四環素類抗生素在土壤環境中的殘留及環境行為研究進展

肖磊，王海芳

(1.中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原 030051)

四環素類抗生素是由放線菌產生的一類廣譜抗生素，主要包括天然類(四環素、金霉素、土霉素)及半合成衍生物(美他環素、強力霉素、米諾霉素)[1]。其作為最常見的新型環境有機污染物而備受關注，其在土壤環境中的殘留及環境行為(吸附-解吸、降解、遷移)受到各行業人士廣泛的關注與研究。本文從四環素類抗生素的結構入手，在總結前人研究的基礎上，論述了四環素類抗生素在土壤中的殘留并總結了其在土壤環境中的吸附-解吸、降解、遷移等行為，可為今后四環素類抗生素在土壤中的環境行為研究提供依據，以期為合理使用抗生素起到一定的指導作用。

1 四環素類抗生素簡介

四環素類抗生素(TCs)是具有氫化駢四苯環結構的廣譜抗生素，于上世紀中期發現，因其價格低廉、抑菌效果顯著在各發展中國家很受歡迎。我國每年大約生產21萬t抗生素，其中大部分被用于畜牧養殖方面，其中四環素類抗生素是生產和使用比例均較大的一類[2]。盡管這類抗生素的母核相同，但每一種都具有不同的取代基以及酸度系數。常用四環素類抗生素的具體結構式與分子式見表1、圖1。

圖1 TCs的基本結構Fig.1 The basic structure of TCs

2 四環素類抗生素的殘留狀況

隨著抗生素不斷進入土壤環境中，抗生素在土壤中不斷累積。雖然有些抗生素的半衰期很短、降解速率快使其在土壤環境中的殘留時間較短，然而有抗生素不斷的被輸入到土壤系統，而且很多抗生素尤其是四環素類抗生素吸附系數較高(Kd值為4.2×104～1.03×105mg/kg)會長時間滯留在土壤環境中，目前已有不少文獻報道在農用地、養殖場的糞肥中檢測到了四環素類抗生素。

2.1 農用地的殘留狀況

已有研究表明，中國農業土壤中土霉素的含量及范圍介于0～8 400 μg/kg，金霉素的含量及范圍介于0～5 520 μg/kg，四環素的檢出率及含量范圍介于0～2 450 μg/kg[5]。從這些數據來看，我國農業土壤中四環素類抗生素污染相對于國外較嚴重。朱秀輝等[6]采集了廣州市北郊20個蔬菜基地的30個土壤樣品進行分析，結果表明，廣州市北郊蔬菜基地土壤四環素含量范圍為0～30.37 μg/kg，土霉素含量范圍為0～903.13 μg/kg，金霉素含量范圍為0～103.02 μg/kg。尹春艷等[7]在山東省典型設施菜地，采集了20個蔬菜大棚土樣，并利用超聲波提取-固相萃取-高效液相色譜-串聯質譜的方法進行了分析，結果表明，四環素類抗生素殘留嚴重，其中，TC、OTC、CTC的檢出率均為100%，其含量分別在2.11～139.16，6.06～332.02，1.82～391.31 μg/kg。邰義萍[8]考察了我國珠三角地區蔬菜基地的抗生素殘留情況，結果表明，不同地區蔬菜基地四環素類抗生素檢出率與殘留量相對較高，廣州市土壤中檢出率超過62%，平均含量為12.64 μg/kg，東莞市土壤中檢出率超過92%，平均含量為20.85 μg/kg，佛山市土壤中檢出率相對較低，平均含量為7.35 μg/kg。由此可見，殘留在我國農業土壤中的四環素類抗生素能夠被普遍檢出，獸藥國際協調委員會(VICH)籌劃指導委員會指出，土壤中抗生素的殘留量達到100 μg/kg就會有產生生態毒害的風險，有部分樣點土壤四環素類抗生素的含量超出了這個值，具有一定的生態風險，應當引起重視。

2.2 糞肥中的殘留狀況

牧業是拉動經濟發展的一個重要組成部分，畜禽養殖是我國的重要產業，然而抗生素類藥物成為養殖場大量動物的必需品。而且養殖場周邊的糞便產出量巨大，這些糞便不經過綜合處理直接施加到周邊的土壤中，造成土壤中抗生素的污染。王良等[9]在洱海流域不同類型的養殖場采集了11個飼料樣品、10個糞便樣品、21個土壤樣品，經檢測分析發現，飼料中四環素、土霉素、金霉素的檢出率分別為100%，100%，50%，糞樣中土霉素檢出率為100%，四環素檢出率為80%，金霉素檢出率為90%，土壤抗生素殘留較低，金霉素的檢出率為66.6%，四環素、土霉素均未檢出。夏天嬌等[10]利用高效液相色譜法分析了處于北京郊區的6個規?；B豬場中的糞便樣品，結果顯示采集的糞便樣品中均有四環類抗生素的檢出。An等[11]調查了我國東北地區最大城市沈陽市的養殖場糞便、土壤中的抗生素污染狀況，結果表明，糞便中金霉素的最高濃度高達143.97 mg/kg。

