本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2021年第1期

作者：王娜，郭欣妍，單正軍，蔡道基

來源：農(nóng)田土壤抗生素污染管控建議[J].中國工程科學(xué),2021,23(1):167-173.

編者按

土壤污染具有隱蔽性、滯后性和持久性，是較為復(fù)雜的污染問題。隨著化學(xué)品制造與使用種類的逐漸增多，土壤污染物的種類也是異常繁多的，抗生素在畜禽養(yǎng)殖業(yè)中發(fā)揮了重要保障作用，但畜禽糞便農(nóng)用后伴生的抗生素耐藥性傳播風(fēng)險日益顯現(xiàn)，農(nóng)田土壤抗生素及其耐藥基因的風(fēng)險管控工作亟待開展。

近期，中國工程院蔡道基院士科研團(tuán)隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》撰文，總結(jié)了農(nóng)田土壤中抗生素的污染現(xiàn)狀，梳理了農(nóng)田土壤中新興污染物抗生素管控存在的問題，提出了農(nóng)田土壤抗生素及其耐藥基因的風(fēng)險管控建議。文章認(rèn)為，農(nóng)田土壤抗生素及其耐藥基因的污染風(fēng)險不可忽視，但抗生素類新興污染物尚未納入土壤風(fēng)險管控范圍內(nèi)。文章建議，應(yīng)設(shè)立嚴(yán)格的獸藥應(yīng)用監(jiān)管機制，從養(yǎng)殖源頭扼制風(fēng)險的發(fā)生概率；制定有機肥中反映耐藥性的控制標(biāo)準(zhǔn)，出臺技術(shù)指南以規(guī)范含抗生素糞便的處置與施用，減少抗生素耐藥基因進(jìn)入環(huán)境的總量，同時加緊開展環(huán)境抗生素耐藥性產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的人類健康風(fēng)險評估研究，實施農(nóng)田土壤環(huán)境抗生素耐藥常規(guī)監(jiān)測，發(fā)揮風(fēng)險評估在該類污染物風(fēng)險管控工作中的作用。

一、

前言

土壤污染具有隱蔽性、滯后性和持久性，是較為復(fù)雜的污染問題。隨著化學(xué)品制造與使用種類的逐漸增多，土壤污染物的種類也是異常繁多的。

美國國家環(huán)境保護(hù)局（EPA）收錄的化合物總數(shù)為67 709種，有毒物質(zhì)排放清單有391類，有土壤風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)的化合物有899種。我國收錄的化合物總數(shù)為45 612種，危險化學(xué)品有2828種；《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》(GB 15618—2018)包括11種化合物的土壤管控標(biāo)準(zhǔn)，《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 36600—2018）涉及90種化合物的土壤管控標(biāo)準(zhǔn)。

整體來看，我國土壤環(huán)境管理的目標(biāo)污染物種類還是較為有限的，尤其是一些具有環(huán)境風(fēng)險的新興污染物尚未納入管控范圍。然而，對照“預(yù)防為主、保護(hù)優(yōu)先、風(fēng)險管控”的土壤污染防治總體原則，新興污染物的環(huán)境風(fēng)險需要引起足夠關(guān)注；不僅需要盡快開展風(fēng)險評估技術(shù)方法的研究，也需要及時謀劃各種風(fēng)險管控的政策措施，從而盡量將風(fēng)險控制在早期，避免危害效應(yīng)的擴散。

抗生素是一類對致病微生物具有抑制和殺滅作用的化學(xué)物質(zhì)，在醫(yī)療衛(wèi)生、畜禽養(yǎng)殖方面發(fā)揮了重要作用。在我國，抗生素生產(chǎn)和使用量都較大，如產(chǎn)量達(dá)到2.48×10⁵t/a，使用量達(dá)到1.62×10⁵t/a；其中48%為人用，剩余為畜禽養(yǎng)殖業(yè)使用。動物所使用的抗生素，有30%~90%以原型或代謝物的形式排泄，再通過施肥、污水灌溉、地表徑流沖刷等途徑最終進(jìn)入土壤環(huán)境。我國36種常見抗生素向環(huán)境的總排放量約為5.38×10⁴t/a，其中約有54%進(jìn)入農(nóng)田土壤。

抗生素的環(huán)境暴露會誘導(dǎo)選擇耐藥菌的產(chǎn)生，同時動物糞便中的大量耐藥菌也會伴隨著有機肥的施用進(jìn)入到土壤環(huán)境。研究表明，耐藥菌所攜帶的耐藥基因會通過可移動的遺傳元件在不同細(xì)菌間發(fā)生水平轉(zhuǎn)移和傳播；一旦傳遞至致病菌，將產(chǎn)生多重耐藥致病菌甚至超級細(xì)菌，可能造成人類感染后無藥可治的嚴(yán)重后果。

