综述：印度海洋中药污染物无声威胁的探索：监测、生物影响及可持续减缓

《Chemosphere》：Exploring the silent threats of pharmaceutical contaminants in indian seas: Monitoring, biological impact, and sustainable mitigation

本综述系统探讨了环境持久性药物污染物（EPPPs）在印度海洋环境中的来源、归趋及生态毒理效应，重点分析了抗生素、NSAIDs等药物通过废水处理厂（WWTPs）排放对海洋生物内分泌、神经系统的干扰及抗生素耐药性（AMR）的扩散风险，并展望了基于微生物降解、纳米材料（如碳纳米管CNTs）和生物传感器的可持续治理策略。

　　

海洋中药污染物的无声威胁

引言

世界海洋覆盖地球70%以上的表面，不仅是气候和生物多样性的关键调节器，更是数十亿人食物、生计和生态系统服务的重要来源。然而，近几十年来，沿海和海洋生态系统日益受到多种污染物的威胁，其中药物废物已成为一种重要且隐蔽的污染物。水是生态系统的基本要素，保持其质量对于维持生命至关重要。工业排放、农业径流和生活污水将有毒污染物引入水生环境。持久性污染物，包括农药、重金属和药物，会恶化水质，并对水生生物多样性及人类健康构成严重风险。人口增长和生活水平的提高增加了水资源需求，而持续的化学排放则降低了水质。在众多污染物中，药物残留是构成严重环境和健康风险的新兴污染物。传统上在海洋监测计划中被忽视的药物污染物，由于其持久的生物活性、低降解性以及在痕量浓度下也能诱发生态和健康干扰的能力，现已被确认为一类新兴污染物。药物包括抗生素、镇痛药、抗抑郁药、抗癫痫药、激素和抗炎药，是设计用于在人和动物体内引发特定生理反应的生物活性化合物。在治疗使用后，这些物质的大部分会以代谢物形式排出，进入废水流，并最终进入河流、河口和沿海海洋环境。在大多数地区，现有的废水处理厂（WWTPs）没有足够的能力来完全去除这些复杂化合物，导致多种药物残留混合物被排放到水生生态系统中，并且常常与微塑料、重金属和农药等其他污染物共存。这些药物残留在水生环境中的持久性具有深远的影响。被归类为环境持久性药物污染物（EPPPs）的这些物质能够抵抗常规降解过程，并可能长时间保持活性，跨多个营养级破坏生物功能。例如，抗生素已被发现会诱导环境微生物群产生抗菌素耐药性（AMR），这一现象现已被视为全球公共卫生威胁。同样，激素和内分泌干扰化合物可能导致雄性鱼类雌性化，损害其繁殖能力，并破坏鱼类种群的稳定。其他药物化合物，如β-受体阻滞剂和抗抑郁药，会干扰海洋动物的行为模式，降低其躲避捕食者的能力，并改变复杂食物网中的生态相互作用。印度拥有超过7500公里的广阔海岸线，支持着多种多样的河口、红树林、珊瑚和海洋生态系统，特别容易受到此类污染的影响。快速的城市化、工业化、水产养殖业的扩张以及宽松的监管执法加剧了药物向海洋环境的释放。泰米尔纳德邦、喀拉拉邦和古吉拉特邦等沿海地区已报告在水、沉积物和生物样本中存在显著水平的药物残留，包括常用的环丙沙星、布洛芬、磺胺甲恶唑和双氯芬酸等药物。COVID-19大流行期间，药物的消费和处置激增，使废水处理基础设施不堪重负，并增加了受纳水体的污染物负荷，进一步加剧了这种情况。药物进入海洋环境的途径有多种：未经处理或部分处理的医院和市政污水的直接排放、使用过兽药和抗生素的农田径流、垃圾填埋场和不当处置药物的渗滤液，以及制药工业的废水。抗生素即使在痕量浓度下也保持生物活性，并且可以产生协同效应和累积效应，这强调了将其从废水中完全去除的迫切需求。在人口密度高且卫生基础设施不足的沿海地区，这些输入源共同形成了污染热点区域，其中药物浓度达到生态相关且可能有害的水平。此外，季节性变化，如季风降雨模式和旅游高峰期，进一步影响了药物的输入动态，影响了污染物浓度和水生生物的暴露风险。海洋生物，包括浮游生物、无脊椎动物、鱼类和顶级捕食者，通过直接吸收、摄入受污染的猎物或跨呼吸表面吸收而暴露于药物。液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和高分辨率质谱（HRMS）等分析技术的进步，使得能够检测水、沉积物和生物中痕量水平的药物。这些工具与生物分析方法相辅相成，包括生物标志物检测、体外毒性模型和体内动物试验，为药物残留的生物效应提供了宝贵的见解。从政策角度看，欧盟水框架指令和美国EPA的ToxCast计划等国际框架已开始将药物纳入环境监测计划。然而，在包括印度在内的许多发展中国家，在监管监督和管理海洋药物污染的制度能力方面仍然存在显著差距。国家计划仍然侧重于传统污染物，对新兴污染物的重视有限。此外，缺乏用于海洋环境中药物残留的样品采集、风险评估和允许阈值的标准化方案。解决海洋生态系统中的药物污染需要一个全面的、多管齐下的方法。首先，必须通过使用标准化的分析和生物分析方法对印度沿海区域的水、沉积物和生物进行大规模监测，建立关于药物出现和分布的基础数据。第二，应开发一个基于生态系统的风险评估框架，以纳入毒性阈值、暴露持续时间和物种敏感性，用于预测生态影响。第三，需要有针对性的策略来减少药物输入。这些包括用高级氧化技术升级废水处理厂、对制药行业强制执行排放标准，以及推广未使用药物的回收计划。可持续修复技术也起着至关重要的作用。利用海洋细菌和藻类进行生物修复，已显示出通过酶促和生物吸附机制降解多种药物化合物的潜力。在各种纳米吸附剂中，碳纳米管（CNTs）被广泛用于通过吸附进行高效水处理。类似地，纳米材料和生物炭基吸附剂提供了有效的药物残留去除能力，特别是在集成到医院和水产养殖场的分散式处理系统中时。使用生物传感器和数据驱动的污染指数进行实时监测可以进一步帮助减少环境负荷。最后，公众意识和利益相关者参与至关重要。必须教育社区、医疗保健专业人员和政策制定者了解药物废物的环境和健康影响，并鼓励他们采用安全的处置实践。在治理层面，环境、卫生和制药机构之间的协调对于制定基于证据的政策和实施污染控制措施至关重要。通过整合科学研究、技术创新、政策改革和社区参与，有可能建立一个有韧性和可持续的海洋药物污染管理框架，为子孙后代保护环境和公众健康。

