土壤中抗生素殘留檢測與修復技術研究現狀

摘 要：抗生素廣泛應用于醫療、畜牧、農業等行業，導致土壤中殘留日益嚴重，給土壤生態系統和人體健康帶來極大的威脅。該文基于國內外研究現狀，對土壤中抗生素殘留常用的抗生素殘留檢測和修復技術進行綜述，并對土壤樣品前處理和儀器檢測技術的優缺點進行比較，旨在為相關研究提供參考。

關鍵詞：抗生素；土壤；殘留檢測；修復；技術

中圖分類號：X830.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0189-04

Abstract： Antibiotics are widely used in medical， animal husbandry， agriculture and other industries， resulting in increasingly serious residues in the soil， bringing a great threat to the soil ecosystem and human health. Based on the current research status at home and abroad， this paper summarizes the commonly used antibiotic residue detection and remediation techniques for antibiotic residues in soil， and compares the advantages and disadvantages of soil sample pre-treatment and instrumental detection techniques， aiming to provide a reference for relevant research.

Keywords： antibiotics; soil; residue detection; remediation; technology

隨著抗生素在醫療、農業等行業的廣泛應用，不僅保障了人類健康安全，還提高了農業的效率，但過度和不當的使用也給土壤環境帶來了嚴重的威脅。土壤是抗生素的重要儲存和傳播途徑，其殘留主要來自人類活動，如抗生素在畜牧業中的廣泛使用[1-2]；醫療廢棄物處理不力[3]；農業肥料和污水灌溉中的抗生素污染等[4-7]。這些抗生素進入土壤環境后，不僅會影響土壤生態系統，還可能通過食物鏈傳遞給人類，從而引發耐藥性等問題[8-9]。因此，高效檢測和修復土壤中的抗生素殘留已成為研究熱點。目前，國內外對抗生素殘留的主要檢測技術包括微生物檢測、免疫分析、理化檢測技術；主要修復技術包括生物修復、化學修復、物理修復及微生物電化學修復等技術。本文綜述了土壤中抗生素檢測與修復技術的最新研究進展，旨在為相關研究提供參考。

1 土壤中抗生素檢測技術的研究現狀

抗生素檢測的技術包括：微生物檢測技術、免疫分析技術和理化分析技術。其中，微生物檢測技術是利用抗生素對特定微生物的抑制作用，通過分析微生物的生長來確定抗生素的存在，免疫分析技術是一種抗原抗體之間特異結合的生物化學技術[10]。國內外通常采用理化分析技術對土壤中抗生素殘留進行定性和定量分析，本章節將綜述土壤樣品的前處理和理化檢測技術兩個方面。

1.1 土壤樣品中抗生素殘留的前處理技術

通過對近幾年國內外檢測土壤中抗生素的文獻分析，發現目前提取土壤中抗生素較為常用的提取和凈化方法包括：超聲提取（UAE）、加速溶劑萃取（ASE）、QuEChERS、固相萃取（SPE）和固相微萃取（SPME）等方法[11-12]。

超聲提取（UAE）的原理是利用超聲波的高頻振動來增強目標化合物在提取溶劑內的溶解度。影響提取效率的主要因素是提取溶劑的類別和劑量以及提取時間，因此在選擇提取土壤中不同類別的抗生素時，要根據目標化合物的理化性質選擇相應的溶劑進行提取。王悅等[13]在檢測土壤中頭孢菌素C時，對比了超聲提取和未超聲時5種提取劑提取土壤中CPC的回收率，結果表明未超聲提取時5種提取劑的回收率不存在差異，使用超純水提取并超聲時比于未超聲提取時的回收率要高8%。

加速溶劑萃取（ASE）是利用合適的萃取溶劑在一定的溫度和壓力條件下，對目標物進行反復多次萃取。楊萌[14]使用加速溶劑法提取土壤中的青霉素、頭孢拉定、磺胺嘧啶等7種抗生素，優化了提取溶劑的配比以及提取時的溫度和壓力，得到7種抗生素的回收率均在85.4%～105.2%。戴軒宇等[15]采用快速溶劑萃取-固相萃取的前處理方式，對土壤樣品中19種抗生素進行檢測，優化了提取溶劑的組成和萃取溫度以及固相萃取步驟，得到19種抗生素的回收率范圍在45.2%～149%。

