抗生素制药菌渣健康风险评价研究

朱 莹，苗 杨，王晓红，孟宪林

(哈尔滨工业大学市政环境工程学院城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090)

抗生素菌渣是抗生素制药生产企业在生产过程中的固体废弃物，是发酵菌种在葡萄糖、大豆等营养丰富的培养基上进行发酵，发酵液经酸化、过滤后的滤渣［1］.经过调查发现菌渣中含有残留抗生素、重金属、多环芳烃等一定的有毒有害物质，还被国家列为危险性废弃物，必须经过一定的处置方案防治二次污染［2］.然而目前由于对菌渣中抗生素的研究才刚刚开始，缺乏二次利用安全数据，加之对抗生素菌渣作为危险性物质的管理体系也不完善，导致许多企业的菌渣处理不彻底甚至不处理就直接二次利用，这样必将给生态系统带来潜在的风险隐患，因此有必要对经过不同处置方式的菌渣带来的环境风险进行评价.本文主要以四环素类菌渣为例，按照抗生素的处理率把处置技术分为两类，处置率为0%和90%以上，采用健康风险评价模型对经过不同处置途径的四环素类抗生素对人体健康风险评价进行研究.

1 抗生素制药菌渣的风险识别

风险识别是判别菌渣在经过一定的处置后对人体健康的危害，本文是通过构建层次分析法构建风险识别体系来完成的，依据以下原则［3］进行了指标体系的构建.

1)相对固定原则

评分标准的制定要有合理的依据和清晰地界定，能够表征指标间的差异，要尽量选择容易获取的、量化简单的指标.

2)全面与概括原则

由于目标污染物质在筛选过程中涉及到多方面的因素，因此要尽可能考虑各项影响因素，不能遗漏任何一方面，此外还要把指标分类，使选中的指标具有代表性.

3)通用原则

指标选择要有普遍性，在实际应用是方便作调整.

1.1 建立风险识别指标体系

以菌渣风险因子识别为最终目标，根据查阅的相关文献，选择风险源性质、危害性、扩散性等三个方面的11个指标作为风险因子识别的依据，建立的风险因子识别体系如图1所示.

图1 菌渣风险识别体系

其中菌渣产生量、产品的卫生标准、菌渣及产品成分、菌渣处理处置方式决定着风险源的量的大小，环境的背景含量、急性毒性、亚急性毒性、三致作用等决定着风险源的毒性大小，在动物体内的吸收情况、环境持久性、生物富集系数等影响着风险因子在环境介质中的传播.

1.2 确定识别体系中各指标的评分标准及综合得分

通过大量查阅关于抗生素及其菌渣性质、环境行为等的相关文献并结合国内外最新研究现状确定评分标准，同时依据上述指标选取的原则，将评分标准划分为5个等级，每个等级赋予不同的分值，具体见表1.

然后依据专家打分法以及层次分析法计算指标权重，权重计算结果见表2.本文以石家庄某中型土霉素制造厂为例，经过调查该厂的抗生素菌渣的主要风险物质是土霉素及其代谢物残留、重金属、多环芳烃等物质.根据调查得到的土霉素菌渣的相关指标的数据资料以及上述分级标准和各个指标的权重计算综合得分值，从而筛选出对环境危害大的污染因子，评价结果见表2.

表1 菌渣风险识别指标评分标准

表2 菌渣中危害因子的指标得分

根据计算得到的处置前后菌渣中危害因子的综合得分，可知菌渣中的主要环境风险因子是残留的抗生素及代谢物，其次是多环芳烃和重金属.在调查中发现菌渣中多环芳烃和重金属都低于相应的控制标准［4］，因此本研究考虑的菌渣中的风险因子是菌渣中的残留抗生素及其代谢产物.下面就以四环素菌渣为例对抗生素菌渣进行环境风险评价.

2 抗生素制药菌渣剂量－效应研究

健康风险评价的剂量－效应评估方法按照化学物质的毒性效应分为无阈效应(如致癌效应)和有阈效应(如非致癌)两种，由于四环素类抗生素是非致癌物质，应该按照非致癌物的程序完成，特点是通过计算参考剂量(RfD)进行剂量－效应评估［5］.

