水环境中抗生素的化学行为研究 摘要: 本文叙述了抗生素进入水环境的途径，以及在水环境中的污染现状，研究了抗生素在水环境中的环境化学行为。抗生素在水中的环境化学行为包括抗生素的生物降解和非生物降解。非生物降解包括：光降解、水化学降解和氧化降解。生物降解主要研究水生微生物对抗生素降解的作用。最后阐述了抗生素对水生微生物和水生生物的生态毒理学效应。
关键字：抗生素 水环境 降解 生态毒理学
目录
水环境中抗生素的化学行为研究 .......................................................... 1
1. 前言 ............................................................................................. 3
2．抗生素对环境水体的污染 .......................................................... 3
3. 抗生素在水环境中的降解 .......................................................... 5
4. 抗生素对水生生物的生态毒理学效应 . ...................................... 9
5. 结论 ........................................................................................... 12
参考文献 ......................................................................................... 12
1. 前言
四环素类抗生素是一类广谱抗生素，包括四环素、土霉素、金霉素、及半合成衍生物甲烯土霉素、强力霉素、二甲胺基四环素等，其结构均含并四苯基本骨架，其价格低廉，在世界范围得到广泛应用。我国是四环素类抗生素生产、使用和销售大国，2008年四环素类抗生素药物仅出口量就达1.34*107kg 。四环素类抗生素在我国畜禽业抗生素中使用量也是最大。抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一。许多用于畜禽业生产的抗生素难以被动物肠胃吸收，约30-90%以母体化合物的形式排出，进入到环境中的抗生素会发生降解反应，其代谢及降解产物相比母体抗生素，往往活性降低，毒性却大大增强。作为近年来日益受到关注的潜在环境生态危险源，四环素类抗生素的生态毒性研究日益增多。然而，目前人们对其生态毒性研究主要集中在母体对环境生态的影响方面，而对于其降解作用的研究，基本上还只停留在实验室水平且研究方式比较单一，不能综合考虑各种环境因素，并且有关降解过程以及有毒降解产物的研究报道甚少，本文在总结国内外相关研究的基础上，阐述了四环素类抗生素在环境中的降解方式，介绍了有毒降解产物的形成途径及毒性研究，揭示抗生素对环境生物的影响，并对今后的研究方向进行了探计，为四环素类抗生素生态风险的评价提供参考。
2．抗生素对环境水体的污染
2.1抗生素对环境水体的污染途径
抗生素主要通过人为因素直接或间接地排入水环境中，包括没有经过任何处理的农业废水、生活污水的肆意排放。农业废水中可能残留过多的农药，而生活污水中残留大量洗涤用品。此外，吸附在污水处理厂活性污泥上的PPCPs 会通过农业施肥的方式进入到土壤环境中，城市固体废弃物中存在的PPCPs 也会以垃圾填埋等方式进入，最后通过地表径流及垃圾渗滤液的渗透等途径进入到水环境中。如图1为抗生素进入水环境的路径。
图1 抗生素进入水环境的途径
2.2抗生素在环境中的污染现状
一般来说, 抗生素包括人用和兽用两类。不言而喻, 人生病了要服药, 特别是近年来随着人们追求健康的意识不断增强, 人们对各种疾病的认识也在发生着变化, 人们不再象过去生病严重了才去医院看病就医, 只要身体稍感不适就去医院看医生, 而目前大部分医院对药物的使用仍以抗生素的处方为主, 许多根本无须使用抗生素治疗的疾病也在用抗生素, 这就造成了医疗系统强加给生病病人抗生素的滥用; 另有一些家庭自医的人群, 只要是生病就随意到药店擅自购买抗生素服用, 虽然我国对药店明文规定抗生素类处方药要有医生处方才能销售, 可是各个不同规模的大、中、小药店, 均无严格执行此项规定, 人们还是可以随意购买到各种抗生素类药品。因此, 这些抗生素类药品已经与人们的日常生活息息相关。
抗生素在畜禽生产中的使用就更加令人担忧, 常以高剂量使用治疗各种疾病, 以低剂量使用促进畜禽、生长和增产, 因此其在畜禽生产中的使用量非常大。、包括美国在内的一些国家, 四环素类抗生素被大量用作生长促进剂投喂给动物。据调查, 美国每年生产16 000 t 的抗生素, 其中 70%用作畜禽的生长促进剂。在丹麦 1997 年消耗抗生素总量为 150 t, 其中100 多 t 用于畜禽的生长促进剂。目前, 由于畜禽养殖业的需要, 全球范围内几乎所有地区都采用抗生素来实现追求产量、提高经济效益的目的, 因此兽药抗生素的使用量远远超过人用抗生素
,
