抗生素在生态环境中的污染转归以及应对措施

曾庆军

（湖南省南县畜牧水局三仙湖镇动物防疫站,湖南南县413202）

抗生素在生态环境中的污染转归以及应对措施

曾庆军

（湖南省南县畜牧水局三仙湖镇动物防疫站,湖南南县413202）

对当前畜禽养殖环境中抗生素污染现状及在生态环境中的分配降解机制进行概述，探讨了能有效解决抗生素污染的可行方法，为我国畜禽养殖中抗生素的有效使用和处理提供参考。

抗生素；畜禽养殖；危害；生态环境；吸附；降解；污染途径；应对措施

我国是农业大国，养殖生产中抗生素使用十分广泛。在畜禽养殖业生产中，抗生素的使用主要分为两大部分，一是用于预防和治疗疾病，二是用于提高动物生产性能[1]。据资料统计，全球抗生素总产量的70%左右用于畜牧业，抗生素类添加剂的用量占全部饲料添加剂用量的45.8%[2]。目前，我国现有药厂6 000多家，可生产抗菌药物有1 000多个品种，每年有超过9.7万吨的抗生素投入畜禽养殖业中，用于动物的催速生长和疾病治疗[3-4]。

1 抗生素的对生态污染危害

抗生素在生产中的应用给养殖带来了巨大经济效益，但其对生态的污染和影响也逐渐引起人们的重视。与重金属、化学肥料、农药、多环芳烃和多氯联苯等环境污染物不同，抗生素的环境行为和生态效应在近年来才受到国内外学者的广泛关注[5]。抗生素对人体和动物体内的病原性致病菌有着很好的治疗效果，因此在设计之初就用于人体和动物的治疗，这就必然为人体和环境中其他有机体产生了潜在的健康威胁[6]。Sanderson等通过水生生态毒理学试验对多种抗生素的生态危害进行了评价，发现有接近20%抗生素对藻类存在毒性，近50%对大型溞有毒，近33.3%对鱼类非常毒，并且超过一半的抗生素对鱼类有毒[7]。

因此，在畜禽养殖业集约化发展给我国带来巨大经济效益的同时，养殖场每天排放的大量粪污作为抗生素最大污染源也已成为急需解决的一大问题。我国作为畜禽养殖大国，一直以来存在养殖密度大、疾病问题多而繁杂、粪污处理不规范、市场监控不严等问题，此外，滥用抗生素的现象多且难以控制，这将严重威胁生态不平衡，威胁人类生存环境。长期滥用抗生素会导致动物和土壤环境中的微生物耐药性增强，诱导产生更多的抗生素抗性基因，破坏土壤微生物种群数量及结构的平衡。

2 抗生素对生态环境的影响以及污染途径

作为一种抗微生物性药物，抗生素不仅可以杀灭土壤、水和沉积物等环境介质中某些微生物，还可以抑制相关微生物的生长，从而影响环境微生物群落结构和活性。抗生素通过畜禽养殖中产生的废弃物从而进入生态环境，给土壤中的微生物区系、水体环境带来巨大影响，进而通过食物链对整个环境产生毒害作用，使生态环境中的有益菌生长被抑制、有害菌产生耐药性，使其生物量、群落结构和生物多样性发生改变。

有研究发现，抗生素对土壤微生物生长的影响具有持久性的。磺胺类 (磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑)和四环素类 (土霉素)抗生素能够抑制土壤细菌和放线菌生长[8]，虽然能明显降低土壤中微生物生物数量，但土壤中真菌生物数量反而增加。因此，说明抗生素能够影响生态环境中的生态系统的微生物群落结构。抗生素污染不但影响环境介质中微生物生物量和群落结构，还影响参与生态系统过程的功能微生物群落，如参与氮循环的硝化细菌和反硝化细菌[9]。

