抗生素(antibiotics)是由微生物(包括细菌、真菌、放线菌属)或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类次级代谢产物，能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。一些APIs(活性医药原料药)及其代谢物在废水处理系统中没有被完全清除，可长期存在于饮用水系统中，人体因饮水或者食用水生生物(如：鱼的药物残留)而在体内蓄积^[1]。目前，世界上的抗生素滥用严重，不仅在医疗行业，在农业和养殖业中抗生素滥用情况也不容乐观。人们还在动物饲料中添加大量的抗生素用于提高牲畜类的免疫力，牲畜类食用后，药物大多数会以原型或氧化合成其他产物并通过牲畜的排泄器官排除出，如果这些排泄物处理不当，抗生素就有可能进入生态环境，成为水中的污染物。美国地质勘探局(USGS)在最近勘察的一些地表水报告中提到了环境中追踪级别的APIs对人类健康存在潜在的影响，并评估了几种地表水和饮用水中APIs对人类健康的影响，发现并没有很大的影响^[2]。不过近年来，我国各大江河下游都检测出含有少量的抗生素，虽然残留的抗生素含量不高，但大部分抗生素具有生物放大作用，即使小剂量的抗生素在水环境中残留，也会经过食物链的层层放大作用，对水生动物产生一定的危害，经过层层的蓄积，达到食物链的最高级，危害人类身体健康。

1 抗生素的来源及使用现状

抗生素是由部分微生物或某些动植物生产活动中所产生的代谢产物，对各种或特定病原微生物具有强力的抑制或杀灭作用，是一种天然或者半人工合成的化合物，目前的抗生素分类可以划分为十大类。从整个中国地表水的水体环境的受污染情况来看，抗生素被检测到含量最高的是氟喹诺酮类和磺胺类抗生素^[3]。据统计，我国每年抗生素生产量约为21万吨，其中48%用于畜禽养殖业，42%用于医药行业^[4]。国内抗生素的大量使用，导致水环境抗生素污染日益严重，生态环境日益受到破坏，已经危害到了人们的身体健康。在养殖业中，抗生素的使用存在严重的问题，主要为盲目、随意用药，长期、过量使用抗生素，甚至使用国家有法律明令禁止的抗生素，而其中90%作为饲料添加剂来使用的抗生素，其作用只是为了提高饲料转化率，由此可以看出，我国抗生素滥用情况已经非常严重，而美国兽用抗生素年使用量仅约1.6万吨^[5-6]。

近年来，国内外均有报道水环境受抗生素污染的事件，并已被证实报道的存在于水环境中的抗生素高达30种，甚至在饮用水中都有被检测出含有抗生素。当前，水环境中的抗生素来源主要包括医疗行业、养殖业和制药工业污水的不当排放。

1.1 医用抗生素

医用抗生素是目前水环境中的主要污染来源之一。抗生素类药物进入人体的形式主要有口服和输液，被机体吸收后，少部分抗生素可以经过机体代谢反应生成无机化合物，未经过代谢反应的抗生素以原形或活性形式经人体粪尿以堆肥等形式进入土壤，经雨水冲刷进入水环境，或排放至污水处理系统。而我国的很多污水处理厂由于仪器设备、技术、人员配置等不够完善，不能完全去除医疗污水和生活污水等方面的抗生素类化合物，导致大量抗生素的残留。某些处理方式甚至对部分抗生素完全无效的，含有有效抗生素生物活性化合物的流出液直接被排放至地表水。Zuccato等^[7]在意大利污水处理厂排出水中发现部分残留抗生素，若以具有生物活性有效成分作为标准预算残留的抗生素，可预算出一年大约有1.8 t抗生素进入河道水环境。Chang等^[8]调查研究中国三峡库区医院废水、污水处理厂等水环境的抗生素残留量，评估了污水处理厂对某些抗生素的去除率，表明了泰乐菌素、四环素的几乎可完全去除，红霉素去除率达到20%以上，差向异构氯四环素去除率达到15%以上，而甲氧苄啶去除率仅在1%上下。徐维海^[9]等分析了香港、广州等3家污水处理厂出水含药情况，药物的平均含量水平均高于欧美的一些国家。

