青霉素残留物对土壤微生物的影响分析

宋恒宇

（山东建筑大学市政与环境工程学院 山东济南 250100）

引言

我国青霉素等抗生素类药物年产量超过4 万吨，分布极广。青霉素在土壤环境下，发生降解、迁移和转化，吸附在土壤颗粒上，随微生物及动植物的生理过程发生物质循环。青霉素残留物已对土壤微生物造成了一定的影响，但对土壤环境中青霉素的研究主要集中在小规模实验上，其他层面相对较少。

1 青霉素对土壤的污染现状

2020 年，世界最大抗生素原料生产国是中国，青霉素等抗生素类年产量占世界70%。医院药物使用量排名前15 的药物中有10 种均为抗生素，可见青霉素的分布十分广泛。青霉素来源主要是农户使用、污水排放、医药厂不当处理等，其存在与人口密集程度、产业结构复杂性等息息相关。因此，青霉素污染主要集中在了农用土壤、医院及污水处理厂附近土壤等受人类影响干扰区域，表1 列举了我国不同地区青霉素土壤中含量。

表1 不同地区的青霉素残留物含量

2 青霉素对土壤微生物影响

土壤中各种微生物的种类多、数目大，直接参与到了土壤中的生化反应，在保证土壤的系统稳定、转化循环、抗干扰的能力中也占据了主要地位，普遍认为它们是土壤内最为活跃的微生物群体，作为土壤中有机质的矿化和C、N 等元素转化的推动者，促进了土壤的自然能量流动和生命周期的物质循环。通过分析青霉素对土壤中各种微生物的影响，研究其对土壤环境影响的利弊，尤为重要。

2.1 对微生物数量影响

青霉素有抑菌性，使土壤微生物数量呈现先降后增的趋势，且随时间增长影响效果显著降低。使用青霉素处理茶园土壤，培养4 周时与培养初期相比，其抑制作用明显下降；用高浓度（800 mg·kg－1）青霉素处理土壤，开始时，土壤微生物数量会显著降低50%，处理7d 后，微生物数量水平逐渐恢复[2]。推测由于时间增长，抗生素发生降解损失或被土壤吸附固定并诱导土壤微生物产生抗性基因，使细菌耐药基因进行表达。此外，土壤中生长作物的周期也会影响微生物数量变化。向玉米土壤施用浓度为500kg/667m2的青霉素菌渣，测得土壤有机质含量增加2.42%-25.00%。播种期，测得80153 个土壤真菌有效序列，其中OTUs 为647个；出苗期，测得80059 个土壤真菌有效序列，其中OTUs为580 个；开花期，测得80208 个土壤真菌有效序列，其中OTUs 为421 个，因此，不同时期微生物数量有所不同，最终发现在短时间内土壤中真菌的Shannon 丰富度显著降低21.24%[5]。若土壤作物对青霉素中有机物选择性较高，则会增加土壤中微生物数量，向萝卜地土壤施加4 倍正常量的青霉素菌渣，发现在萝卜发芽期微生物数量增加了35%[6]。

青霉素影响作用还存在明显的剂量——效应关系。土壤有一定自主调节能力，所以较低浓度青霉素不会引起显著变化，但浓度较高时会引起明显变化。向茶园土壤施加青霉素，利用平板计数法观测微生物数量，发现使用较低浓度的青霉素（＜10mg/kg）不会造成茶园土壤微生物数量的较大影响，当浓度大于10mg/kg 时，促使微生物数量显著降低[2]。向农田土壤施加青霉素，发现青霉素浓度在2200mg/kg 之间时，不会引起微生物数量的明显变化，当浓度大于400mg/kg时，土壤中微生物数量显著降低，并随时间增长，效应关系将显著降低，处理15d 后，微生物数量基本恢复正常水平[3]。

2.2 对微生物结构及群落结构影响

青霉素对土壤微生物结构上具有一定的选择性，对细菌和真菌的结构反应机制有所不同。研究结果发现，玉米地土壤里细菌和真菌的优势门可以分为被孢霉门、囊菌门、子囊菌门、担子菌门和毛霉门，向作物播种期施用青霉素菌渣后，毛霉门数量增多，其余门的细菌数量有所下降；在作物出苗期施用青霉素菌渣，主要菌门由子囊菌门、毛霉门、担子菌门变为子囊菌门、担子菌门、被孢霉门，使得菌门的结构发生变化[5]，这表明青霉素类物质对土壤中细菌、真菌以及放射菌等具有不同的响应机制，进而影响土壤中群落结构。另有研究发现，向土壤中施加青霉素菌渣，会使细菌数量明显增多，最终在微生物中占据主导地位，最多可达130×106CFU/g，但一段时间后，随着细菌数量减少，整体呈现先增后降的趋势，可能由于青霉素菌渣中含有20%-50%的粗蛋白以及Ca、P、S 等微量元素，可以被土壤微生物消耗，但消耗完毕后微生物生长将受到限制，因此数量减少，群落结构发生变化。