对该问题更应引起重视。研究表明, 无论人用或是兽用抗生素进入动物或人体内后, 大约 70%不能被吸收, 而是被以母体化合物的形式直接被排出体外, 随动物粪便进入到城市的污水处理系统, 而各种污水处理过程对污水中的这些物质不起作用或作用很少, 最终被排放到环境中, 对环境污染构成潜在威胁。含有抗生素的畜禽粪便的土地利用是土壤中抗生素类污染物的主要来源。据报道, 在畜禽生产中使用的抗生素有 30%~90%以母体化合物形式随畜禽粪便排出, 某些抗生素能以母体化合物形式排出高达95%。而且抗生素在畜禽生产中的使用量大, 相应的畜禽粪便中残留的抗生素量较大, 造成了畜禽粪便土地利用后大量的抗生素进入土壤环境。
由此可见, 四环素类抗生素的污染作为一个全球性普遍存在的问题, 这类物质一般均具备高生物活性和持久性, 这就决定了其必然具有一定的潜在生态环境风险。尤其是随着集约化现代畜禽养殖业的迅速发展, 抗生素类药物构成对环境以及对生态系统和人体健康的威胁日益暴露。虽然, 人们对抗生素等新型污染物造成的生态环境问题给予了越来越多的关注, 而作为抗生素这一大类污染物中的四环素类药物的环境污染方面的研究还相对较少，
尤其是其污染机理及生态毒性的研究还处于研究的起始阶段。因此, 对四环素类药物的生态毒理研究非常必要。
3. 抗生素在水环境中的降解
抗生素的降解是指抗生素通过生物或非生物的过程使其从大分子化合物转化为小分子化合物，并最终转化为水和二氧化碳的过程，然而进入环境中的抗生素很难得到完全降解，而是产生一系列代谢及降解产物，这些产物往往具有更大的毒性，甚至造成比母体化合物更为严重的二次污染。抗生素在环境中会发生一系列降解反应，主要包括生物降解和非生物降解其中，非生物降解过程包括光降解、氧化降解、水解等; 生物降解过程主要包括微生物降解和植物降解两种方式。
3.1抗生素的非生物降解
3.1.1 光降解
光降解是四环素类抗生素在环境中降解的重要途径之一，土霉素和金霉素均具有光解特性。一般认为，光化学降解反应机理在于分子吸收光能变成激发态从而引发各种反应。抗生素分子直接吸收光子进行光化学反应，称为直接光解; 环境中的吸光物质( 光敏剂) 吸收光能后，把能量传递给抗生素分子从而进行光化学反应，称为间接光解。光敏剂作为光能的载体或受体，在自然界中广泛存在，它们可改变药物的光稳定性，加速或延缓光解。有机物质如自然界广泛存在的腐殖质、核黄素等，无机物质如NO 3-等，它们都是强的光敏剂，可以加速抗生素在环境中的降解。使用不同光源( 紫外光、可见光、长波紫外光) 照射四环素水溶液，几乎观察不到四环素的降解，而加入二氧化钛后，则观察到四环素迅速发生降解。高俊敏等以太阳光和汞灯为光源，研究了TiO 2/ZnO对废水中四环素光解的催化作用，结果表明，在TiO 2/ZnO的催化下，四环素去除率可达80%以上。此外，pH 、光照情况、水分等因素也会影响四环素类抗生素的光降解。崔馨研究发现，pH 为7时，加入Ca 2+、Mg 2+、Zn 2+能加快土霉素的光降解速率，而且离子的含量越多，土霉素的光解速率越大; 在pH=8.5时 ，其结果与pH=7时相反。研究了日光灯照射和黑光灯照射对不同水体环境( 纯净水、地表水、污水) 中四环素降解的影响情况，发现相比黑光灯，日光灯照射更有利于地表水、污水等复杂水体环境中四环素的降解b 。土壤中含有一定的水分有利于光解b 。当表层的土壤受到光照时，就会形成大量的自由基、过氧化物和单重态氧，这些物质能够加速药物的降解; 土壤中水分的增加能够增加土壤中药物的移动性，也有利于光解。土霉素在土壤间隙水中光解，可以检测到多种降解产物。试验证明，光解反应在溶液中更易发生发现抗生素中的喹恶啉类" 呋喃类等对光敏感，在光存在下，尤其在水体中容易被降解。四环素类抗生素在水溶液中的光解也有研究。最近的一些研究发现，四环素类抗生素在水中还可通过O 2与O 2发生反应进行光解研究发现，在可见光照射下，四环素类抗生素可通过基态电子转移产生阴离子自由基，并且进一步产生超氧阴离子自由基，同时激发三重态阴离子自由基，可将能量传递给溶解氧产生，并通过试验证明，强力霉素、甲稀土霉素、去甲金霉素和土霉
素都可与O 2发生反应进行光解。
3.1.2水解
水解也是抗生素在水环境和土壤中的一种重要的降解途径。人们研究抗生素水解时主要考虑pH 的影响。各类抗生素中的内酰胺类、大环内酯类和磺胺类易溶于水发生水解。大环内酯和磺胺类在中性pH 条件下水解较慢，且活性较低。内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快。头孢菌素类抗生素在酸性、碱性和中性条件的水环境中都能发生水解反应。青霉素类药物易受亲核及亲电试剂进攻，容易水解并引起分子重排，某些金属离子、氧化剂及加热等能对青霉素类药物的分解和分子重排起催化作用。在碱性条件下，青霉素类药物的内酰胺环首先被破坏，分解为青霉酸; 有金属离子作用时青霉酸能进一步分解为青霉醛和青霉胺。泰勒菌素A 在酸性条件下可水解成泰乐菌素B ，而在中性和碱性条件下，则可产生泰乐菌素A 丁间醇醛和一些极性的分解产物。泰乐菌素A 的分解速率不仅与pH 有关，还受缓冲液类型、浓度及离子强度的影响。四环素类抗生素的水解也受到pH 、离子强度和温度等条件的影响。四环素的水解是四环素一种重要的转化方式。研究发现，四环素、土霉素和金霉素在不同温度和pH 条件下降解速率差异显著，离子强度对其降解无明显影响。金霉素在不同温度，不同pH 及不同水生环境中的降解情况，结果表明，金霉素较易水解，其水解速率受pH 和温度的影响较大; 在碱性及中性条件下的水解速率明显大于酸性条件，而高温条件下的水解速率远大于室温; 此外，金霉素进入环境水体后，由于各种降解过程综合作用的结果，比用水解试验得出的降解速率要快很多。
3.1.3氧化降解
