磺胺類抗生素的環(huán)境殘留及生態(tài)毒理研究綜述

1、磺胺類抗生素的環(huán)境殘留及生態(tài)毒理研究綜述華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院葉敏摘要:本文將對國內(nèi)外磺胺類抗生素的殘留和生態(tài)毒性研究進行綜述。環(huán)境殘留主要包括水環(huán)境殘留和土壤環(huán)境殘留。生態(tài)毒理的研究主要從其造成的影響進行歸類,包括對水生生物,土壤生物,昆蟲的影響,以及其吸附,遷移,降解等轉(zhuǎn)歸影響。關(guān)鍵詞:磺胺環(huán)境殘留生態(tài)毒性磺胺類藥物(Sulfonamides,SAs是具有對氨基苯磺酰胺結(jié)構(gòu)的一類藥物的總稱,磺胺類通過競爭性抑制葉酸代謝循環(huán)中的對氨基苯甲酸而抑制細菌性增殖。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在不僅作為人用藥物,而且廣泛使用于畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),用來治療細菌及特定微生物引起的多種傳染疾病。目前經(jīng)常在食品抗

2、生素殘留檢測中發(fā)現(xiàn)磺胺類抗生素的殘留,因其具有廣譜、穩(wěn)定、經(jīng)濟、易用以及聯(lián)合抗菌增效劑效果可提高數(shù)十倍的特點,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常以亞治療濃度的藥物作為飼料添加劑來預(yù)防疾病的發(fā)生,提高飼料的轉(zhuǎn)化率和促進動物生長。目前在全球范圍內(nèi)幾乎所有地區(qū)都采用抗生素來實現(xiàn)增加產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的目的。然而,研究表明,抗生素藥物只有15%可被吸收利用,大約85%未被代謝而被直接排放至環(huán)境中。一、磺胺類抗生素的環(huán)境殘留用于家畜、家禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖病害預(yù)防及飼料添加劑的抗生素,一部分將在生物體內(nèi)吸收或者轉(zhuǎn)化,并以代謝物的形式排出體外。同時,還有很大一部分(85%將以原型藥物的形式排出體外并直接進入環(huán)境。此外,用于水產(chǎn)養(yǎng)殖以及

3、藥物生產(chǎn)過程中大量殘留的抗生素原型藥物也將直接進入環(huán)境中。隨著我國大中城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,含有各種抗生素的畜禽糞便量也不斷增加。這些糞便最終也會進入土壤或水體中,污染地表水、地下水和飲用水,并通過作物吸收和積累進入食物鏈,對動物和人體健康構(gòu)成潛在危害。1、水環(huán)境殘留絕大多數(shù)抗生素屬水溶性,在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,抗生素在使用過程中未被水產(chǎn)養(yǎng)殖生物吸收的以及隨糞便排泄的部分,最終匯入水體或隨懸浮物沉降匯集于沉積物底部?；前奉愑休^高的檢測率。據(jù)研究表明,生物體所服用抗生素中的90%通過尿液排出體外,75%隨糞便排泄(Halling-Sensen,2001。因此,抗生素對水環(huán)境的污染首當其沖

4、。美國USGS (19992000調(diào)查的地表水體、飲用水以及污水中有關(guān)抗生素物質(zhì)的檢出和污染,磺胺類藥物檢出頻率最高,殘留濃度一般小于1.0g·L-1(Kolpin et al.,2002。近年來公布的數(shù)據(jù)表明,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)使用的抗生素僅有2030%被魚類吸收,7080%進入水環(huán)境中(Samueisen,1989。造成地表水體、飲用水以及污水中抗生素藥物污染的主要原因可能是代謝排泄、不適當?shù)奈鬯幚砘蚺欧?而地下水中的抗生素絕大多數(shù)都來源于農(nóng)田灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)(周啟星,2007。2、土壤環(huán)境殘留抗生素使用后大部分隨糞尿排出,致使糞便中抗生素的含量較高,易造成養(yǎng)殖場周邊及流域環(huán)境抗生素嚴

