土壤中抗生素污染的时空分布和环境行为研究

毛异之，蔡柏岩

（1黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨150080；2黑龙江大学黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室，哈尔滨150080；3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）

0 引言

抗生素是指一类特殊的由微生物（如放线菌、霉菌等）或高等动植物产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物，也是一种可以干扰其他生物正常的细胞发育功能的化学物质[1]。目前常规的抗生素主要分为磺胺类、四环素类、氟喹诺酮类、大环内脂类、β-内酰胺类（青霉素类、头孢类）、氨基糖苷类和酰氨醇类7类[2]。抗生素等抗菌剂具有的抑菌或杀菌作用主要是针对感染细菌的一般哺乳动物（如人，或其他动植物）的独特机制进行杀伤[3]，其中包含4个核心作用机理，即抑制细菌细胞壁合成、增强细菌细胞膜通透性、干扰细菌蛋白质合成和抑制细菌核酸复制转录[4]。

抗生素凭借其所具备的广谱抗菌能力，以及短期和低剂量对人类及其他哺乳动物的低毒理性，使得其越来越多的被应用到包括医疗和农业生产等领域[5]。目前人类对抗生素的应用集中于麻醉剂、抗酸剂、驱虫剂、类固醇类、非固醇类、抗炎药、抗菌剂、杀菌剂、防腐剂、利尿药、乳化剂、催情剂、镇静剂和促进生长素等方面[6]。据统计数据显示，2017年中国抗生素生产总量达24.8万t[（7]抗生素类占比：医用类抗生素占32%、牲畜类抗生素占26%、应用类抗生素占20%、作物类抗生素占22%），其中国内消耗约16.2万（t磺胺类5%、四环素类7%、氟喹诺酮类22%、大环内脂类21%、β-内酰胺类21%及其他24%）[8]。

1 抗生素种类及应用特性

1.1 医用类抗生素

研究数据显示中国医用抗生素滥用非常严重，2016—2020年度中国抗生素使用率的平均数高达74%，而德国、法国等发达的欧盟国家的这个数据仅为22%～25%[9]。医用抗生素因为其作用的高效性、短时性和相对廉价性，因此其被许多基层医疗机构作为治疗常见疾病的首选。与之相比，大型医院中抗生素的使用突出种类复杂、产品单一、使用地点集中、使用频次高、消耗量大（约占整个抗生素应用量中的78%[10]）5个特点。磺胺类、大环内酯类和喹诺酮类药品使用量最大，这类人为修饰药物多以化学合成法合成或者半合成的为主，效价一般高于1000单位/mg[11]，浓度和纯度极高，生产的工艺流程如图1所示，末端回收率在15%～20%之间[12]，中间损耗及次生产物数量巨大，这些废弃物和中间产物无疑也是一种污染物。

图1 抗生素生产工艺流程

由于抗生素的水溶性较高，根据药代动力学研究表明，在规定给药量下，医用类抗生素在人体中的血消除半衰期(plasma half-life time)的长度在3～4 h左右，故在人体消化吸收的过程中易发生逃逸现象，这导致人体无法完整的吸收及代谢所摄入的全部药品[13]。小部分未吸收的抗生素会通过血液循环进入呼吸系统，经由人体肺泡部的气体交换逸散于空气中；大部分会经由人体消化系统，作为排泄物排出，随后混入城市排污系统进入自然环境，除此之外，医用器具使用、维护、清理和遗弃也会产生抗生素的废弃物，这些废弃物目前人类处理手段落后，极易在未经处理的情况下直接进入排污系统，随后进入城市周边的水体环境中[14]。城市水体中的抗生素有3条路径进入土壤，即下游未处理水直接灌溉、河流与岸边土壤区的渗透和物质交换和环境降水[15]。另一方面，医药生产企业在生产过程中会产生废水废渣，这些废弃物大多不经处理直接排放，会加剧城市水体中抗生素的污染情况[16]。