四环素类抗生素在强氧化剂的作用下也会发生降解。臭氧的强氧化作用对四环素类抗生素的降解效率非常高，目前国外对此方面的报道较多。对四环素水溶液进行臭氧处理，检测到了15种臭氧化产物，并提出四环素臭氧化的降解途径; 对双键、芳香环和氨基进行臭氧化会分别产生产物m/z461、477、509和416；对以上位置进一步臭氧化会产生m/z432、480、448和496；四环素进行臭氧化
处理4-6min 可以完全去除。研究发现，20mg/l的四环素经过5min 臭氧处理就可以完全降解。在一个环流反应器内研究了多种因素对四环素降解速率的影响，结果表明，四环素的降解速率受pH 和气态臭氧浓度的影响显著; 而H 2O 2和羟基自由基清除剂对四环素的降解几乎没有影响，表明臭氧的直接氧化是该降解过程的主导因素。研究发现，使用臭氧处理含有土霉素的饲料废水，可以增大土霉素的生物可降解性，减小了其对活性污泥细菌的毒性，其降解速率取决于pH 和臭氧剂量。 其他强氧化物质对四环素类抗生素的降解研究也有报道。研究了高铁酸钾对四环素的氧化降解，发现pH 对其影响较大，降解率取决于PH 和初始浓度。可以看出，四环素类抗生素的强氧化降解往往受 pH 和强氧化剂浓度的显著影响。
3.2抗生素的生物降解
抗生素的微生物降解是指在微生物作用下，抗生素残留物的结构和理化性质发生改变，从大分子化合物降解为小分子化合物，最终转变为H 2O 和CO 2。其中耐药细菌起最重要的作用。光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌、发酵丝状菌、芽孢杆菌、枯草杆菌、硝化细菌、酵母等都具有抗生素的降解功能。研究了四环素和土霉素在褐土和红壤中的降解动力学，发现褐土和红壤中的土著微生物对四环素和土霉素的降解均无显著影响。而向堆肥中外源添加抗生素有益降解菌有助于堆肥中四环素类抗生素残留物的降解。研究了外源复合菌系(具有降解纤维素和金霉素的双重功能) 对堆肥中金霉素的降解效果，结果发现，堆肥过程中未接种复合菌系，金霉素的降解率在60%左右; 接种复合菌系后，金霉素的降解率达到82.23%。 在一个养鱼场底泥中分离得到了土霉素、强力霉素的抗性菌，并且二者在其抗性菌作用下明显发生降解。从环境中分离得到的单株菌往往具有很好的降解效果，然而加入到土壤或水体等复杂环境中，其降解能力一般会降低。分析原因可能为环境中存在的其他抗生素可能会对该菌株产生抑制作用，同时，氧气、pH 、温度和水分等因素也会影响菌株的生长代谢，从而影响其对抗生素的降解能力。因此，复杂环境中抗生素的微生物降解需要开发筛选出抗性较强的微生物，并注意控制环境条件，以达到最好的降解效果。
近年来，体外酶对抗生素的降解研究也多见报道。研究发现，一种白腐菌产
生的天然木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶在体外对四环素和土霉素有很强的降解能力。研究了谷胱甘肽硫转移酶体外降解抗生素( 四环素、磺胺塞唑、氨苄青霉素) 的可行性，结果发现，降解反应结后，60-70%的抗生素转变为对微生物没有毒性的成分，大大降低了其对微生物的毒性。
抗生素在土壤中光解和水解的作用效果相对有限且过程漫长，相比于植物降解和微生物降解存在明显的弱势。植物降解是一种非常有前景的去除环境中有毒污染物的绿色技术b 它通过绿色植物对污染物的降解、转化、吸收、代谢和去毒来修复受污染的土壤、水体和大气环境。植物修复主要包括植物对抗生素的直接吸收和降解" 根系分泌物以及土壤微生物对抗生素的降解等因素的综合作用。植物修复受污染的水体和土壤环境主要有3种机制:（1）植物直接吸收有机污染物后转移或分解; （2）植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污染物;(3)植物促进根际微生物对土壤环境中有机污染物的吸收或利用转化。有文献指出金霉素可直接被植物吸收，其他四环素类抗生素的植物降解鲜有报道，此方面的研究值得关注。 抗生素的植物修复降解是一个比较新的研究领域，目前的研究多集中在用某一植物来修复特定污染的土壤。 而受到污染的土壤中并非只有一种抗生素，往往多种抗生素共同存在而造成复合污染。将转基因技术应用于植物培养中筛选出能同时降解多种抗生素的植物是一种不错的尝试，今后可多关注此方面的研究。
四环素类抗生素在不同的环境介质中因环境条件的不同而发生一系列非生物或生物降解应，研究其在不同介质中的降解方式、降解机理和各种影响降解的因素对于探索降低抗生素污染和减少残留的最佳途径具有相当重要的意义。
4. 抗生素对水生生物的生态毒理学效应
4.1对微生物的生态毒性
由于四环素类抗生素主要用来抑制菌类物质的生长发育, 因此近年来研究者们对于四环素对细菌、真菌和微藻等的生态毒性做了广泛研究。一般情况下, 四环素对原核生物(如蓝藻) 的毒性高于单细胞真核生物(如微藻类), 单细胞生物对抗生素的敏感度则高于多细胞生物, 这也与设计生产四环素类药物的初衷一
致。例如, 通过对费氏弧菌的长达 24 h 毒性研究表明, 四环素的 EC 50值为 0.025 1 mg·kg -1。Ferreira 同时研究了四环素对扁藻的和卤虫的生长抑制情况, 结果表明, 扁藻对四环素的敏感度大约为卤虫的 70 倍, 这一规律也被许多类似实验所验证。
四环素类药物对微藻的毒性主要体现在抑制藻蛋白质合成和叶绿体的生成最终造成对微藻生长的抑制。依据 OECD 201 准则《藻类生长抑制测试》(OECD, 1984)研究了四环素对扁藻的生长抑制情况。通过 96 h 暴露, 在四环素浓度大于
