土壤中抗生素污染的時空分布和環境行為研究

毛異之，蔡柏巖

（1黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱150080；2黑龍江大學黑龍江省寒地生態修復與資源利用重點實驗室，哈爾濱150080；3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）

0 引言

抗生素是指一類特殊的由微生物（如放線菌、霉菌等）或高等動植物產生的具有抗病原體或其他活性的一類次級代謝產物，也是一種可以干擾其他生物正常的細胞發育功能的化學物質[1]。目前常規的抗生素主要分為磺胺類、四環素類、氟喹諾酮類、大環內脂類、β-內酰胺類（青霉素類、頭孢類）、氨基糖苷類和酰氨醇類7類[2]。抗生素等抗菌劑具有的抑菌或殺菌作用主要是針對感染細菌的一般哺乳動物（如人，或其他動植物）的獨特機制進行殺傷[3]，其中包含4個核心作用機理，即抑制細菌細胞壁合成、增強細菌細胞膜通透性、干擾細菌蛋白質合成和抑制細菌核酸復制轉錄[4]。

抗生素憑借其所具備的廣譜抗菌能力，以及短期和低劑量對人類及其他哺乳動物的低毒理性，使得其越來越多的被應用到包括醫療和農業生產等領域[5]。目前人類對抗生素的應用集中于麻醉劑、抗酸劑、驅蟲劑、類固醇類、非固醇類、抗炎藥、抗菌劑、殺菌劑、防腐劑、利尿藥、乳化劑、催情劑、鎮靜劑和促進生長素等方面[6]。據統計數據顯示，2017年中國抗生素生產總量達24.8萬t[（7]抗生素類占比：醫用類抗生素占32%、牲畜類抗生素占26%、應用類抗生素占20%、作物類抗生素占22%），其中國內消耗約16.2萬（t磺胺類5%、四環素類7%、氟喹諾酮類22%、大環內脂類21%、β-內酰胺類21%及其他24%）[8]。

1 抗生素種類及應用特性

1.1 醫用類抗生素

研究數據顯示中國醫用抗生素濫用非常嚴重，2016—2020年度中國抗生素使用率的平均數高達74%，而德國、法國等發達的歐盟國家的這個數據僅為22%～25%[9]。醫用抗生素因為其作用的高效性、短時性和相對廉價性，因此其被許多基層醫療機構作為治療常見疾病的首選。與之相比，大型醫院中抗生素的使用突出種類復雜、產品單一、使用地點集中、使用頻次高、消耗量大（約占整個抗生素應用量中的78%[10]）5個特點。磺胺類、大環內酯類和喹諾酮類藥品使用量最大，這類人為修飾藥物多以化學合成法合成或者半合成的為主，效價一般高于1000單位/mg[11]，濃度和純度極高，生產的工藝流程如圖1所示，末端回收率在15%～20%之間[12]，中間損耗及次生產物數量巨大，這些廢棄物和中間產物無疑也是一種污染物。

圖1 抗生素生產工藝流程

由于抗生素的水溶性較高，根據藥代動力學研究表明，在規定給藥量下，醫用類抗生素在人體中的血消除半衰期(plasma half-life time)的長度在3～4 h左右，故在人體消化吸收的過程中易發生逃逸現象，這導致人體無法完整的吸收及代謝所攝入的全部藥品[13]。小部分未吸收的抗生素會通過血液循環進入呼吸系統，經由人體肺泡部的氣體交換逸散于空氣中；大部分會經由人體消化系統，作為排泄物排出，隨后混入城市排污系統進入自然環境，除此之外，醫用器具使用、維護、清理和遺棄也會產生抗生素的廢棄物，這些廢棄物目前人類處理手段落后，極易在未經處理的情況下直接進入排污系統，隨后進入城市周邊的水體環境中[14]。城市水體中的抗生素有3條路徑進入土壤，即下游未處理水直接灌溉、河流與岸邊土壤區的滲透和物質交換和環境降水[15]。另一方面，醫藥生產企業在生產過程中會產生廢水廢渣，這些廢棄物大多不經處理直接排放，會加劇城市水體中抗生素的污染情況[16]。

