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磺胺类抗生素的环境残留及生态毒理研究综述
华南农业大学 资源环境学院 叶敏
摘要：本文将对国内外磺胺类抗生素的残留和生态毒性研究进行综述。环境残留主要包括水环境残留和土壤环境残留。生态毒理的研究主要从其造成的影响进行归类，包括对水生生物，土壤生物，昆虫的影响，以及其吸附，迁移，降解等转归影响。
关键词：磺胺 环境残留 生态毒性
磺胺类药物（Sulfonamides，SAs）是具有对氨基苯磺酰胺结构的一类药物的总称, 磺胺类通过竞争性抑制叶酸代谢循环中的对氨基苯甲酸而抑制细菌性增殖。经过几十年的发展，现在不仅作为人用药物，而且广泛使用于畜牧业和水产养殖业，用来治疗细菌及特定微生物引起的多种传染疾病。目前经常在食品抗生素残留检测中发现磺胺类抗生素的残留，因其具有广谱、稳定、经济、易用以及联合抗菌增效剂效果可提高数十倍的特点，农业生产中常以亚治疗浓度的药物作为饲料添加剂来预防疾病的发生，提高饲料的转化率和促进动物生长。目前在全球范围内几乎所有地区都采用抗生素来实现增加产量、提高经济效益的目的。 然而，研究表明，抗生素药物只有15%可被吸收利用，大约85%未被代谢而被直接排放至环境中。
一、磺胺类抗生素的环境残留
用于家畜、家禽和水产养殖病害预防及饲料添加剂的抗生素，一部分将在生物体内吸收或者转化，并以代谢物的形式排出体外。同时，还有很大一部分（85%）将以原型药物的形式排出体外并直接进入环境。此外，用于水产养殖以及药物生产过程中大量残留的抗生素原型药物也将直接进入环境中。随着我国大中城市和乡镇集约化畜禽养殖业的迅速发展，含有各种抗生素的畜禽粪便量也不断增加。这些粪便最终也会进入土壤或水体中，污染地表水、地下水和饮用水，并通过作物吸收和积累进入食物链，对动物和人体健康构成潜在危害。
1、水环境残留
绝大多数抗生素属水溶性，在水产养殖中，抗生素在使用过程中未被水产养殖生物吸收的以及随粪便排泄的部分，最终汇入水体或随悬浮物沉降汇集于沉积物底部。磺胺类有较高的检测率。
据研究表明，生物体所服用抗生素中的90%通过尿液排出体外，75%随粪便排泄（Halling-S?ensen，2001）。因此，抗生素对水环境的污染首当其冲。美国USGS （1999~2000） 调查的地表水体、饮用水以及污水中有关抗生素物质的检出和污染，磺胺类药物检出频率最高，残留浓度一般小于1.0μg·L-1（Kolpin et al.，2002）。近年来公布的数据表明，水产养殖业使用的抗生素仅有20~30%被鱼类吸收，70~80%进入水环境中（Samueisen，1989）。造成地表水体、饮用水以及污水中抗生素药物污染的主要原因可能是代谢排泄、不适当的污水处理或排放；而地下水中的抗生素绝大多数都来源于农田灌溉和水产养殖业（周启星，2007）。
2、土壤环境残留
抗生素使用后大部分随粪尿排出，致使粪便中抗生素的含量较高，易造成养殖场周边及流域环境抗生素严重污染（Campagnoloa E R et al.，2002）。特别是畜牧粪便作为有机肥广泛用于农业生产，未经无害化处理或经简单堆肥处理禽畜粪便作为有机肥施于农田直接进入土壤环境中，导致土壤抗生素污染，破坏土壤微生物的群落结构与功能（Kong W D et al.，2006）并被农作物吸收累积（Redshawa C H et al.，2008）。
据研究综合表明（Hamscher et al.，2000；Meyer et al.，2000；Campagnolo et al.，2002；Kolpinet al.，2002；Yang et al.，2003）：土壤中抗生素含量一般在μg·kg 级；在畜禽粪便中抗生素含量相对较高，且变化范围大，在μg·kg-1~mg·kg-1之间，其中磺胺二甲氧基嘧
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啶（Sulfadimethoxine）可达900mg·kg。
目前有关抗生素在土壤环境中的存在和污染水平的报道仍然较少，周启星等（2007）认为缘由主要在于尚未建立合适可比的分析测定方法以及对其重视程度不够高。
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二、磺胺类抗生素的环境行为
1、 吸附
