生態環境中抗生素檢測與降解方法的研究進展

常東浩，葛菁萍

（1黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱150500；2黑龍江大學農業微生物技術教育部工程研究中心，哈爾濱150500；3黑龍江大學生命科學學院，黑龍江省普通高校微生物學重點實驗室，哈爾濱150080）

0 引言

自青霉素被發現后，由于具有抑制微生物生長和對其發育產生干擾的能力，應用于預防和治療各種細菌傳染性疾病，到現在醫學已發現和研究出近百種天然，人工合成類抗生素。一類由微生物在生活代謝過程中產生的次級代謝產物，這種物質可抑制病原菌或其他生物的生命活動，能夠干擾其他活細胞正常生長，代謝，發育的自然物質或人工合成的物質，主要包括磺胺類(SAs)、喹諾酮類(QNs)、大環內酯類(MLs)、四環素類(TCs)四大類[1]。抗生素可以殺死和抑制入侵人體的致病菌，使其可以得到控制，最終幫助機體恢復正常代謝。全球抗生素總產量的70%被廣泛應用在中國畜禽業，與此同時每年還會研發和大批量投入生產的抗菌類藥物[2]。抗生素之所以被廣泛使用，主要是可以治療疾病，預防動物傳染病的發生，降低飼養動物的死亡率；在動物飼料中添加抗生素可以用于改善生長和預防疾病[3]，縮減養殖成本。在農業生產上也具有抗病、抗蟲、除草等作用[4]。

抗生素已被證實在醫院、制藥業、養殖業、農業等領域都發揮著重要的作用，因此，人類和各行業對其產生了依賴性，從而造成了抗生素的大量使用，尤其在發展中國家使用的頻率更高，中國對抗生素的使用量和生產量在世界上均占很大比例[5]。人類和動物由于腸道吸收不良或代謝不完全，抗生素作為原化合物或代謝物被排泄出來[6]，從而給環境帶來巨大壓力，生態環境中抗生素的來源主要包括：生活垃圾和制藥廢水以及長期使用抗生素的動物糞便，由于處理技術和基礎設施的局限性，污水處理廠對動物排泄物和廢水中的抗生素去除達不到預期標準。

抗生素類污染物的生物積累潛力及其對人類和生態風險具有巨大的潛在危害[7]，抗生素不僅在水產養殖產品中檢測到，還在環境介質中也普遍存在[8]。抗生素已經是一種環境污染物，通過研究減少抗生素已成為研究熱點。前人通過各種實驗技術來去除環境中的抗生素，包括非生物法，比如高級氧化法、吸附法、過濾法等研究廣泛，生物降解方面研究較少且不全面，同時并未對處理方法進行很好的分類。本文總結國內外檢測抗生素方法，對降解方法進行分類和歸納，總結聯合降解法在處理抗生素方面具有應用前景，為環境的監測、治理與修復提供參考和建議。

1 環境中殘留抗生素的危害

隨著抗生素不斷污染水體，不僅會造成水生植物生長受限，還會對魚類、蝦類等產品質量造成影響。目前已發現226種抗生素對藻類及魚、蝦類生長有影響，其中50多種抗生素抑制藻類的光和作用，100多種抗生素對魚、蝦類動物有毒害作用[9]。抗生素因具有親水能力高和難揮發性的特點，在生態環境中存在的時間增加，更不易被自然環境降解。土壤中因抗生素的存在使得某些微生物的生命活動減弱，無法發揮分解者的能力，土壤的肥沃程度受到影響；抗生素還會導致一些細菌產生耐藥性和抗性基因(ARGs)，ARGs不僅在細菌群落間傳播，還會以其他形式傳播，在5個番茄品種表面上共檢測到191個，有機番茄的ARGs的數量較多，相對豐度較高[10]，破壞了生物之間平衡。土壤中抗生素被農作物和蔬菜通過水分運輸而被動吸收，在體內形成生物積累，與此同時發現抗生素在植物體內的分布是葉中含量最高，莖含量適中，根含量最少，并表現為生物積累[11]。抗生素很容易通過食物鏈、食物網的方式被累積，最后對身體健康造成傷害，主要表現為過敏反應、損傷器官、急性中毒、增加致癌率、致畸形率和致突變率[12]。