5.3mg·L -1溶液中扁藻的生长抑制显著, NOEC 值为 3.6mg·L -1, LOEC 值为 5.3 mg ·L -1, 72 h 及 96 h IC50值分别为 13.16 (95%置信区间为: 10.24~18.89 mg·L -1) 和11.18 mg·L -1(95%置信区间: 8.39~15.84 mg·L -1) 。此外, 四环素类药物能够抑制铜绿微囊藻和绿藻的蛋白质合成。强力霉素对绿藻的毒性为 IC 50= 15.2 mg·L -1, 土霉素能抑制等鞭金藻叶绿素含量的生成, 并且药量越大抑制作用越强; 对类胡萝卜素的生成起促进作用, 药量越大则类胡萝卜素含量越多。叶绿素含量减少, 则藻细胞的光合作用强度下降, 即新陈代谢强度减弱, 细胞的繁殖能力下降。
4.2 对水生动物的生态毒性
四环素类药物对水生动物的生态毒性报道相对较多。四环素类抗生素能够抑制水生动物多种酶的活性, 如乙氧基试卤灵- O- 去乙基酶、β- 半乳糖苷酶等, 并可能造成鱼类较严重的 DNA 损伤。根据水蚤急性毒性试验的标准协议(ISO, 1989b) 测定了包括四环素类抗生素在内的 9 种抗生素对水蚤的急性毒性, 并根据 48 h 急性毒性试验 EC 50值进行排序。同时, 根据水蚤繁殖测试标准过程 (OECD,1996)利用半静态检验估计其对水蚤生殖能力的毒性效应。结果表明, 土霉素的 48 h EC50超过 1 000 mg·L -1, 而四环素的 NOEC 值为 340 mg·L -1, 在每个浓度均观察到对水蚤生殖能力的影响, 其影响较急性毒性水平低一个数量级。以硝化纤维过滤的大西洋海水中的卤虫为研究对象, 通过 24 h 和 48 h 的卤虫死亡数计算死亡率, 利用概率值分析法计算半致死浓度, 结果显示, 四环素 24 h 和 48 h IC 50分别为870.47mg·L -1(95%置信区间为:778.83~983.66 mg ·L -1) 和 805.99 mg ·L -1(95% 置信区间为: 650.71~1 129 mg ·L -1), 其 NOEC 和 LOEC 值分别为 637 mg·L -1和 828mg·L -1。
然而上述研究大部分只是针对急性毒性实验的直接结果, 可能不能全面的反映四环素类抗生素的毒性。例如, Lunden 等[34]将用于预防虹鳟疾病的一种二价苗同土霉素一起使用, 通过 ELISA 反应检测鱼体内抗体水平; 通过化学发光分析测定吞噬细胞活性作为非特异性免疫反应的指针。结果表明土霉素能够明显抑制抗体水平, 同时使吞噬细胞活性轻微降低, 使淋巴细胞的数量下降, 但是鱼体的存活率没有明显影响。曲甍甍等研究了土霉素对斑马鱼的急性毒性和对鲫鱼肾细胞 DNA 损伤。急性毒性试验表明, 土霉素的斑马鱼 96 h LC50为 1 341.764 mg ·L -1。彗星试验结果表明, 土霉素能引起较大的 DNA 损伤, 与阴性对照相比均有极显著性差异。土霉素在所设的浓度范围, 能诱导鲫鱼肾细胞严重的 DNA 损伤, 这表明土霉素可能有较强的基因毒性。李兆利等以鲤鱼为实验对象, 得到了土霉素诱导鲤鱼肾细胞 DNA 损伤的相同结果, 并发现土霉素对鲤鱼胚胎有致畸效应。这种对生物的免疫毒性和基因毒性可能对生物的影响更加深远。
关于四环素类药物对水生动物的生态毒性的研究进展还体现在研究方法的更新上。近年来, 出于对实验成本和伦理压力等方面的考虑, 研究者探索了一些替代性研究方法以避免直接使用过多的较大型的脊椎动物 ( 如鱼类等) 活体进行急性毒性试验, 利用定量结构关系以及对比最低预测浓度和最高检测浓度的关系来获得污染物的生态毒性数据, 得到一系列抗生素的风险系数( 检测浓度和预测毒性的比值) 。例如, 四环素的风险系数为 6.88×10-6, 土霉素的风险系数为
2.13×10-5。
体外试验是另一种替代方法。研究人员发现将酶活性作为毒性端点是一种有效的方法。在体外试验中, 将特定的或非特定的酶( 如乙氧基试卤灵- O- 去乙基酶或 β- 半乳糖苷酶等) 的活性作为亚致死毒性实验中的指标能够快捷地提供生态毒性估计值。例如, Babin 等在研究土霉素和四环素对鱼的毒性时, 采用 RTG- 2 和 RTL- W1 两中鱼细胞系进行试管内毒性测试代替了直接的毒性试验。该试验设置了包括EROD 活性、β- 半乳糖苷酶活性、中性红法测定的细胞生存能力以及 FRAME KB 蛋白测试法测定的细胞分离度的 4 个毒性端点, 在一系列浓度梯度的土霉素和四环素溶液中按上述毒性端点顺序进行测定。实验中观察到四环素和土霉素对酶活性产生抑制, 其中, 四环素类抗生素生态毒性研究进展EROD 在四环素中的 EC 50为 167.63 mg ·L -1, β- 半乳糖苷酶在四环素中的 EC 50达到
84.59 mg·L -1, 土霉素毒性略低于四环素。
5. 结论
通过研究抗生素在水环境中的环境化学行为，我们认识到抗生素在水中的环境化学行为包括抗生素的生物降解和非生物降解，非生物降解包括：光降解、水化学降解和氧化降解；生物降解主要研究水生微生物对抗生素降解的作用。最后阐述了抗生素对水生微生物和水生生物的生态毒理学效应。研究表明抗生素在水环境中的残留对水生微生物有较大的影响，限制滥用抗生素类药物，对含抗生素类物质的废水进行有效的处理是必要的。
参考文献
[1]张浩等，四环素类抗生素生态毒性研究进展，农业环境科学学报，2008,27（2）：407-413.
[2]李伟明等，四环素类抗生素降解途径及降解产物研究进展，应用生态学报，2012,23（8）：2300-2308.