5、重污染(Campagnoloa E R et al.,2002。特別是畜牧糞便作為有機肥廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),未經(jīng)無害化處理或經(jīng)簡單堆肥處理禽畜糞便作為有機肥施于農(nóng)田直接進入土壤環(huán)境中,導致土壤抗生素污染,破壞土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)與功能(Kong W D et al.,2006并被農(nóng)作物吸收累積(Redshawa C H et al.,2008。據(jù)研究綜合表明(Hamscher et al.,2000;Meyer et al.,2000;Campagnolo et al.,2002; Kolpinet al.,2002;Y ang et al.,2003:土壤中抗生素含量一般在g·kg-

6、1級;在畜禽糞便中抗生素含量相對較高,且變化范圍大,在g·kg-1mg·kg-1之間,其中磺胺二甲氧基嘧啶(Sulfadimethoxine可達900mg·kg-1。目前有關(guān)抗生素在土壤環(huán)境中的存在和污染水平的報道仍然較少,周啟星等(2007認為緣由主要在于尚未建立合適可比的分析測定方法以及對其重視程度不夠高。二、磺胺類抗生素的環(huán)境行為1、吸附Thiele(2000從抗生素受環(huán)境影響的角度出發(fā),研究發(fā)現(xiàn)磺胺類抗生素在表層土壤上的吸附能力相對較弱。而Baran(2006則根據(jù)磺胺類抗生素及其光降解產(chǎn)物在水中的毒性和生物降解性,提出磺胺類藥物的生物降解性較差,EC50

7、隨磺胺乙酰、磺胺噻唑、磺胺甲惡唑和磺胺嘧啶順序依次增大。國內(nèi)學者則傾向于采取部分磺胺類藥物作為研究對象,例如,陳昦(2008采用批平衡實驗對磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺間甲氧嘧啶和磺胺氯噠嗪4種常見磺胺類藥物在太湖地區(qū)典型水稻土中的吸附特性進行了研究,結(jié)果表明4種磺胺藥物在水稻土上吸附機理主要是物理吸附。而金彩霞等(2010則選擇了磺胺間甲氧嘧啶作為研究對象,通過吸附/解吸動力學、吸附/解吸熱力學試驗研究了磺胺間甲氧嘧啶(SMM在河南土壤上的吸附/解吸行為,發(fā)現(xiàn)SMM在土壤中具有一定的移動性,對地下水和地表水存在一定的污染風險。而在結(jié)合研究方面,Kurwadkar(2007研究了磺胺二甲嘧啶

8、(SMN和磺胺噻唑(STZ的吸附,結(jié)果顯示pH值7.5 以上時,磺胺類抗生素主要以陰離子形式存在,有高水溶性,無陽離子特征,因此導致在土壤中的吸附。2、降解而張從良(2007則研究了6種磺胺類藥物在砂土中的微生物降解,結(jié)果表明,6種磺胺類藥物在砂土中的微生物降解均較慢,磺胺類藥物在砂土中的降解主要是由水解和化學降解等非生物降解作用引起的,而由微生物引起的降解作用較小,這主要與其較強的抑菌性有關(guān)。文春波(2007同樣針對磺胺嘧啶進行了室內(nèi)模擬降解試驗和動態(tài)土柱淋溶試驗,研究表明磺胺嘧啶在土壤中的降解能力很弱。而牛建平(2009的研究則認為磺胺二甲嘧啶在土壤中的降解主要是光降解和化學降解,微生物降

9、解只占很小的比例,土壤含水量的增加明顯加快了磺胺二甲嘧啶殘留的降解速率,可以通過提高土壤含水量等方法加速磺胺二甲嘧啶的降解,以降低其對環(huán)境土壤和水體的污染風險。而Accinelli(2007則研究了磺胺二甲嘧啶(SMZ和磺胺氯噠嗪(SCP在土壤中的降解及對土壤微生物的潛在影響,研究發(fā)現(xiàn)磺胺類抗生素在粉砂壤土中的降解速率比在砂土中快,在兩種土壤中SMZ和SPC 的平均半衰期分別為為18.6 天和21.3 天。3、遷移轉(zhuǎn)化近年來,國內(nèi)外的學者不止關(guān)注磺胺類抗生素整體在環(huán)境中的轉(zhuǎn)歸,還針對特定的一種或者兩種磺胺類抗生素進行更深入的研究。例如,Wehrhan(2007以磺胺嘧啶作為研究對象,發(fā)現(xiàn)其在土

