综述：农田和作物中的抗生素污染：全面综述

本综述聚焦农田及作物抗生素污染问题，系统分析抗生素在作物中的生物累积机制，探讨其理化性质、栽培环境等影响因素，简述提取分析方法与人体风险评估指标，还展望耐药性环境挑战与污染修复路径。

　　

1. 引言

抗生素在农业中广泛用于预防作物细菌病害，目前农业生产中使用的抗生素超过 40 种，包括四环素类、磺胺类和喹诺酮类等。全球每年处方抗生素和兽用抗生素的产量约为 20 万吨，相当一部分未被人体和动物完全吸收，随排泄物进入自然环境或制成有机肥。若废水处理厂和肥料厂未能妥善处理残留抗生素，这些化学物质会被用于农业灌溉和施肥，造成农田二次抗生素污染。

大量研究报道了农田和作物中抗生素的浓度和累积情况，但不同植物物种的生物累积数据差异较大，给得出一致结论带来挑战。以往综述主要关注受控土壤或水培系统中抗生素的分布，忽视了田间环境和地下水中抗生素的实际迁移模式，且缺乏对现场抗生素污染修复方法的系统讨论。因此，本文旨在全面综述农田和作物中抗生素的研究现状，包括抗生素进入农田的途径、对作物的植物毒性、分析方法和处理策略，总结和比较不同实验场景下农田和植物中抗生素生物累积的数据和机制，讨论人体健康风险评估方法和现场抗生素修复的实际方法，并提出未来研究的机会和实验设计。

2. 农业中抗生素的使用

抗生素在农业中是治疗感染的重要药物，常用于预防措施以促进生长和提高产量。在果园中，链霉素、土霉素和庆大霉素等特定抗生素被广泛用于预防细菌性疾病，尤其是火疫病。与作物中抗生素的使用不同，全球约 80% 的农业抗生素由 livestock 消耗。2020 年，畜牧业使用了约 1000 万公斤抗生素，其中约 92% 通过饲料和水直接进入动物体内。然而，大多数抗生素吸收不良，30% 至 90% 的摄入剂量通过尿液或粪便排出，这些抗生素大部分在动物粪便中保持活性，随后被用于农田和耕地施肥。

3. 农田中的抗生素

由于污染物的持续输入和抗生素在环境中的持久性，作物很可能暴露于抗生素并在受污染的土壤中生长。大多数抗生素在自然环境中的生物降解或降解率极低，导致这些抗生素在田间累积并被植物吸收。

3.1 再生水

在缺水地区，再生水常被用于作物灌溉以缓解水资源短缺并提供可持续的养分来源，但废水通常含有高浓度的抗生素，高达几 mg/L。动物粪便和废水样本中常见检测到氟喹诺酮类（0.66-46.7mg/Kg）、磺胺类（91mg/Kg）和四环素类（0.002-900μg/L）抗生素。韩国一项对 24 个污水处理厂抗生素分布的比较研究表明， livestock 废水出水的抗生素浓度最高，其次是城市废水和医院废水，这为污水处理厂针对不同来源的污染制定特定的去除方法提供了依据。

3.2 动物粪便

在全球范围内，动物粪便作为改善土壤质量的养分来源被广泛应用于土地，但这些生物肥料可能携带大量抗生素，被认为是农田土壤中抗生素存在的主要贡献者。由于在兽医学中的广泛使用，四环素类（TCs）、氟喹诺酮类（FQs）和磺胺类（SAs）是最常检测到的抗生素，其中 FQs 的检测频率和水平最高，而 SAs 的水平相对较低。

3.3 抗生素的持久性

抗生素在环境中的命运和存在因其进入、迁移和转化能力而更加复杂。不同抗生素因其不同的理化性质在培养基中具有不同的半衰期，四环素在经动物粪便处理的土壤中的半衰期长达 105 天，而 FQs 和 SAs 在沉积物中的平均半衰期为 30 至 40 天。此外，抗生素的降解速率随土壤和动物粪便的组成而变化，例如牛粪便中的喹诺酮类（QNs）的降解时间（半衰期≥84 天）比其他类型的粪便更长。

土壤吸附系数与环境条件可能解释了抗生素在环境中的各种分布模式，土壤有机质中的羧基官能团可通过氢键和离子偶极增强某些化合物的吸附。研究发现，施用粪便后农田土壤中 TCs 和 FQs 的残留较高，而环丙沙星和磺胺氯哒嗪具有较高的迁移到水中的能力，TCs 更常存在于土壤样品中，而 SAs 更易通过土壤淋溶到达深层地下水，这使得农业环境中的抗生素检测成为一个复杂的过程，需要更多的研究来调查动物粪便和环境中抗生素的残留和迁移。