[3]武庭轩等，四环素在黄土中的吸附行为，环境科学学报，2008,28(11):2311-2314.
[4]肖曲等，农药水环境化学行为研究进展，中国环境管理干部学院学报，2008,18
（3）：58-61.
水环境中抗生素的化学行为研究 摘要: 本文叙述了抗生素进入水环境的途径，以及在水环境中的污染现状，研究了抗生素在水环境中的环境化学行为。抗生素在水中的环境化学行为包括抗生素的生物降解和非生物降解。非生物降解包括：光降解、水化学降解和氧化降解。生物降解主要研究水生微生物对抗生素降解的作用。最后阐述了抗生素对水生微生物和水生生物的生态毒理学效应。
关键字：抗生素 水环境 降解 生态毒理学
目录
水环境中抗生素的化学行为研究 .......................................................... 1
1. 前言 ............................................................................................. 3
2．抗生素对环境水体的污染 .......................................................... 3
3. 抗生素在水环境中的降解 .......................................................... 5
4. 抗生素对水生生物的生态毒理学效应 . ...................................... 9
5. 结论 ........................................................................................... 12
参考文献 ......................................................................................... 12
1. 前言
四环素类抗生素是一类广谱抗生素，包括四环素、土霉素、金霉素、及半合成衍生物甲烯土霉素、强力霉素、二甲胺基四环素等，其结构均含并四苯基本骨架，其价格低廉，在世界范围得到广泛应用。我国是四环素类抗生素生产、使用和销售大国，2008年四环素类抗生素药物仅出口量就达1.34*107kg 。四环素类抗生素在我国畜禽业抗生素中使用量也是最大。抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一。许多用于畜禽业生产的抗生素难以被动物肠胃吸收，约30-90%以母体化合物的形式排出，进入到环境中的抗生素会发生降解反应，其代谢及降解产物相比母体抗生素，往往活性降低，毒性却大大增强。作为近年来日益受到关注的潜在环境生态危险源，四环素类抗生素的生态毒性研究日益增多。然而，目前人们对其生态毒性研究主要集中在母体对环境生态的影响方面，而对于其降解作用的研究，基本上还只停留在实验室水平且研究方式比较单一，不能综合考虑各种环境因素，并且有关降解过程以及有毒降解产物的研究报道甚少，本文在总结国内外相关研究的基础上，阐述了四环素类抗生素在环境中的降解方式，介绍了有毒降解产物的形成途径及毒性研究，揭示抗生素对环境生物的影响，并对今后的研究方向进行了探计，为四环素类抗生素生态风险的评价提供参考。
2．抗生素对环境水体的污染
2.1抗生素对环境水体的污染途径
抗生素主要通过人为因素直接或间接地排入水环境中，包括没有经过任何处理的农业废水、生活污水的肆意排放。农业废水中可能残留过多的农药，而生活污水中残留大量洗涤用品。此外，吸附在污水处理厂活性污泥上的PPCPs 会通过农业施肥的方式进入到土壤环境中，城市固体废弃物中存在的PPCPs 也会以垃圾填埋等方式进入，最后通过地表径流及垃圾渗滤液的渗透等途径进入到水环境中。如图1为抗生素进入水环境的路径。
图1 抗生素进入水环境的途径
2.2抗生素在环境中的污染现状
一般来说, 抗生素包括人用和兽用两类。不言而喻, 人生病了要服药, 特别是近年来随着人们追求健康的意识不断增强, 人们对各种疾病的认识也在发生着变化, 人们不再象过去生病严重了才去医院看病就医, 只要身体稍感不适就去医院看医生, 而目前大部分医院对药物的使用仍以抗生素的处方为主, 许多根本无须使用抗生素治疗的疾病也在用抗生素, 这就造成了医疗系统强加给生病病人抗生素的滥用; 另有一些家庭自医的人群, 只要是生病就随意到药店擅自购买抗生素服用, 虽然我国对药店明文规定抗生素类处方药要有医生处方才能销售, 可是各个不同规模的大、中、小药店, 均无严格执行此项规定, 人们还是可以随意购买到各种抗生素类药品。因此, 这些抗生素类药品已经与人们的日常生活息息相关。
抗生素在畜禽生产中的使用就更加令人担忧, 常以高剂量使用治疗各种疾病, 以低剂量使用促进畜禽、生长和增产, 因此其在畜禽生产中的使用量非常大。、包括美国在内的一些国家, 四环素类抗生素被大量用作生长促进剂投喂给动物。据调查, 美国每年生产16 000 t 的抗生素, 其中 70%用作畜禽的生长促进剂。在丹麦 1997 年消耗抗生素总量为 150 t, 其中100 多 t 用于畜禽的生长促进剂。目前, 由于畜禽养殖业的需要, 全球范围内几乎所有地区都采用抗生素来实现追求产量、提高经济效益的目的, 因此兽药抗生素的使用量远远超过人用抗生素
