guān)注海河中水生生物的健康狀況。

表5 磺胺類合成藥物在水環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)熵(RQs)

Tab.5 The RQs of sulfonamides in aquatic environment

磺胺類合成藥物在水環(huán)境中的生態(tài)環(huán)境行為至今并不清晰, 生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)未知, 需要采用多學(xué)科的綜合知識和高技術(shù)手段, 探明合成藥物的環(huán)境生物地球化學(xué)行為, 為人類健康和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)基礎(chǔ)。須特別關(guān)注: (1) 加強(qiáng)磺胺類合成藥物對水生生物的長期毒性研究。以往關(guān)于磺胺類合成藥物的毒性研究大多是針對其短期的急性毒性, 然而需要更多關(guān)注的是其長期的慢性毒性作用, 這樣可以了解低濃度磺胺類合成藥物長期暴露于各種水生生物的真實(shí)情況; (2) 系統(tǒng)開展磺胺類合成藥物混合毒性的研究。磺胺類合成藥物在水環(huán)境中并不只是單獨(dú)存在, 還有其他種類的合成藥物及其代謝和降解產(chǎn)物的存在, 因此未來應(yīng)當(dāng)評估多種合成藥物及其代謝或降解產(chǎn)物聯(lián)合的生態(tài)毒性, 以了解合成藥物混合物對水生系統(tǒng)的實(shí)際毒性; (3) 聚焦水環(huán)境磺胺類合成藥物的分布-代謝-傳輸-效應(yīng)的綜合過程及其在水生生物體內(nèi)的代謝過程與途徑的研究。目前, 有關(guān)磺胺類合成藥物在水生生物體內(nèi)代謝過程的研究相對匱乏, 未來可以磺胺類合成藥物在哺乳動(dòng)物體內(nèi)的代謝研究為基礎(chǔ), 探析其在水生生物體內(nèi)的代謝過程與代謝途徑, 反演人為活動(dòng)對水生生態(tài)環(huán)境的影響, 從微觀層面探析水生生物在化學(xué)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化中的作用; (4) 以磺胺類合成藥物為切入點(diǎn), 嚴(yán)格進(jìn)行合成藥物的生產(chǎn)與使用的監(jiān)管管控。我國作為合成藥物生產(chǎn)和消耗大國, 面臨著比其他國家更大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn), 未來不僅要加強(qiáng)對磺胺類等合成藥物使用及排放的監(jiān)管, 同時(shí)須開展有效和廉價(jià)去除水環(huán)境中的磺胺類等合成藥物及其代謝/降解產(chǎn)物的技術(shù)體系研發(fā), 從而促進(jìn)地球環(huán)境的和諧發(fā)展。

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近日，由水利部綜合事業(yè)局、中國水利學(xué)會、湖南省水利廳、長沙市人民政府、湖南廣播電視臺、國家級長沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會等單位共同主辦的2012中國國際水利機(jī)械及施工裝備展覽會（簡稱水工展）在湖南國際會展中心舉行。作為水利行業(yè)首個(gè)專業(yè)機(jī)械展會，水工展吸引了近200家水利機(jī)械及施工裝備展商參展，近萬名專業(yè)觀眾觀摩展會。

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ENVIRONMENTAL BIOGEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SULFONAMIDES IN TYPICAL AQUATIC ENVIRONMENTS OF CHINA

DAI Jia-Jia1, 4, SONG Jin-Ming1, 2, 3, 4, LI Xue-Gang1, 2, 3, 4, MA Jun1, 4, YUAN Hua-Mao1, 2, 3, 4, DUAN Li-Qin1, 2, 3, 4, WEN Li-Lian1, 3, WANG Qi-Dong1, 4

(1. Key Laboratory of Marine Ecology and Environmental Sciences, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Function Laboratory for Marine Ecology and Environmental Sciences, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Sulfonamides (SAs), as broad-spectrum antibacterial synthetic drugs, are one of the earliest synthetic antibacterial agents, and are widely used in human medical treatment, livestock, and aquaculture. The sulfonamides are being discharged into the aquatic environment with metabolism, which has an important impact on the aquatic ecosystem and human health and possess potential risks. Up to now, their influences and risks have not been identified. Hence, the distribution characteristics of eight typical sulfonamides in typical aquatic environment in China were described, their ecotoxicity and ecological risks to different aquatic organisms were evaluated, and their metabolism in organisms and degradation pathways in ecosystems were explained. Results show that the concentrations of sulfonamides in different aquatic environments are significantly different, and the concentrations and pollution levels of sulfamethoxazole and sulfadiazine are the highest in water and sediment, respectively. Algae are the most sensitive aquatic species to sulfonamides, followed by crustaceans and fish. Sulfamethoxazole poses a high risk to aquatic ecosystem. Sulfonamides are metabolized into different metabolites after entering the body, and undergo a degradation process in the aquatic environment together with the parent synthetic drugs. Biodegradation is the main way to remove sulfonamides in aquatic ecosystem. Sulfonamides can be degraded by different bacteria, fungi, and algae. In the future research, it is important to intensify the research onto the chronic toxicity of sulfonamides in aquatic organisms and the mixed toxicity of synthetic drugs, to clarify the comprehensive process of distribution, metabolism, transport and effect of sulfonamides in the aquatic environment, to explore the metabolic process and pathway of sulfonamides in aquatic organisms, and to ascertain the ecological risks of sulfonamides in the aquatic environment, and finally to provide a basis for building a harmonious global health environment and realizing the sustainable development of social economy.

sulfonamides; distribution characteristics; biodegradation; ecological risk; aquatic environment

* 中國科學(xué)院特別研究助理資助項(xiàng)目; 中國科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目, XDA23050501號。戴佳佳, 博士, 助理研究員, E-mail: daijiajia@qdio.ac.cn

宋金明, 博士生導(dǎo)師, 研究員, E-mail: jmsong@qdio.ac.cn

2022-11-29,

2022-12-26

X131

10.11693/hyhz20221100312