【前沿】抗生素与重金属复合污染生态毒理效应研究进展

1、引 言

尽管许多研究人员主要是考虑单一污染物的环境行为，但在实际环境中，往往是多种污染物并存，而且这些污染物之间会发生交互作用，使得环境污染趋于多元化和复杂化，因此，复合污染逐渐成为环境领域研究的热点。

抗生素和重金属是环境中典型的有机和无机污染物。环境中残留的抗生素主要来自工业生产、医用抗生素和兽用抗生素，具体途径包括抗生素企业在生产过程中流失的抗生素、医院丢弃的抗生素废物、经由人和动物粪便尿液排出的抗生素。抗生素在生物体内代谢率低，一般仅为10～40% 。因此，随着集约化畜牧业以及配合饲料工业的发展，含有抗生素的畜禽粪便量不断增加，这些未经处理的畜禽粪便作为有机肥农用已经成为抗生素进入土壤环境的主要途径。重金属是一类具有潜在危害的重要污染物，不能被微生物分解，会在生物体内富集，甚至还能与某些有机物发生反应转变成毒性更大的金属-有机化合物，具有一定的持久性 。环境中重金属污染主要来源于农业生产中农药和肥料的使用、畜禽和水产养殖、汽车尾气排放、矿山开采活动以及废弃物焚烧及处置等 。此外，一些重金属元素也作为微量元素添加于饲料，用于促进动物生长和提高饲料利用率 ，进而增加了环境中抗生素与重金属复合污染的几率。

抗生素和重金属在环境中均具有持久性和毒性，二者都对人体健康和生态环境产生潜在长期的危害，特别是两者复合污染对环境产生的毒理效应的研究还较少，因此，有必要开展抗生素与重金属复合污染生态毒理效应研究，进而为抗生素与重金属复合污染风险评价提供基础。本文就抗生素与重金属复合污染的污染水平和生态毒理效应进展进行了综述，并对该领域需要进一步研究的问题进行展望，以期为今后开展相关领域的研究提供思路和参考。

2、抗生素与重金属的污染现状

在环境中特别是在河流、沉积物和农田土壤中均可见二者的复合污染现象。2000年，美国USGS对美国139条河流进行了调查，检测到了21种抗生素残留，其中包括四环素类、磺胺类、大环内酯类抗生素，质量浓度在60~690ng/L之间 。我国黄河及其支流检测到的抗生素主要为氧氟沙星、诺氟沙星、罗红霉素、红霉素和磺胺甲唑，黄河中的平均含量在25~152ng/L，其主要支流为44~240ng/L，后者明显高于前者，原因是主要支流大都贯穿城市，而城市污水是支流中抗生素的主要来源 。Yan等 在长江口检测到主要的抗生素是甲砜霉素和磺胺吡啶，浓度最高分别为110ng/L和219ng/L。

沉积物是水体中污染物的主要存储介质，尤其是重金属，水体中99%的重金属能以各种形态被沉积物存储。滑丽萍等对我国主要湖泊底泥中重金属污染情况进行了比较和分析，发现滇池、太湖、松花湖底泥重金属平均含量较高，尤其是滇池中Cu、Zn、Pb、Cd和Ni的浓度最高，分别为920mg/kg、2208mg/kg、647mg/kg、164.8mg/kg和466mg/kg。在湖泊底泥重金属中，Cd、Hg、Ni 3种重金属的污染比较严重，而在湖泊底泥中基本都会出现Cu、Pb污染。沈群辉等调查了黄浦江底泥中四环素类、磺胺类及氯霉素抗生素的质量分数分别为22.10~72.74μg/kg、25.98~117.29μg/kg和nd~50.47μg/kg。

畜禽养殖业大量使用抗生素和重金属作为饲料添加剂，使得养殖场及周围形成了一个抗生素和重金属复合污染的典型环境，多项研究表明，长期施用粪肥的农田土壤中存在抗生素与重金属共存的现象。Hamscher等在用动物粪尿施肥的0~40cm表层土壤中检测到土霉素和金霉素的最大残留浓度分别达到32.3mg/kg和26.4mg/kg。王瑾等在长期施用粪肥的农田土壤中发现，Cu、Zn、As等重金属含量显著高于未使用粪肥的土壤，同时施肥的土壤中均有土霉素和金霉素检出，含量最高分别达1.23mg/kg和1.56mg/kg。

3、抗生素与重金属复合污染生态毒理效应

抗生素分子中含有大量的羧基、羟基、氨基、杂环等基团或电子供体原子，这些均可与金属离子发生络合作用，而抗生素与重金属的络合作用会在不同程度上改变复合污染体系中污染物的环境行为及毒理效应，且抗生素-重金属络合物在复合污染体系的毒理效应中起主导作用。这种络合作用可能会对土壤酶、微生物、动植物等产生协同、拮抗，甚至加和等复杂的毒理效应。