4. 作物对抗生素的吸收

生物累积因子（BCF）和转运因子（TF）通常被用来揭示抗生素从周围环境中的累积潜力和在植物组织内的转运情况。目前的实验研究通常集中在食用叶菜类蔬菜（如生菜和白菜）、块根类蔬菜（如胡萝卜和土豆）、果菜类蔬菜以及种子作物，因为它们的生长周期短且形态相对简单。

4.1 作物中的抗生素

BCF 是评估农产品安全性和质量的重要指标之一，在大多数情况下，植物根部由于长期直接接触污染物而表现出最高的抗生素累积水平，顺序为根 > 茎 > 叶，但少数研究表明顺序相反，为果实 / 叶 > 茎 > 根。这种差异不仅与作物种类有关，受植物组织成分、细胞溶胶交换、组织液运输和蒸腾速率的影响，还与抗生素的理化性质（如分子量和化学结构）有关，其他因素如环境条件甚至天气也会影响污染物在植物中的累积。实验室规模的抗生素累积实验可分为浓度依赖性和时间依赖性实验，总体而言，抗生素的 BCF 随添加抗生素浓度和培养时间的增加而增加，但在大多数情况下，随着培养时间的延长，BCF 最终趋于稳定，少数科学家发现在高抗生素浓度环境下 BCF 略有下降，这可能是由于植物对外界环境的应激反应降低了养分和抗生素的吸收速率。

4.2 转运和生物累积机制

抗生素在植物中的生物累积和转运受三个主要因素控制：栽培环境（包括土壤特性、水质和环境基质）、抗生素的理化性质（如分子量、化学结构、Log Kow 和电荷状态）和植物的特定生物学特性。

在自然界中，抗生素通常是极性的，多项研究表明，环境 pH 值的波动会改变抗生素的离子状态，从而影响土壤吸附系数和植物吸收率。在田间研究中，发现 SAs 的土壤吸附随 pH 值的升高而降低，其他抗生素组也有类似发现，表明随着 pH 值的降低，土壤吸附潜力增加，在酸性条件下，中性和正性物种可与土壤矿物质表面发生静电结合。一般来说，中性化合物更容易通过扩散穿过根细胞膜被作物根系吸收，而可电离化合物则通过中性部分的扩散和根表面离子部分的静电相互作用进入根系系统，非离子化合物主要累积在叶片中，而离子化合物则被带负电荷的细胞壁和细胞膜排斥，从而留在韧皮部并累积在果实中，疏水性抗生素倾向于分配到脂质中并滞留在根部，相反，亲水性化合物移动到木质部，并通过蒸腾流与水、养分和有机质一起在植物体内转运。

除了简单的 pH 管理外，植物根系分泌物和根际微生物也可以通过直接化学修饰和间接微生物介导的过程显著影响抗生素的吸收。在抗生素处理下，植物可以通过调节根系分泌物中苹果酸和草酸等有机酸的含量来改变根际 pH 值，从而改变抗生素的离子状态和植物吸收率。此外，植物根系分泌物能够提高土壤酶活性，从而促进微生物降解，增强土壤基质吸收并减少植物对抗生素的吸收。玉米根系分泌物和微生物相互作用（如根瘤菌和马赛菌）可以增强根际细菌群落的稳定性，消散土壤中抗生素的累积，并大大减轻污染物对根际氮循环过程的影响。这些报告为植物和根际微生物在环境中对抗生素污染的响应及其修复潜力提供了进一步的见解，但需要更多的研究来了解植物根系分泌物和微生物在更复杂环境中对抗生素污染的协同效应。

抗生素进入植物后，作物可以通过木质部和韧皮部的被动扩散或通过蒸腾作用和主动吸收将抗生素转运到茎、叶或果实。几项研究分析了根和茎系统中 TCs、QNs、SAs、大环内酯类和甲氧苄啶的水平，一般来说，大多数三氯生、QNs 和 TCs 的 TF 因子值高于 1，表明从根到叶的转运亲和力高，相比之下，大多数 SAs 和 MLs 的转移因子小于 1，表明它们的转移受到限制，更有可能滞留在根部。非电离、极性和高水溶性的有机化合物比高极性（log Kow <1）或高亲脂性（log Kow> 4）的有机化合物更有可能转移到上部组织，外部因素如温室实验通常会提高蒸腾速率，从而增加抗生素从下到上的转运，此外，抗生素转运还可能受不同植物物种的固有特性影响，块根作物如土豆和胡萝卜倾向于在其根组织中保留更多的抗生素，相反，绿叶作物如生菜和菠菜在长期实验后会将更多的抗生素转运到叶片。