2.3 四環素類抗生素的土壤生態毒性

如2.1節與2.2節所介紹，如此高濃度的抗生素殘留在土壤環境中必然會對土壤中微生物、動植物產生不同程度的潛在的生態毒性效應。

2.3.1 對土壤微生物的毒性 有研究表明，殘留的抗生素不僅會對微生物的生存方式、微生物群落功能產生影響，同時也會降低特殊菌群微生物能夠固定和降解土壤污染物的能力。土壤磷酸酶和土壤脫氫酶是表征土壤中微生物活性的重要指標。有實驗證明[12],當土壤磷酸酶和土壤脫氫酶的活力在四環素的質量分數≥1 mg/kg時就會被明顯抑制。

2.3.2 對土壤動物的毒性 目前關于殘留于土壤中的抗生素對土壤動物結構體產生影響的報道較少。但有研究表明，土壤動物受到抗生素的影響不明顯。Baguer A J等[13]研究發現，在土壤中添加 5 g/kg 的泰樂菌素和OTC混合液，對土壤中生物的生命活動未產生明顯危害。

2.3.3 對土壤植物的毒性 有部分植物會吸收累積殘留于土壤環境中的抗生素，進入植物體內的抗生素會影響植物的生長發育。鮑艷宇等[14]探討了殘留在褐土中的四環素和土霉素對小麥種子發芽、根伸長和芽伸長的影響，結果表明，TCs濃度與小麥的根(芽)伸長抑制率之間明顯存在一種劑量-效應關系。同時，也有研究表明[15]，TCs對小白菜根(莖)的伸長也存在著相似的現象。

3 土壤中四環素類抗生素的環境行為

抗生素一旦進入土壤環境中，會參與一系列的物理化學和生物反應，并發生遷移轉化過程，其在土壤中的環境行為有3種方式，分別為吸附、降解和遷移。

3.1 吸附及其影響因素

抗生素在土壤中的吸附行為是一種重要的環境行為之一，四環素類抗生素在土壤中的吸附行為是其與土壤環境相互作用的重要體現，是研究抗生素在土壤中降解與遷移的重要前提。四環素類抗生素在土壤中的吸附有物理與化學吸附之分。吸附自由能(ΔG)是判別物理與化學吸附的重要指標，當ΔG<40 kJ/mol時，屬于物理吸附，當ΔG>40 kJ/mol時，屬于化學吸附[16]。吸附使四環素類抗生素在土壤環境中得以存留。吸附能力的大小是其在土壤中殘留時間長久的決定性因素，決定其在土壤中的去向。土壤對抗生素的吸附能力大小通常以Kd(土壤中吸附的抗生素的量與達到吸附平衡后污染物量的比值)來表示，Kd值越大，表明吸附容量越多，吸附能力越大。目前，已經開展了很多關于TCs在土壤中的吸附行為的研究。

四環素類抗生素帶有極性的離子型有機物，加之土壤是一個極復雜的系統，因此TCs在土壤中的吸附機制各不相同。大量研究表明[17-19]，吸附機理主要是離子交換吸附，當然還有分子間作用力(范德華力、色散力、誘導力、氫鍵)吸附，點位吸附以及其他作用吸附機制包括疏水分配、陽離子鍵橋、表面配位螯合等。TCs在土壤中的吸附行為主要受到以下幾方面影響：①抗生素自身性質；②土壤本身的性質(土壤類型、土壤pH、土壤有機質強弱、陽離子類型與強度、粒徑大小)；③外界環境因素(溫度、濕度、水分等)。

3.1.1 抗生素自身性質的影響 已有研究表明，四環素類抗生素在土壤中的吸附能力強于其他幾類(磺胺類、喹諾酮類和大環內酯類等)，這主要取決于四環素類抗生素分子中具有比其他幾類較多的極性官能團，諸如 —NH(CH3)2、—OH和 —CONH等，這些官能團可以通過各種作用機制使TCs被強烈吸附于土壤環境中。李鑫等[20]選取土霉素與金霉素兩種典型的TCS研究其在褐土與黑土中的吸附行為，結果表明，在同一種土壤中，土霉素的吸附能力要強于金霉素，究其原因可能是金霉素有一個R基是 —CL與土霉素 —H不同，—H更容易被質子化而強烈的吸附于土壤中。以上研究說明，同屬于同一類抗生素在土壤中的吸附強度不盡相同，這主要是由它們自身的結構性質不同決定的。