3.1 对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤组分中最活跃的成分之一，是土壤自净容量的指标。随着各种兽药抗生素的大量使用，大量含有残留兽药的粪便施入农田，抗生素与重金属复合污染势必对土壤酶的活性产生一定的影响。

阮存鑫探讨了不同浓度的四环素与Cu复合污染对乌栅土和红壤中酶活性的毒性。发现两者的复合污染对不同土壤中的酶活性产生不同的效应：在乌栅土中，两者的复合污染显著抑制了脲酶和蔗糖酶活性，且抑制效果要高于单一污染，其中，50mg/kg四环素与200mg/kgCu(II)复合处理对蔗糖酶活性抑制效果最好，当四环素浓度不变时，随着Cu(II)浓度的增加，酸碱性磷酸酶活性减小;在红壤中，复合条件下四环素在一定程度上减缓Cu对脲酶和酸性磷酸酶的毒性，而10mg/kg四环素和50mg/kgCu(II)复合处理对蔗糖酶活性抑制最大。

高若松研究了不同浓度组合的磺胺间甲氧嘧啶与Cd复合污染对土壤酶活性的影响。当磺胺间甲氧嘧啶浓度保持不变时，随着Cd浓度的升高，对土壤磷酸酶活性的抑制率变大，而Cd对磷酸酶活性的影响并没有因磺胺间甲氧嘧啶的加入而发生改变，说明对磷酸酶起主要作用的是Cd;高浓度Cd与低浓度磺胺间甲氧嘧啶复合处理对蔗糖酶的活性始终保持抑制，而与高浓度磺胺间甲氧嘧啶复合处理时表现为抑制-激活-抑制的趋势;Cd与高浓度磺胺间甲氧嘧啶复合处理对过氧化氢酶活性表现出拮抗作用，而与低浓度磺胺间甲氧嘧啶复合处理时表现出协同作用。

赵保真以常用兽药磺胺嘧啶和Cu为研究对象，发现Cu浓度不变时，随着磺胺嘧啶浓度的增加对脲酶活性的影响表现为“激活—抑制”作用，对蔗糖酶活性的影响表现为激活的规律，对过氧化氢酶活性的影响主要表现为“抑制—激活—抑制—激活”的规律，对磷酸酶活性的影响表现为“激活—抑制”的规律。

刘爱菊等考察了磺胺甲基嘧啶和Cu协同污染下对土壤中脲酶、脱氢酶等指标的影响。结果表明，低剂量的Cu协同污染可以缓解磺胺甲基嘧啶对土壤脲酶活性的抑制作用。两者协同污染条件下，土壤脱氢酶的活性均显著受到抑制，且不同浓度的磺胺甲基嘧啶对脱氢酶活性下降幅度不明显，说明土壤脱氢酶对磺胺甲基嘧啶-Cu协同污染较为敏感。

闫雷等以土霉素与Cd为污染物，研究了土霉素与Cd复合污染对酶活性的影响。发现低浓度和高浓度的土霉素与Cd复合污染时，对土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性的影响主要为拮抗作用;中浓度土霉素与Cd的复合污染对3种酶活性的影响则主要为协同作用。

可见抗生素与重金属复合污染对不同种类酶的影响不同，可能表现出抑制效应、一定的激活效应或无影响，且这种相互作用与复合污染物的浓度、种类、土壤类型等因素密切相关。

3.2 对土壤微生物的影响

土壤微生物也是维持土壤生物活性的重要组分，其数量、群落结构改变均能反映出土壤质量和健康状况，是土壤环境质量评价的重要生物学指标。抗生素与重金属的络合作用可能会对微生物更大的毒性。有研究表明，环丙沙星等喹诺酮类抗生素与Cd、Co、Zn等重金属离子的络合物，与抗生素本身相比，对分生性细菌低毒，但对非分生性细菌的毒性却会显著增强。

Kong等发现土霉素和Cu的复合污染对土壤微生物功能多样性、均匀度、基质利用率等均随土霉素和Cu浓度的增加而显著降低。

刘爱菊等发现不同的土壤微生物指标对磺胺甲基嘧啶-Cu协同污染的响应是不相同的：低剂量Cu的协同污染对土壤潜在硝化势具有协同抑制作用，但一定程度上可缓解磺胺甲基嘧啶对土壤基础呼吸、土壤微生物量碳、氮的抑制作用;而高剂量的Cu，则加重磺胺甲基嘧啶对这些土壤微生物指标的影响。说明低剂量的复合污染可能会诱导土壤微生物对二者产生交互抗性，而高剂量复合污染则对土壤微生物生态功能产生较为严重的协同抑制作用。

魏子艳等也发现土霉素、恩诺沙星、磺胺二甲嘧啶3种抗生素和Cu的复合污染与3类微生物(细菌、真菌、放线菌)的数量之间存在明显的剂量-效应关系和时间-效应关系。3类微生物的数量随培养时间的延长和抗生素浓度的增加均呈现降低的趋势;与单一污染相比，抗生素和Cu的复合污染对3类微生物具有更强的毒性效应，但由于抗生素和Cu之间交互作用的复杂性，抗生素和Cu复合污染的毒性效应与各单一污染的毒性效应之间并不存在相关性。