近年來，抗生素耐藥基因的環(huán)境健康風(fēng)險成為學(xué)術(shù)研究熱點，也引起了管理部門的高度關(guān)注。2014年世界衛(wèi)生組織（WHO）提出《控制細(xì)菌耐藥全球行動計劃》，之后很多國家發(fā)布了各自的控制耐藥行動計劃。2016年8月，我國14個部委聯(lián)合印發(fā)《遏制細(xì)菌耐藥國家行動計劃（2016—2020年）》，旨在以多部門協(xié)作形式實施綜合治理，應(yīng)對細(xì)菌耐藥的風(fēng)險挑戰(zhàn)。2018年，國家衛(wèi)生健康委員會印發(fā)《關(guān)于持續(xù)做好抗菌藥物臨床應(yīng)用管理有關(guān)工作的通知》。2019年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布公告，自2020年起退出除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種。也要注意到，環(huán)境中抗生素耐藥性傳播的風(fēng)險至今仍無法定量評估。2012年在加拿大魁北克省舉行的“環(huán)境中的抗生素耐藥性：評估和管理人類活動的影響”研討會，探討了人類活動對環(huán)境中抗生素耐藥性產(chǎn)生影響的評估方法以及采取相關(guān)管理措施的必要性；多國參會代表達(dá)成了共識：在抗生素的生產(chǎn)與使用、農(nóng)業(yè)作業(yè)、污水處理廠等關(guān)鍵排放環(huán)節(jié)中，管理措施可發(fā)揮最大作用以盡可能延緩和限制不良風(fēng)險的發(fā)生。

本文在總結(jié)抗生素污染現(xiàn)狀與危害風(fēng)險、梳理污染管控存在問題的基礎(chǔ)上，重點論述有關(guān)我國農(nóng)田土壤抗生素及其耐藥基因風(fēng)險管控的舉措，以期為土壤環(huán)境中新興污染物的環(huán)境管理提供前瞻性的應(yīng)對思路。

二、

農(nóng)田土壤抗生素的污染現(xiàn)狀和潛在風(fēng)險

（一）污染現(xiàn)狀

根據(jù)文獻(xiàn)報道，我國土壤抗生素檢出種類主要為磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)酯類和其他類共計44種，分布于19個省份（見表1）。抗生素在農(nóng)田土壤中普遍存在，喹諾酮類和四環(huán)素類是土壤殘留的優(yōu)勢抗生素品種。長江三角洲地區(qū)（江蘇、浙江和上海）的抗生素種類比國內(nèi)其他地區(qū)更為豐富；在抗生素總量方面，北方省份（如河北、山西、遼寧和山東）明顯高于南方省份（如廣東、湖南、江蘇和浙江），東部省份（如山東、上海和浙江）明顯高于西部省份（如新疆、西藏、青海和甘肅）。梳理2009年至今的國內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，施用糞肥的土壤中抗生素濃度范圍在低于檢出限到毫克每千克量級的水平，許多抗生素的檢出濃度超過了獸藥國際協(xié)調(diào)委員會（VICH）設(shè)定的土壤生物毒性觸發(fā)值（100 μg/kg）。

表1 各省份抗生素種類土壤檢出情況

土壤環(huán)境是最大的微生物群落庫之一，在抗生素抗性的產(chǎn)生和傳播過程中起著重要作用。在抗生素耐藥性決定因素（如抗生素、重金屬等）屬于外源輸入的情況下，土壤環(huán)境成為了抗生素耐藥基因“庫”。目前，我國開展的土壤抗生素耐藥基因污染調(diào)查集中在傳統(tǒng)獸用抗生素（磺胺類和四環(huán)素類）耐藥基因，也有少數(shù)有關(guān)喹諾酮類、大環(huán)內(nèi)酯類耐藥基因的報道（見圖1）。在抗生素耐藥基因的相對濃度范圍方面，四環(huán)素類為1×10^–4~ 1.1×10^–2copies/16S-rRNA，磺胺類為 1×10^–3~1.0× 10^–1copies/16S-rRNA，喹諾酮類和大環(huán)內(nèi)酯類為 5.5×10^–5~8.08×10^–4copies/16S-rRNA，轉(zhuǎn)移子 intI1 為 2.8×10^–2copies/16S-rRNA；四環(huán)素類的優(yōu)勢耐藥基因為tetB、tetW、tetQ和tetO，磺胺類的優(yōu)勢耐藥基因為sulI和sulII。從空間分布看，廣東、山東、北京、遼寧等省市的土壤耐藥基因豐度較高。