1.2 养殖业抗生素应用

目前有六十多种抗生素使用于养殖产业中，目的是用于增加饲料转化概率、预防牲畜发病、促进畜禽生长发育等，兽鱼药的长期大量使用，是抗生素在环境中的另一重要污染来源。

在畜禽养殖业中，抗生素使用情况比较严重，美国国家科学院学报曾报道在我国有营业来往的养猪场所出现了149个共同的抗生素抗性基因(ARG)，部分抗生素抗性基因的程度是未使用抗生素样本的192~28 000倍^[10]。抗生素类药物及动物粪尿中未被代谢的抗生素活性物质因为随意丢弃或处理方式不全面，以原型形式进入泥土后，可以随雨水和地表径流等形式进入地表水环境，同时也可以通过淋溶、渗滤等迁移途径进入水环境，污染水质，危害水环境中的生态系统，乃至危害人类健康。

水产养殖中投放抗生素，可作用于治疗鱼类、虾类等多种水生生物的疾病，如赤皮、体表溃疡、烂尾、烂鳃等，且经常会被过量添加于海产饲料中。渔场中使用的抗生素则有70%~80%最终会进入水环境^[11]。在水产养殖场中，未经过水产生物吸收及通过排泄物排泄到水环境中的抗生素，将会大量残留于水体，或沉降汇集于泥地，残留于水体药物被排放至地表径流，进而污染地表水、海洋等水环境。养殖场底部沉积物一般会用于施肥进入土壤，进而再以雨水冲刷等方式进入水环境。

1.3 制药厂废水中的抗生素

制药厂产生的废水中残留有大量难以降解的化学成分，有些工厂排出的污水中残留有大量的抗生素及其氧化合成产物。抗生素制成的工艺流程包括发酵、化学合成、萃取和成药四个阶段，工艺过程所产生的废水存在几种难以降解的具有生物毒性物质和浓度高的活性抗生素，这些生物毒性物质和高浓度的抗生素抑制废水生化处理中微生物的繁殖，导致废水中抗生素更难降解^[11]。如若制药厂不按标准处理，违规排放，则残留有抗生素活性成分的物质则会进入地表水等水环境中，严重污染生态环境。很多制药厂仍使用某些传统的污水处理方法，并不能完全降解废水中的全部抗生素，处理不完全的污水经排放后，就会污染水体环境^[12]。

2 水环境中大量残留的抗生素的影响 2.1 影响水中微生物菌群

较高浓度的抗生素具有抑制或杀死微生物的作用，水环境中抗生素的浓度一般比较低，尚未达到对微生物有强烈的杀灭作用，但如果长期暴露于低剂量的抗生素中，极可能对水体环境中的微生物菌群产生潜在影响，主要导致耐药菌株的产生，耐药菌株可通过基因突变的形式，将耐药基因传递给下一代或迁移转变到其他生物，在抗生素的自然选择之下，耐药菌株大量繁殖后，通过人体饮食等方式进入机体，导致人体常驻菌群获得耐药性。人体内的耐药性菌株可加速药物的降解作用，降低药物对病菌的抑制作用，减弱药物的效果。美国环保局国家研究实验室的研究表明，在环境中很少发现抗生素的浓度超过1 μg/L，且目前还从未见环境中存在大量微生物具有抗生素抗性的报道^[13]。

在经过处理厂处理后排出的污水中，可以查出具有抗单种或多种抗生素药物的细菌，如果污水处理不当，这些细菌很可能通过施肥、灌溉流入地表水，或经食物链等方式进入人体，危害人类健康。俞道进等^[14]研究表明，在我国温榆河地带，具有单种耐药性或者多重耐药性的大肠杆菌约为45%，其中耐药性细菌对四环素、磺胺与氨苄青霉素的耐药性最强。