2 環境中殘留抗生素的檢側方法

在水體或土壤中抗生素的殘留量很低，一般是微量或痕量的級別，對水體或土壤檢測分析前進行預處理，將水體或土壤中微量的抗生素提取和純化。水體中殘留抗生素檢測的預處理方法是以萃取為主，包括固相微萃取、固相萃取、磁性固相萃取、液相萃取等，其中固相萃取是實驗室常用的預處理方法[13]。土壤中殘留抗生素檢測的預處理方法有機械振蕩法、超聲提取法、微波輔助萃取法、超臨界萃取法、固相萃取法、液相微萃取法等[14-17]。

檢測抗生素方法包括：免疫分析法、微生物檢測法、毛細管電泳法、薄層色譜層析法、生物傳感器法、液相色譜法、液質聯用法等[13,18-21]，液相色譜與質譜聯用具有更好的靈敏度、準確度，還可同時檢測樣品中多個種類的抗生素，是檢測水體或固體介質中抗生素定性定量的重要方法。

采用高效液相色譜-串聯質譜法，檢測堆肥中抗生素殘留量，檢出限為0.2～ 5 ng/g，定量限為0.5～ 1.5 ng/g，回收率在95.3～ 106.2%之間，并測出高濃度的環丙沙星為836 ng/g[22]。

采用高效液相色譜-串聯質譜法，測定水體中多類、獸用、痕量抗生素，標準曲線r2>0.995，相對標準偏差在0.20～ 11.9 ng/L，相對回收率在50%～ 150%。水體中獸用抗生素如阿莫西林、青霉素、磺胺嘧啶、林可霉素等的檢出量為1.26～ 127.49 ng/L，為獸用抗生素的常規監測提供了可靠的分析方法[23]。

采用高效液相色譜-二極管陣列檢測法，測定家禽組織中磺胺甲惡唑，泰樂菌素和恩諾沙星殘留量的方法，該方法檢出限為5.37～ 55.4 ng/g，定量限為17.9～ 184 ng/g，標準曲線r2>0.996，具有良好的相應效果。該方法運用在新鮮和冷凍禽肉樣本中殘留抗生素提取，檢測[24]。

3 環境中殘留抗生素的非生物降解方法

非生物降解就是物質通過化學氧化或物理吸附的方法進行的一系列降解的過程。例如：高級氧化法、膜過濾法、物理吸附法。

3.1 高級氧化法

高級氧化(AOPs)可直接礦化大部分有機物或通過羥基自由基強氧化將難降解的有機大分子進行降解。

3.1.1 光催化氧化法 光催化法原理是利用光催化劑產生光生電子和光生空穴，通過自由基與目標污染物共同作用下發生氧化反應，將抗生素分解成小分子的無機物質，從而消除對環境的污染[25]。在普通條件下，光催化劑將有機物分子結構破壞，用于降解污水中的物質。該方法具有反應迅速，條件溫和，可循環使用等特點。光催化法對TCs廢水具有良好的去除效果，去除率率超過80%，穩定性好[26]。

3.1.2 臭氧氧化法 臭氧氧化法是指臭氧(O3)與有機物直接發生氧化反應或自由基間接氧化，一般破壞芳香烴類和不飽和脂肪烴中的雙鍵，比如O3的來源廣，無污染，安全性高，氧化能力強，能氧化多環類有機污染物等特點。在臭氧氧化過程中，降解TC的速率高達99.5%，隨后60 min的礦化度約為40%。較低的pH值或較高的反應溫度有利于提高TC的降解率[27]。當反應溫度為25℃，SAs濃度為5 mg/L，O3以0.5 mg/L的質量濃度進行氧化1 h，大部分SAs可全部降解，對于磺胺甲基嘧啶、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條件下，金屬Fe2+氧化H2O2生成自由基具有氧化活性強的能力，可將抗生素進行氧化分解。該方法工藝簡單，操作簡便，耗能低，反應快速等特點。在溫度25℃，pH 3，土霉素(OTC)初始濃度10 mg/L，Fe2+濃度5 mg/L，H2O2濃度150 mg/L時，反應時間為1 h，OTC的降解率達到90.95%[29]。在Fenton催化體系，以TiO2-Fe3O4復合光催化劑，利用了光催化劑的特性，經過4個反應循環后，對阿莫西林的去除率仍為85.2%[30]。

3.2 膜過濾法

膜過濾法是有很多小的微孔組成的膜，物質的大小決定了是可以透過濾膜，還是被濾膜截流下來，這是一種高效污水處理技術。根據膜選擇性的不同，可分為紙過濾、微濾、超濾、納濾和反滲透。膜過濾法具有易操作，選擇性高，環境友好，不需添加化學藥劑等特點。由鋯基多孔膜(UIO-66)構建成的納濾膜，該膜具有良好的水通量18.0 L/ (m2·h·bar)和對抗生素（鹽酸四環素、OTC和環丙沙星）的截留率均在94%以上[31]。在水解聚丙烯腈上成功制備了一種由沒食子酸和支化聚乙烯亞胺為涂層的納濾膜，該膜具有良好的潤濕性，高純水滲透率18.0L/ (m2·h·bar)，平均有效孔徑0.56nm，對抗生素（阿奇霉素）的截留率為96.7%[32]。

