生态环境中抗生素检测与降解方法的研究进展

常东浩，葛菁萍

（1黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨150500；2黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨150500；3黑龙江大学生命科学学院，黑龙江省普通高校微生物学重点实验室，哈尔滨150080）

0 引言

自青霉素被发现后，由于具有抑制微生物生长和对其发育产生干扰的能力，应用于预防和治疗各种细菌传染性疾病，到现在医学已发现和研究出近百种天然，人工合成类抗生素。一类由微生物在生活代谢过程中产生的次级代谢产物，这种物质可抑制病原菌或其他生物的生命活动，能够干扰其他活细胞正常生长，代谢，发育的自然物质或人工合成的物质，主要包括磺胺类(SAs)、喹诺酮类(QNs)、大环内酯类(MLs)、四环素类(TCs)四大类[1]。抗生素可以杀死和抑制入侵人体的致病菌，使其可以得到控制，最终帮助机体恢复正常代谢。全球抗生素总产量的70%被广泛应用在中国畜禽业，与此同时每年还会研发和大批量投入生产的抗菌类药物[2]。抗生素之所以被广泛使用，主要是可以治疗疾病，预防动物传染病的发生，降低饲养动物的死亡率；在动物饲料中添加抗生素可以用于改善生长和预防疾病[3]，缩减养殖成本。在农业生产上也具有抗病、抗虫、除草等作用[4]。

抗生素已被证实在医院、制药业、养殖业、农业等领域都发挥着重要的作用，因此，人类和各行业对其产生了依赖性，从而造成了抗生素的大量使用，尤其在发展中国家使用的频率更高，中国对抗生素的使用量和生产量在世界上均占很大比例[5]。人类和动物由于肠道吸收不良或代谢不完全，抗生素作为原化合物或代谢物被排泄出来[6]，从而给环境带来巨大压力，生态环境中抗生素的来源主要包括：生活垃圾和制药废水以及长期使用抗生素的动物粪便，由于处理技术和基础设施的局限性，污水处理厂对动物排泄物和废水中的抗生素去除达不到预期标准。

抗生素类污染物的生物积累潜力及其对人类和生态风险具有巨大的潜在危害[7]，抗生素不仅在水产养殖产品中检测到，还在环境介质中也普遍存在[8]。抗生素已经是一种环境污染物，通过研究减少抗生素已成为研究热点。前人通过各种实验技术来去除环境中的抗生素，包括非生物法，比如高级氧化法、吸附法、过滤法等研究广泛，生物降解方面研究较少且不全面，同时并未对处理方法进行很好的分类。本文总结国内外检测抗生素方法，对降解方法进行分类和归纳，总结联合降解法在处理抗生素方面具有应用前景，为环境的监测、治理与修复提供参考和建议。

1 环境中残留抗生素的危害

随着抗生素不断污染水体，不仅会造成水生植物生长受限，还会对鱼类、虾类等产品质量造成影响。目前已发现226种抗生素对藻类及鱼、虾类生长有影响，其中50多种抗生素抑制藻类的光和作用，100多种抗生素对鱼、虾类动物有毒害作用[9]。抗生素因具有亲水能力高和难挥发性的特点，在生态环境中存在的时间增加，更不易被自然环境降解。土壤中因抗生素的存在使得某些微生物的生命活动减弱，无法发挥分解者的能力，土壤的肥沃程度受到影响；抗生素还会导致一些细菌产生耐药性和抗性基因(ARGs)，ARGs不仅在细菌群落间传播，还会以其他形式传播，在5个番茄品种表面上共检测到191个，有机番茄的ARGs的数量较多，相对丰度较高[10]，破坏了生物之间平衡。土壤中抗生素被农作物和蔬菜通过水分运输而被动吸收，在体内形成生物积累，与此同时发现抗生素在植物体内的分布是叶中含量最高，茎含量适中，根含量最少，并表现为生物积累[11]。抗生素很容易通过食物链、食物网的方式被累积，最后对身体健康造成伤害，主要表现为过敏反应、损伤器官、急性中毒、增加致癌率、致畸形率和致突变率[12]。

2 环境中残留抗生素的检侧方法

在水体或土壤中抗生素的残留量很低，一般是微量或痕量的级别，对水体或土壤检测分析前进行预处理，将水体或土壤中微量的抗生素提取和纯化。水体中残留抗生素检测的预处理方法是以萃取为主，包括固相微萃取、固相萃取、磁性固相萃取、液相萃取等，其中固相萃取是实验室常用的预处理方法[13]。土壤中残留抗生素检测的预处理方法有机械振荡法、超声提取法、微波辅助萃取法、超临界萃取法、固相萃取法、液相微萃取法等[14-17]。