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对该问题更应引起重视。研究表明, 无论人用或是兽用抗生素进入动物或人体内后, 大约 70%不能被吸收, 而是被以母体化合物的形式直接被排出体外, 随动物粪便进入到城市的污水处理系统, 而各种污水处理过程对污水中的这些物质不起作用或作用很少, 最终被排放到环境中, 对环境污染构成潜在威胁。含有抗生素的畜禽粪便的土地利用是土壤中抗生素类污染物的主要来源。据报道, 在畜禽生产中使用的抗生素有 30%~90%以母体化合物形式随畜禽粪便排出, 某些抗生素能以母体化合物形式排出高达95%。而且抗生素在畜禽生产中的使用量大, 相应的畜禽粪便中残留的抗生素量较大, 造成了畜禽粪便土地利用后大量的抗生素进入土壤环境。
由此可见, 四环素类抗生素的污染作为一个全球性普遍存在的问题, 这类物质一般均具备高生物活性和持久性, 这就决定了其必然具有一定的潜在生态环境风险。尤其是随着集约化现代畜禽养殖业的迅速发展, 抗生素类药物构成对环境以及对生态系统和人体健康的威胁日益暴露。虽然, 人们对抗生素等新型污染物造成的生态环境问题给予了越来越多的关注, 而作为抗生素这一大类污染物中的四环素类药物的环境污染方面的研究还相对较少，
尤其是其污染机理及生态毒性的研究还处于研究的起始阶段。因此, 对四环素类药物的生态毒理研究非常必要。
3. 抗生素在水环境中的降解
抗生素的降解是指抗生素通过生物或非生物的过程使其从大分子化合物转化为小分子化合物，并最终转化为水和二氧化碳的过程，然而进入环境中的抗生素很难得到完全降解，而是产生一系列代谢及降解产物，这些产物往往具有更大的毒性，甚至造成比母体化合物更为严重的二次污染。抗生素在环境中会发生一系列降解反应，主要包括生物降解和非生物降解其中，非生物降解过程包括光降解、氧化降解、水解等; 生物降解过程主要包括微生物降解和植物降解两种方式。
3.1抗生素的非生物降解
3.1.1 光降解
光降解是四环素类抗生素在环境中降解的重要途径之一，土霉素和金霉素均具有光解特性。一般认为，光化学降解反应机理在于分子吸收光能变成激发态从而引发各种反应。抗生素分子直接吸收光子进行光化学反应，称为直接光解; 环境中的吸光物质( 光敏剂) 吸收光能后，把能量传递给抗生素分子从而进行光化学反应，称为间接光解。光敏剂作为光能的载体或受体，在自然界中广泛存在，它们可改变药物的光稳定性，加速或延缓光解。有机物质如自然界广泛存在的腐殖质、核黄素等，无机物质如NO 3-等，它们都是强的光敏剂，可以加速抗生素在环境中的降解。使用不同光源( 紫外光、可见光、长波紫外光) 照射四环素水溶液，几乎观察不到四环素的降解，而加入二氧化钛后，则观察到四环素迅速发生降解。高俊敏等以太阳光和汞灯为光源，研究了TiO 2/ZnO对废水中四环素光解的催化作用，结果表明，在TiO 2/ZnO的催化下，四环素去除率可达80%以上。此外，pH 、光照情况、水分等因素也会影响四环素类抗生素的光降解。崔馨研究发现，pH 为7时，加入Ca 2+、Mg 2+、Zn 2+能加快土霉素的光降解速率，而且离子的含量越多，土霉素的光解速率越大; 在pH=8.5时 ，其结果与pH=7时相反。研究了日光灯照射和黑光灯照射对不同水体环境( 纯净水、地表水、污水) 中四环素降解的影响情况，发现相比黑光灯，日光灯照射更有利于地表水、污水等复杂水体环境中四环素的降解b 。土壤中含有一定的水分有利于光解b 。当表层的土壤受到光照时，就会形成大量的自由基、过氧化物和单重态氧，这些物质能够加速药物的降解; 土壤中水分的增加能够增加土壤中药物的移动性，也有利于光解。土霉素在土壤间隙水中光解，可以检测到多种降解产物。试验证明，光解反应在溶液中更易发生发现抗生素中的喹恶啉类" 呋喃类等对光敏感，在光存在下，尤其在水体中容易被降解。四环素类抗生素在水溶液中的光解也有研究。最近的一些研究发现，四环素类抗生素在水中还可通过O 2与O 2发生反应进行光解研究发现，在可见光照射下，四环素类抗生素可通过基态电子转移产生阴离子自由基，并且进一步产生超氧阴离子自由基，同时激发三重态阴离子自由基，可将能量传递给溶解氧产生，并通过试验证明，强力霉素、甲稀土霉素、去甲金霉素和土霉
素都可与O 2发生反应进行光解。
3.1.2水解
水解也是抗生素在水环境和土壤中的一种重要的降解途径。人们研究抗生素水解时主要考虑pH 的影响。各类抗生素中的内酰胺类、大环内酯类和磺胺类易溶于水发生水解。大环内酯和磺胺类在中性pH 条件下水解较慢，且活性较低。内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快。头孢菌素类抗生素在酸性、碱性和中性条件的水环境中都能发生水解反应。青霉素类药物易受亲核及亲电试剂进攻，容易水解并引起分子重排，某些金属离子、氧化剂及加热等能对青霉素类药物的分解和分子重排起催化作用。在碱性条件下，青霉素类药物的内酰胺环首先被破坏，分解为青霉酸; 有金属离子作用时青霉酸能进一步分解为青霉醛和青霉胺。泰勒菌素A 在酸性条件下可水解成泰乐菌素B ，而在中性和碱性条件下，则可产生泰乐菌素A 丁间醇醛和一些极性的分解产物。泰乐菌素A 的分解速率不仅与pH 有关，还受缓冲液类型、浓度及离子强度的影响。四环素类抗生素的水解也受到pH 、离子强度和温度等条件的影响。四环素的水解是四环素一种重要的转化方式。研究发现，四环素、土霉素和金霉素在不同温度和pH 条件下降解速率差异显著，离子强度对其降解无明显影响。金霉素在不同温度，不同pH 及不同水生环境中的降解情况，结果表明，金霉素较易水解，其水解速率受pH 和温度的影响较大; 在碱性及中性条件下的水解速率明显大于酸性条件，而高温条件下的水解速率远大于室温; 此外，金霉素进入环境水体后，由于各种降解过程综合作用的结果，比用水解试验得出的降解速率要快很多。