固相萃取（SPE）一般與超聲提取或加速溶劑萃取進行聯用，目的是去除土壤提取液中的雜質，對提取液進行凈化和濃縮，其工作原理是利用固相萃取柱的填料有選擇性吸附提取液中的目標化合物，再用適當的溶劑去洗脫填料當中的目標化合物，從而達到凈化雜質的目的。陳進等[16]采用超聲提取-固相萃取的前處理方式，提取和凈化了土壤中土霉素、四環素、磺胺嘧啶等7種抗生素，測得樣品加標回收率范圍在71.05%～95.63%；張健威等[17]使用加速溶劑萃取（ASE）、固相萃取（SPE）對沉積物中10種磺胺類抗生素進行萃取和凈化，測得平均回收率范圍在67.8%～109.8%。

QuEChERS前處理技術的原理是利用QuEChERS鹽包作為吸附劑，吸附填料與基質提取液中的雜質相互吸引，從而有效去除土壤中的有機酸、糖類、多環芳烴等多種干擾物質[18]。徐圓等[19]優化了QuEChERS方法中所使用的的提取溶劑，其實驗結果表明樣品經5%甲酸-乙腈提取并加NaCl和MgSO4凈化，得到4種抗生素的回收率均在67.7%～166.1%。

目前國內外最常用的前處理方法是超聲提取-固相萃取聯合使用的技術，其次是加速溶劑萃取-固相萃取以及QuEChERS等前處理方法。超聲提取可同時提取多個土壤樣品，具有設備成本低、操作簡單、提取速度快等優點；加速溶劑萃取法在萃取土壤中抗生素方面效果較好，但缺點是設備較為昂貴、溶劑用量大，操作也相對繁瑣；固相萃取通常與超聲提取和加速溶劑萃取進行聯用，分離富集土壤中抗生素殘留的提取液（或萃取液），具有高選擇性、可批量操作且操作簡單等優點；QuEChERS目前在檢測土壤中抗生素殘留中使用較少，可能是土壤基質成分復雜多樣，單一使用此法可能對儀器檢測結果產生影響，因此此法一般與超聲提取或固相萃取進行聯用的效果更佳[20]。

1.2 土壤樣品中抗生素的理化檢測技術

近幾年國內外用于土壤中抗生素的理化檢測方法有液相色譜法、液相色譜串聯質譜法、毛細管電泳等技術，其中液相色譜法和毛細管電泳法使用較少。液相色譜法在檢測土壤中抗生素種類較少，而使用液相色譜串聯質譜時檢測的類別遠遠多于液相色譜法，因此近幾年檢測土壤中抗生素的儀器方法大多為超高效液相色譜-串聯質譜法等[21-23]。當然，液相色譜法在檢測5種及5種以下抗生素時也有很好的應用，具有檢測高效、使用費用低等優點。

1.2.1 液相色譜法

液相色譜法工作原理是將待測溶液吸入流動相中，與流動相一同進入色譜柱中，溶液中的不同組分在兩相中因其極性的不同，在色譜柱的吸附-解吸過程產生差異，被分離成單個組分隨流動相流出色譜柱，最后通過檢測器將單組分的濃度轉換成電信號從而形成圖譜。劉瀟雅等[24]利用高效液相色譜儀對土壤中3種磺胺類抗生素和2種四環類抗生素進行檢測，所得回收率為磺胺類67.31%～85.58%，四環素類20.81%～59.33%。

1.2.2 液相色譜串聯質譜法

目前較為常用的質譜儀器有三重四級桿質譜儀（Q）、離子阱質譜儀（IT）、飛行時間質譜儀（TOF）等[25]。舒達等[26]利用超高效液相色譜-三重四級桿串聯質譜聯用儀對水產養殖塘底泥中恩諾沙星、磺胺嘧啶等8種抗生素進行檢測，所得回收率范圍在80.5%～101.3%；唐會鑫等[21]利用超高效液相色譜-串聯質譜儀對土壤中13種硝基咪唑類抗生素進行檢測，所得回收率范圍在71.5%～116%。