3.3 物理吸附法

物理吸附法借助吸附質與疏松多孔的吸附劑之間產生的作用力，達到富集和吸附目的，這是一種廣泛應用于處理污水的方法。常見的吸附劑包括活性炭和生物炭，在生活中活性炭經常被用作吸附劑，吸附劑一般具有材料來源廣，無選擇特異性，吸附能力強等特點。在受污染的水體中，以30 g/L添加活性炭，吸附6 h，吸附效果好，選用長120 cm的柱子，流速控制在1.0 m/h，每噸含抗生素廢水使用活性炭2.45 kg[33]。利用皇竹草制成生物炭，在25℃，酸性條件下，SAs在廢水中的濃度為10 mg/L，生物炭用量為8 g/L，吸附4 h，SAs中磺胺嘧啶和磺胺氯噠嗪的去除效率均超過92%[34]。

4 生物降解方法

生物法是利用植物吸附、根際過濾和植物降解等功能或微生物的生理代謝機制，使得抗生素被吸附或者降解，以達到減少水體和土壤中抗生素的含量。生物法可分植物修復和微生物降解。

4.1 植物修復

植物修復可通過直接吸附土壤或水體中有機污染物，但受一些植物攝取能力的影響，在土壤或水體中植物可通過污染物的刺激分泌不同種酶，使污染物能夠被這些酶類物質降解，避免自身受到傷害。該方法具有成本低，綠色安全環保，操作簡單，可大面積使用等特點。抗生素濃度在2.5 μg/mL以下，培養3天后，TC和氨芐青霉素通過大漂植物的修復能力，對污水中抗生素的去除效率都在80%，鳳眼蓮植物對TC和氨芐青霉素通過鳳眼蓮植物修復能力，對污水中抗生素的去除效率分別達90%和70%[35]。蘿卜從土壤中通過根部吸收痕量的金霉素，恩諾沙星和磺胺噻唑，并進入了蘿卜的組織，其中的攝入量分別為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個很復雜的過程，在生態環境中微生物通過自身的代謝分泌某類物質，可以直接或間接改變抗生素的多環結構，從而改變抗生素物理化學性質。微生物降解抗生素的代謝途徑主要包括硝基化反應、羥基化反應、水解反應等。微生物降解效果好，可持續性高，降解徹底，經濟實惠，是土壤中抗生素自我凈化的重要手段。

降解抗生素的細菌種類。為細菌菌株獲得具有降解抗生素能力，科研者通過不斷地富集、馴化和篩選等方式從土壤和水體獲得的菌株，包括無色桿菌屬、產堿桿菌屬、蒼白桿菌屬、戈登式菌屬、埃希氏菌屬、葡萄球菌屬、黃桿菌屬、鞘氨醇菌屬、棲熱菌屬、拉烏爾菌屬、微桿菌屬、伯克氏菌屬、芽孢桿菌屬和假單胞菌屬等[37]，包括降解TC的沙特阿拉伯芽孢桿菌菌株在初始濃度143.75 mg/L，pH 6.94和接種量為8.04%時，最大去除率87 mg/L[38]。無色桿菌株JL9能夠利用磺胺甲惡唑作為唯一的氮源進行生長，對磺胺甲惡唑去除率為63%以上[39]。

降解抗生素的真菌種類。真菌可作為生產抗生素的菌株，同時也已證明能用來分解抗生素類物質。真菌對抗生素的耐受性要強于細菌，可以降解多種難降解的化合物。真菌類的有黑粉菌、粘性紅圓酵母、酵母菌和白腐真菌等[40]。QNs抗生素易被木質素降解真菌降解，QNs藥物在液體培養10天內完全被乳鏈球菌降解，在14天內完全被雜色假單胞菌降解[41]。白腐真菌分泌的漆酶中添加二銨鹽使得環丙沙星降解率達到97%以上[42]。