RfD的计算公式为:其中:MF为调整因子，通常取1～10，用来表征资料库完整性;UF为不确定性因子即安全系数，计算公式为 UF=F1×F2×F3，F1、F2分别是种间、种内不确定性系数，取值分别为1～10;F3为毒性性质不确定性系数，取值范围为1～100.

四环素类抗生素的毒理学数据有:虽然1998年欧盟已经把兽药抗生素的风险评价提上了日程，但是抗生素的生态风险这方面的数据比较少，并且集中在新发现与合成的抗生素上，而已经存在的抗生素的研究很少［6］.Baguer等［7］通过测定常用的两种兽药抗生素即土霉素和泰乐菌素对土壤动物的影响来研究抗生素的生态风险评价.结果表明在相应的环境浓度下，两种抗生素对蚯蚓、弹尾虫和线蚓均无很严重的危害，并且最低观察效应含量(LOAEL)值为 3 000 mg/kg.

其中UF中由动物实验数据向人群外推的不确定性系数F1取10;人群中的差异不确定系数F2取10;由亚慢性实验数据推导慢性毒性数据时的不确定性系数F3取10.同时由于四环素类抗生素对生物的毒性资料非常少，外推时有很大的局限性，因此修正系数(MF)取值为10.因此从土壤动物实验向人群外推计算的土霉素的RfD值为0.3 mg/(kg·d).

由于抗生素主要是抑制细菌的活性，而人体肠道菌群约有400～500个不同品种的总数达1 013个细菌，因此研究抗生素在肠道中的作用意义很大，美国兽药管理中心(FDA－CVM)在评价含兽药残留的食品安全时，抗生素对人体肠道菌群的影响也加以考虑.Carman等［8］利用离体恒化器模式研究四环素对人体肠道菌群的影响，结果表明四环素对人体肠道菌群的无观察影响水平(NOEL)值为0.25 mg/(kg·d)，这与本研究结果土霉素RfD值为0.3 mg/(kg·d)基本一致.

3 抗生素制药菌渣暴露评价

暴露评价的本质是摸清楚待评价有害物质从产生到与受体接触的整个过程的环境行为，是风险评价定量的重要依据.因此暴露评价主要包括两方面的研究内容:一是分析待评价化学物质从产生到最终进入环境的整个迁移转化过程，以及在不同环境介质中的分布和归趋;二是通过分析总结受体的暴露途径、暴露方式等计算污染物质对受体的暴露量.

3.1 菌渣中残余抗生素的暴露方式

由于抗生素的挥发性差，故在环境中的主要迁移介质为水体、土壤和食物链［9］.菌渣制作成肥料后，随着肥料农用化进入土壤中，一部分被土壤中的生物和微生物吸收，另一部分随着雨水的冲刷进入地下水，进入食物链.菌渣作为饲料和饲料添加剂用于畜牧业或水产养殖中，只有15%的抗生素可以被机体吸收利用随着肉、蛋、奶等动物性食品进入人体，另一部分则残留于人畜粪便中，可能通过肥料的施用、径流等进入水体［10］，或者随着废水进入污水处理厂，然而现代污水处理技术很难将抗生素类微量污染物完全去除，在污水处理厂出水中检出了包括红霉素、磺胺甲恶唑等多种抗生素，故大量的抗生素及其代谢产物最终进入水体［11］.提取或制备制药原料与化工原料、厌氧发酵等过程中，抗生素会随着这些资源化过程中的废水进入污水处理厂，还有一小部分抗生素随产品进入环境中.菌渣在堆放或填埋过程中还会随垃圾渗滤液污染地下水.如图2为菌渣在经过不同处置后残留的抗生素在环境中的暴露途径分析.因此从抗生素的暴露途径可以看出饮食摄入途径是菌渣中抗生素在人体内暴露的最主要途径.