3.1.3氧化降解
四环素类抗生素在强氧化剂的作用下也会发生降解。臭氧的强氧化作用对四环素类抗生素的降解效率非常高，目前国外对此方面的报道较多。对四环素水溶液进行臭氧处理，检测到了15种臭氧化产物，并提出四环素臭氧化的降解途径; 对双键、芳香环和氨基进行臭氧化会分别产生产物m/z461、477、509和416；对以上位置进一步臭氧化会产生m/z432、480、448和496；四环素进行臭氧化
处理4-6min 可以完全去除。研究发现，20mg/l的四环素经过5min 臭氧处理就可以完全降解。在一个环流反应器内研究了多种因素对四环素降解速率的影响，结果表明，四环素的降解速率受pH 和气态臭氧浓度的影响显著; 而H 2O 2和羟基自由基清除剂对四环素的降解几乎没有影响，表明臭氧的直接氧化是该降解过程的主导因素。研究发现，使用臭氧处理含有土霉素的饲料废水，可以增大土霉素的生物可降解性，减小了其对活性污泥细菌的毒性，其降解速率取决于pH 和臭氧剂量。 其他强氧化物质对四环素类抗生素的降解研究也有报道。研究了高铁酸钾对四环素的氧化降解，发现pH 对其影响较大，降解率取决于PH 和初始浓度。可以看出，四环素类抗生素的强氧化降解往往受 pH 和强氧化剂浓度的显著影响。
3.2抗生素的生物降解
抗生素的微生物降解是指在微生物作用下，抗生素残留物的结构和理化性质发生改变，从大分子化合物降解为小分子化合物，最终转变为H 2O 和CO 2。其中耐药细菌起最重要的作用。光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌、发酵丝状菌、芽孢杆菌、枯草杆菌、硝化细菌、酵母等都具有抗生素的降解功能。研究了四环素和土霉素在褐土和红壤中的降解动力学，发现褐土和红壤中的土著微生物对四环素和土霉素的降解均无显著影响。而向堆肥中外源添加抗生素有益降解菌有助于堆肥中四环素类抗生素残留物的降解。研究了外源复合菌系(具有降解纤维素和金霉素的双重功能) 对堆肥中金霉素的降解效果，结果发现，堆肥过程中未接种复合菌系，金霉素的降解率在60%左右; 接种复合菌系后，金霉素的降解率达到82.23%。 在一个养鱼场底泥中分离得到了土霉素、强力霉素的抗性菌，并且二者在其抗性菌作用下明显发生降解。从环境中分离得到的单株菌往往具有很好的降解效果，然而加入到土壤或水体等复杂环境中，其降解能力一般会降低。分析原因可能为环境中存在的其他抗生素可能会对该菌株产生抑制作用，同时，氧气、pH 、温度和水分等因素也会影响菌株的生长代谢，从而影响其对抗生素的降解能力。因此，复杂环境中抗生素的微生物降解需要开发筛选出抗性较强的微生物，并注意控制环境条件，以达到最好的降解效果。
近年来，体外酶对抗生素的降解研究也多见报道。研究发现，一种白腐菌产
生的天然木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶在体外对四环素和土霉素有很强的降解能力。研究了谷胱甘肽硫转移酶体外降解抗生素( 四环素、磺胺塞唑、氨苄青霉素) 的可行性，结果发现，降解反应结后，60-70%的抗生素转变为对微生物没有毒性的成分，大大降低了其对微生物的毒性。
抗生素在土壤中光解和水解的作用效果相对有限且过程漫长，相比于植物降解和微生物降解存在明显的弱势。植物降解是一种非常有前景的去除环境中有毒污染物的绿色技术b 它通过绿色植物对污染物的降解、转化、吸收、代谢和去毒来修复受污染的土壤、水体和大气环境。植物修复主要包括植物对抗生素的直接吸收和降解" 根系分泌物以及土壤微生物对抗生素的降解等因素的综合作用。植物修复受污染的水体和土壤环境主要有3种机制:（1）植物直接吸收有机污染物后转移或分解; （2）植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污染物;(3)植物促进根际微生物对土壤环境中有机污染物的吸收或利用转化。有文献指出金霉素可直接被植物吸收，其他四环素类抗生素的植物降解鲜有报道，此方面的研究值得关注。 抗生素的植物修复降解是一个比较新的研究领域，目前的研究多集中在用某一植物来修复特定污染的土壤。 而受到污染的土壤中并非只有一种抗生素，往往多种抗生素共同存在而造成复合污染。将转基因技术应用于植物培养中筛选出能同时降解多种抗生素的植物是一种不错的尝试，今后可多关注此方面的研究。
四环素类抗生素在不同的环境介质中因环境条件的不同而发生一系列非生物或生物降解应，研究其在不同介质中的降解方式、降解机理和各种影响降解的因素对于探索降低抗生素污染和减少残留的最佳途径具有相当重要的意义。
4. 抗生素对水生生物的生态毒理学效应
4.1对微生物的生态毒性
由于四环素类抗生素主要用来抑制菌类物质的生长发育, 因此近年来研究者们对于四环素对细菌、真菌和微藻等的生态毒性做了广泛研究。一般情况下, 四环素对原核生物(如蓝藻) 的毒性高于单细胞真核生物(如微藻类), 单细胞生物对抗生素的敏感度则高于多细胞生物, 这也与设计生产四环素类药物的初衷一
致。例如, 通过对费氏弧菌的长达 24 h 毒性研究表明, 四环素的 EC 50值为 0.025 1 mg·kg -1。Ferreira 同时研究了四环素对扁藻的和卤虫的生长抑制情况, 结果表明, 扁藻对四环素的敏感度大约为卤虫的 70 倍, 这一规律也被许多类似实验所验证。