青霉素不仅影响土壤微生物的结构，还对土壤群落结构产生一定的影响，主要分两个途径：一是当作碳源，增强微生物活性；二是通过抑制作用，改变微生物的群落结构。利用PLFA 法探究青霉素对土壤微生物结构影响发现，无论较高浓度（＞10mg/kg）还是较低浓度（＜1mg/kg）的青霉素会显著抑制微生物活性以使微生物群落结构发生变化[2]，利用Biolog-Eco 技术与变性梯度凝胶电泳（DGGE）来分析不同青霉素浓度下土壤微生物结构多样性变化，发现当青霉素浓度较高时（800mg/kg）会使土壤中以酚酸类为碳源化合物的微生物菌群快速聚集，在其初期显著降低结构的多样性[3]；在高温青霉素堆肥研究中，青霉素菌渣会充当碳源以增加堆肥中细菌结构多样性[7]。另外，青霉素浓度越高，降解越快，从而影响土壤微生物组成比例。向土壤中添加100mg/kg 青霉素处理3 周，土壤内细菌、真菌和放射菌的数量分别降低了80%、50%和50%[2]。青霉素存在时，土壤中敏感菌数量大大减少，不敏感菌比例有所提高，改变土壤微生物菌群对碳源利用程度，最终微生物组成结构发生变化。

青霉素对微生物结构以及群落结构产生影响的主要原因是其复杂的内部结构。青霉素在土壤中水解时，水分子首先进攻β-乙酰胺键和酯键并发生断键，随后产物发生二聚反应进一步水解。6-APA 是一类典型的青霉素，此类青霉素水解产生的β-内酰胺环水解开环产物（图1）和部分二聚产物是青霉素毒性重要来源，释放到土壤中会影响土壤中微生物原生结构。同样，6-APA 发生光解时，光照影响下，6-APA 分子发生激发而生成亚砜类反应中间体（图2），后生成大量丙酸类化合物，丙酸类化合物进一步反应生成不同的物质将严重影响土壤中微生物结构。

图1 β-内酰胺环水解开环产物

图2 亚砜类反应中间体

3 青霉素在土壤的毒理效应

青霉素残留物会通过对土壤微生物的毒理性作用而影响土壤物质循环，对土壤生产力、有机质降解、养分循环和微生物多样性产生变化。青霉素生物毒理效应与其有机组成、含量和分布地区特征等相关，以下从青霉素对土壤微生物的存活情况、生长状况、种类特征等方面进行分析：

（1）降低土壤微生物存活率

青霉素作为抗微生物类药物，能够直接或间接杀死土壤中原有微生物。利用青霉素堆肥法探究对土壤中氨氧化细菌丰度的影响，结果发现，经过高温处理，氨氧化细菌的amoA 基因数量比开始有所减少，使氨氧化细菌的存活率有所降低[7]。

（2）抑制土壤微生物生长

利用青霉素菌渣，探究对玉米地土壤真菌的群落结构和功能影响，结果发现，施用浓度为500kg/667m2青霉素菌渣的土壤与不施用任何肥料的土壤相比，在玉米开花期时，真菌丰富度显著降低，最大达到40.67%[5]，说明施用青霉素不同程度的降低土壤真菌丰富度和优势度，对各种微生物的生长起到抑制作用。

（3）影响土壤微生物多样性

当青霉素浓度较高时，将以较快的速度诱导土壤中以酚酸类化合物为碳源的微生物菌群聚集，降低了土壤内各种微生物的多样性[3]。

4 青霉素的降解手段

为防止土壤中抗性菌的大量繁殖，维持正常生态系统结构与功能，有效降解去除土壤环境中的青霉素残留物尤为重要。青霉素会通过对土壤微生物的毒理性作用，影响土壤物质原生循环，并会留存于土壤中并影响土壤性质，一旦积累至一定浓度，对土壤循环乃至陆地生态系统功能会造成污染。降解过程可以分为生物降解和非生物降解，由于青霉素具有较强的抑菌性，所以在土壤中生物降解存在的较少，非生物降解发生的较多。常用的降解方法如表2。

表2 几种青霉素降解的方法

结语

青霉素作为一种应用广泛的高效抗生素，在土壤环境中的残留物已成为一种新型污染，但目前对其所引发的生态问题还缺乏足够认识，其关注度仍有待提高，希望将来做好以下几点：

（1）制定更加符合国际标准的青霉素残留物分析和鉴定方法。加大研究青霉素进入土壤环境的来源和影响等，确定其污染源、污染程度、污染类型，建立新型青霉素在土壤环境中对微生物影响机制的分析方法。

（2）优化青霉素对土壤微生物作用的潜在风险评估措施。通过青霉素残留物与土壤微生物的相互作用，开展环境浓度水平下青霉素的毒性效应和机理研究。

（3）创新研发对青霉素降解新工艺，提升土壤环境中青霉素残留物收集处理技术。