总之，抗生素与重金属复合对微生物的毒害不仅与污染物浓度相关，也与暴露时间和微生物种类有着密切关系。此外，与单一污染相比，多数抗生素与重金属复合污染对土壤微生物数量和种群多样性等产生明显的抑制。

3.3 对植物和动物的影响

抗生素与重金属的复合污染对植物的影响通常表现为对发芽率、根茎伸长、某些化学物质含量等的影响。而对动物的影响一般体现在污染物在体内的富集程度、体内重要酶活性，以及吸收机能和呼吸作用等方面的变化。

阮存鑫在四环素-Cu复合污染对油菜生长的影响研究中，发现四环素的存在降低了油菜对Cu的吸收，缓解了Cu的毒性。

李通等研究了环丙沙星与Cu复合污染对不同植物生长的影响。结果表明，低Cu浓度下，环丙沙星与Cu复合污染对玉米根伸长和芽伸长的联合作用表现为拮抗作用，对萝卜根伸长和芽伸长表现为协同作用，对小白菜的根伸长表现为拮抗作用，而对小白菜的芽伸长表现为协同作用;在高浓度Cu胁迫下，二者复合污染对玉米的根伸长和芽伸长均起一定的协同作用，而对萝卜和小白菜的根伸长起拮抗作用，芽伸长起协同作用。而戚与珊等的研究发现，低浓度Cu与环丙沙星复合时对小麦根长的抑制有毒性增强的趋势，表现为协同效应;高浓度Cu与环丙沙星复合后，其毒性有所缓解，表现为拮抗效应。可见，即使同一类型的抗生素与重金属复合污染，对不同植物产生的联合效应也不尽相同。

植物体内的各种化学成分含量在抗生素与重金属的复合污染下也会产生了不同的变化。张春艳比较了不同培养环境下土霉素与Zn胁迫对青菜叶绿素含量及抗氧化系统的影响。水培条件下，土霉素与Zn共同胁迫使青菜超氧化物歧化酶、过氧化氢酶升高，而过氧化物酶活性下降。土培条件下，土霉素与Zn共同胁迫使毒害作用加强，并随着浓度的升高，对超氧化物歧化酶产生不可逆的破坏作用，对过氧化氢酶也造成一定的破坏，而过氧化物酶活性升高。在研究磺胺间甲氧嘧啶与Cd复合污染时，发现低浓度的胁迫会对过氧化物酶和超氧化物歧化酶起到激活作用。而高浓度的胁迫会对植物造成大的伤害，大豆幼苗根系的丙二醛含量先升高后降低的变化也可以说明氧化胁迫的存在。

抗生素与重金属的复合污染对动物也产生很大的影响。Gao等研究了土霉素和Pb对赤子爱胜蚓溶酶体膜稳定性和体腔细胞凋亡的联合效应，复合污染时，低浓度处理组对蚯蚓溶酶体的联合效应表现为协同作用，而高浓度处理组表现为拮抗作用。此外，与单一土霉素污染相比，蚯蚓体腔细胞凋亡显著降低，表现为拮抗作用。同时，随着土霉素浓度逐渐增加，土霉素和Pb对蚯蚓的联合毒性显著下降。

总体来说，抗生素与重金属对植物和动物的联合毒性与污染物的浓度组合有很大关系。此外，不同类型的污染物，不同类型的植物或动物，也都会影响抗生素与重金属的联合毒理效应，由于污染物进入生物体后，污染物与污染物之间，污染物与生物体之间都会发生相互作用，使得复合污染对植物和动物的毒理效应研究难度增加。

4、结论与展望

在复合污染条件下，污染物间的相互作用使得污染更具复杂性和不确定性，污染风险加剧。尤其是随着大量抗生素进入环境中，使得抗生素与重金属的复合污染逐渐受到人们的关注。开展抗生素与重金属复合污染生态毒理效应研究可以更好地解释复合污染的污染特性和污染机理，为推动抗生素与重金属复合污染的环境风险评价和开展污染防治提供理论基础。

目前，抗生素与重金属复合污染毒理研究正处于不断完善之中，然而，今后在一些研究方面仍需加强。例如，当前对抗生素与重金属复合污染的研究大多集中在二元、三元之间的联合效应，而实际环境中可能存在更多元的复合污染，今后可以开展多元复合污染的联合毒理效应研究;另外，大多数研究针对土壤-植物系统，而缺少对土壤-水系统和土壤-大气系统的复合污染研究，这方面仍然需要更多的研究来支撑。将来的研究工作应利用不断发展的生物分子技术进一步开展，在细胞分子水平上，进一步揭示抗生素与重金属的染毒途径及机理。

原标题：【前沿】抗生素与重金属复合污染生态毒理效应研究进展