方法学

本综述采用系统且科学严谨的方法，全面分析了海洋生态系统中药物污染物的出现、生物影响和可持续减缓策略，特别关注印度沿海水域。相关文献收集自主要科学数据库，包括ScienceDirect、Scopus、PubMed、Web of Science和Google Scholar，涵盖2000年至2025年间发表的研究。同行评议的研究文章、综述论文、书籍章节和政府报告均被纳入。搜索词包括“药物污染物”、“海洋环境”、“印度海岸”、“环境持久性药物污染物（EPPPs）”、“生态毒理学”、“抗生素耐药性（AMR）”、“生物修复”、“纳米材料”及其组合。对检索到的文献进行筛选，以评估其与印度海洋药物污染主题的相关性。数据提取侧重于污染源、检测方法、观察到的浓度、对海洋生物的影响以及提出的缓解技术。采用批判性分析方法来评估研究结果的质量、一致性和局限性。还分析了知识差距和未来研究方向，为综合讨论提供信息。

沿海环境中的药物污染

在过去的几十年里，水生生态系统，包括静水和流水淡水水体、河口区和海洋环境，受到人为活动和环境压力源的压力日益增大。这些提供营养循环、水净化和栖息地支持等关键服务的生态系统，存在于一个容易被破坏的微妙平衡之中。其中，从大陆架边缘延伸到深海平原的深海区域，虽然偏远，但也受到通过洋流和生物泵输送的污染物（包括药物残留）的影响。药物污染物通过多种途径进入沿海环境，主要是废水处理厂（WWTPs）的排放，这些处理厂通常无法完全去除药物化合物。其他来源包括农业径流（含有兽药）、水产养殖作业、制药工业排放以及不当的药物处置。一旦进入水生系统，这些物质可以持久存在、生物累积，并对水生生物产生不利影响，即使浓度很低。在沿海地区，潮汐作用、盐度梯度和沉积过程会影响药物的分布和归宿。对海洋生物的生态毒理学影响是多样的，包括内分泌干扰、行为改变、繁殖成功率和生长速率下降。此外，抗生素的存在促进了抗菌素耐药性（AMR）在环境细菌中的出现和传播，这对人类和动物健康构成严重威胁。

