抗生素药物在水环境中的迁移分布及代谢组学应用研究

闫 阁，卞晓峥，华洁平，李 恒

(1.华北水利水电大学 环境与市政工程学院，河南 郑州 450046 ； 2.华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450046)

抗生素是一类广泛应用于治疗人类、禽畜及水产养殖中各种细菌感染疾病的化合物。近年来，抗生素的种类、产量与用量不断增加，有数据显示，2013年中国抗生素使用总量约162 000 t，其中人类消耗占总使用量的48%左右，其余为动物消耗，其中磺胺类、四环素类、氟喹诺酮类、大环内酯类、β-内酰胺类和其他抗生素分别占总使用量的5%、7%、17%、26%、21%和24%[1-2]。《2019—2025年中国抗生素行业发展全面调研与未来趋势报告》显示，2019年中国抗生素产量达到21.8万t，需求量为13.1万t。BROWER等[3]预测在2010—2030年期间全球抗菌药的消耗量将增加67%。过去一段时间内，人们仅仅关注抗生素药物对人体、动植物疾病的治疗和促进动植物生长的积极作用，药品管理混乱和药物滥用问题严重，导致了药物在人体以及环境中不断积累、富集，而一直忽略这些化合物被排入环境后的归趋问题。此外，由于过去环境分析手段的限制，在很长一段时间内，这些痕量污染物对环境生态可能造成的潜在影响一直被忽略。

基于抗生素药物的使用情况，分析了抗生素在水环境中的迁移分布特征，并进一步研究了代谢组学应用于药物毒性及其代谢机理的研究进展，比较了药物代谢产物的各类检测技术特点，为研究基于代谢组学的抗生素药物毒性研究提供了理论依据。

1 抗生素药物的环境分布和迁移转化

水体中的抗生素主要来源于工业、农业和人类生产生活排放的废水，其中抗生素生产企业、饲料生产及加工企业、养殖场是主要的污染源头[4]。人类或者动物所排出的粪便经由城市污水管网或者乡镇污水管网最终进入到水体环境中，也成为水体环境中抗生素的主要来源之一[5]。除此之外，污水下水道系统的破裂和溢流、化粪池的渗流扩散，都是抗生素药物直接和间接进入环境水体的途径[6]。

研究表明，排入水体中的药物主要以抗生素为主，且常规污水处理厂对抗生素类药物的去除率较低[7]。高效的制药废水处理技术虽能去除大部分有机物，但难以去除难降解有机物，仍有一定量的药物残留排入到水体中[8]。制药废水污染物的迁移途径错综复杂。以抗生素为例，污染物以原形或代谢产物的方式长时间残留在水体中，既可以通过污水处理厂直接出水到地表水或地下水中，也可以通过垃圾填埋、养殖排放的粪便以渗滤、施肥、填埋等方式进入土壤环境，最终进入地表水和地下水，见图1。这些污染物引起的环境风险将会通过食物链扩散，不断积累、富集，最终进入人体产生毒性[9-10]。

图1 抗生素在环境中的来源分布

抗生素在世界范围内的地表水中普遍存在。在对欧洲地表水的监测研究中发现，喹诺酮类、磺胺类和甲氧苄啶类是检测到的含量最多的抗生素。其在水生环境中可以被动物(养殖动物和鱼类)吸收或进入饮用水，也可能通过低浓度的水或食物持续对人类产生长期影响[11]。通过检测和分析伊朗Kan和Firozabad两条河流的12个样品发现，环丙沙星和头孢氨苄是检测到的浓度含量最高的抗生素，质量浓度分别为656.8 ng/L和184.4 ng/L。所施用抗生素的相当一部分会通过人和动物的尿液和粪便以代谢和未代谢的形式排泄，这些抗生素被输送到废水收集系统中，最终到达污水处理厂[12]。CI等[13]对洞庭湖地表水以及市政污水处理厂和养猪场的进水和废水中18种抗生素分布进行了研究，抗生素类型主要为环丙沙星、洛美沙星、土霉素和金霉素等。罗红霉素和氧氟沙星的质量浓度在研究区域内表现出明显的时空变化特征，表明它们与猪的繁殖、水产养殖和人类活动有关的不同排放源以及其在水生系统中的降解有关。