Thiele（2000）从抗生素受环境影响的角度出发，研究发现磺胺类抗生素在表层土壤上的吸附能力相对较弱。而Baran（2006）则根据磺胺类抗生素及其光降解产物在水中的毒性和生物降解性，提出磺胺类药物的生物降解性较差，EC50随磺胺乙酰、磺胺噻唑、磺胺甲恶唑和磺胺嘧啶顺序依次增大。国内学者则倾向于采取部分磺胺类药物作为研究对象，例如，陈昦（2008）采用批平衡实验对磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺间甲氧嘧啶和磺胺氯哒嗪4种常见磺胺类药物在太湖地区典型水稻土中的吸附特性进行了研究，结果表明4种磺胺药物在水稻土上吸附机理主要是物理吸附。而金彩霞等（2010）则选择了磺胺间甲氧嘧啶作为研究对象，通过吸附/解吸动力学、吸附/解吸热力学试验研究了磺胺间甲氧嘧啶（SMM）在河南土壤上的吸附/解吸行为，发现SMM在土壤中具有一定的移动性，对地下水和地表水存在一定的污染风险。
而在结合研究方面，Kurwadkar（2007）研究了磺胺二甲嘧啶（SMN）和磺胺噻唑（STZ）的吸附，结果显示pH值7.5 以上时，磺胺类抗生素主要以阴离子形式存在，有高水溶性，无阳离子特征，因此导致在土壤中的吸附。
2、 降解
而张从良（2007）则研究了6种磺胺类药物在砂土中的微生物降解，结果表明，6种磺胺类药物在砂土中的微生物降解均较慢，磺胺类药物在砂土中的降解主要是由水解和化学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较小，这主要与其较强的抑菌性有关。文春波（2007）同样针对磺胺嘧啶进行了室内模拟降解试验和动态土柱淋溶试验，研究表明磺胺嘧啶在土壤中的降解能力很弱。
而牛建平（2009）的研究则认为磺胺二甲嘧啶在土壤中的降解主要是光降解和化学降解，微生物降解只占很小的比例，土壤含水量的增加明显加快了磺胺二甲嘧啶残留的降解速率，可以通过提高土壤含水量等方法加速磺胺二甲嘧啶的降解，以降低其对环境土壤和水体的污染风险。而Accinelli（2007）则研究了磺胺二甲嘧啶（SMZ）和磺胺氯哒嗪（SCP）在土壤中的降解及对土壤微生物的潜在影响，研究发现磺胺类抗生素在粉砂壤土中的降解速率比在砂土中快，在两种土壤中SMZ和SPC 的平均半衰期分别为为18.6 天和21.3 天。
3、 迁移转化 近年来，国内外的学者不止关注磺胺类抗生素整体在环境中的转归，还针对特定的一种或者两种磺胺类抗生素进行更深入的研究。例如，Wehrhan（2007）以磺胺嘧啶作为研究对象，发现其在土壤中的迁移性能取决于峰值浓度和停留时间。尤其值得指出的是，磺胺二甲嘧啶作为饲料的添加剂广泛应用于畜禽球虫病等的防治，是动物性食品中主要的残留药物，因此不少学者都针对它或是结合其他磺胺类抗生素来开展研究，例如，王冉（2007）通过室内培养和土壤薄层层析等实验方法，研究发现磺胺二甲嘧啶容易在土壤中迁移和渗漏，迁移系数大于0.7，迁移和渗漏速度受介质pH的影响，在非中性环境下，移动和渗漏能力增强。
三、磺胺类抗生素的生态毒理
抗生素在环境中的生态毒理可以归纳为这几方面：对土壤生物的影响；对水生生物的影响；对昆虫的影响；在环境中的转归（陈杖榴，2001）。磺胺类抗生素残留在环境中，很难
自转化和降解，经生物和非生物作用逐渐累积达到一定浓度，不仅会改变土壤的正常结构和功能，促进耐药菌株的进化，影响动植物的生长发育，而且可通过食物链影响人体健康。
1、磺胺类抗生素对土壤生物的影响
国内不少学者采用在室内实验方法测试，例如，刁晓平（2005）采用室内培养方法研究得出磺胺二甲基嘧啶对不同土壤中真菌生长的影响表现出差异性，磺胺二甲基嘧啶对土壤中细菌的生长均有一定的抑制作用，并随浓度的降低而出现下降的趋势，且表现出明显的时间差异。金彩霞（2010）采用同样的方法研究磺胺间甲氧嘧啶对黄潮土土壤微生物呼吸及土壤酶活性的影响，发现磺胺间甲氧嘧啶可显著影响土壤呼吸强度，药物对土壤酶活性的影响小于其对土壤呼吸强度的影响。刘锋（2009）则通过室内直接吸收法测定磺胺类抗生素对水稻土土壤微生物呼吸的影响，结果表明，磺胺甲嘧啶和磺胺甲唑对土壤呼吸的最大抑制率分别为34.33%和34.43%，以磺胺甲唑和甲氧苄啶对土壤呼吸影响最大，同一种抗生素随着浓度的增加对土壤呼吸的影响不同。