废水处理厂

废水处理厂（WWTPs）是药物污染物进入水环境和海洋环境的主要来源。这些设施通常缺乏完全去除药物化合物（如抗生素、激素、镇痛药和抗炎药）的能力。全球大量研究证实，多种药物在污水处理厂出水中持续存在，并随后被排放到河流、湖泊和沿海区域。例如，巴西的研究记录了污水处理厂出水中存在多种药物，强调了这一问题在全球范围内的普遍性。传统的污水处理过程，包括初级（物理）、二级（生物）和三级（化学）处理，主要是为去除有机物、营养物和悬浮固体而设计的，对许多极性、持久性和生物活性药物化合物的去除效率有限。因此，升级污水处理厂以整合高级处理技术，如高级氧化过程（AOPs）、膜过滤（如纳滤、反渗透）和吸附剂（如活性炭、生物炭），对于减少药物向环境中的排放至关重要。

印度海洋中药物的出现与检测

印度海洋环境中药物污染物的出现，由于城市化进程加快、水产养殖业扩张以及废水处理基础设施不足，已成为一个紧迫的环境问题。药物，包括抗生素、激素、抗炎药和工业化学品，通过废水排放、农业和水产养殖径流以及不当处置等多种途径进入沿海和海洋水域。一旦释放，这些污染物可以在水柱、沉积物和海洋生物体中持续存在，对生态系统和人类健康构成风险。在印度沿海地区，如泰米尔纳德邦、喀拉拉邦、古吉拉特邦和马哈拉施特拉邦，已检测到多种药物。常用药物如环丙沙星（一种氟喹诺酮类抗生素）、布洛芬（一种非甾体抗炎药）、双氯芬酸（另一种非甾体抗炎药）、磺胺甲恶唑（一种磺胺类抗生素）和卡马西平（一种抗癫痫药）在环境样本中均有报道。这些药物的浓度范围很广，从ng/L到μg/L不等，具体取决于地点、污染源和季节条件。例如，在靠近城市中心和工业区的地区，浓度通常较高。检测这些痕量污染物需要灵敏和选择性的分析技术。液相色谱与串联质谱联用（LC-MS/MS）是定性和定量分析药物残留最常用的方法。其他技术，如高效液相色谱与四极杆飞行时间质谱联用（UHPLC-QTOF-MS）和固相萃取与液相色谱-质谱联用（SPE-LC-MS/MS），也用于复杂环境基质中药物的非靶向筛查和确认。除了化学分析，生物测定，如酵母雌激素筛查（YES）试验和细菌毒性测试，被用来评估药物混合物的总雌激素活性或整体毒性。这些综合方法对于了解印度海洋环境中药物污染的程度和影响至关重要。

对海洋动植物的生态毒理影响

药物污染物日益被认为是海洋环境中的新兴污染物，对海洋动植物构成严重的生态毒理风险。这些物质通过市政废水、农业径流、水产养殖废水和不当处置进入海洋生态系统，通常具有生物活性、持久性和生物累积能力。对海洋植物的影响包括初级生产者，如浮游植物和大型藻类。暴露于抗生素会改变浮游植物群落的组成和多样性，可能破坏食物网的基础。激素活性化合物可以干扰藻类的生长和繁殖。对海洋动物的影响更为广泛。鱼类极易受到药物暴露的影响。内分泌干扰化合物（EDCs），如天然和合成雌激素，可以引起雄性鱼的卵黄蛋白原（一种通常由雌性产生的卵黄前体蛋白）的诱导，导致雌性化、生殖器畸形和繁殖力下降。行为改变也与某些药物有关；例如，抗抑郁药（如氟西汀）可以改变鱼类的觅食行为、社交互动和捕食者回避反应。无脊椎动物，如甲壳类和软体动物，也会受到影响，表现为生长减缓、繁殖受损和氧化应激。此外，药物可以通过食物网生物累积和生物放大，对顶级捕食者（包括人类食用的鱼类）构成风险。即使是低水平的慢性暴露也可能导致亚致死效应，随着时间的推移削弱种群，并降低生态系统的恢复力。