3.1.2 土壤性質的影響 土壤是一個由礦物質、有機質、微生物以及其他成分形成的統一體。由于風化時間長短不一樣，各地區土壤的性質也不盡相同。即使是同一地區的土壤，各剖面土層的理化性質也不一樣。土壤對TCs的吸附會受到各種因素的影響。

(1)土壤類型。楊軼博[21]研究發現，金霉素在吉林省黑鈣土、蘇打鹽堿土、草甸黑土、暗棕壤土、白漿土的吸附分為快速吸附與慢速平衡過程，快速吸附期間金霉素在5種土壤中的吸附量均達到95%以上，且吸附量大小為：草甸黑土>白漿土>暗棕壤土>蘇打鹽堿土>黑鈣土。王東升等[22]進行了對比研究，結果表明，四環素與土霉素在3種土壤中的吸附平衡量大小為：壤土>黏土>砂土。且在各土壤中土霉素的吸附量>四環素的吸附量。WANG Y J[23]研究了四環素在巫山土與紅壤土中的吸附行為，結果表明，四環素的吸附強度大小為：巫山土>紅壤土。添加磷會降低其在土壤中的吸附。

(2)土壤pH。土壤pH是土壤酸堿度最直接的體現，不僅對土壤礦物表面電荷性質有影響[24]，而且也有相關報道證明pH對抗生素的形態也有影響。大多數研究都表明，隨著pH的升高，土壤對TCS的吸附量變小。李鑫等[25]研究了土霉素在不同質地土壤中的遷移行為，pH對土霉素吸附過程的影響是雙向的，pH<7時，pH促進土霉素的吸附，當pH>7時，pH抑制土霉素的吸附，在pH=7時，吸附量達到最大。劉玉芳[26]研究了土霉素(OTC)、四環素(TC)、金霉素(CTC)3種抗生素在稻田土中的遷移轉化行為，也得到了pH雙向影響吸附過程的類似結果，不過在此研究中，pH為7時TCS的吸附量最大，隨后隨著pH的增大，吸附量逐漸變小。有研究[27]發現，當pH從4增加到8的過程中，土壤對TCS的吸附量逐漸減弱。分析其原因，可能是pH越偏堿性，TCS以陰離子形式存在，會與土壤表面的負電荷產生排斥作用，導致TCS的吸附量減弱，增加了其向下遷移甚至污染地下水的風險。而 KIM Y K[28]則發現，在酸性和高土壤有機質條件下，粘土礦物可高度吸附土霉素，Kd值隨著pH的降低而升高或許是土霉素在土壤中的形態發生了變化。

(3)土壤有機質與陽離子。土壤有機質的最重要組成部分就是腐殖質。其具有較大的表面積，且含有多種官能團可與多種物質相互作用，因而可大大影響土壤對有機污染物的吸附與解吸過程[29]。趙寧波等[30]分別測定了黑土、黃土、高嶺土H/C的比例，證明黑土中腐殖質含量較高，有利于其對黑土的吸附，同時他還利用過氧化氫去除黑土中的有機質與原土對四環素的吸附進行了對比研究，結果顯示，有機物去除后，黑土對四環素的吸附量降低了13.1%，說明土壤中有機質的存在有利于土壤吸附四環素。然而，也有研究表明[31]，腐殖質會減弱土壤對土霉素的吸附強度。ALdrich商業化腐殖酸會屏蔽土霉素的部分吸附點位，因而減少了土壤對土霉素的吸附量。土壤中存在著各種各樣的離子，離子類型與離子強度也會對TCs的吸附產生不同程度的影響。陳薇薇等[32]研究了共存Cu2+下土霉素(OTC)在東北地區典型黑土上的吸附熱力學，Cu2+的存在能夠促進黑土對OTC的吸附,且隨著Cu2+濃度的增加，促進作用越發明顯。文獻[21]也探討了K+、Ca2+、Al3+3種陽離子對CTC在5種典型土壤中吸附特性的影響，在5種土壤中的總體趨勢是隨著陽離子價態的不斷升高，CTC的吸附量逐漸減少。吸附容量的大小順序為K+>Ca2+>Al3+。王東升等[33]卻發現在草甸土中，Ca2+濃度越大，土霉素在土壤中的吸附量越小，同時也證明，不同陽離子(Na+、K+、Mg2+)對土霉素在土壤中的吸附量幾乎沒有影響。