检测抗生素方法包括：免疫分析法、微生物检测法、毛细管电泳法、薄层色谱层析法、生物传感器法、液相色谱法、液质联用法等[13,18-21]，液相色谱与质谱联用具有更好的灵敏度、准确度，还可同时检测样品中多个种类的抗生素，是检测水体或固体介质中抗生素定性定量的重要方法。

采用高效液相色谱-串联质谱法，检测堆肥中抗生素残留量，检出限为0.2～ 5 ng/g，定量限为0.5～ 1.5 ng/g，回收率在95.3～ 106.2%之间，并测出高浓度的环丙沙星为836 ng/g[22]。

采用高效液相色谱-串联质谱法，测定水体中多类、兽用、痕量抗生素，标准曲线r2>0.995，相对标准偏差在0.20～ 11.9 ng/L，相对回收率在50%～ 150%。水体中兽用抗生素如阿莫西林、青霉素、磺胺嘧啶、林可霉素等的检出量为1.26～ 127.49 ng/L，为兽用抗生素的常规监测提供了可靠的分析方法[23]。

采用高效液相色谱-二极管阵列检测法，测定家禽组织中磺胺甲恶唑，泰乐菌素和恩诺沙星残留量的方法，该方法检出限为5.37～ 55.4 ng/g，定量限为17.9～ 184 ng/g，标准曲线r2>0.996，具有良好的相应效果。该方法运用在新鲜和冷冻禽肉样本中残留抗生素提取，检测[24]。

3 环境中残留抗生素的非生物降解方法

非生物降解就是物质通过化学氧化或物理吸附的方法进行的一系列降解的过程。例如：高级氧化法、膜过滤法、物理吸附法。

3.1 高级氧化法

高级氧化(AOPs)可直接矿化大部分有机物或通过羟基自由基强氧化将难降解的有机大分子进行降解。

3.1.1 光催化氧化法 光催化法原理是利用光催化剂产生光生电子和光生空穴，通过自由基与目标污染物共同作用下发生氧化反应，将抗生素分解成小分子的无机物质，从而消除对环境的污染[25]。在普通条件下，光催化剂将有机物分子结构破坏，用于降解污水中的物质。该方法具有反应迅速，条件温和，可循环使用等特点。光催化法对TCs废水具有良好的去除效果，去除率率超过80%，稳定性好[26]。

3.1.2 臭氧氧化法 臭氧氧化法是指臭氧(O3)与有机物直接发生氧化反应或自由基间接氧化，一般破坏芳香烃类和不饱和脂肪烃中的双键，比如O3的来源广，无污染，安全性高，氧化能力强，能氧化多环类有机污染物等特点。在臭氧氧化过程中，降解TC的速率高达99.5%，随后60 min的矿化度约为40%。较低的pH值或较高的反应温度有利于提高TC的降解率[27]。当反应温度为25℃，SAs浓度为5 mg/L，O3以0.5 mg/L的质量浓度进行氧化1 h，大部分SAs可全部降解，对于磺胺甲基嘧啶、磺胺胍、磺胺醋酰的降解率都在90%以上[28]。

3.1.3 Fenton氧化法 Fenton氧化法是在低pH条件下，金属Fe2+氧化H2O2生成自由基具有氧化活性强的能力，可将抗生素进行氧化分解。该方法工艺简单，操作简便，耗能低，反应快速等特点。在温度25℃，pH 3，土霉素(OTC)初始浓度10 mg/L，Fe2+浓度5 mg/L，H2O2浓度150 mg/L时，反应时间为1 h，OTC的降解率达到90.95%[29]。在Fenton催化体系，以TiO2-Fe3O4复合光催化剂，利用了光催化剂的特性，经过4个反应循环后，对阿莫西林的去除率仍为85.2%[30]。

3.2 膜过滤法

膜过滤法是有很多小的微孔组成的膜，物质的大小决定了是可以透过滤膜，还是被滤膜截流下来，这是一种高效污水处理技术。根据膜选择性的不同，可分为纸过滤、微滤、超滤、纳滤和反渗透。膜过滤法具有易操作，选择性高，环境友好，不需添加化学药剂等特点。由锆基多孔膜(UIO-66)构建成的纳滤膜，该膜具有良好的水通量18.0 L/ (m2·h·bar)和对抗生素（盐酸四环素、OTC和环丙沙星）的截留率均在94%以上[31]。在水解聚丙烯腈上成功制备了一种由没食子酸和支化聚乙烯亚胺为涂层的纳滤膜，该膜具有良好的润湿性，高纯水渗透率18.0L/ (m2·h·bar)，平均有效孔径0.56nm，对抗生素（阿奇霉素）的截留率为96.7%[32]。