1.2 畜牧类抗生素

畜牧业生产中使用抗生素的畜禽主要为猪牛羊鸡等，是和人类一样属于哺乳纲的生物。同纲的动物的遗传表达具有相似性，故人和其他哺乳动物具有约14%～25%的共同易感菌群。研究表明，部分广谱性抗生素（如四环素类和大环内酯类抗生素）对牲畜具有同样高效的抗菌效应（87%有效性[17]）。

相关药代动力学的研究表明，牲畜的表观分布容积(apparent volume of distribution，vd)介于9～42，而人类为3～58，相同情况下，同等体重下牲畜的抗生素消耗量要高于人类[18]。因为牲畜的vd较小，一方面导致药物的组织残留量低（易于随粪便尿液排出），另一方面为保障药效通常需要多次给药的设计，这些利用方式使得畜牧用地的土壤抗生素渗透量增加。

目前，农村畜牧业养殖的现代化程度还较低，根据对154家农药兽药销售点进行调查和统计，发现84%的农药兽药销售点（130家）售卖有抗生素类产品，而这些商家中仅有11%（14家）具有正规的抗生素销售资历。根据这些销售点的销售表可以发现，约78%的养殖户会在购买常规农药时添购抗生素产品用作生产，由此可见，管理部门对于抗生素的使用和监管还存在问题。通常这类牲畜用抗生素的使用方式有掺杂饲料口服、直接肌肉注射、静脉点滴注射和冲服随饮用水饮用4种。总体而言这类抗生素的吸收率较低，根据药代动力学研究发现，约有70%的抗生素不会被动物体所吸收，这些残留物会滞留在血浆中发生半衰反应，变成次级代谢物，随牲畜的尿液和粪便排出体外[19]。

这些富含抗生素残留的生物粪便的处理方式有2种；约80%左右尿液和粪便会未经处理，直接填埋于表层土壤；余下的20%粪便，以轻度无害化处理或经简单堆肥处理为主，未经过深度发酵和完整无害化处理，也未进行相关检测，直接用作农家肥或有机肥进行使用[20]。这些都是造成土壤环境中畜牧用抗生素泛滥的原因之一。现代水产养殖也会利用抗生素辅助生产，但未经使用和生物代谢残留的抗生素一方面会污染水体环境，另一方面也会沉降聚积于底部泥沙层[21]。

1.3 应用类抗生素

抗生素在生产的过程中会产生废弃物，且部分食品和饮料的生产过程中也会利用一定的抗生素来保证产业链的安全和食品卫生，其中红霉素和青霉素是食品生产过程中使用量最大的，尤其是发酵食品和腌制食品中，残留的抗生素的浓度高达7%～19%[22]。根据相关研究统计发现，一般生产状态下化合物的转化率[22]（食品中包含量和生产时配比施用量）不足10%，食品工厂排放中的废水废渣中抗生素的残留量约占整体施用量的45%，目前在食品生产污染物的产生和处理的方式上缺失，导致人们对食品生产中污染情况的认识水平并不高，82%的抗生素污染物只进行简单的掩埋或过滤处理，就被排放至生态环境中，以上2种措施对抗生素降解贡献极少。大量未经处理的抗生素进入水体或土壤环境，通过一系列地质活动或生物活动进入到食物链中，且通过富集作用反过来影响人体本身[23]。

富含抗生素的废渣通过填埋法的处理会进一步引起土壤的二次污染，食品残渣是现代工业的高度凝聚品，含有大量非天然化合物和丰富的营养物质，这些化合物经填埋处理后，极容易通过扩散作用、生物携带和土壤内部微环境的循环进入土壤生态环境中，造成土壤富营养化和抗生素含量剧增。

