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1、持久性有机污染物论坛2 0 0 8 暨第三届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集 抗生素环境行为及特征研究进展 张学政址，李帷1 3 4 ，李艳霞卜，韩伟1 ( 1 北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，北京，1 0 0 8 7 5 ；2 西北农林科技大学资源环 境学院，陕西杨凌，7 1 2 l o O ；3 中国科学院地理科学与资源研究所，北京，l o o l o l ；4 中国科学院 研究生院，北京，l 0 0 0 3 9 ：联系人，E - m a i l ：l i ”b n u b n u e d u c 1 1 ) 1 引言 目前，全球抗生素年产量为1 0 2 0 万吨，美国和
2、欧盟每年仅兽J j 抗牛素的使用量分别达9 0 0 0 吨 和5 0 0 0 吨。我国是最大的抗生素消费国，并且滥用抗生素的情况十分严重。有关抗生素在土壤水 植物系统内的吸附、迁移、转化已经成为全球环境学家关注的热点。 2 抗生素的吸附、迁移、降解和植物吸收行为及特性 深入了解抗牛素的迁移转化以及植物吸收累积等特性，将有助于对全面解析抗生素污染物的环 境行为，为有效去除抗生素的污染风险提供帮助。影响抗生素吸附、迁移、降解和植物吸收等行为 的因素较多，包括：药物的物理化学性质( 例如，分子量、疏水性、电离性) ：土壤和环境条 件( 例如，p H 值、粘土矿物、有机质、离子强度、温度、坡度) ；作
3、用时间；药物浓度：微 生物种群结构：畜禽粪便的施用等。 2 1 吸附 吸附对抗生素的迁移、活性和生物有效性具有重要影响。T h i e l e B m l l I l 认为影响抗生素在土壤 中吸附的主要外因是土壤p H 值、土壤矿物和有机质。 ( 1 ) 土壤p H 值大部分抗生素可在一定的p H 值条件下离子化。p H 值低于约5 5 和9 5 时分别出现带 正电和中性的四环素；p H 值高于7 时则出现带负电的四环素。p H 值较低时磺胺大部分带正电， 其与粘土矿物的吸附常数会比中性磺胺高l 2 个数量级。总之，p H 值可通过影响抗生素的形态 分布而影响与土壤的吸附。 ( 2 ) 粘土矿
4、物研究表明，砂质壤土对土霉素( 属四环素类) 、泰乐菌素( 属大环类酯类) 、恩诺沙 星( 属喹诺酮类) 、甲硝唑( 属咪唑类) 等抗生素的吸附系数K d ( L 蟮1 ) 都高于砂土。粘土矿 物在土壤吸附抗生素中占有重要地位，因为粘士矿物比表面较大，带有结构性负电荷，且具有 阳离子交换能力，因而对多种分子都具有吸附性。 ( 3 ) 有机质抗生素可通过离子交换和阳离子键桥与腐植酸结合。S a 肿a h 等发现土壤对磺胺类药物 的吸附随有机质含量的提高而增大。然而J o n e s 等却认为，当有机碳含量较高时，土壤对土霉 素的吸附与有机碳含量表现为负相关，可能因为有机质对粘土矿物的裹覆抑制了粘
5、土矿物对土 霉素的吸附。另外，土壤中的水溶性有机质也可以吸附抗生素，当其浓度较高时可削弱粘土矿 物对抗生素的吸附。 2 2 迁移 有关抗生素向水体的迁移性已有大量研究，尤其是磺胺类，由于其吸附性弱迁移性强、污染水 体的可能性大而被广泛关注。H a m s c h e r 等经过为期3 年的田问实验，证明磺胺二甲基嘧啶可从地表 迁移至1 4m 深处的地下水中。对于吸附性较强的抗生素，特别是四环素类抗生素，人们对其迁移 性也做了一定的研究。田间实验发现，四环素由于较弱的移动性，在深层土壤中无法检测到。但 1 0 7 持久性有机污染物论坛2 0 0 8 暨第三届持久性有机污染物全国学术研讨会论文集
6、K i m 认为，吸附性较强的抗生素仍可以随土壤颗粒物向下移动，从而污染地下水。对含磺胺氯哒嗪 和土霉素分别为1 1 8 和0 8 7k g h a 1 的农田进行灌溉后收集排出水样，发现第6 天时两种抗生素在水样 中的浓度分别为2 5 9 和0 9 “ g L ，说明它们在水平迁移上也存在很大差异。 比较而言，抗生素在沉积物中滞留时间相对较长，从而造成定的莆积。土霉素在鱼塘沉积物 中浓度常高达5 0 0 4 0 0 0 陷k 百。沉积物表层抗生素的主要去向不是降解，而是通过再分配进入水 相，或通过渗透向沉积物深层迁移。T a m t 砌等认为，抗生素从沉积物中悬浮或解吸是导致塞纳河 中氟甲喹
7、的污染负荷随强降雨的出现而增大的原因。 2 3 降解 抗生素的降解可分为生物降解、光解和水解。四环素类、氨基糖苷类和磺胺类易光解；氟喹诺 酮类易水解，在紫外光卜可光解。土壤中光降解的作川较小，仅在土壤表层几毫米的深度范围内起 作用，生物降解是更主要的降解方式。C a r l s o n 等发现泰乐菌素、莫能菌素和金霉素土壤中的半衰期 分别为4 5 、3 3 和2 4 天，说明金霉素在土壤中持久性较强。土壤中罗红霉素在1 2 0 天里浓度基本保 持不变，持久性更强。水体中生物降解作用较弱。但在水环境一卜_ 覆水中的抗生素因为光降解和稀释 作用会使其浓度迅速降低。L 叽e s t a d 等发现海