四环素类药物对微藻的毒性主要体现在抑制藻蛋白质合成和叶绿体的生成最终造成对微藻生长的抑制。依据 OECD 201 准则《藻类生长抑制测试》(OECD, 1984)研究了四环素对扁藻的生长抑制情况。通过 96 h 暴露, 在四环素浓度大于
5.3mg·L -1溶液中扁藻的生长抑制显著, NOEC 值为 3.6mg·L -1, LOEC 值为 5.3 mg ·L -1, 72 h 及 96 h IC50值分别为 13.16 (95%置信区间为: 10.24~18.89 mg·L -1) 和11.18 mg·L -1(95%置信区间: 8.39~15.84 mg·L -1) 。此外, 四环素类药物能够抑制铜绿微囊藻和绿藻的蛋白质合成。强力霉素对绿藻的毒性为 IC 50= 15.2 mg·L -1, 土霉素能抑制等鞭金藻叶绿素含量的生成, 并且药量越大抑制作用越强; 对类胡萝卜素的生成起促进作用, 药量越大则类胡萝卜素含量越多。叶绿素含量减少, 则藻细胞的光合作用强度下降, 即新陈代谢强度减弱, 细胞的繁殖能力下降。
4.2 对水生动物的生态毒性
四环素类药物对水生动物的生态毒性报道相对较多。四环素类抗生素能够抑制水生动物多种酶的活性, 如乙氧基试卤灵- O- 去乙基酶、β- 半乳糖苷酶等, 并可能造成鱼类较严重的 DNA 损伤。根据水蚤急性毒性试验的标准协议(ISO, 1989b) 测定了包括四环素类抗生素在内的 9 种抗生素对水蚤的急性毒性, 并根据 48 h 急性毒性试验 EC 50值进行排序。同时, 根据水蚤繁殖测试标准过程 (OECD,1996)利用半静态检验估计其对水蚤生殖能力的毒性效应。结果表明, 土霉素的 48 h EC50超过 1 000 mg·L -1, 而四环素的 NOEC 值为 340 mg·L -1, 在每个浓度均观察到对水蚤生殖能力的影响, 其影响较急性毒性水平低一个数量级。以硝化纤维过滤的大西洋海水中的卤虫为研究对象, 通过 24 h 和 48 h 的卤虫死亡数计算死亡率, 利用概率值分析法计算半致死浓度, 结果显示, 四环素 24 h 和 48 h IC 50分别为870.47mg·L -1(95%置信区间为:778.83~983.66 mg ·L -1) 和 805.99 mg ·L -1(95% 置信区间为: 650.71~1 129 mg ·L -1), 其 NOEC 和 LOEC 值分别为 637 mg·L -1和 828mg·L -1。
然而上述研究大部分只是针对急性毒性实验的直接结果, 可能不能全面的反映四环素类抗生素的毒性。例如, Lunden 等[34]将用于预防虹鳟疾病的一种二价苗同土霉素一起使用, 通过 ELISA 反应检测鱼体内抗体水平; 通过化学发光分析测定吞噬细胞活性作为非特异性免疫反应的指针。结果表明土霉素能够明显抑制抗体水平, 同时使吞噬细胞活性轻微降低, 使淋巴细胞的数量下降, 但是鱼体的存活率没有明显影响。曲甍甍等研究了土霉素对斑马鱼的急性毒性和对鲫鱼肾细胞 DNA 损伤。急性毒性试验表明, 土霉素的斑马鱼 96 h LC50为 1 341.764 mg ·L -1。彗星试验结果表明, 土霉素能引起较大的 DNA 损伤, 与阴性对照相比均有极显著性差异。土霉素在所设的浓度范围, 能诱导鲫鱼肾细胞严重的 DNA 损伤, 这表明土霉素可能有较强的基因毒性。李兆利等以鲤鱼为实验对象, 得到了土霉素诱导鲤鱼肾细胞 DNA 损伤的相同结果, 并发现土霉素对鲤鱼胚胎有致畸效应。这种对生物的免疫毒性和基因毒性可能对生物的影响更加深远。
关于四环素类药物对水生动物的生态毒性的研究进展还体现在研究方法的更新上。近年来, 出于对实验成本和伦理压力等方面的考虑, 研究者探索了一些替代性研究方法以避免直接使用过多的较大型的脊椎动物 ( 如鱼类等) 活体进行急性毒性试验, 利用定量结构关系以及对比最低预测浓度和最高检测浓度的关系来获得污染物的生态毒性数据, 得到一系列抗生素的风险系数( 检测浓度和预测毒性的比值) 。例如, 四环素的风险系数为 6.88×10-6, 土霉素的风险系数为
2.13×10-5。
体外试验是另一种替代方法。研究人员发现将酶活性作为毒性端点是一种有效的方法。在体外试验中, 将特定的或非特定的酶( 如乙氧基试卤灵- O- 去乙基酶或 β- 半乳糖苷酶等) 的活性作为亚致死毒性实验中的指标能够快捷地提供生态毒性估计值。例如, Babin 等在研究土霉素和四环素对鱼的毒性时, 采用 RTG- 2 和 RTL- W1 两中鱼细胞系进行试管内毒性测试代替了直接的毒性试验。该试验设置了包括EROD 活性、β- 半乳糖苷酶活性、中性红法测定的细胞生存能力以及 FRAME KB 蛋白测试法测定的细胞分离度的 4 个毒性端点, 在一系列浓度梯度的土霉素和四环素溶液中按上述毒性端点顺序进行测定。实验中观察到四环素和土霉素对酶活性产生抑制, 其中, 四环素类抗生素生态毒性研究进展EROD 在四环素中的 EC 50为 167.63 mg ·L -1, β- 半乳糖苷酶在四环素中的 EC 50达到
84.59 mg·L -1, 土霉素毒性略低于四环素。
5. 结论
通过研究抗生素在水环境中的环境化学行为，我们认识到抗生素在水中的环境化学行为包括抗生素的生物降解和非生物降解，非生物降解包括：光降解、水化学降解和氧化降解；生物降解主要研究水生微生物对抗生素降解的作用。最后阐述了抗生素对水生微生物和水生生物的生态毒理学效应。研究表明抗生素在水环境中的残留对水生微生物有较大的影响，限制滥用抗生素类药物，对含抗生素类物质的废水进行有效的处理是必要的。
参考文献
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