1.2 畜牧類抗生素

畜牧業生產中使用抗生素的畜禽主要為豬牛羊雞等，是和人類一樣屬于哺乳綱的生物。同綱的動物的遺傳表達具有相似性，故人和其他哺乳動物具有約14%～25%的共同易感菌群。研究表明，部分廣譜性抗生素（如四環素類和大環內酯類抗生素）對牲畜具有同樣高效的抗菌效應（87%有效性[17]）。

相關藥代動力學的研究表明，牲畜的表觀分布容積(apparent volume of distribution，vd)介于9～42，而人類為3～58，相同情況下，同等體重下牲畜的抗生素消耗量要高于人類[18]。因為牲畜的vd較小，一方面導致藥物的組織殘留量低（易于隨糞便尿液排出），另一方面為保障藥效通常需要多次給藥的設計，這些利用方式使得畜牧用地的土壤抗生素滲透量增加。

目前，農村畜牧業養殖的現代化程度還較低，根據對154家農藥獸藥銷售點進行調查和統計，發現84%的農藥獸藥銷售點（130家）售賣有抗生素類產品，而這些商家中僅有11%（14家）具有正規的抗生素銷售資歷。根據這些銷售點的銷售表可以發現，約78%的養殖戶會在購買常規農藥時添購抗生素產品用作生產，由此可見，管理部門對于抗生素的使用和監管還存在問題。通常這類牲畜用抗生素的使用方式有摻雜飼料口服、直接肌肉注射、靜脈點滴注射和沖服隨飲用水飲用4種。總體而言這類抗生素的吸收率較低，根據藥代動力學研究發現，約有70%的抗生素不會被動物體所吸收，這些殘留物會滯留在血漿中發生半衰反應，變成次級代謝物，隨牲畜的尿液和糞便排出體外[19]。

這些富含抗生素殘留的生物糞便的處理方式有2種；約80%左右尿液和糞便會未經處理，直接填埋于表層土壤；余下的20%糞便，以輕度無害化處理或經簡單堆肥處理為主，未經過深度發酵和完整無害化處理，也未進行相關檢測，直接用作農家肥或有機肥進行使用[20]。這些都是造成土壤環境中畜牧用抗生素泛濫的原因之一。現代水產養殖也會利用抗生素輔助生產，但未經使用和生物代謝殘留的抗生素一方面會污染水體環境，另一方面也會沉降聚積于底部泥沙層[21]。

1.3 應用類抗生素

抗生素在生產的過程中會產生廢棄物，且部分食品和飲料的生產過程中也會利用一定的抗生素來保證產業鏈的安全和食品衛生，其中紅霉素和青霉素是食品生產過程中使用量最大的，尤其是發酵食品和腌制食品中，殘留的抗生素的濃度高達7%～19%[22]。根據相關研究統計發現，一般生產狀態下化合物的轉化率[22]（食品中包含量和生產時配比施用量）不足10%，食品工廠排放中的廢水廢渣中抗生素的殘留量約占整體施用量的45%，目前在食品生產污染物的產生和處理的方式上缺失，導致人們對食品生產中污染情況的認識水平并不高，82%的抗生素污染物只進行簡單的掩埋或過濾處理，就被排放至生態環境中，以上2種措施對抗生素降解貢獻極少。大量未經處理的抗生素進入水體或土壤環境，通過一系列地質活動或生物活動進入到食物鏈中，且通過富集作用反過來影響人體本身[23]。

富含抗生素的廢渣通過填埋法的處理會進一步引起土壤的二次污染，食品殘渣是現代工業的高度凝聚品，含有大量非天然化合物和豐富的營養物質，這些化合物經填埋處理后，極容易通過擴散作用、生物攜帶和土壤內部微環境的循環進入土壤生態環境中，造成土壤富營養化和抗生素含量劇增。