1.4 作物类抗生素

土壤内存在大量致病菌，其中约1/3的类群可以对土壤内生物的生理形态和活动产生不利影响，例如引起植物根腐病、锈病、褐斑病、稻瘟病和晚疫病致病菌[24]等，传统农药在长时间施用过程中，因为环境逆性定向筛选，导致近50年内土壤中抗药细菌的规模不断增大，导致传统化学农药逐渐失去杀菌能力[25]。人类被迫采用更强的化学农药来抑制新型抗性细菌的生长，这导致人类和细菌间不断爆发“军备竞赛”。与此同时，人类选择抗生素类群来增加对抗药细菌的杀伤能力。在抗生素投入使用的30年，因其杀菌抑菌能力相对强大，以及自然环境中存在对抗生素抗性较小的个体，抗生素类专性农药引领了新一轮的农业革命，但人类在这个时期并未正视抗生素对环境的生态作用，导致抗生素农药整体的施用策略为粗放型，单位面积的施用量远高于环保机构所制定的标准水平。虽然短时间内效果显著，土壤致病菌的数量被极大消减，粮食产出也稳步提高，但长远来看也刺激了土壤微生物类群的定向进化[26]。

2 抗生素污染的时空分布

2.1 水平层面污染分布

2.1.1 气候区域污染 气候区域的划分主要分为寒带、温带、亚热带和热带。同时根据其水陆关系分为大陆型、海洋型、季风型气候。对相关研究结果进行统计分析发现，抗生素的分布与大气动态、洋流运动和人类活动息息相关，一般规律表明，大气动态稳定、洋流运动较少、人类活动固定的区域，抗生素的浓度高但分布范围小且集中，整体分布上具有一定的均质性和规律性；大气动态复杂、洋流运动频繁、人类活动多的区域，抗生素的浓度较少但分布范围大，较为广泛，整体分布上呈斑块性和随机性。在亚热带和温带区域，抗生素的浓度和广度是所有气候型中最高的。热带相较于温带和亚热带，有更高的物种丰度，更频繁的气流和海洋活动，由于其高温的特性，抗生素分子易于挥发和分解，导致其在热带土壤浓度较低，分布范围反而比二者要小[27]。

大陆性以及季风性气候因为节律较为稳定，气候和季节变化均匀，有着稳定的季节性径流和风季变化，所以相对变化不稳定的海洋气候来说，抗生素分子的分布易于转移和挥发[28]。

2.1.2 地理区域污染分布 根据相关文献整理可发现，地理区域的抗生素分布和人类的活动密切相关，例如人类活动频繁的平原、丘陵和低地地区，抗生素的浓度和分布广度远高于人迹罕至的高原高山地区[29]，内陆临河地区的抗生素浓度和广度则是所有地理区域中最高的[30]。同时人口密度越大的区域抗生素的浓度越高，经济越发达的地区抗生素的分布越广[31]，区域中水体越多的区域抗生素的种类越多（图2）。

图2 抗生素地理区域污染分布

2.2 垂直层面污染分布

2.2.1 空气层面污染分布 抗生素具有小分子性、水溶性和易挥发特性，导致大量的抗生素一方面会在土壤和水体环境中直接挥发进入空气环境中，另一方面也会渗透进入水溶液参与水循环。目前对于该方向的研究都证明空气存在抗生素分子且其含量不容忽视，并且这些抗生素又会随着物质循环重新回到土壤或水体环境[32]。

2.2.2 生物层面污染分布 水溶性的抗生素分子和脂溶性的脂双层之间有着一定的低亲缘性和低亲和性，抗生素分子对植物个体的直接伤害能力较弱。一方面高等植物因其叶片结构并不有利于空气抗生素的吸收[33]；另一方面由于植物根毛细胞的特殊结构，低分子动能的抗生素分子极易溶解于土壤微环境的水分子中，在水势压力和根压的作用下通过根毛的木质部结构进入植物体[34]。

动物由于其整个生活史几乎都直接暴露在水体或者土壤环境中，以运动和捕食为主的生活习性，更易于在生命活动的过程中摄入环境中的各类小分子物质，通过吸收和富集作用，在生物体内逐渐聚集（如图3所示）。根据研究发现，若环境中出现抗生素污染，动物体内的抗生素含量会显著高于环境的一般水平。