3.3 物理吸附法

物理吸附法借助吸附质与疏松多孔的吸附剂之间产生的作用力，达到富集和吸附目的，这是一种广泛应用于处理污水的方法。常见的吸附剂包括活性炭和生物炭，在生活中活性炭经常被用作吸附剂，吸附剂一般具有材料来源广，无选择特异性，吸附能力强等特点。在受污染的水体中，以30 g/L添加活性炭，吸附6 h，吸附效果好，选用长120 cm的柱子，流速控制在1.0 m/h，每吨含抗生素废水使用活性炭2.45 kg[33]。利用皇竹草制成生物炭，在25℃，酸性条件下，SAs在废水中的浓度为10 mg/L，生物炭用量为8 g/L，吸附4 h，SAs中磺胺嘧啶和磺胺氯哒嗪的去除效率均超过92%[34]。

4 生物降解方法

生物法是利用植物吸附、根际过滤和植物降解等功能或微生物的生理代谢机制，使得抗生素被吸附或者降解，以达到减少水体和土壤中抗生素的含量。生物法可分植物修复和微生物降解。

4.1 植物修复

植物修复可通过直接吸附土壤或水体中有机污染物，但受一些植物摄取能力的影响，在土壤或水体中植物可通过污染物的刺激分泌不同种酶，使污染物能够被这些酶类物质降解，避免自身受到伤害。该方法具有成本低，绿色安全环保，操作简单，可大面积使用等特点。抗生素浓度在2.5 μg/mL以下，培养3天后，TC和氨苄青霉素通过大漂植物的修复能力，对污水中抗生素的去除效率都在80%，凤眼莲植物对TC和氨苄青霉素通过凤眼莲植物修复能力，对污水中抗生素的去除效率分别达90%和70%[35]。萝卜从土壤中通过根部吸收痕量的金霉素，恩诺沙星和磺胺噻唑，并进入了萝卜的组织，其中的摄入量分别为2.73%，3.90%和1.64%[36]。

4.2 微生物降解法

微生物降解抗生素是个很复杂的过程，在生态环境中微生物通过自身的代谢分泌某类物质，可以直接或间接改变抗生素的多环结构，从而改变抗生素物理化学性质。微生物降解抗生素的代谢途径主要包括硝基化反应、羟基化反应、水解反应等。微生物降解效果好，可持续性高，降解彻底，经济实惠，是土壤中抗生素自我净化的重要手段。

降解抗生素的细菌种类。为细菌菌株获得具有降解抗生素能力，科研者通过不断地富集、驯化和筛选等方式从土壤和水体获得的菌株，包括无色杆菌属、产碱杆菌属、苍白杆菌属、戈登式菌属、埃希氏菌属、葡萄球菌属、黄杆菌属、鞘氨醇菌属、栖热菌属、拉乌尔菌属、微杆菌属、伯克氏菌属、芽孢杆菌属和假单胞菌属等[37]，包括降解TC的沙特阿拉伯芽孢杆菌菌株在初始浓度143.75 mg/L，pH 6.94和接种量为8.04%时，最大去除率87 mg/L[38]。无色杆菌株JL9能够利用磺胺甲恶唑作为唯一的氮源进行生长，对磺胺甲恶唑去除率为63%以上[39]。

降解抗生素的真菌种类。真菌可作为生产抗生素的菌株，同时也已证明能用来分解抗生素类物质。真菌对抗生素的耐受性要强于细菌，可以降解多种难降解的化合物。真菌类的有黑粉菌、粘性红圆酵母、酵母菌和白腐真菌等[40]。QNs抗生素易被木质素降解真菌降解，QNs药物在液体培养10天内完全被乳链球菌降解，在14天内完全被杂色假单胞菌降解[41]。白腐真菌分泌的漆酶中添加二铵盐使得环丙沙星降解率达到97%以上[42]。