抗生素耐药性与微生物群落变化

海鲜中最广泛报道的药物风险是抗生素的存在以及相关的抗菌素耐药性（AMR）上升。食用含有低水平抗生素的海鲜会促进人体肠道微生物群中抗生素耐药性细菌的发展。这种现象使细菌感染的治疗复杂化，增加医疗成本，并导致更高的发病率和死亡率。即使环境中存在痕量水平的抗生素也会对细菌群落施加选择性压力，有利于耐药菌株的存活和增殖。在海洋环境中，废水排放是抗生素和耐药细菌进入的主要途径。水产养殖中预防性使用抗生素也显著促进了沿海水域的AMR。耐药基因（ARGs）可以在不同细菌物种之间通过水平基因转移（HGT）机制（如接合、转化和转导）传播，从而可能将环境耐药性与人类病原体联系起来。除了AMR，药物污染物还可以引起环境微生物群落的更广泛变化。抗生素可以改变细菌的丰度和多样性，可能破坏涉及营养循环（如氮、磷、碳）的关键生态过程。非抗生素药物也可能通过其特定的作用模式影响微生物。这些变化可能会降低微生物群落的稳定性和功能，影响整个生态系统的健康。

可持续减缓策略与技术干预

药物污染，特别是来自医院废水、水产养殖和废水处理设施的污染，对水生生态系统构成日益严重的威胁。传统的处理方法通常不足以去除持久性药物残留。在此背景下，利用海洋微生物和纳米技术创新的可持续生物修复方法提供了环境友好、成本效益高的替代方案。

生物修复方法

海洋微生物，包括细菌和微藻，已显示出降解或转化各种药物污染物的潜力。这些生物修复机制主要包括酶促降解和生物吸附。例如，某些海洋细菌菌株可以代谢布洛芬和双氯芬酸等化合物。

酶促分解

海洋细菌产生酶，如加氧酶、水解酶和过氧化物酶，催化药物化合物的降解。例如，假交替单胞菌（Pseudoalteromonas sp.）可以通过产生活性氧（ROS）然后进行酶处理来代谢布洛芬。

群落中的代谢合作

在微生物群落中，降解通常通过顺序步骤进行，其中一个物种将化合物转化为中间体，其他物种进一步降解它们，从而增强整体去除效率。

纳米材料与生物传感器在药物去除中的应用

纳米技术的出现显著推进了污染物去除策略。纳米材料表现出卓越的表面特性，提高了其捕获和分解药物残留的效率。

碳基纳米材料

如碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯和碳量子点等材料，通过π-π相互作用、氢键和表面吸附去除药物残留。它们的分级多孔结构确保了即使痕量污染物的有效捕获。

生物传感器

生物传感器将生物识别元件（如酶、抗体、全细胞）与物理传感器相结合，用于检测和量化水样中的特定药物。它们提供快速、灵敏和潜在的现场监测能力，有助于实时评估污染水平。

海洋药物污染的政策建议

解决海洋生态系统中的药物污染需要清晰的法律框架、国际合作和重点创新资金。以下政策方向至关重要：将药物污染物纳入国家水质量监测计划；为制药工业和污水处理厂制定和执行严格的排放标准；促进绿色药房和药物回收计划，以减少不当处置；支持开发先进废水处理技术和生物修复方法的研究与开发；以及提高公众和医疗保健专业人员对药物环境影响的意识。

未来展望

海洋生态系统中药物污染的管理将日益侧重于综合生物技术和计算策略。海洋微生物和藻类拥有能够降解或生物累积药物残留的酶促和代谢途径，而可生物降解和碳基纳米材料可以安全地提高去除效率。实时生物传感器和生态毒理学研究对于评估跨营养级的慢性和亚致死效应至关重要。人工智能（AI）驱动的模型可以预测污染热点和生态风险。政策需要促进跨部门合作和基于证据的决策，以减轻这种新兴威胁。

结论

药物残留是海洋生态系统中的新兴污染物，表现出持久性、生物累积性和生物活性，威胁水生生物多样性和人类健康。抗生素、激素、非甾体抗炎药（NSAIDs）和抗抑郁药通过废水排放、医院排放、水产养殖径流和不当处置进入沿海水域，跨营养级干扰内分泌、神经和生殖通路。慢性暴露会改变微生物群落，促进抗菌素耐药性（AMR），并损害海洋生物的繁殖和行为。需要采取综合方法，包括加强监测、开发先进修复技术（如纳米材料和生物修复）以及实施强有力的政策，以减轻印度海洋环境中的药物污染。未来的研究应侧重于了解长期影响、开发高效去除技术以及促进利益相关者参与可持续管理实践。