10、壤中的遷移性能取決于峰值濃度和停留時間。尤其值得指出的是,磺胺二甲嘧啶作為飼料的添加劑廣泛應(yīng)用于畜禽球蟲病等的防治,是動物性食品中主要的殘留藥物,因此不少學者都針對它或是結(jié)合其他磺胺類抗生素來開展研究,例如,王冉(2007通過室內(nèi)培養(yǎng)和土壤薄層層析等實驗方法,研究發(fā)現(xiàn)磺胺二甲嘧啶容易在土壤中遷移和滲漏,遷移系數(shù)大于0.7,遷移和滲漏速度受介質(zhì)pH的影響,在非中性環(huán)境下,移動和滲漏能力增強。三、磺胺類抗生素的生態(tài)毒理抗生素在環(huán)境中的生態(tài)毒理可以歸納為這幾方面:對土壤生物的影響;對水生生物的影響;對昆蟲的影響;在環(huán)境中的轉(zhuǎn)歸(陳杖榴,2001?；前奉惪股貧埩粼诃h(huán)境中,很難自轉(zhuǎn)化和降解,經(jīng)生物和非

11、生物作用逐漸累積達到一定濃度,不僅會改變土壤的正常結(jié)構(gòu)和功能,促進耐藥菌株的進化,影響動植物的生長發(fā)育,而且可通過食物鏈影響人體健康。1、磺胺類抗生素對土壤生物的影響國內(nèi)不少學者采用在室內(nèi)實驗方法測試,例如,刁曉平(2005采用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究得出磺胺二甲基嘧啶對不同土壤中真菌生長的影響表現(xiàn)出差異性,磺胺二甲基嘧啶對土壤中細菌的生長均有一定的抑制作用,并隨濃度的降低而出現(xiàn)下降的趨勢,且表現(xiàn)出明顯的時間差異。金彩霞(2010采用同樣的方法研究磺胺間甲氧嘧啶對黃潮土土壤微生物呼吸及土壤酶活性的影響,發(fā)現(xiàn)磺胺間甲氧嘧啶可顯著影響土壤呼吸強度,藥物對土壤酶活性的影響小于其對土壤呼吸強度的影響。劉鋒(2

12、009則通過室內(nèi)直接吸收法測定磺胺類抗生素對水稻土土壤微生物呼吸的影響,結(jié)果表明,磺胺甲嘧啶和磺胺甲唑?qū)ν寥篮粑淖畲笠种坡史謩e為34.33%和34.43%,以磺胺甲唑和甲氧芐啶對土壤呼吸影響最大,同一種抗生素隨著濃度的增加對土壤呼吸的影響不同。國外學者傾向于使用其他測試方法進行實驗,例如,Liu(2009采用濾紙上種子萌發(fā)測試、土壤中植物生長測試、土壤呼吸測試和磷酸酶活性測試方法,研究發(fā)現(xiàn)水稻對磺胺甲惡唑最為敏感,磺胺甲惡唑和磺胺二甲嘧啶明顯影響了土壤的呼吸。而Schmitt(2005則采用Biolog方法研究磺胺氯噠嗪對土壤微生物群落的抗性誘導效應(yīng),分析發(fā)現(xiàn)磺胺氯噠嗪在土壤中的存在明顯造成

13、微生物群落抗性增長。還有,Heuer(2007利用PCR方法在土壤微生物群落中檢測抗磺胺藥物的基因sul1、sul2和sul3,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落中存有大量的sul1基因,卻沒有檢測到sul3基因。另外,英國學者Byrne-Bailey(2009研究發(fā)現(xiàn),在英國施糞肥的農(nóng)業(yè)土壤中普遍存在抗磺胺類藥物的三種基因sul1、sul2 和sul3。2、磺胺類抗生素對水生生物的影響由抗生素污染引起的水生生物毒性效應(yīng)的研究目前大多以短期急性毒性試驗為主,以生長、死亡和繁殖等作為主要指示指標,而對低劑量、長期污染暴露下抗生素對水生生物體內(nèi)生理、生化以及分子水平等敏感指標的研究還相對較少。H.Sander