2.2 对水生生物的影响

抗生素不仅对细菌具有毒理作用，同时也对环境中的其他非目标生物体产生潜在的毒理作用。抗生素对水生生物可能存在一定的急性毒性效应和慢性毒性效应^[11]。曾有研讨报告发现，红霉素、环丙沙星和磺胺甲恶唑这三种抗生素可以作用于抑制月牙藻对光的化合反应，其中红霉素对月牙藻的抑制作用比其余两种更强，而某些药物的氧化合成产物对某些目标生物体毒性强度比原型化合物的更强，如阿莫西林降解产物比阿莫西林本身对大型藻类更具有毒性作用^[15]。抗生素品种繁杂，而降解产物更为复杂，其母体及降解产物对水生生物的联合毒性作用的研究仍处于起步状态，更多的毒性作用还有待进一步研究。

2.3 对人类生活的影响

虽然残留在饮用水中的抗生素非常少量，但如果机体长时间暴露于低剂量抗生素中，会降低人体的免疫力，且耐药菌株的产生，会使大多数的抗生素失去药效。研究发现长时间食用含耐药性抗生素的蛋、肉等食品，机体内可检测出抗生素耐药性基因^[16-17]。同时，蔬菜、水稻等农产品长期施用含有抗生素的粪肥或水源，以及畜禽、水产等生物长时间摄入抗生素，以致其食物成品中存在有抗生素，抗生素通过食物链逐渐富集，处于食物链最高等级的人类富集程度最多，可引起人群过敏反应，部分药物可引起人慢性中毒，甚至有致癌、致畸、致突变作用，干扰人体各系统生理功能^[18]。

同时耐药性的产生，使旧药逐渐失去作用，使得人体疾病不能得到较好的治愈，而新药的往往成本较高，这可使患者的治疗疾病成本增高。尤其是人及畜禽用相同种类的抗生素，耐药性则通过畜禽食物及水等环境传播到人类，会直接对人群健康构成威胁。

3 水环境中抗生素的迁移转化及常规处理方法 3.1 抗生素在水环境的迁移转化

抗生素类药物进入水环境之后，会经过吸附、化合、水解、光降解及生物降解等系列步骤。①吸附主要为底泥吸附，Yang等^[19]研究发现在西方国家的泥底中已经发现几种牲畜使用及人类使用的抗生素类药物存在，泥底中的抗生素浓度比水体中要高得多，这可能与底泥对抗生素的强吸附能力有关。在高度风化的土壤中，50%以上的总土壤可集中和吸附超过90%的FQs^[20]。俞道进等^[14]在研究中发现，土霉素进入水体后大部分堆积在底泥表面层中，14天后底泥表面抗生素浓度达到最高，并且表明有明显向下迁移现象。②水解主要指有机物在水环境中的一种重要降解途径，主要受水中某些离子、温度及pH的影响。俞道进等^[14]在研究中指出，青霉素类药物在水环境中易受核及亲电试剂攻击，引起分子重新排列，除了水体温度增高能使青霉素药物氧化分解和分子重新排列外，某些金属离子和氧化剂也能引起此种效应。③光解是指光能影响到水中抗生素活性的降解途径，影响太阳光的因素也对抗生素的光分解速率有一定影响。④生物降解作用主要是指抗生素类药物在微生物的新陈代谢的作用下，抗生素残留物的化学结构与质量发生改变，从而使其改变理化性质，即在某些细菌的作用下，抗生素类药物及其代谢产物从大分子化合物降解为小分子化合物，终产物为H₂O和CO₂，即实现了对环境污染物的无害化处理^[21]。在国内外研究曾报道，仅有少数抗生素即使在试验条件下也只能被某些微生物降解，大多数抗生素及其残留物仍会残留在水体环境中^[22]。表明抗生素在水环境中的自然迁移转化的过程，能降解的抗生素及其残留物只有小部分，大部分活性成分仍然存留于水环境中。