图3 抗生素富集表

相关研究表明，海拔和纬度与抗生素的影响力呈负相关性[35]；生活史内直接暴露在水体中的时间越长的生物，其受到抗生素因子影响的作用越大。若生物的生活史内存在大量的水陆共生环境，或者水域土壤半层环境，受到抗生素因子影响的作用远高于在单一土壤环境生存的生物[36]。

有毒物质在食物链和食物网传递中存在富集作用，表现为越高生态位的生物受到抗生素的影响越大，但目前没有充足的研究证明抗生素对高生态位的生物的伤害性绝对高于低生态位的生物[37]。相应的主流观点认为，因为生物间存在物种和个体差异，导致生物之间的代谢水平、药物残留水平和血浆半衰期存在差异，进而导致不同生物对抗生素的耐性范围存在差异。抗生素对真核细胞的直接伤害性小，因此其对多细胞真核生物类群的影响更倾向于对共生细菌环境的结构和生物类群的破坏，进而间接影响真核生物的生理和环境行为。

2.2.3 土壤层面污染分布 土壤是大部分位于生物圈的生物直接或间接生存的区域，其不仅与人类的物质生产活动息息相关，也是物质循环和能量流动的重要中间点。由于土壤存在颗粒性、粘滞性、吸附性和低扩散性[38]，进入到土壤中的抗生素会在土壤中逐渐沉降聚集，导致土壤中出现“假持久性”（难降解和难流动导致土壤抗生素的半衰期长于正常值）[38]。

抗生素分子具有较多环状结构和羟基结构，分子间易于产生范德华力和氢键，其分子群会表现出高聚合性和低团粒性，导致抗生素分子相较于传统的农药药物分子（多为无机物），更容易出现凝聚反应，造成区域性的浓度升高。综上所述，土壤会表现出一种哑铃型的抗生素浓度分布曲线，即表层土壤拥有高浓度且聚集的抗生素，中层土壤拥有低浓度且分散的抗生素，土壤底层存在着大量沉降和附着的抗生素[39]。

3 抗生素的环境行为及危害

抗生素通过各种途径进入土壤，经过吸附转移等模式留存在土壤层中，进而对土壤内生物产生影响（如图4所示[8]）。

图4 抗生素环境行为

3.1 抗生素对土壤伴生生物的影响

抗生素独特的作用机制使得其对于真核生物的杀伤性远低于原核生物，所以对土壤生物的影响还是集中于通过影响下游被捕食用的微生物，进而通过食物关系影响上游的捕食性土壤微生动物[40]；或者通过伤害与植物（根部）共生或者寄生的微生物类群来影响有关的植物生物。抗生素分子本身为小分子化合物，在高等植物和高等动物间存在一定的富集作用。例如高浓度的土霉素聚集会影响牲畜类哺乳动物的消化系统（抑制反刍动物瓣胃内生菌生长），造成相关牲畜的生长受到影响，从而影响肉类产品和乳制产品的产量和品质[41]；若蚯蚓长期暴露在抵抗人数浓度的环境中，会出现个体死亡或者低繁殖现象[42]。

相关文献表明，自然条件下未受到人类活动干扰和污染的土壤，应该是偏中性或弱碱性（硅酸盐或硅酸钠导致），若考虑到水文和天气因素，则土壤酸碱性会发生变化[43]。同时土壤微生物和土壤微生动物的生命活动会导致土壤生态环境的pH发生变化[44]。抗生素分子为有机化合物，其自身也会产生各类化学反应从而影响到土壤的酸碱性。同时土壤内的抗生素会通过影响到土壤微生物的生理活动，直接或间接的改变土壤的理化性质。