1.4 作物類抗生素

土壤內存在大量致病菌，其中約1/3的類群可以對土壤內生物的生理形態和活動產生不利影響，例如引起植物根腐病、銹病、褐斑病、稻瘟病和晚疫病致病菌[24]等，傳統農藥在長時間施用過程中，因為環境逆性定向篩選，導致近50年內土壤中抗藥細菌的規模不斷增大，導致傳統化學農藥逐漸失去殺菌能力[25]。人類被迫采用更強的化學農藥來抑制新型抗性細菌的生長，這導致人類和細菌間不斷爆發“軍備競賽”。與此同時，人類選擇抗生素類群來增加對抗藥細菌的殺傷能力。在抗生素投入使用的30年，因其殺菌抑菌能力相對強大，以及自然環境中存在對抗生素抗性較小的個體，抗生素類專性農藥引領了新一輪的農業革命，但人類在這個時期并未正視抗生素對環境的生態作用，導致抗生素農藥整體的施用策略為粗放型，單位面積的施用量遠高于環保機構所制定的標準水平。雖然短時間內效果顯著，土壤致病菌的數量被極大消減，糧食產出也穩步提高，但長遠來看也刺激了土壤微生物類群的定向進化[26]。

2 抗生素污染的時空分布

2.1 水平層面污染分布

2.1.1 氣候區域污染 氣候區域的劃分主要分為寒帶、溫帶、亞熱帶和熱帶。同時根據其水陸關系分為大陸型、海洋型、季風型氣候。對相關研究結果進行統計分析發現，抗生素的分布與大氣動態、洋流運動和人類活動息息相關，一般規律表明，大氣動態穩定、洋流運動較少、人類活動固定的區域，抗生素的濃度高但分布范圍小且集中，整體分布上具有一定的均質性和規律性；大氣動態復雜、洋流運動頻繁、人類活動多的區域，抗生素的濃度較少但分布范圍大，較為廣泛，整體分布上呈斑塊性和隨機性。在亞熱帶和溫帶區域，抗生素的濃度和廣度是所有氣候型中最高的。熱帶相較于溫帶和亞熱帶，有更高的物種豐度，更頻繁的氣流和海洋活動，由于其高溫的特性，抗生素分子易于揮發和分解，導致其在熱帶土壤濃度較低，分布范圍反而比二者要小[27]。

大陸性以及季風性氣候因為節律較為穩定，氣候和季節變化均勻，有著穩定的季節性徑流和風季變化，所以相對變化不穩定的海洋氣候來說，抗生素分子的分布易于轉移和揮發[28]。

2.1.2 地理區域污染分布 根據相關文獻整理可發現，地理區域的抗生素分布和人類的活動密切相關，例如人類活動頻繁的平原、丘陵和低地地區，抗生素的濃度和分布廣度遠高于人跡罕至的高原高山地區[29]，內陸臨河地區的抗生素濃度和廣度則是所有地理區域中最高的[30]。同時人口密度越大的區域抗生素的濃度越高，經濟越發達的地區抗生素的分布越廣[31]，區域中水體越多的區域抗生素的種類越多（圖2）。

圖2 抗生素地理區域污染分布

2.2 垂直層面污染分布

2.2.1 空氣層面污染分布 抗生素具有小分子性、水溶性和易揮發特性，導致大量的抗生素一方面會在土壤和水體環境中直接揮發進入空氣環境中，另一方面也會滲透進入水溶液參與水循環。目前對于該方向的研究都證明空氣存在抗生素分子且其含量不容忽視，并且這些抗生素又會隨著物質循環重新回到土壤或水體環境[32]。

2.2.2 生物層面污染分布 水溶性的抗生素分子和脂溶性的脂雙層之間有著一定的低親緣性和低親和性，抗生素分子對植物個體的直接傷害能力較弱。一方面高等植物因其葉片結構并不有利于空氣抗生素的吸收[33]；另一方面由于植物根毛細胞的特殊結構，低分子動能的抗生素分子極易溶解于土壤微環境的水分子中，在水勢壓力和根壓的作用下通過根毛的木質部結構進入植物體[34]。