相比地表水，抗生素在地下水中属于微量或痕量水平。在西班牙的47个地下水样品中检测出最常见的抗生素是磺胺甲恶唑和环丙沙星，低生物降解率是磺胺甲恶唑和环丙沙星在地下水中广泛存在的原因[14]。LEE等[15]在对韩国地下水的监测分析中发现，磺胺噻唑和磺胺甲恶唑的质量分数最高，分别为38%和31%。ZUO等[16]对中国东北利民饮用水资源的地下水中的三种磺胺类抗生素进行了调查研究，结果表明，地下水中磺胺甲氧基哒嗪的质量浓度较高，在7～30 ng/L，磺胺甲恶唑和磺胺二甲基嘧啶的质量浓度相对较低，不超过1 ng/L。磺胺类抗生素被广泛用作兽药，并且30%～90%的磺胺类抗生素通过粪便排泄，残留在粪便中的磺胺类抗生素的代谢产物和母体化合物在很长一段时间内仍保持显著的残留活性，持续存在于粪便堆肥过程中，不仅污染土壤，而且由于磺胺具有较高的水溶性，对土壤的吸附亲和力很弱，很容易从土壤转移到地下水中。YAO等[17]在对中国中部江汉平原地下水的监测分析中发现氟喹诺酮和四环素是主要抗生素，且氟喹诺酮和四环素的化合物易溶于水，能被输送到较深的含水层。针对不同抗生素药物类别，总结了世界范围内部分抗生素在水环境中的检出情况，见表1。

表1 抗生素药物在水环境中的浓度水平

我国是抗生素药物的使用和生产大国，饮用水中的抗生素主要来源于地表水和地下水中残留的抗生素药物。因此即使存在于饮用水中的抗生素只有微量或痕量水平，在长期暴露下也会对人体造成慢性毒性及潜在危害。对中国31个省级行政区域的71个城市的饮用水的调查研究表明，磺胺类是中国饮用水中最常见的抗生素[18]。WANG等[19]对长江下游28个饮用水源地5种四环素(TCs)在枯水期、正常水期和汛期的时空分布规律进行了研究，结果表明，四环素(TC)、土霉素(OTC)和强力霉素(DXC)是检出率最高的抗生素。TC、OTC和DXC在旱季的最高质量浓度分别为11.16、18.98、56.09 ng/L。KONG等[20]对江苏省骆马湖流域浅层饮用水源地17个水样中抗生素的分布、丰度进行了调查研究，共检出19种抗生素，检出率为2.27%～100%。总抗生素质量浓度范围为34.91～825.93 ng/L，中位质量浓度为195.45 ng/L，其中以金霉素为主，占总抗生素浓度的91.0%。LI等[21]对长江重庆地区的9个大型饮用水源(5个城市饮用水源和4个乡镇饮用水源)进行了监测分析，共检测到8种抗生素，包括磺胺类药物、大环内酯类药物和其他抗生素。5个城市饮用水源中抗生素残留的质量浓度范围为13.9～76.6 ng/L，平均为46.4 ng/L，4个城镇饮用水源中的抗生素残留质量浓度为20.6～188.1 ng/L，平均质量浓度为88.45 ng/L。

2 代谢组学在环境中的应用

水生环境中存在的亚致死浓度的抗生素通过人为活动分散可能会对非目标物种产生不利影响[22]。抗生素通常是亲脂性的，这使得它们很容易穿过细胞膜进入到靶器官或组织中，进行化合物的代谢，或生物转化成极性的和非活性的代谢产物，从而影响酶代谢的过程。研究表明，人们食用了有药残留的水产品后容易出现毒性反应，如氯霉素能引起再生障碍性贫血和颗粒性细胞缺乏症，四环素类抗生素易抑制幼儿牙齿发育和骨骼的生长，氨基糖苷类能造成耳中毒等。环境中，尤其是水体中广泛存在抗菌药、消炎药、抗生素、咖啡因、镇静剂、降血脂药、激素、利尿剂、类固醇、抗癌药等药类污染物[23]。由于这些药物被设计用于产生生物效应，其对非目标生物的潜在不利影响不容忽视，但人们对这些影响知之甚少。