4.2.1 堆肥法 堆肥法是利用不同种微生物共同协作，将粪便，残渣中的有机质转化成有价值的养分和腐殖质，堆积过程还可以减少有机质中抗生素和病原菌。将鸡、猪粪便和稻草混合，以60 mg/kg往混合物中添加TC，堆肥过程对微生物群落没有明显影响，在堆肥45天内，TC的去除率在93%以上[43]。堆肥法分为有好氧堆肥和厌氧堆肥两种类型，对于不同类型抗生素均有降解效果。例如：在常温和恒定的55℃和35℃的水溶液，添加锯末作为载体，进行好氧堆肥处理20天，4种抗生素降解率达到90%以上[44]。猪粪在厌氧堆肥14天后降解速率最高，当温度为55℃和OTC初始浓度为10.36 μg/g时，OTC去除率为95.50%[45]。

4.2.2 微藻降解抗生素 微藻可以发挥吸附以及生物降解作用，将污染物转运到细胞中进行分解或生物积累，也可发生光合作用进行降解。该方法具有成本低，可投放面积大，无污染，微藻比微生物耐受更高的抗生素浓度。微藻对淡水和海水中TC的最大吸附容量分别为295.34 mg/g和56.25 mg/g[46]。在室外、中试规模、高效藻类池塘中，水力停留时间为4天时，TC的去除率为93%；水力停留时间为7天时，TC的去除率达到99%以上[47]。

5 联合降解方法

5.1 膜生物反应器

膜生物反应器是一种利用膜分离物质方法与微生物代谢能力有机结合的新型净化污水装置。具有截留率高，系统出水稳定，易操作，占地面积小，是发展前景较大的处理污水工艺。常规膜生物反应器对甲氧苄啶和磺胺甲恶唑的去效率为40.82%和91.92%，添加秸秆的膜生物反应器的去除效率分为82.10%和95.79%[48]。在膜生物反应器中由氧化沟改造成的平板膜反应器进行处理抗生素废水，其出水中抗生素含量降至1.87±0.33 mg/L[49]。

5.2 植物和微生物联合降解法

通过植物和微生物组成的一个体系来共同降解污染物，在植物生长过程中根系分泌有机营养物为微生物提供了生存空间，与此同时微生物的生长代谢过程也为植物生长提供大量无机物质，两者形成互利共生的结构，不仅可以促进污染物的分解，还可以促进植物生长。该方法具有绿色低碳环保，效率高，还可产生经济效益等特点。降解OTC效果较好的紫金牛叶杆菌细菌和胶红酵母真菌制成菌液添加到孔雀草和紫茉莉两株植物周围，当OTC质量分数为5 mg/kg时，OTC去降率30.8%～ 70.6%[50]。

5.3 渗滤系统处理抗生素

渗滤系统是利用土壤理化性质和微生物降解净化能力去分解水体中的有机或无机物。该方法具有预处理简单且出水效果好、流程简单，管理简洁等特点。土壤渗透系统可过滤、吸附多种痕量抗生素和有机化合物，在以微生物为主体进行降解，对很多种抗生素去除率90.00%以上[51]。土壤水层运行过程中红霉素的平均去除率为92.9%，在25 cm土层对抗生素去除起着关键作用，约占土壤去除总量的49.4%，其中好氧生物去解率为71.2%[52]。

6 展望

目前，残留在生态环境的抗生素成为一种污染物质，给水体、土壤造成污染，给生态环境带来巨大的灾难，对于降解抗生素已成为刻不容缓的任务。对于单一处理工艺来讲，虽可以快速的清除水中的抗生素，然而由于针对性较差，对于含抗生素复杂程度较高的污水，去除效果达不到预期，分解的产物的不确定性，对生态环境仍会产生潜在的危害。单一的生物法处理效果虽好，也会出现弊端，如高浓度的抗生素污染物会对生物生长产生抑制效果，两种方法都无法满足修复的环境需求。基于以上情况，环境中残留抗生素的降解研究还应聚焦于以下四个方面，一是对污水处理厂、医院、养殖场等周围环境进行定时检测以及制定抗生素污染指数评判标准，防止抗生素和抗性基因污染不断扩大；二是现在不管是生物降解还是非生物降解研究其优化条件居多，对于分解的机制还不是很完善，尤其是微生物降解的机理，研究者应探索降解抗生素的机理以及对后续产物进行分析，为降解抗生素提供理论依据；三是利用植物的根系和微生物降解土壤中的抗生素，对于抗生素的转化或降解过程以及修复土壤方面还有待继续挖掘；四是应大力开发新的工艺修复技术、微生物修复技术或复合修复技术，争取得到高效安全地处理抗生素污染物的方法。