2 土壤中抗生素污染的修復技術

針對土壤中抗生素等有機污染物的修復，可采用物理、化學、生物等修復技術。物理修復包括深耕翻土和異地填埋、土壤淋洗、蒸汽浸提和熱處理等；化學修復包括沉淀、吸附、氧化-還原和催化氧化等；生物修復包括植物修復、微生物修復及植物微生物聯合修復等。然而，在實際應用中，由于土壤環境的復雜性，各種單一降解技術往往難以達到理想效果。

2.1 物理、化學和生物等單一修復技術

在土壤修復工作中，傳統的物理修復技術深耕翻土和異地填埋都是治標不治本的方式，并且存在工作效率低、成本較高的缺點，因此在土壤修復工作中的應用不多。Lu Zhan等[27]使用熱解析技術處理抗生素污染土壤，實驗結果表明，延長熱解時間、提高溫度能有效增強土壤中喹諾酮類和四環素類抗生素的去除效果。然而，此方法也具有能耗較高，并可能向大氣中排放大量的溫室氣體等缺點。抗生素殘留的化學修復技術一般采用普通氧化和高級氧化技術。Tian Q等[28]研究了漆酶介導氧化和高鐵酸鹽氧化去除廢水中的四環素類抗生素和磺胺甲惡唑，并有效去除其抗菌活性。生物修復技術是利用微生物和植物的代謝作用，降解或富集土壤中的抗生素殘留，達到修復效果。這種生物修復技術經濟且友好，但是修復周期長，且在處理低生物利用率的抗生素時會受到限制。Erping Cui等[29]研究結果表明，芥菜和何首烏對土壤中抗生素殘留的去除效果較好，且采用間作的方式能有效提高大部分抗生素的去除率。盡管這些在實驗室篩選出的微生物展現出一定的抗生素去除能力，但在實際應用中，它們不僅會受到土壤基質理化性質的制約，還會面臨與本土微生物的競爭。因此，在實際應用中，這些實驗室篩選的微生物對實際土壤中抗生素殘留的去除效果并不理想。

2.2 復合材料修復技術

對于土壤抗生素等有機污染的修復，理想的復合材料應具備環境友好、制備簡單、成本低廉和優異的化學活性等特點。納米零價鐵（nZVI）復合材料以其高反應活性和低成本特性在水體中吸附和降解抗生素方面得到了廣泛研究，但很少用于土壤中抗生素殘留的修復。Guixiang Zhang等[30]制備了納米級零價鐵負載生物炭（nZVI-HBC），其研究結果表明nZVI-HBC能有效加速土壤中磺胺類抗生素及相關耐藥基因的降解。Zhou Zhou等[31]利用nZVI活化的過硫酸鹽在農業土壤環境中對磺胺甲惡唑表現出良好的降解效果。

2.3 微生物燃料電池修復技術

微生物燃料電池（MFCs）是一種利用微生物作為生物催化劑來提供清潔和豐富的電子供體或受體來源的技術，可通過調節電化學參數來控制[32]。近幾年來，MFCs已被廣泛應用水環境中多種有機和無機污染的修復研究[33]，因此，利用MFCs技術去除環境中新型污染物抗生素已成為當前的研究熱點之一。目前MFCs技術在去除水中有機污染物污染的方面研究較多，但是在土壤中的應用相對較少。這是因為在距離陽極較遠的土壤中，微生物降解有機物產生的電子難以到達陽極，從而影響土壤MFCs的產電性能[34]。

3 結束語

本文簡述了土壤中抗生素殘留的來源和危害，對常用的理化檢測技術中土壤樣品前處理和儀器檢測技術進行了總結，并對不同的前處理和儀器檢測技術進行了對比。最常用的前處理方式為超聲提取-固相萃取，其次為加速溶劑-固相萃取和QuEChERS，使用較多的儀器檢測技術通常為高效液相色譜-串聯質譜法，而高效液相色譜法使用較少。土壤中抗生素污染的修復技術中，單一使用物理、化學、生物等技術都有著各自的缺點和限制，而使用復合材料和微生物燃料電池等技術則相對困難。未來需要更加完善的修復技術，比如從單一修復技術，到開創聯合降解體系。