圖1 我國土壤中耐藥基因污染情況

注：四環(huán)素耐藥基因有tetB、tetW、tetQ、tetO、tetBP、tetG、tetX、tetA、tetM、tetL，磺胺耐藥基因有sulI、sulII、sulIII、sulA，喹諾酮耐藥基因有qnrS，大環(huán)內(nèi)酯耐藥基因有ermA、ermB，I型整合子整合酶基因有intI1。

（二）危害與風(fēng)險

施用有機肥給農(nóng)田土壤環(huán)境帶來了豐富的營養(yǎng)元素，但也引入了重金屬、抗生素及其耐藥基因等污染物，構(gòu)成了潛在的環(huán)境與健康風(fēng)險（見圖2）?？股丶捌淠退幮栽谥参镏械膫鞑タ蓪r(nóng)作物產(chǎn)生不良影響，如抗生素被蔬菜、農(nóng)作物和水生植物吸收已獲研究證實。在植物的根際和葉際檢測到大多數(shù)四環(huán)素類、喹諾酮類、甲氧芐啶、氯霉素和林可霉素類抗生素，說明這些抗生素從根際向枝芽傳輸?shù)哪芰^強；大多數(shù)磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類從根際轉(zhuǎn)移至葉部和果實的能力則較為有限。根據(jù)農(nóng)作物中抗生素殘留濃度來計算食用抗生素污染農(nóng)作物對人體健康的風(fēng)險，結(jié)果顯示基于食用農(nóng)作物估算的人群抗生素暴露量遠(yuǎn)低于最低治療劑量（一般為20~200 mg/d）或低于建議可接受的每日攝入量（ADI）值，可見直接的健康風(fēng)險很低。

圖2 抗生素耐藥基因在土壤–植物系統(tǒng)的傳輸過程

注：圖中化學(xué)結(jié)構(gòu)式代表抗生素化學(xué)物質(zhì)ARB–耐藥菌。

糞源抗生素及其耐藥性污染對植物內(nèi)生系統(tǒng)中的抗生素耐藥性也會產(chǎn)生影響。植物根際土壤菌群與農(nóng)田土壤的抗生素耐藥菌發(fā)生交互作用產(chǎn)生耐藥性，根際抗生素耐藥菌會以內(nèi)生細(xì)菌的形式進(jìn)入植物內(nèi)部，最終通過食物鏈進(jìn)入人體。研究表明，施用畜禽糞肥能引起蔬菜中抗生素抗性內(nèi)生細(xì)菌數(shù)量的顯著增加。

當(dāng)糞便中的耐藥菌進(jìn)入土壤，攜帶的耐藥基因可通過質(zhì)粒、整合子、基因盒或轉(zhuǎn)座子等水平轉(zhuǎn)移給土著細(xì)菌。土壤環(huán)境耐藥菌同樣可以通過水平轉(zhuǎn)移傳播擴散耐藥基因，在有合適受體菌的情況下，環(huán)境耐藥菌將耐藥基因傳遞至致病菌（如沙門氏菌、擬桿菌、彎曲桿菌、志賀氏菌、大腸埃希氏菌），從而形成了抗生素耐藥的致病菌。這對人類健康的影響表現(xiàn)為臨床抗生素使用療效降低、感染更嚴(yán)重或更持久。由此可見，土壤環(huán)境耐藥性的提高，最終將會影響公共衛(wèi)生、干擾臨床治療。研究發(fā)現(xiàn)，對于來源不同的臨床致病菌和常見的土壤細(xì)菌，檢測出的序列同源性達(dá)100%；這是在環(huán)境耐藥菌和致病耐藥菌之間存在水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）的直接證據(jù)。盡管有不少學(xué)者認(rèn)為耐藥基因通過環(huán)境耐藥菌向致病菌水平轉(zhuǎn)移的概率較小，但是不能排除這種“低概率、高影響的一次性事件”風(fēng)險。如果人類成為新型環(huán)境致病耐藥菌的受體，將會導(dǎo)致無法預(yù)判的嚴(yán)重后果。例如，印度發(fā)生的超級細(xì)菌（NDM-1）在人際間的傳播事件，就屬于重大的公共安全事故。