動物由于其整個生活史幾乎都直接暴露在水體或者土壤環境中，以運動和捕食為主的生活習性，更易于在生命活動的過程中攝入環境中的各類小分子物質，通過吸收和富集作用，在生物體內逐漸聚集（如圖3所示）。根據研究發現，若環境中出現抗生素污染，動物體內的抗生素含量會顯著高于環境的一般水平。

圖3 抗生素富集表

相關研究表明，海拔和緯度與抗生素的影響力呈負相關性[35]；生活史內直接暴露在水體中的時間越長的生物，其受到抗生素因子影響的作用越大。若生物的生活史內存在大量的水陸共生環境，或者水域土壤半層環境，受到抗生素因子影響的作用遠高于在單一土壤環境生存的生物[36]。

有毒物質在食物鏈和食物網傳遞中存在富集作用，表現為越高生態位的生物受到抗生素的影響越大，但目前沒有充足的研究證明抗生素對高生態位的生物的傷害性絕對高于低生態位的生物[37]。相應的主流觀點認為，因為生物間存在物種和個體差異，導致生物之間的代謝水平、藥物殘留水平和血漿半衰期存在差異，進而導致不同生物對抗生素的耐性范圍存在差異。抗生素對真核細胞的直接傷害性小，因此其對多細胞真核生物類群的影響更傾向于對共生細菌環境的結構和生物類群的破壞，進而間接影響真核生物的生理和環境行為。

2.2.3 土壤層面污染分布 土壤是大部分位于生物圈的生物直接或間接生存的區域，其不僅與人類的物質生產活動息息相關，也是物質循環和能量流動的重要中間點。由于土壤存在顆粒性、粘滯性、吸附性和低擴散性[38]，進入到土壤中的抗生素會在土壤中逐漸沉降聚集，導致土壤中出現“假持久性”（難降解和難流動導致土壤抗生素的半衰期長于正常值）[38]。

抗生素分子具有較多環狀結構和羥基結構，分子間易于產生范德華力和氫鍵，其分子群會表現出高聚合性和低團粒性，導致抗生素分子相較于傳統的農藥藥物分子（多為無機物），更容易出現凝聚反應，造成區域性的濃度升高。綜上所述，土壤會表現出一種啞鈴型的抗生素濃度分布曲線，即表層土壤擁有高濃度且聚集的抗生素，中層土壤擁有低濃度且分散的抗生素，土壤底層存在著大量沉降和附著的抗生素[39]。

3 抗生素的環境行為及危害

抗生素通過各種途徑進入土壤，經過吸附轉移等模式留存在土壤層中，進而對土壤內生物產生影響（如圖4所示[8]）。

圖4 抗生素環境行為

3.1 抗生素對土壤伴生生物的影響

抗生素獨特的作用機制使得其對于真核生物的殺傷性遠低于原核生物，所以對土壤生物的影響還是集中于通過影響下游被捕食用的微生物，進而通過食物關系影響上游的捕食性土壤微生動物[40]；或者通過傷害與植物（根部）共生或者寄生的微生物類群來影響有關的植物生物。抗生素分子本身為小分子化合物，在高等植物和高等動物間存在一定的富集作用。例如高濃度的土霉素聚集會影響牲畜類哺乳動物的消化系統（抑制反芻動物瓣胃內生菌生長），造成相關牲畜的生長受到影響，從而影響肉類產品和乳制產品的產量和品質[41]；若蚯蚓長期暴露在抵抗人數濃度的環境中，會出現個體死亡或者低繁殖現象[42]。

相關文獻表明，自然條件下未受到人類活動干擾和污染的土壤，應該是偏中性或弱堿性（硅酸鹽或硅酸鈉導致），若考慮到水文和天氣因素，則土壤酸堿性會發生變化[43]。同時土壤微生物和土壤微生動物的生命活動會導致土壤生態環境的pH發生變化[44]。抗生素分子為有機化合物，其自身也會產生各類化學反應從而影響到土壤的酸堿性。同時土壤內的抗生素會通過影響到土壤微生物的生理活動，直接或間接的改變土壤的理化性質。