作为进入环境的主要途径，畜禽粪便一直是土壤抗生素污染的源头。诸多研究表明，抗生素进入动物机体内后，只有少量参与内脏器官的新陈代谢并被有效利用，约30%～90%的抗生素及其在动物体内诱导出的抗生素抗性基因（ARGs）通过动物尿液和粪便的形式直接排出体外[10-11]。如果这些含有大量残留抗生素的粪便不经过任何处理，作为有机肥进入到农田中，将会加大土壤和水资源环境中微生物的耐药性，再次诱导出抗生素抗性基因，造成严重的环境污染和生态毒性，并通过食物链最终影响人类的健康[11]。据了解，目前大部分规模化养殖场采用常规厌氧沼气发酵和好氧SBR处理组合工艺，主要处理常规污染元素（总氮TN和总磷TP等），但对于日渐严重的抗生素污染却没有很好的针对性措施，甚至并没有进行处理而直接排放到环境中[12]。另外，一些污水处理厂所进行的污水处理并不能将抗生素完全去除，甚至在污水处理厂的出水中检测出了包括红霉素、磺胺甲恶唑等多种抗生素。因此，大部分规模化养殖场周围的土壤环境中可能存在较大的抗生素污染，对于小型养殖场而言，其周边环境的污染可能更为严重。

除此之外，抗生素在水产养殖业的广泛使用，也不可避免的造成了水环境中抗生素污染问题，并可能会引发多种危害。水产养殖与家畜养殖不同，其产生废水通常未作处理便直接排入环境中，造成自然环境严重污染，而其未经处理的抗生素如土霉素、喹酸和喹诺酮类等也逐渐在自然水体中富集，破坏生态环境，例如对细菌产生选择压力诱导抗生素抗性基因、对非靶生物产生毒害、对水产品消费者构成健康威胁等[13-14]。受到水产养殖业的影响，研究发现海水中也存在着不同程度的抗生素污染，通过对海洋沉积物的检测，发现海洋沉淀物中土霉素含量就已经达到500～4 000 μg/kg[15]。梁惜梅等研究发现，珠江口水产养殖的废水排放造成周围水环境出现了严重的抗生素污染，并且在相同养殖模式下，抗生素沉积量随着养殖时间的增加不断积累[16]。

此外，一些抗生素还可以作为农用杀虫剂和杀菌剂用于防治水果、蔬菜以及观赏性植物细菌性病害，这是抗生素进入土壤的另一重要途径，这类抗生素包括阿维菌素以及衍生物、多杀菌素、土霉素、氟苯尼考、沙拉沙星、红霉素、磺胺类中的甲氧苄氨嘧啶等[17]。

3 抗生素污染作用机制和降解机制

3.1 抗生素在环境中的吸附和迁移

抗生素和其它有机污染物一样，进入土壤、水和沉积物等环境介质后，经过吸附、迁移和降解等一系列物理、化学和生物学过程，在环境介质中发生再分配，从而从环境中逐步清除。吸附作为抗生素在环境介质中的重要物理化学过程，决定了抗生素在环境介质中的再分配过程。抗生素的自身结构特性和沉淀物的性质是影响抗生素在沉淀物中的吸附特性的最重要的因素，并且土壤和沉积物及其组成成分是抗生素重要的吸附剂。抗生素在沉淀物中的吸附不仅仅与抗生素自身的憎水性、极性、可极化性以及空间结构有关，并且与环境介质理化特性以及环境因子有关。同时，土壤和沉积物对抗生素的吸附被认为是消减其环境效应的一个重要过程[18]。根据研究发现，抗生素在环境固相介质上的吸附、解吸行为决定了液相抗生素的浓度（或生物有效性），同时也决定抗生素了在环境介质中的迁移（速率和模式）生物学效应及其降解速率[5]。另外，还有一部分的抗生素由于自身以及代谢物具有极性，不与环境中的固相物质结合，很容易通过河流影响河流以及海洋生态系统的有机生物，并且通过水环境对地下水造成威胁。由于抗生素的不同性质以及代谢途径，因此决定了抗生素在环境中的迁移方式不同，易受到其自身的光稳定性、键合、吸附特性、淋洗和降解速率等因素影响。