国外学者倾向于使用其他测试方法进行实验，例如，Liu（2009）采用滤纸上种子萌发测试、土壤中植物生长测试、土壤呼吸测试和磷酸酶活性测试方法，研究发现水稻对磺胺甲恶唑最为敏感，磺胺甲恶唑和磺胺二甲嘧啶明显影响了土壤的呼吸。而Schmitt（2005）则采用Biolog方法研究磺胺氯哒嗪对土壤微生物群落的抗性诱导效应，分析发现磺胺氯哒嗪在土壤中的存在明显造成微生物群落抗性增长。还有，Heuer（2007）利用PCR方法在土壤微生物群落中检测抗磺胺药物的基因sul1、sul2和sul3，结果发现土壤微生物群落中存有大量的sul1基因，却没有检测到sul3基因。另外，英国学者Byrne-Bailey（2009）研究发现，在英国施粪肥的农业土壤中普遍存在抗磺胺类药物的三种基因sul1、sul2 和sul3。
2、磺胺类抗生素对水生生物的影响
由抗生素污染引起的水生生物毒性效应的研究目前大多以短期急性毒性试验为主，以生长、死亡和繁殖等作为主要指示指标，而对低剂量、长期污染暴露下抗生素对水生生物体内生理、生化以及分子水平等敏感指标的研究还相对较少。
H.Sanderson（2004）对226种抗生素的生态危害性进行了研究，结果表明：20%的抗生素对藻类非常毒，16%的抗生素对大型溞极毒（EC50<0.1 mg/L），44%为非常毒（EC50<1 mg/L）；几乎1/3的抗生素对鱼类非常毒，而超过1/2的抗生素对鱼类有毒（EC50<10 mg/L）。 抗生素可通过食物链传递。早在2000年，Wollenberger就发现抗生素对微生物和藻类产生毒性效应的浓度与高营养级生物相比要低2~3个数量级。曲甍甍（2004）的研究也表明长期的低浓度抗生素的存在极有可能会对水体中的微生物群落产生影响，并通过食物链的传递作用影响高级生物，破坏生态系统平衡。
3、磺胺类抗生素对植物的影响
植物对兽药的吸收及兽药对植物的影响依兽药、植物和土壤类型不同而有很大差异（Patten etal.，1980; Migliore et al.，1995）。目前有关植物吸收兽药机理方面的研究还非常少，与大多数研究较清楚的污染物相似，低浓度兽药可促进植物生长，高浓度则抑制植物生长，但在不同土壤或生长基质上，兽药对不同植物的影响差异非常大。
Boxall 等（2006）研究发现，土培条件下1mg·kg-1，磺胺嘧啶对这胡萝卜和莴苣两种蔬菜生长没有影响。Migliore等（1998）研究表明，土培和培养基条件下300mg·kg的磺胺间二甲氧嘧啶（Sulphadimethoxine）均显著抑制大麦和玉米生长，她们认为兽药对植物的毒性是植物体内该污染物与叶酸相互竞争的结果，叶酸与嘌呤合成有关，而嘌呤是细胞分裂素和脱落酸的前体，因此植物吸收兽药而降低了对叶酸的吸收从而影响了其正常的生理功能。
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4、磺胺类抗生素对昆虫的影响
国内外学者对此方面的实验研究比较少。其中较具有参考价值的是，张蘩（2010）的研究指出，磺胺类抗生素作为防蜜蜂疾病的药物进入蜜蜂体内后，可残留在蜂蜜中，人们食用
蜂蜜后会造成抗生素在体内蓄积。.
五、研究现状和今后研究的重点
目前对于磺胺类抗生素的研究虽然颇为丰富，当仍然欠缺在某些难处理的方面的研究。 1、缺乏微生物和自然光对抗生素降解的机理方面的研究。
2、缺乏土壤-植物系统内抗生素微生态效应，尤其是农田土壤-农作物系统内，抗生素对微生物生长、微生物群落结构多样性的影响及其机理方面的研究。采用分子生物学的手段与方法研究抗生素对微生物群落结构多样性的影响将有助于从分子水平上揭示抗生素的土壤微生态效应。
3、缺乏土壤性质、微生物活性和环境因素等对抗生素在土壤中迁移的影响及其机理方面的研究。
笔者根据现有的研究成果，结合自身了解的总结，认为今后应从以下三方面作为磺胺类抗生素的环境残留及生态毒理的研究重点： 第一，采用现代分子生物学方法和技术，研究抗生素及其代谢产物与环境生物细胞内大分子物质，包括蛋白质、核酸、酶类的相互作用，探讨其作用机理，从而揭示污染物对环境生物的早期影响，为防止兽药对环境的危害提供依据；第二，更多地了解药物的生理生化特性和在环境中的降解和代谢规律，研究和开发更多的评估药物的生态毒理学测试方法，以便对药物的环境风险作出更为准确的评价；第三，拓宽视野，在药物代谢、药物母体和代谢产物与环境相互作用，药物生物降解中腐殖酸的作用等方面给予更多的关注。
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