4.3 植物毒性及其因素

活性状态的抗生素对植物生长的影响取决于类型、浓度和暴露时间，在大多数情况下，抗生素及其代谢物会对植物产生负面毒性作用，但少数实验表明低浓度抗生素甚至可以促进植物生长和生产力。抗生素的植物毒性通常表现为植物生长（生物量、器官长度、种子发芽特性）、叶绿素含量的降低以及蒸腾速率和氧化应激的变化，种子发芽对抗生素胁迫的敏感性低于生长中的幼苗。一项研究对十种抗生素对种子发芽和植物生长的影响进行了排序，毒性从强到弱依次为：左氧氟沙星（LEV）、金霉素（CTC）、四环素（TET）、磺胺甲恶唑（SMX）、泰乐菌素（TYL）、土霉素（OTC）、磺胺二甲嘧啶（SMT）、林可霉素（LIN）、阿莫西林（AMOX）和甲氧苄啶（TMP），这种排序可能由抗生素的化学结构和进入种子或植物组织的能力解释，此外，种子对抗生素的反应因作物和抗生素种类而异。需要指出的是，植物副作用的观察多见于极高浓度的抗生素，这在自然土壤环境中不太可能发现。

5. 抗生素提取和分析方法

从植物组织中提取抗生素比从其他环境基质中提取面临更大的挑战，为了处理由脂质、蛋白质和叶绿素引起的分析误差，已经开发了先进的提取和纯化技术来从作物中提取抗生素。固相萃取（SPE）是实验室研究中常用的方法，此外，水溶液可以通过进一步使用强阴离子交换（SAX-SPE）或亲水亲脂平衡（HLB-SPE）柱组合进行纯化和浓缩，分散固相萃取（dSPE）利用 C18 填充柱，有时用于消除非极性至中等极性的化合物，因为其高度保留的烷基键合相。其他广泛提到的提取方法包括液液萃取（LLE）、超声液体萃取（ULE）、加速溶剂萃取（ASE）和 QuEChERS（快速、简单、廉价、有效、耐用和安全）提取。

液相色谱（LC）和气相色谱（GC）通常用于鉴定和定量目标抗生素，一般来说，液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）能够检测更广泛的化合物，且样品制备更少，从而提供更好的测量能力。

6. 人体风险评估

抗生素使用不当或长期接触受污染的食品可能导致人体内产生抗生素耐药菌，导致未来感染难以治疗。实验证据表明，口服抗生素后，小牛和小鼠等动物的肠道细菌具有抗生素耐药性，此外，抗生素的剂量与肠道细菌对抗生素耐药性的传播呈正相关。

与受污染作物相关的人体健康风险可以通过风险商（RQ）、危害商（HQ）和累积健康危害指数（HI）进行评估，估计每日摄入量（EDI）可以使用公式计算，而 ADI 值通常来自政府或机构的饮食指南。HI 通过将每种抗生素的 RQ 值相加来量化接触多种化学物质的风险，HI > 0.01 表示相当大的人体风险，HI > 0.05 表示显著的人体风险。有研究使用这些指标评估了抗生素污染花生的摄入风险，在 14 种抗生素中，环丙沙星的风险最高，人体暴露水平为每天 0.040 至 6.721 ng/kg，表明在这种情况下对人体有中等威胁。另一种方法是根据欧洲药品评价局（EMEA）推荐的医疗产品指南评估人体风险，新的风险商（RQ*）可以计算为测量环境浓度（MEC）与预测无效应浓度（PNEC）的比率，RQ值可分为：0.01 至 0.1 之间为低风险，0.1 至 1 之间为中等风险，超过 1 为高风险，通过这种新计算，发现受环丙沙星和左氧氟沙星污染的作物（包括胡萝卜、豌豆、萝卜、生菜和菠菜）可能对人体健康构成中等风险，RQ值在 0.018 至 0.557 之间。

人体暴露（HE）可通过与推荐的 ADI 值或预测的 EDI 进行比较来评估潜在的人体暴露风险，其计算遵循公式。大多数文章得出结论，食用在抗生素污染土壤中生长的作物对人体健康的影响几乎可以忽略不计，并且通过在摄入前充分烹饪作物可以进一步降低抗生素的毒性，但这些研究大多基于有限的暴露时间和理论计算，因此，食用作物中抗生素残留对人体健康的长期影响需要进一步研究。