4.2.1 堆肥法 堆肥法是利用不同種微生物共同協作，將糞便，殘渣中的有機質轉化成有價值的養分和腐殖質，堆積過程還可以減少有機質中抗生素和病原菌。將雞、豬糞便和稻草混合，以60 mg/kg往混合物中添加TC，堆肥過程對微生物群落沒有明顯影響，在堆肥45天內，TC的去除率在93%以上[43]。堆肥法分為有好氧堆肥和厭氧堆肥兩種類型，對于不同類型抗生素均有降解效果。例如：在常溫和恒定的55℃和35℃的水溶液，添加鋸末作為載體，進行好氧堆肥處理20天，4種抗生素降解率達到90%以上[44]。豬糞在厭氧堆肥14天后降解速率最高，當溫度為55℃和OTC初始濃度為10.36 μg/g時，OTC去除率為95.50%[45]。

4.2.2 微藻降解抗生素 微藻可以發揮吸附以及生物降解作用，將污染物轉運到細胞中進行分解或生物積累，也可發生光合作用進行降解。該方法具有成本低，可投放面積大，無污染，微藻比微生物耐受更高的抗生素濃度。微藻對淡水和海水中TC的最大吸附容量分別為295.34 mg/g和56.25 mg/g[46]。在室外、中試規模、高效藻類池塘中，水力停留時間為4天時，TC的去除率為93%；水力停留時間為7天時，TC的去除率達到99%以上[47]。

5 聯合降解方法

5.1 膜生物反應器

膜生物反應器是一種利用膜分離物質方法與微生物代謝能力有機結合的新型凈化污水裝置。具有截留率高，系統出水穩定，易操作，占地面積小，是發展前景較大的處理污水工藝。常規膜生物反應器對甲氧芐啶和磺胺甲惡唑的去效率為40.82%和91.92%，添加秸稈的膜生物反應器的去除效率分為82.10%和95.79%[48]。在膜生物反應器中由氧化溝改造成的平板膜反應器進行處理抗生素廢水，其出水中抗生素含量降至1.87±0.33 mg/L[49]。

5.2 植物和微生物聯合降解法

通過植物和微生物組成的一個體系來共同降解污染物，在植物生長過程中根系分泌有機營養物為微生物提供了生存空間，與此同時微生物的生長代謝過程也為植物生長提供大量無機物質，兩者形成互利共生的結構，不僅可以促進污染物的分解，還可以促進植物生長。該方法具有綠色低碳環保，效率高，還可產生經濟效益等特點。降解OTC效果較好的紫金牛葉桿菌細菌和膠紅酵母真菌制成菌液添加到孔雀草和紫茉莉兩株植物周圍，當OTC質量分數為5 mg/kg時，OTC去降率30.8%～ 70.6%[50]。

5.3 滲濾系統處理抗生素

滲濾系統是利用土壤理化性質和微生物降解凈化能力去分解水體中的有機或無機物。該方法具有預處理簡單且出水效果好、流程簡單，管理簡潔等特點。土壤滲透系統可過濾、吸附多種痕量抗生素和有機化合物，在以微生物為主體進行降解，對很多種抗生素去除率90.00%以上[51]。土壤水層運行過程中紅霉素的平均去除率為92.9%，在25 cm土層對抗生素去除起著關鍵作用，約占土壤去除總量的49.4%，其中好氧生物去解率為71.2%[52]。

6 展望

目前，殘留在生態環境的抗生素成為一種污染物質，給水體、土壤造成污染，給生態環境帶來巨大的災難，對于降解抗生素已成為刻不容緩的任務。對于單一處理工藝來講，雖可以快速的清除水中的抗生素，然而由于針對性較差，對于含抗生素復雜程度較高的污水，去除效果達不到預期，分解的產物的不確定性，對生態環境仍會產生潛在的危害。單一的生物法處理效果雖好，也會出現弊端，如高濃度的抗生素污染物會對生物生長產生抑制效果，兩種方法都無法滿足修復的環境需求。基于以上情況，環境中殘留抗生素的降解研究還應聚焦于以下四個方面，一是對污水處理廠、醫院、養殖場等周圍環境進行定時檢測以及制定抗生素污染指數評判標準，防止抗生素和抗性基因污染不斷擴大；二是現在不管是生物降解還是非生物降解研究其優化條件居多，對于分解的機制還不是很完善，尤其是微生物降解的機理，研究者應探索降解抗生素的機理以及對后續產物進行分析，為降解抗生素提供理論依據；三是利用植物的根系和微生物降解土壤中的抗生素，對于抗生素的轉化或降解過程以及修復土壤方面還有待繼續挖掘；四是應大力開發新的工藝修復技術、微生物修復技術或復合修復技術，爭取得到高效安全地處理抗生素污染物的方法。