(4)土壤粒徑。實驗室模擬抗生素在土壤中的遷移轉化行為時，研磨度以及粉碎粒徑的大小不盡相同，對TCs在土壤中的吸附行為會產生影響。QI R H[34]研究了不同粒徑對土霉素在潮土和紫色土的吸附行為，在2種土壤中的吸附量均隨著粒徑的減小而增大。李兆君等[35]研究了土霉素在不同粒度的2種土壤上的吸附行為，也得到了粒徑越小，吸附量越大的結論。

3.1.3 外界環境條件的影響 目前大多數文獻都研究了溫度對TCS在土壤中吸附行為的影響。段軍波等[36]探究了環境溫度對土霉素(OTC)、四環素(TC)、金霉素(CTC)和強力霉素(DXC)在土壤中吸附行為的影響。實驗證明，當溫度從37 ℃下調到 8 ℃ 時，減弱了TCS在土壤中的吸附量。然而楊軼博[31]的研究卻發現，溫度從30 ℃降低到10 ℃時，土壤對金霉素的吸附會有所增加。

3.2 降解及其影響因素

抗生素的降解是區別于吸附的又一重要環境行為，抗生素在土壤中的降解速度決定著此類有機物在土壤環境中存留時間的長短，常用半衰期來表征降解的快慢。半衰期越短的抗生素，其產生的生態與健康風險越小。同吸附過程一樣會受到諸多因素的影響，包括自身的化學性質、光照強弱、土壤質地、pH、溫度等。研究抗生素的降解行為，對被抗生素污染的土壤進行修復有一定的指導意義。降解分為生物降解與非生物降解(水降解和光降解)。

(1)水降解。水降解是TCs進入到土壤間隙水中，進而發生水解，是TCs在土壤中的一個重要的非生物降解機制。目前的研究大多數集中在pH和溫度對水解的影響方面。Loftin K A等[37]對土霉素、金霉素和四環素在土壤中的降解速率進行研究，結果表明，不同pH與不同溫度對TCs的水解速率影響顯著。

(2)光降解。光降解是土壤表層中抗生素的主要降解方式。光降解的機理主要是分子吸收光能，是分子變為活躍的激發態進而發生各種反應。光降解最主要是受到光照強度的影響。當然pH、頻率的快慢也會影響到降解速率。宋晨怡等[38]通過實驗研究了四環素在不同pH、TiO2投加量對光降解的行為，結果表明，四環素的降解途徑主要是光降解且隨著pH值從酸性到弱堿性的不斷變化，四環素降解速率也不斷上升。

(3)生物降解。由于TCs吸附較強，容易累積在土壤中，光降解成為其主要降解途徑，然而在深層土壤中，生物降解發揮著不可替代的作用。張健等[39]為了探究豬糞中四環素、土霉素、金霉素在土壤中的降解途徑，設置了滅菌避光與未滅菌避光處理，培養50 d時，未滅菌避光處理的降解量是滅菌避光處理的6倍之多。冷一菲[40]從長期被四環素污染的土壤中分離出一種DT1高效降解菌種，對四環素的降解率可達70%。WU等[41]通過實驗研究了堆肥過程中的降解行為，OTC、TC、CTC的降解率隨著微生物活性的升高而升高。吳學玲等[42]從養殖廠底泥中分離篩選出一株名為XY-1的細菌，可高效降解四環素，降解率高達70.68%。

3.3 淋溶及其影響因素

抗生素在土壤中會經過各種途徑發生橫向與縱向遷移。經過雨水的淋溶、滲濾等作用沿著土壤剖面的垂直方向法傷遷移進而進入地下水，經過地表徑流會遷入到地表水，引發水環境的污染。目前大多數研究都集中在垂向遷移行為，而關于橫向遷移行為鮮有報道。四環素類抗生素在土壤中的淋溶行為與吸附和解吸以及降解等行為均有密切的關系。吸附能力越強，解吸能力越弱，降解速率越慢，就不易發生向下運動。解吸能力越強的抗生素，抗生素會隨著土壤間隙水向下遷移，會不斷滲入地下水進而導致地下水的污染。針對目前地下水經常被檢出抗生素含量超標的現象，已開展了多種抗生素在土壤中的淋溶行為的模擬研究。模擬淋溶的方法主要是土柱淋溶法，這是最接近于實際田間情況的一種室內模擬方法。大量實踐證明，淋溶與吸附有很大的正相關性。同其他幾種行為相似，淋溶也會受到土壤理化性質、淋溶參數、降解速率等的影響。