3.2 暴露量的计算

化学品在环境中的暴露量计算方法有:1)简单估算，统计化学品产生源强，大概估计污染物在环境中的暴露含量;2)现场监测，通过对实际环境介质或者模拟环境中化学品含量进行监测来计算暴露量，精确度高但有些监测还是不能实现的;3)模型计算，通过建立数学模型来预测菌渣在环境中的暴露含量，这是在化学品暴露评价中最常用的一种.本文采用人体暴露模型计算，计算公式为

图2 菌渣中抗生素的暴露途径分析

其中:ADI为抗生素的每日摄入量，μg/(kg·d);Ck为植物或肉类中抗生素的含量，mg/kg;VC为人每日对蔬菜、肉类等的摄入量，g/d;FC为蔬菜或肉类消耗的比率，无量纲;BW为人体的平均体重，kg;EF为暴露频率，d/a;ED为暴露持续时间，a;AT为平均暴露时间，d.

1)处置率为90%以上的菌渣的人体暴露量计算

计算公式中参数的取值依据主要是2002年我国农业部发布第235号公告即《动物食品中抗生素的最高残留量》，见表3.

表3 《动物性食品中兽药最高残留限量》规定四环素残留量

其中对于受抗生素污染的蔬菜食品安全还没有相应规定.暨南大学的李彦文等［12］对惠州市蔬菜基地疏菜鲜样中含四环素量做了一系列的研究，表明含土霉素、四环素、金霉素和强力霉素的量范围分别为 ND ～22.3 μg/kg、ND ～4.69 μg/kg、ND～2.58 μg/kg、ND ～0.76 μg/kg，平均含量分别为0.87 μg/kg、0.22 μg/kg、0.06 μg/kg、0.05 μg/kg(ND为低于检测限)，可见蔬菜中抗生素的含量还是很有限的.本研究假定食品动物、畜禽等在生长周期内接触到的抗生素来源只有菌渣制成的饲料及添加剂，把蔬菜中四环素的量按照200μg/kg计算，人类对动物性食品和蔬菜的摄入量参考《中国居民膳食指南》，见表4、5.

表4 《中国居民膳食指南》中规定各种食品的摄入量

表5 摄入途径量计算参数

所以四环素的人体暴露量为:0.465μg/(kg·d)(成人)，0.520 μg/(kg·d)(儿童).

2)处置率为0%的菌渣的暴露量计算

假定最终进入到人体中的菌渣的源强不变，四环素菌渣的处理率按照90%处理，则未经过处理的菌渣中抗生素在人体的暴露量为4.65μg/(kg·d)(成人)，5.20 μg/(kg·d)(儿童).

4 健康风险表征

风险评价是将前面已经进行的风险识别、剂量－效应、暴露评价等内容进行总结，并按照一定的模型对所研究的结果进行定性和定量表达的过程.定性表征主要是初步说明或者仅仅粗略描述风险的性质以及风险的有无，是一个相对模糊的表达，而定量分析则有了明显的改进，可以给出明确的计算过程从定量角度描述风险的程度，主要包括商值法和外推法［13］.本文的健康风险表征用暴露－反应法，计算公式为:

其中:R为待评价非致癌性污染物的健康风险，1/a;1×10－6为待评价非致癌性污染物风险可接受水平;D为待评价非致癌性污染物的每日摄入量，mg/(kg·d);RfD为非致癌性污染物的参考剂量，mg/(kg·d);70为所取的平均人类寿命，a.

则处理前四环素菌渣的风险值为0.22×10－9(成人)、0.25 ×10－9(儿童).处理后四环素菌渣的风险值为 0.022 ×10－9(成人)、0.025 ×10－9(儿童).

按照美国EPA规定，小型人群可接受的风险值为10－5～10－4/a;社会人群可接受的风险值为10－7～10－6/a.菌渣降解前后的风险值表明菌渣对儿童的健康风险较成人稍高，但总体来说风险值很低.

5 结语

在进行人体健康风险评价时，RfD值由动物实验外推得出为0.3 mg/(kg·d)，处理率为90%的菌渣中四环素对儿童和成年人的暴露量分别为0.46 5 μg/(kg·d)(成人)、0.520 μg/(kg·d)(儿童)，处理率为0%的菌渣中四环素对儿童和成年人的暴露量分别为4.65μg/(kg·d)(成人)、5.20μg/(kg·d)(儿童)，表明四环素降解前后儿童和成年人的健康风险均＜10－8/a，风险水平很小.

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