三、

農(nóng)田土壤抗生素管控的現(xiàn)狀與問題

（一）源頭監(jiān)管

鑒于濫用抗生素的直接危害與潛在風(fēng)險，許多國家和地區(qū)都禁止或限制了飼料添加抗生素。從2006年起，歐盟禁止黃霉素、效美素、鹽霉素和莫能霉素等4種抗菌藥物作為促生長飼料添加劑使用。我國獸藥抗菌藥物主要用于感染疾病治療和促進(jìn)生長的飼料添加劑，隨著養(yǎng)殖業(yè)抗生素濫用問題的顯現(xiàn)，國家主管部門意識到人獸共用藥物問題的潛在危害性。2015年9月，農(nóng)業(yè)部發(fā)布公告，要求在食品動物中停止使用洛美沙星、培氟沙星、氧氟沙星、諾氟沙星4種獸藥。2019年7月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布公告，自2020年起，退出除中藥外的所有促生長類藥物飼料添加劑品種，飼料生產(chǎn)企業(yè)停止生產(chǎn)含有促生長類藥物飼料添加劑（中藥類除外）的商品飼料。雖然農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“限抗令”的出臺對從源頭控制農(nóng)田土壤抗生素耐藥傳播風(fēng)險具有重大意義，但是環(huán)境管理部門在獸藥方面缺乏直接的行政管理渠道，仍然無法直接管控畜禽養(yǎng)殖業(yè)向農(nóng)田土壤環(huán)境中排放的抗生素及其耐藥基因的種類與數(shù)量。

（二）控制標(biāo)準(zhǔn)

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步明確畜禽糞污還田利用要求強化養(yǎng)殖污染監(jiān)管的通知》，要求畜禽糞污應(yīng)根據(jù)排放去向或利用方式的不同執(zhí)行相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。作為肥料利用的，應(yīng)符合《畜禽糞便無害化處理技術(shù)規(guī)范》（GB/T 36195—2018）、《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》（GB/T 25246—2010）；向環(huán)境排放的，應(yīng)符合《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596—2001）和地方有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)；用于農(nóng)田灌溉的，應(yīng)符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）。然而，現(xiàn)行《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的污染物控制項目中沒有針對抗生素及其耐藥基因的特征性指標(biāo)?！缎笄菁S便無害化處理技術(shù)規(guī)范》僅提出了蛔蟲卵、鉤蟲卵、糞大腸菌群、蚊子蒼蠅等控制指標(biāo)，同樣未涉及抗生素及其耐藥基因指標(biāo)。相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)的缺失、糞便農(nóng)用安全性技術(shù)指南的缺位，導(dǎo)致糞便農(nóng)用的過程管理無法顧及抗生素及其耐藥基因的環(huán)境危害。

（三）風(fēng)險評估

抗生素的廣泛使用導(dǎo)致抗生素耐藥性的迅速傳播，對人類健康構(gòu)成了很高的風(fēng)險。迄今為止，由于對抗生素耐藥基因的環(huán)境過程、歸趨、定量構(gòu)效關(guān)系等存在爭議，依然缺乏定量模型來準(zhǔn)確評估相關(guān)風(fēng)險；也未推導(dǎo)出抗生素水平與致病性抗生素耐藥性之間的關(guān)系，沒有建立致病性抗生素耐藥細(xì)菌與各種感染疾病之間的劑量反應(yīng)關(guān)系。另外，環(huán)境中抗生素殘留、抗生素耐藥性標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測指南缺失，使得表征環(huán)境中抗生素殘留風(fēng)險所需的數(shù)據(jù)也嚴(yán)重不足。

四、

對策建議

（一）建立更為嚴(yán)格的獸藥監(jiān)管機制

動物養(yǎng)殖用抗生素是導(dǎo)致土壤抗生素耐藥風(fēng)險的源頭誘因。建議建立多部門聯(lián)合工作機制，指導(dǎo)養(yǎng)殖場科學(xué)使用抗生素，對養(yǎng)殖場抗生素的使用種類和用量進(jìn)行規(guī)范和抽檢；避免通過飲水和飼料添加等方式濫用抗生素，從源頭控制住抗生素及其耐藥基因進(jìn)入環(huán)境。

（二）加快制定有機肥中反映耐藥性的控制標(biāo)準(zhǔn)

抗生素及其耐藥基因進(jìn)入土壤環(huán)境的載體主要是畜禽糞便，控制畜禽糞便中抗生素及耐藥基因的含量、阻斷糞便中抗生素及其耐藥基因進(jìn)入土壤環(huán)境，是有效減控土壤中抗生素及其耐藥基因污染量的主要方式。應(yīng)加快制定有機肥中反映耐藥性的控制標(biāo)準(zhǔn)，從環(huán)境釋放的源頭控制抗生素及耐藥基因的土壤污染。