3.2 抗生素在环境中的降解过程

除了再分配过程以外，降解作为抗生素最重要的代谢途径，是我们急需研究的方向。在环境介质中，抗生素的降解方式主要分为水解、光解和生物降解等降解过程[19]。另外，研究表明在不同的环境介质中抗生素降解的主要方式不同，其中粪肥中抗生素降解以光解为主，土壤中主要是生物降解，而水体中3种降解方式并存[20]。

3.2.1 光解

光解是粪便中抗生素的主要降解方式，主要原因是四环素类、喹诺酮类和磺胺类抗生素，以及泰乐菌素和硝基呋喃等抗生素对光照敏感，容易在光照充足的条件下发生分解[21]。这种光解作用主要存在于光照充足的地方，如在土壤中，污水中以及淤泥等很少发生，主要分为直接降解和间接降解，其中影响光解作用主要因素主要包括光照频率以及光照强度，另外，抗生素的光解作用效率还受到各种环境条件的影响，如水的pH值和硬度等因素对光解作用均有影响。W erner等研究发现在不同的pH值和离子浓度下(Ca2+和M g2+)，四环素的光解一级速率常数可以达到一个数量级的差异[22]。

3.2.2 生物降解

生物降解是大部分抗生素降解的重要途径，抗生素可以通过生物降解转换为没有毒性的小分子物质，其中又分为植物降解和微生物降解。前者主要是通过自身直接吸收或分解，以及促进根部微生物对抗生素吸收利用。而微生物降解又以耐药菌株参与的降解作用尤为重要，通过微生物改变残留微生物的空间结构，从而改变抗生素的物理和化学性质，最终变为对环境无害的CO2和H2O。又以耐药菌株参与的降解作用尤为重要，可以通过水解、基团转移和氧化还原等方法直接破坏抗生素使其失活[23]。但抗生素生物降解效率受其种类影响。研究发现，不同种类的抗生素在相同的密闭环境条件下，其降解效率不同[24]。同样，生物降解效率受各种环境因素的影响，如温度、PH、有机和无机营养物质、氧气浓度、悬浮沉物以及环境中抗生素浓度水平等。一般高氧分压会抑制抗生素降解，但抗生素浓度则决定生物降解的速率[25]。

3.2.3 水解

水解是水体中抗生素降解的主要方式。抗生素的分子结构决定了其在环境介质中的降解方式。一些抗生素呈水不稳定性，容易被水解，但有些抗生素则不易水解，如β-内酰胺类、大环内酯类、磺胺类和喹诺酮类等抗生素。此外，温度和pH也是影响抗生素水解的重要环境因子，与金霉素、土霉素和四环素的水解速率显著相关[26]。大环内脂和磺胺在中性pH条件下几乎没有降解[27]。

无论生物降解，还是水解和光解，其降解过程对土壤、水和沉积物等环境介质中残留抗生素的去除都发挥着重要的作用，减轻了抗生素残留物在环境中的累积及其对生态环境的负面影响，并且减少其向地表水和地下水的迁移。

4 抗生素污染的应对措施

抗生素作为一类抗菌性药物被广泛用于畜牧生产中，用于治疗疾病以及提高动物的生产性能，但随着抗生素的大规模应用，由于其使用量大和诱导产生抗生素耐药菌株等特点，逐渐成为环境中一类新型污染物，对人类健康和生态环境产生了严重的威胁，但由于我国对这些问题没有引起重视，因此在以后的研究中，应加强对抗生素污染问题的研究以及解决方法。

4.1 加大对复合污染问题的研究

目前国内外进行的多为对单种或单类抗生素的污染机制进行研究，而现实生存环境中抗生素多而繁杂，有待对抗生素复合污染机制进行更深的研究，以期为抗生素管理提供参考依据。

4.2 对环境中抗生素来源的探索

饲料是畜禽摄入抗生素的主要来源，而其排泄物是污染环境的罪魁祸首。但陈永山等通过对浙江一猪场抗生素饲料摄入浓度和检测浓度的比较发现，饲料并非是抗生素摄入的主要途径[1]，这一事实表明抗生素可能还有其他来源，这在今后的畜禽养殖兽用抗生素研究中更应引起重视，并且积极探索环境中抗生素的来源情况，为缓解生态环境中抗生素污染提供一些理论依据。