7. 未来挑战和研究

7.1 抗生素耐药基因和细菌转移

最近，研究人员对农田调查中发现的抗生素耐药基因（ARGs）和抗生素耐药菌（ARB）的出现表示越来越多的关注，ARGs 和 ARB 不仅有可能影响土壤和水环境，还可能通过食物链作为长期暴露危害传播给人类，使后续的医疗护理和药物疗效复杂化。研究表明，使用再生水灌溉会提高农田中的抗生素和 ARGs 水平，温室实验中也发现白菜内生系统中存在 ARGs，且 ARGs 和 ARB 的浓度随着抗生素浓度的升高而增加。

人类接触过多的 ARGs 和 ARBs 的主要负面后果是多重耐药性（MDR），在欧盟，每年约有 33,000 人死于由对抗生素具有耐药性的细菌引起的感染，其中 39% 的死亡与由对碳青霉烯类和粘菌素等最后手段抗生素具有耐药性的细菌引起的感染有关，美国的情况类似，有 280 万人感染抗生素耐药性，超过 35,000 人死亡。尽管 ARG 和 ARB 对人体健康的不利影响已有充分记录，但它们与食物链的相关性尚未得到彻底研究，迫切需要调查 ARB 和 ARGs 从农田通过消费饮食传播给人类的情况，此外，有必要为 ARB 和 ARGs 构建适当的风险评估框架，以规范对人体健康的潜在危害。

7.2 废水处理中的残留抗生素

环境中抗生素的源头控制是最大限度减少其影响的关键，世界上几个地区抗生素的广泛滥用带来了艰巨的挑战，影响了循环物质管理和养分循环。尽管如此，已经提出了几种从污水处理厂废水中去除残留抗生素的方法，包括生物植物修复、化学结合和氧化过程。废水稳定塘可以通过污泥吸附保留废水中高达 96% 的抗生素，与传统的物理化学处理工艺相比，人工湿地作为一种有前途的绿色技术，可以同时从废水中去除 ppm 级的重要抗生素，作为一种替代且最有效的技术之一，高级氧化工艺（AOP）可以将几乎所有危险药物转化为无害或矿化的化合物，各种类型的 AOPs 已被研究用于实验室规模的抗生素去除，如 UV/H?O?、UV/Cl?、UV/TiO?和 O?/H?O?等，但大多数采用该技术的研究仅限于中试规模，由于其高运行成本和在工业规模上保持高化合物去除率的挑战，AOPs 在工业中的应用受到限制，因此，未来研究的主要目标是降低总体成本并提高技术的实用性，这可以通过将 AOPs 与其他针对污染污染物的处理方法结合，减少不必要的支出和能源消耗，以及探索更廉价和可持续的能源来源来实现。

7.3 粪便管理中的残留抗生素

动物粪便作为农田中抗生素和抗生素耐药基因的主要来源，已引起广泛的研究关注，通过生物降解、吸附、吸收和植物吸收，可以从农业环境中消除这类污染，堆肥、厌氧 / 好氧消化、AOPs、膜过滤和电动处理等处理方法显示出较高的抗生素去除效率，具有进一步发展的潜力，一般来说，抗生素的降解顺序为堆肥消化 > 厌氧消化 > 粪便储存 > 土壤。

尽管这些技术得到了广泛的应用，但由于土壤和粪便条件的不同，它们在去除抗生素和抗生素基因方面始终产生 conflicting results，例如，大多数研究表明，较高的温度有利于厌氧消化（AD）下抗生素和 ARGs 的减少，嗜热条件优于中温条件，但有研究发现，高处理温度并不总是能实现高 ARG 去除率，在 55°C 时 ARGs 的丰度明显高于其他处理温度（25°C 和 37°C），这种矛盾可以通过 AD 过程中的微生物群落组成来解释，此外，AD 过程中多种抗生素的存在可能导致原本会相互降解的细菌受到抑制，因此，需要更多关于复杂环境中 ARGs 和 ARB 的进化和机制的研究。

在这些粪便处理方法的基础上，几项研究进行了田间试验，以回收粪便和修复抗生素污染的农田，一种有前途的方法是利用改性作物废料吸附现有的抗生素，另一种方法是对动物粪便进行二次处理，水热处理的潮霉素发酵残渣可以作为有机肥，而不会在植物组织和土壤中诱导抗生素耐药性，更重要的是，应用热活化过硫酸盐处理的粪便对土壤细菌的影响最小，并减少了原始