參考文獻：

[1] MAGDALENA M， MARTYNA B， UKASZ P， et al.Poultry manure-derived microorganisms as a reservoir and source of antibiotic resistance genes transferred to soil autochthonous microorganisms[J].Journal of Environmental Management，2023，348：119303.

[2] KOKOSZKA K， KOBUS A， BAJKACZ S. Optimization of a Method for Extraction and Determination of Residues of Selected Antimicrobials in Soil and Plant Samples Using HPLC-UV-MS/MS[J].International Journal of Environmental Research and Public Health， 2021，18（3）：1159.

[3] ZUFEI X， YUAN Z， GANG L， et al.Application of pharmaceutical waste sludge compost alters the antibiotic resistome in soil under the Chinese cabbage system[J].Journal of Cleaner Production，2020，291（4）：125229.

[4] HONGZHE L， DONG Z， ANQI S， et al. Effects of soil protists on the antibiotic resistome under long term fertilization[J].Environmental pollution（Barking， Essex： 1987），2022，307：119516.

[5] YU Z， DENGMIAO C， JUN UUOiSC2J8QJQUTt+2nSRH6EuQHPoVuiPRbpOcbNZefc=X， et al. Corrigendum to： Impacts of farmland application of antibiotic-contaminated manures on the occurrence of antibiotic residues and antibiotic resistance genes in soil： A meta-analysis study[J].Chemosphere，2023，311（P1）：137050-137050.

[6] BABATUNDE L S. Metagenomic insights into the microbial community structure and resistomes of a tropical agricultural soil persistently inundated with pesticide and animal manure use[J].Folia microbiologica，2022，67（5）：707-719.

[7] MITIKU M S， OLABIYI O， NIRIT B， et al.Occurrence and distribution of antibiotics and corresponding antibiotic resistance genes in different soil types irrigated with treated wastewater[J].Science of The Total Environment，2021，782：146835.

[8] RUIHAO X， DANLIAN H， LI D， et al.Antibiotic resistance in soil-plant systems： A review of the source， dissemination， influence factors， and potential exposure risks[J].Science of The Total Environment，2023，869：161855.

[9] JIAGEN G， XIAOYING L， JIE W， et al.Accumulation and risk assessment of antibiotics in edible plants grown in contaminated farmlands： A review[J].Science of The Total Environment， 2022，853：158616.

[10] 段培宇，陳寒玉，張寶忠，等.動物源性食品中抗生素類污染物生物檢測技術研究進展[J].環境化學，2022，41（2）：581-590.

[11] 鄭昌萍，馬繼平.市政污泥中抗生素檢測方法研究進展[J].化學分析計量，2023，32（11）：119-124.

[12] FRANKLIN A M，ANDREWS D M，WILLIAMS C F， et al. Simultaneous Extraction of Four Antibiotic Compounds from Soil and Water Matrices[J].Separations，2022，9（8）：200-200.

[13] 王悅，蔡辰，劉惠玲，等.超聲輔助提取-固相萃取土壤中頭孢菌素C的高效液相色譜法定量檢測[J].應用化學，2018，35（6）：722-728.

[14] 楊萌.液相色譜質譜法檢測土壤中7種典型抗生素殘留[J].中國測試，2023，49（7）：76-81.

[15] 戴軒宇，蔡沐涵.快速溶劑萃取-固相萃取-超高效液相色譜串聯質譜法測定土壤中19種抗生素殘留[J].環境科技，2023，36（5）：66-72.

[16] 陳進，王亞娟，陶紅，等.規模化養殖園區土壤中抗生素污染特征和生態風險評價[J].環境科學，2024，45（7）：4302-4311.