(1)土壤性質。一般來說，土壤中有機質含量越多，粒徑越大，黏粒越少，向下遷移的能力越強。李鑫[25]研究了遼西地區不同質地土壤對TCs在土壤中向下遷移的影響，砂土中有機質含量最少，吸附能力弱，TCs表現出良好的遷移能力。李曼[43]探討了不同土層土壤中四環素類抗生素的垂向遷移規律，結果表明，在表層土壤(0～20 cm)TCs的殘留量最多。也有研究表明[26]TCs在有機質含量最少的赤紅壤的遷移深度最大，在黑鈣土中的遷移深度最小。De-Chun HE等[44]通過田間實驗發現，TCs在黏粒較少的砂土中的向下遷移性較強，在滲濾水中均檢測到不同濃度的TCs。

(2)淋溶參數。淋溶參數的不同對抗生素在土柱中的淋溶行為的影響也不盡相同，影響程度的大小也不同。趙玲等[45]探討了淋溶體積、淋溶液pH值對土霉素在土壤中的垂直遷移行為的影響，結果表明，土霉素隨著淋溶體積的增加，pH的減小向下遷移的深度不斷增加。李鑫[25]設置了淋洗速率、淋溶時間以及抗生素初始濃度對TCs在土柱中遷移規律的影響，實驗發現，淋溶時間越長，TCs在土壤淋出液體中的濃度越大；抗生素初始濃度越大，淋溶流速越快，TCs在淋出液體的含量越大。也有研究表明[46]，TCs在酸性淋濾液的向下遷移的能力均強于中性和堿性環境；淋濾時間越長，滲濾液中TCs的濃度越高。Holly A S等[47]研究了金霉素在不同淋溶液體積中的遷移，結果表明，滲濾液中金霉素的濃度與淋溶液體積呈正相關性。

(3)其他。外部天氣條件(不同溫度、降雨量等)、土壤中其他離子、微生物降解等對抗生素的淋溶行為均有影響。張旭[46]在進行TCs的土壤淋溶實驗時，也探討了除菌與不除菌對TCs在土柱中遷移的影響，實驗發現，經除菌操作后的土柱中檢測到的抗生素濃度低于不除菌操作的土柱，主要是土壤中微生物的降解作用減弱了抗生素向下遷移的能力。Hwang S Y[48]研究了土霉素在土壤中的分布和遷移率，結果表明，土霉素可被土壤中的二價陽離子強烈吸收，遷移率較低。Blackwell P A[49]考察了典型灌溉與極端灌溉條件下抗生素的淋溶行為，典型灌溉條件滲濾液中普遍可以檢測到磺胺氯吡啶與土霉素，極端灌溉條件對淋溶行為沒有太大的影響，這可以用土霉素在土壤中具較高的吸附系數與持久性來解釋。然而孫春曉[50]通過土柱淋溶實驗發現，土霉素在土壤中的遷移能力隨著Zn2+添加濃度的增加而增大，隨著老化溫度的降低，遷移能力減弱。

4 結論與展望

抗生素作為一種新型的有機污染物，已經引起了社會各界的廣泛關注。由于土壤環境的復雜，抗生素種類的多樣與結構的差異，加大了抗生素在土壤環境中各種行為機理與過程研究的難度。為了更加明確抗生素在土壤中的環境行為，在今后的研究中應開展以下幾方面研究：

(1)抗生素在土壤環境中會發生各種遷移轉化以及降解行為，目前的研究中缺乏對各類抗生素降解產物的吸附、降解以及遷移行為的研究，今后應開展抗生素降解產物的環境行為研究工作。

(2)目前的研究多集中于理想的室內研究，缺乏現實的田間實驗。在現實中，抗生素的污染情況更加嚴重。有必要多開展在實際環境中的遷移途徑與機理研究。

(3)由于土壤是一個極其復雜的系統，在土壤環境中極有可能存在多重污染的情況，在今后的研究中，應該多開展一些復合污染(TCs與其它有機物或者重金屬復合污染)的工作。

(4)已有研究報道，抗生素會被植物吸收進入到植物的根系與葉片當中?？股貢浻芍参锖褪澄镦湺{到人類的健康，因而有必要對四環素類抗生素在土壤和植物之間及其在食物鏈中的遷移轉化過程與機理進行大量的研究，為減緩抗生素污染、維護土壤安全和人體健康提供理論基礎。

(5)關于抗生素在土壤、水體、畜禽糞便中的殘留已有大量報道，針對各國抗生素的殘留問題，應當盡快建立并不斷完善抗生素在環境中造成的生態風險及人類健康的評估體系，并利用各種系統的評價方法來評價抗生素在土壤-地下水的遷移性能，降低抗生素帶來的環境風險。