抗生素若在土壤中长期存在，会导致整个土壤的微生物生理环境趋向于总体逆性，使得整个土壤变成一个“选择性培养基”，处在该培养基中的细菌会在逆性条件的刺激下发生定向的非自然选择性进化，进而导致土壤中出现特异性的抗性细菌[45]。根据细菌免疫学的相关知识，抗性细菌为抵抗环境抗生素的侵蚀，会产生2类免疫反应，即表达并分泌特异性的抗性蛋白或通过定向进化产生相关抗性基因，这些非自然条件下诞生的化合物势必会对环境产生二次污染[46]。

3.2 抗生素对作物的影响

大量研究表明，在受抗生素污染土壤上生长的作物，其体内的抗生素浓度在逐年增加，但植物体内并未产生针对抗生素的独特排出机制或者容纳机制，大量的抗生素分子在植物体内呈游离态存在[47]。抗生素分子的水溶特性会导致其伴随着蒸腾作用和内部压流运动，迁移到植物体的每个部位[48]。过量的抗生素分子在植物细胞和组织内聚集，势必导致植物细胞环境和周遭组织微型生理环境的变化，但目前缺乏抗生素对受污染作物生理活动的科学性研究，暂时不清楚抗生素是否会引起植株的矮小短茎分蘖减少以及结实率下降等农业指标的变化[49-58]。

4 展望

抗生素作为一种新型的环境污染物，近些年对其研究也逐渐增多，但目前主要研究方向还是集中在对抗生素在水体环境中的归趋和环境行为上，对更为复杂环境（例如湿地、土壤等）中的抗生素环境行为，时空动态和生物危害等方面的研究十分稀少，亟待加强。综上所述，抗生素种类繁多，土壤环境的复杂性也很高，故要全面地阐明抗生素在土壤中的环境行为十分困难，尚需开展大量研究予以明确。今后应加强以下几方面的研究：（1）利用多学科的优势来联合研究，譬如利用分子生物学和结构学的知识，根据抗生素分子的结构来推导其可能存在的化学性质，并辅助相关研究；或利用代谢生物学的知识，通过分析其生物合成或生物降解途径，来分析其在土壤中产生的相关化学反应；（2）将土壤、植物、动物、水体结构等联系起来，作为一整个反应器系统，再来开展对抗生素及其代谢产物在土壤中的环境行为和分布模式进行研究。这样做到优势是一方面可以充分利用现在已开展或已得到的研究成果，另一方面也在更大尺度内尝试揭示其迁移规律，以便明确其过程、机理和影响因素；（3）将抗生素作为一种新型的环境因子或生态因子进行研究，考量其进入的数量对土壤生态系统的其他生态因子的影响，来综合分析其所引发的一系列非自然演变，并随之产生的遗传漂变和定向进化；（4）在更高的尺度层面来观察和归纳抗生素在土壤和微生物、动物、植物之间的转移途径，探明土壤抗生素的污染对土壤中微生物、土壤表层的动植物、土壤表际环境以及整体生态斑块区的影响，以更好地发现其在食物链中的迁移途径和机理。同时也应重点探索消减抗生素污染的相关方法和技术，这些对维护土壤生态系统的生态安全和人体健康有着非常重要的意义；（5）抗生素作为一个新型的环境污染物，需要政府单位加强对抗生素的管理，一方面保证其正确应用以减少生态环境中的抗生素含量，另一方面也不能因噎废食，需要充分利用抗生素的益处来辅助农业生产。政府和相关部门也应该和广大农民联合起来，共同行动，保证对土壤的科学利用和精准利用，做到不废土不荒土不弃土；（6）在现代遥感科技和卫星科技的辅助下，配合生态学的统计手段，观察和研究土壤中抗生素的分布情况，进而得出其时空分布格局，这是一切土壤抗生素的科学管理手段的大前提。目前可以先以小样方小区块为基础，开展当前尺度下土壤抗生素的研究，最后通过以点扩面的形式，进一步阐明各种环境因素对抗生素时空分异的影响，以便更好地监控土壤的抗生素健康状况。