8、水中土霉素、呋喃唑酮、嗯喹酸和氟甲喹在2 l 天内降 解并失去活性，其中十霉素在7 天内可降解9 6 。但光降解随水的深度增大而减弱。 一般而言，抗生素在沉积物中降解较慢。土霉素在土壤中半衰期为2 1 7 天，而在沉积物中( 深 度为5 7 c m ) 的半衰期大于3 0 0 天。抗生素的光解、与水中颗粒物或沉积物的吸附都是抗生素从水 体中消除的重要途径，然而，目前对水中抗生素消除的主要机制是光降解还是吸附的作用仍存在争 议。 2 4 植物的吸收累积 综合近年来的研究成果，藻类和多种作物可吸收抗生素，例如：大麦、玉米、马铃薯、莴苣、 豌豆、菜豆、萝卜、胡萝卜、黄瓜等。其中部分植物对抗生素的富集
9、系数见表l 。 表l 不同植物对抗生素的富集系数 T a b l elA n t b i o t c sb i o a c c 岫u I a t i o nf a c t o r So f d i 腩r e n tp I 锄t s 可以看出，藻类作为重要的初级生产者可强烈吸收和富集水体中的三氯卡班、三氯生和甲基三 氯生。被藻类富集的抗生素一旦被鱼类和其它水生动物食用，将可能向其它生物传递，从而影响整 个食物链和生态平衡。 高等植物对抗生素的吸收和富集会直接对人和动物的安全构成威胁。一般而言，植物根部对许 多疏水性有机物都有吸收，但对抗生素的吸收表现出一定的选择性。K 啪盯研究发现，玉米、洋葱、
10、 持久性有机污染物论坛2 0 0 8 暨第三届持久性有机污染物全国学术研讨会论丈集 甘蓝可吸收金霉素，而不吸收泰乐菌素。生菜和胡萝卜均可吸收土壤中的氟苯尼考和甲氧苄啶，但 生菜吸收左旋咪唑，而不吸收恩诺沙星；胡萝卜却与之相反。 有些研究尝试探讨了植物吸收富集抗生素的机理。B o x a l l 等认为，抗生素的疏水性与胡萝卜对 兽药抗生素的吸收无相关性，说明兽药抗生素的植物吸收行为并非依赖于疏水性。K o n g 等对紫花 苜蓿吸收土霉素的机理进行研究，发现吸收过程需要能量，为主动吸收：在p H 值较高时吸收较强， 且金属H g ”对吸收有抑制作用。总体上讲，植物对兽药的吸收富集研究还较少，其
11、影响冈素和吸收 富集机理还有待进一步研究。 3 展望 我国是全球人口最多、畜禽养殖量最人的圜家，抗生素的使用量位居第一，然而我国同前檄度 缺乏相关的研究，面对日益紧迫的环境污染压力、公众环境意识的觉醒，非常有必要开展以下方面 的研究。( 1 ) 典型水体、土壤或城市供水系统中抗生索种类、含量以及分布特征；( 2 ) 环境中抗 生素来源解析及风险评价；( 3 ) 抗生素及其代谢产物在不同环境条件下的吸附、迁移、转化、降 解等行为机理和大尺度的田间模拟研究：( 4 ) 抗生素在食物链中的迁移途径和机理以及对动植物的 影响，特别是低剂量下的长期效应研究；( 5 ) 抗生素与其它污染物的复合污染研究，
12、例如与重金属 的复合污染。 致谢 本工作受国家“十一五”科技支撑计划( 2 0 0 6 B A D l 0 8 0 5 ) ，国家重点基础研究发展规划项目 ( N o 2 0 0 4 C B 4 1 8 5 0 7 ) ，国家自然科学基金项目( 2 0 3 7 7 0 4 0 ) ，中国科学院知识创新工程重要方向项目 ( K Z C x 3 S W 4 3 5 ) 资助。 参考文献 【l 】B l 飙UP 气K a yP B o x 棚ABA 1 1 l ed i S s i p a t i 伽a n d 岫s p o f to f V 触a 巧a 嘶b i o t i c s mas 锄d
13、yl d 锄i l C l l e m 唧h e 他，2 0 0 7 ，6 7 ：2 9 2 2 9 9 【2 】C o o g a nMAE d z i y i eRE P o i I l tTW ，c ta 1 A l 酬b i o a c c 岫u l a l j 鲫o ft r i c l a 曲kt r i c l o s 矾a I l dm e t l I y l t r i c l o s 卸i I la N o n hT c x 雒、 冶s t e 、 ，砷汗帆锄嗽m p l a n t c c i v i n gs 雠和C h c m o s p h e 佗，2 0 0 7
14、，6 7 ：1 9 l l 1 9 1 8 【3 1K o n gWD ，Z h uYG ，L i 锄gYC ，e ta 1 U p 协k eo fo 聊e n 锄c y c l i I K 觚di t sp h y t o t o x i c i t yt oa l f 柚f a ( M e d i c a g o 鞠以V aL ) E n v i 舢册t a lP o l l u t i 毗2 7 ，1 4 7 ：1 8 7 1 9 3 【4 】K 岫缸kG u p t aSC ，B a i d o oSl ( e ta I A m i b i o t i cU p t a k cb yP l a n t s 蛔nS o i lF e n i I b 蝴w i m 加l i I l l a lM 锄u 佗J E n v i 啪Q 1 l a l ，2 0 0 5 ，3 4 ：2 0 8 - 2 0 8 5 【5 】张劲强，董元华阳离子强度和阳离子类型对诺氟沙星土壤吸附的影响环境科学，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 0 ) ：2 3 8 3 2 3 8 8 1 0 9