[17] 張健威，梁延鵬，覃禮堂，等.加速溶劑萃取-固相萃取-超高效液相色譜/三重四極桿質譜法測定沉積物中10種磺胺類抗生素殘留[J].分析科學學報，2023，39（1）：54-60.

[18] 楊艷梅，李晉棟，秦曙.QuEChERS/超高效液相色譜-串聯質譜法同時檢測土壤中的農藥及抗生素殘留[J].分析測試學報，2023，42（7）：808-816.

[19] 徐圓，徐宇峰，曹趙云，等.QuEChERS-液相色譜-串聯質譜法測定稻田中土壤及水稻中抗生素的殘留量[J].環境工程學報，2021，15（9）：3112-3120.

[20] 陳磊，吳赟琦，趙志勇，等.QuEChERS/超高效液相色譜-串聯質譜法快速測定土壤中19種氟喹諾酮類抗生素殘留[J].分析測試學報，2019，38（2）：194-200.

[21] 唐會鑫，谷悅，郭二菱，等.超高效液相色譜-串聯質譜法同時測定土壤中13種硝基咪唑類抗生素的含量[J].理化檢驗-化學分冊，2023，59（5）：606-611.

[22] WOOK J K， KYU Y H， HEE S R， et al. Development of analytical method for veterinary antibiotics and monitoring of residuals in agricultural environment[J].Applied Biological Chemistry，2023，66（1）.

[23] HONG W， YUFENG J ，XUERU D ， et al. Potential output and risk of commonly administered veterinary antibiotics from small-scale livestock farms to surrounding areas in Northwest China[J].Journal of Environmental Management，2023，333：117468-117468.

[24] 劉瀟雅，徐源洲，賀南南，等.土壤磺胺類抗生素固相萃取-高效液相色譜法的構建與優化[J].土壤，2019，51（6）：1129-1136.

[25] 祁彥潔，劉菲.地下水中抗生素污染檢測分析研究進展[J].巖礦測試，2014，33（1）：1-11.

[26] 舒達，江敏，吳昊，等.改良QuEChERs法聯合超高效液相色譜-質譜法測定水產養殖池塘底泥中8種抗生素殘留[J/OL].分析試驗室：1-10[2024-08-06].http：//kns.cnki.net/kcms/detai l/11.2017.TF.20230920.1553.006.html.

[27] LU Z， ZHIWEN X， ZHENMING X. Thermal desorption behavior of fluoroquinolones in contaminated soil of livestock and poultry breeding[J].Environmental Research，2022，211：113101-113101.

[28] TIAN Q，ZHANG Y，MENG D，et al. Simultaneous removal of tetracycline and sulfamethoxazole by laccase-mediated oxidation and ferrate（VI） oxidation： the impact of mediators and metal ions.[J].Environmental science and pollution research international，2022，30（6）：15708-15721.

[29] ERPING C， BINGJIAN C， XIANGYANG F， et al. Ryegrass （Lolium multiflorum L.） and Indian mustard （Brassica juncea L.） intercropping can improve the phytoremediation of antibiotics and antibiotic resistance genes but not heavy metals[J].Science of the Total Environment，2021，784：147093-147093.

[30] GUIXIANG Z， RUI R， LINGZHI L， et al. Positive and negative effects of nanoscale zero-valent iron-enriched biochar on sulfamethoxazole remediation in contaminated soil[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2022，246：114133-114133.

[31] ZHOU Z， MA J， LIU X， et al. Activation of peroxydisulfate by nanoscale zero-valent iron for sulfamethoxazole removal in agricultural soil： Effect， mechanism and ecotoxicity[J].Chemosphere，2019，223：196-203.

[32] ZAGHUM S A， MOHD R， YUAN M C， et al. Recent advances in soil microbial fuel cells for soil contaminants remediation[J].Chemosphere，2021，272（prepublish）：129691.

[33] 趙曉東，喬青青，秦宵睿，等.近15年我國土壤抗生素污染特征與生物修復研究進展[J].環境科學，2023，44（7）：4059-4076.

[34] 田靜.土壤微生物燃料電池修復復合污染土壤的實驗研究[D].北京：北京化工大學，2017.