14、son(2004對226種抗生素的生態(tài)危害性進行了研究,結(jié)果表明:20%的抗生素對藻類非常毒,16%的抗生素對大型溞極毒(EC50<0.1 mg/L,44%為非常毒(EC50<1 mg/L;幾乎1/3的抗生素對魚類非常毒,而超過1/2的抗生素對魚類有毒(EC50<10 mg/L?？股乜赏ㄟ^食物鏈傳遞。早在2000年,Wollenberger就發(fā)現(xiàn)抗生素對微生物和藻類產(chǎn)生毒性效應(yīng)的濃度與高營養(yǎng)級生物相比要低23個數(shù)量級。曲甍甍(2004的研究也表明長期的低濃度抗生素的存在極有可能會對水體中的微生物群落產(chǎn)生影響,并通過食物鏈的傳遞作用影響高級生物,破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡。3、磺胺類抗

15、生素對植物的影響植物對獸藥的吸收及獸藥對植物的影響依獸藥、植物和土壤類型不同而有很大差異(Patten etal.,1980; Migliore et al.,1995。目前有關(guān)植物吸收獸藥機理方面的研究還非常少,與大多數(shù)研究較清楚的污染物相似,低濃度獸藥可促進植物生長,高濃度則抑制植物生長,但在不同土壤或生長基質(zhì)上,獸藥對不同植物的影響差異非常大。Boxall 等(2006研究發(fā)現(xiàn),土培條件下1mg·kg-1,磺胺嘧啶對這胡蘿卜和萵苣兩種蔬菜生長沒有影響。Migliore等(1998研究表明,土培和培養(yǎng)基條件下300mg·kg-1的磺胺間二甲氧嘧啶(Sulphadimet

16、hoxine均顯著抑制大麥和玉米生長,她們認為獸藥對植物的毒性是植物體內(nèi)該污染物與葉酸相互競爭的結(jié)果,葉酸與嘌呤合成有關(guān),而嘌呤是細胞分裂素和脫落酸的前體,因此植物吸收獸藥而降低了對葉酸的吸收從而影響了其正常的生理功能。4、磺胺類抗生素對昆蟲的影響國內(nèi)外學者對此方面的實驗研究比較少。其中較具有參考價值的是,張蘩(2010的研究指出,磺胺類抗生素作為防蜜蜂疾病的藥物進入蜜蜂體內(nèi)后,可殘留在蜂蜜中,人們食用蜂蜜后會造成抗生素在體內(nèi)蓄積。.五、研究現(xiàn)狀和今后研究的重點目前對于磺胺類抗生素的研究雖然頗為豐富,當仍然欠缺在某些難處理的方面的研究。1、缺乏微生物和自然光對抗生素降解的機理方面的研究。2、缺

17、乏土壤-植物系統(tǒng)內(nèi)抗生素微生態(tài)效應(yīng),尤其是農(nóng)田土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)內(nèi),抗生素對微生物生長、微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響及其機理方面的研究。采用分子生物學的手段與方法研究抗生素對微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響將有助于從分子水平上揭示抗生素的土壤微生態(tài)效應(yīng)。3、缺乏土壤性質(zhì)、微生物活性和環(huán)境因素等對抗生素在土壤中遷移的影響及其機理方面的研究。筆者根據(jù)現(xiàn)有的研究成果,結(jié)合自身了解的總結(jié),認為今后應(yīng)從以下三方面作為磺胺類抗生素的環(huán)境殘留及生態(tài)毒理的研究重點:第一,采用現(xiàn)代分子生物學方法和技術(shù),研究抗生素及其代謝產(chǎn)物與環(huán)境生物細胞內(nèi)大分子物質(zhì),包括蛋白質(zhì)、核酸、酶類的相互作用,探討其作用機理,從而揭示污染物對環(huán)境

18、生物的早期影響,為防止獸藥對環(huán)境的危害提供依據(jù);第二,更多地了解藥物的生理生化特性和在環(huán)境中的降解和代謝規(guī)律,研究和開發(fā)更多的評估藥物的生態(tài)毒理學測試方法,以便對藥物的環(huán)境風險作出更為準確的評價;第三,拓寬視野,在藥物代謝、藥物母體和代謝產(chǎn)物與環(huán)境相互作用,藥物生物降解中腐殖酸的作用等方面給予更多的關(guān)注。參考文獻1Accinelli C,Koskinen W C,Becker J M,et al. Environmental fate of two sulfonamide antimicrobial agents in soilJ. Journal of agricultural and fo

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