3.2 水环境中抗生素的常规处理方法

水中抗生素常规的处理方法主要有消毒、生物处理、砂滤法^[15]。消毒主要成分为亚氯酸根离子(ClO₂^-)，其可以去除部分磺胺类及大环内酯类抗生素，主要是这两类抗生素与其有较高反应活性，且处理效果及速率都比Cl₂好^[23]。但在通常的水处理方法条件下，上述的方法的抗生素处理效率并不高，要想提高去除率，需要对水体的酸碱度进行预处理调节，所以一般消毒多作为预处理工序，需配合其他方法使用。姚宏等^[24]发现，现有的臭氧处理工艺具有较好的去除抗生素的效果。Rooklidge等^[22]发现，对污水中氟奎诺酮类抗生素清除率为88%~91%，对磺胺类抗生素的清除率为67%~94%，对大环内酯类的清除率为45%左右，而对甲氧苄氨嘧啶的清除率仅为2%~32%，改进处理工艺过程可以提高活性污泥法处理抗生素的效果。两相厌氧污泥法是主要的厌氧生物处理法，其对污水中残留的磺胺甲恶英和罗红霉素的去除率可达到95%~100%^[15]。混合好氧、厌氧、物化法的方法可以解决好氧生物处理负荷低，而厌氧生物处理出水水质较差的这些问题，且提高整体去除率。彭先芝等^[23]研究分析了某污水厂对水体中磺胺类、氯霉素等27种药物的清除状况及具体方案，结论表明，经过沉淀池处理后的药物仅氯霉素有部分减量，经过先后厌氧、缺氧、好氧生物处理法后，磺胺类和氯霉素的清除率分别可达到87%和100%；最后经过加氯消毒，除磺胺类药微量存在外，高出97%上述抗生素得到有效除去。

砂滤介质上生成的生物膜可对抗生素进行部分滤过降解，Rooklidge等^[22]研讨结论表明, 多段砂滤对饮水中4种抗生素的处理成效，其中泰勒霉素和甲氧苄氨嘧啶的吸附常数较高，去药物率高达到99.9%；由于磺胺类和林肯霉素的吸附常数较低，去除率仅为4%和25%。可知，砂滤对水中抗生素的去除效果主要受吸附常数的影响，在实际生活中，可以通过改善氧量、多层次多阶段策划等工艺流程，有利于砂滤的处理效果，且砂滤的各项成本较其它工艺低，是农村及较贫穷地区的理想选择^[21]。

由此可知，虽有不少方法及工艺可去除水体中残留的大部分抗生素，但因其成本、技术层次较高，普及面不广，也仅部分污水处理厂可以达到这样的效果。

4 研究展望

综上所述，抗生素与农药、生产性毒物等有机物不一样，尽管它在水体环境中的浓度非常低，但其极大的威胁到生态和人体健康，存在着较大的生态危机。欧盟，美国和其他西方国家已经开始进行抗生素的环境风险评估研究。我国使用抗生素可能比欧盟和美国更为严重，但对抗生素具体的污染环境行为的研究还比较少，且缺乏针对水环境中微量抗生素的处理研究。因此，有必要研究特定生态毒理学风险评估，并尽快调查研究抗生素污染地的环境状况。应首先开展以下工作：①根据既往学者们绘制的我国抗生素污染分布地图，针对饮用水、食物等，评价各地人群抗生素暴露风险，寻求并制定控制抗生素来源的措施，降低抗生素污染来源。②我国水环境中微量抗生素对生态环境及人体健康的影响研究还很少，虽然根据美国地质勘探局的报告结果，水环境中残存的抗生素对人类健康是没有重大影响的，但仍应考虑进一步开展降解、处理及中间产物等研究，建立基准水平，尽快建立生态风险评估体系。③污水控制及抗生素含量排放标准体系的建立，加强监管，将医用、家畜等污水处理系统与城市生活污水分开处理。④开展有关抗生素的科普宣传，减少抗生素的滥用。