4.3 政府应加强管理

由于抗生素的大量使用并未引起政府部门对抗生素污染问题的重视，因此需要国家有关部门加大对这个问题的重视，加大对抗生素生态毒理学科研项目基金的投入以及支持力度，并制定适合我国的污染控制措施以及消除措施的相关政策，加强对抗生素使用量的控制。

4.4 采用堆肥处理

堆肥是一种有效处理畜禽粪便的常用途径，被广泛的应用于大规模养殖中产生的畜禽粪便处理中，能够有效地去除畜禽粪便中有害污染物，还具有杀菌、除臭等作用。有研究表明，在猪粪堆肥高温阶段，携带主要抗性基因的大肠杆菌在高温下被杀灭，与堆肥前相比微生物多样性增强[28]。这证明堆肥过程中加入额外抗生素能在一定程度上影响优势菌群的变化，且堆肥后抗性基因的绝对丰度变低。然而随着养殖业的发展，规模化养殖产生的粪便越来越多，并不是所有的养殖厂都将粪便进行堆肥处理。因此，在规模化养殖扩大的同时，养殖户们也需要及时加强粪污处理。

4.5 寻找抗生素替代物

抗菌肽是广泛存在于生物体内的一种具有抗菌活性的碱性多肽物质，具有高效性、广谱性、稳定性、强碱性以及不易产生耐药性等特点，对细菌具有很强的杀伤作用，并且对部分病毒、真菌、原虫和癌细胞等有杀灭作用，甚至对动物机体能提高免疫力、加速伤口愈合过程，且对正常细胞毒性小，被认为是现在抗生素的最佳替代品[29]。其他的还包括酶制剂、植物提取物、益生菌、益生元和有机酸等等均可以做为抗生素的替代物，从而用于生产实践中以缓解或者替代部分抗生素。

5 小结

抗生素由于其独特的治疗作用而被广泛应用于畜牧行业中，主要用于促进饲养动物生长和预防动物疾病的防治，但随着在畜牧养殖也中的大量使用，导致对生态环境的污染，并逐渐成为我国面临的重大难题，因此在以后的发展过程中，我们加大对抗生素滥用的重视，一方面要注重对抗生素滥用从而对环境污染的治理。另外一方面要发现新的替抗物质替代抗生素，从而缓解对生态环境的负面影响。

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建立追溯体系打造郴字品牌

2007年9月26日，全省畜禽水产品质量安全追溯暨品牌建设工作现场会在郴州市召开。

据介绍，今年5月，郴州市先行先试“互联网+”等现代电子信息技术在畜禽水产品质量安全监管中的应用，创新推进了畜禽水产品质量追溯体系建设，消费者和监管部门只需扫一扫二维码，就能简便、快捷、全面地了解产品信息，为生产者销售产品、消费者选择产品、企业推介产品、政府监管产品和打造品牌搭建了一个具有公信力的优质平台。

郴州市副市长陈荣伟表示，现场会在我市召开，体现了省畜牧水产局对我市养殖业发展的充分肯定，同时也是对我市进一步做好畜禽水产品质量安全追溯和品牌建设的鼓励和鞭策。我市将认真贯彻落实本次会议精神，充分借鉴兄弟市州的工作经验，全面提升我市畜禽水产品质量安全追溯和品牌建设水平。

省畜牧水产局党组书记、局长袁延文表示，推进畜禽水产品质量安全追溯和品牌建设，是加快养殖业现代化发展的迫切需要、是供给侧结构性改革的必然选择、是促进产业增效农民增收的现实需要；要突出抓好畜禽水产品追溯体系和品牌建设关键点，强化畜禽水产品质量安全监管，鼓励企业开展追溯体系建设。

（来源：郴州日报，记者：李江华）

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10.3969/j.issn.1006-4907.2017.05.022

2017-09-11