抗生素若在土壤中長期存在，會導致整個土壤的微生物生理環境趨向于總體逆性，使得整個土壤變成一個“選擇性培養基”，處在該培養基中的細菌會在逆性條件的刺激下發生定向的非自然選擇性進化，進而導致土壤中出現特異性的抗性細菌[45]。根據細菌免疫學的相關知識，抗性細菌為抵抗環境抗生素的侵蝕，會產生2類免疫反應，即表達并分泌特異性的抗性蛋白或通過定向進化產生相關抗性基因，這些非自然條件下誕生的化合物勢必會對環境產生二次污染[46]。

3.2 抗生素對作物的影響

大量研究表明，在受抗生素污染土壤上生長的作物，其體內的抗生素濃度在逐年增加，但植物體內并未產生針對抗生素的獨特排出機制或者容納機制，大量的抗生素分子在植物體內呈游離態存在[47]。抗生素分子的水溶特性會導致其伴隨著蒸騰作用和內部壓流運動，遷移到植物體的每個部位[48]。過量的抗生素分子在植物細胞和組織內聚集，勢必導致植物細胞環境和周遭組織微型生理環境的變化，但目前缺乏抗生素對受污染作物生理活動的科學性研究，暫時不清楚抗生素是否會引起植株的矮小短莖分蘗減少以及結實率下降等農業指標的變化[49-58]。

4 展望

抗生素作為一種新型的環境污染物，近些年對其研究也逐漸增多，但目前主要研究方向還是集中在對抗生素在水體環境中的歸趨和環境行為上，對更為復雜環境（例如濕地、土壤等）中的抗生素環境行為，時空動態和生物危害等方面的研究十分稀少，亟待加強。綜上所述，抗生素種類繁多，土壤環境的復雜性也很高，故要全面地闡明抗生素在土壤中的環境行為十分困難，尚需開展大量研究予以明確。今后應加強以下幾方面的研究：（1）利用多學科的優勢來聯合研究，譬如利用分子生物學和結構學的知識，根據抗生素分子的結構來推導其可能存在的化學性質，并輔助相關研究；或利用代謝生物學的知識，通過分析其生物合成或生物降解途徑，來分析其在土壤中產生的相關化學反應；（2）將土壤、植物、動物、水體結構等聯系起來，作為一整個反應器系統，再來開展對抗生素及其代謝產物在土壤中的環境行為和分布模式進行研究。這樣做到優勢是一方面可以充分利用現在已開展或已得到的研究成果，另一方面也在更大尺度內嘗試揭示其遷移規律，以便明確其過程、機理和影響因素；（3）將抗生素作為一種新型的環境因子或生態因子進行研究，考量其進入的數量對土壤生態系統的其他生態因子的影響，來綜合分析其所引發的一系列非自然演變，并隨之產生的遺傳漂變和定向進化；（4）在更高的尺度層面來觀察和歸納抗生素在土壤和微生物、動物、植物之間的轉移途徑，探明土壤抗生素的污染對土壤中微生物、土壤表層的動植物、土壤表際環境以及整體生態斑塊區的影響，以更好地發現其在食物鏈中的遷移途徑和機理。同時也應重點探索消減抗生素污染的相關方法和技術，這些對維護土壤生態系統的生態安全和人體健康有著非常重要的意義；（5）抗生素作為一個新型的環境污染物，需要政府單位加強對抗生素的管理，一方面保證其正確應用以減少生態環境中的抗生素含量，另一方面也不能因噎廢食，需要充分利用抗生素的益處來輔助農業生產。政府和相關部門也應該和廣大農民聯合起來，共同行動，保證對土壤的科學利用和精準利用，做到不廢土不荒土不棄土；（6）在現代遙感科技和衛星科技的輔助下，配合生態學的統計手段，觀察和研究土壤中抗生素的分布情況，進而得出其時空分布格局，這是一切土壤抗生素的科學管理手段的大前提。目前可以先以小樣方小區塊為基礎，開展當前尺度下土壤抗生素的研究，最后通過以點擴面的形式，進一步闡明各種環境因素對抗生素時空分異的影響，以便更好地監控土壤的抗生素健康狀況。