近几年来，基因组学、转录物组学、蛋白质组学和代谢组学技术在地表水体、土壤等环境中的生物毒理过程及相关机制成为研究热点。由于常见的代谢途径受到特定化学组分的影响，在研究药物污染物对人类及生物的影响时，其作为系统生物学的重要组成部分受到极大关注[24]。POLITAKIS等[25]探讨了过期的市售家庭医疗药物对贻贝血细胞的影响，研究了两种药物(Buscopan Plus和Mesulid)干扰其血细胞健康状况的能力，结果表明，血细胞内的活性物质在受到攻击后减少，应激指数显著降低，药物作用影响了贻贝血细胞的正常代谢。王加龙等[26]研究结果表明，土壤中较低含量的恩诺沙星残留(0.01 μg/g，0.1 μg/g)会对土壤的呼吸作用、纤维分解作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用产生的刺激作用，而土壤中相对含量较高的恩诺沙星残留(1 μg/g)会产生抑制效应，降低微生物群落多样性。任宪云[27]报道了氟苯尼考(FLR)对凡纳滨对虾脂质和蛋白质的氧化损伤的影响，在高质量比条件下酶活性抑制作用增强，而在停止投喂抗生素后，生物大分子逐渐修复。YAMASHITA等[28]对甲壳纲动物水蚤进行了研究，结果表明，克拉霉素对水蚤具有很强的慢性毒性作用。也有学者评估了具有重金属生物累积性的抗菌药物：退热枫香的恶喹酸、氟甲喹和土霉素在苔藓植物累积，研究结果表明，抗菌药物电离度越高，其生物蓄积量越大[29]。土壤和水体生物在富集一定药物后，便会通过食物链进入到人体和动物里，给人类的身体健康及环境造成潜在的危害。按药物类别、药物成分、病原体影响代谢方式、作用目标、受影响物种排序，表2总结了部分抗生素毒性实验造成直接或间接的代谢影响。

表2 抗生素药物对动植物的慢性毒性影响

虽然有足够多的关于药物对环境生物毒性的研究，但这些研究目前还不足以证明对人类也有相似的作用，也不足以决定这些化学品是否对环境构成重大威胁。目前解决这一问题的最实际的办法是做出一系列代表药物作用人类的模型，这将有助于进一步的风险评估。我国是一个药物生产和使用的大国，药物及其代谢物对水环境的污染是一个不容忽视的问题，迫切需要对水体中的药物污染情况进行研究，探明药物在水环境中的迁移转化规律。国内外研究已对水环境中的抗生素类型和含量进行了详细的研究探讨，而对于抗生素迁移转化的研究尚未系统化，而这种迁移转化对生态系统的风险也需进一步研究。

现阶段，代谢组学的应用离不开现代分析技术的发展，目前应用最为广泛的当数质谱(MS)和核磁共振(NMR)。质谱具有高灵敏度和高选择性；而核磁共振是一项“非破坏性”技术，样品前处理较为简单，不同处理技术的优缺点见表3。这些分析检测技术为研究生物体暴露于环境污染物后其可能产生的毒性及代谢机理提供了最行之有效的技术手段。尽管抗生素快速分析技术的出现使得这些痕量污染物的检测和分析成为可能，但针对复杂成分水样检测前的预处理操作普遍存在时间长、费用高的问题，因此，开发抗生素污染物快速检测分析方法是水质安全监测的当务之急。

表3 现代分析技术优缺点比较

3 结语

近年来，滥用抗生素药物造成的水环境污染及其引起的潜在危害影响已经引起了国内外研究人员的普遍关注，研究制药废水主要污染物迁移转化和快速检测方法有利于水污染防治和毒性诊断。代谢组学技术将为制药污水中污染物对生物体的毒性作用提供更为全面和可信的机理解读，以及快速检测方法，并为寻找到合适的药物以减轻毒性打下基础，前景广阔。