（三）加緊環(huán)境抗生素耐藥風(fēng)險評估研究

在制定抗生素環(huán)境基準(zhǔn)尚不成熟的客觀情況下，建議環(huán)境管理部門采用風(fēng)險管控的思路來重點關(guān)注該類污染物，及時開展環(huán)境抗生素耐藥性產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移的健康風(fēng)險評估研究，組織制定風(fēng)險評估技術(shù)指南，明確評估的指標(biāo)、程序和方法。

①以抗生素作為評估指標(biāo)時，使用細(xì)菌的最低選擇抗生素濃度（MSC）作為劑量–效應(yīng)評價指標(biāo)，評估低水平抗生素對細(xì)菌的敏感性和耐藥性演變。

②以致病性耐藥菌作為評估終點時，將大腸桿菌作為暴露評估對象，建立致病性抗生素耐藥細(xì)菌與各種感染疾病之間的劑量反應(yīng)關(guān)系。

③以抗生素耐藥基因為評估指標(biāo)時，追蹤篩查攜帶耐藥質(zhì)粒的病原菌，建立環(huán)境高風(fēng)險耐藥基因的篩查方法，明確抗生素和耐藥基因的劑量效應(yīng)關(guān)系，提出抗生素和耐藥基因的風(fēng)險分級清單。

（四）盡快發(fā)布糞便農(nóng)用安全性技術(shù)指南

畜禽糞便作為肥料施用到農(nóng)田，前處理過程對抗生素及耐藥基因的環(huán)境暴露量影響顯著。建議農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等主管部門加強部際協(xié)調(diào)工作，盡快研究出臺有關(guān)糞便農(nóng)用安全性技術(shù)指南，提出有關(guān)糞便處置技術(shù)、有機肥施用選型等方面的要求；在確保肥源營養(yǎng)元素的前提下，規(guī)定去除抗生素及其耐藥基因的關(guān)鍵處理過程與技術(shù)，落實顯著降低經(jīng)糞肥農(nóng)用途徑進(jìn)入土壤環(huán)境的抗生素及其耐藥基因總量的目標(biāo)。

（五）開展環(huán)境抗生素耐藥的常規(guī)監(jiān)測

盡管發(fā)布抗生素及其耐藥基因的土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)時機尚不成熟，但全面掌握重點地區(qū)的抗生素耐藥監(jiān)測數(shù)據(jù)可以直接反映土壤環(huán)境抗生素耐藥的影響程度并間接反饋抗生素環(huán)境減排的效果。建議生態(tài)環(huán)境主管部門借鑒衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域耐藥監(jiān)測網(wǎng)的建設(shè)思路與經(jīng)驗，適時建立重點區(qū)域環(huán)境耐藥性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以把握主要省份土壤環(huán)境中抗生素耐藥性的污染現(xiàn)狀和演變趨勢；以環(huán)境中大腸桿菌耐藥率作為監(jiān)測因子，評估重點地區(qū)土壤環(huán)境抗生素耐藥性現(xiàn)狀。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

作者介紹

蔡道基，環(huán)境毒理學(xué)（農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)）專家，中國工程院院士。

長期從事農(nóng)用化學(xué)品對生態(tài)環(huán)境影響研究，重點研究農(nóng)藥的環(huán)境行為特征與生態(tài)效應(yīng)。在我國創(chuàng)建了農(nóng)藥環(huán)境毒理學(xué)學(xué)科領(lǐng)域，建立了化學(xué)農(nóng)藥生態(tài)環(huán)境安全評價體系、安全評價試驗準(zhǔn)則和國家環(huán)境保護(hù)農(nóng)藥環(huán)境安全評價與污染控制重點實驗室，為我國新農(nóng)藥開發(fā)、農(nóng)藥安全使用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供了重要科學(xué)支撐。在20世紀(jì)70和80年代間，曾為對我國生態(tài)環(huán)境和農(nóng)畜產(chǎn)品造成全國性嚴(yán)重污染的有機氯農(nóng)藥的全面禁用工作做出了突出貢獻(xiàn)；對我國新農(nóng)藥開發(fā)中對生態(tài)環(huán)境安全性預(yù)測進(jìn)行了深入研究，并通過開展國際合作在防止農(nóng)藥對地下水污染和防止農(nóng)藥對水生生物危害以及制定農(nóng)藥安全使用標(biāo)準(zhǔn)等方面做了大量研究工作，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境安全取得了顯著成績。長期負(fù)責(zé)全國農(nóng)藥登記生態(tài)環(huán)境安全性評審工作，為防止有害農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用起到了把關(guān)作用。