本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2021年第1期

作者：王娜，郭欣妍，單正軍，蔡道基

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

編者按

土壤污染具有隱蔽性、滯后性和持久性，是較為復雜的污染問題。隨著化學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，但畜禽糞便農用后伴生的抗生素耐藥性傳播風險日益顯現(xiàn)，農田土壤抗生素及其耐藥基因的風險管控工作亟待開展。

近期，中國工程院蔡道基院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》撰文，總結了農田土壤中抗生素的污染現(xiàn)狀，梳理了農田土壤中新興污染物抗生素管控存在的問題，提出了農田土壤抗生素及其耐藥基因的風險管控建議。文章認為，農田土壤抗生素及其耐藥基因的污染風險不可忽視，但抗生素類新興污染物尚未納入土壤風險管控范圍內。文章建議，應設立嚴格的獸藥應用監(jiān)管機制，從養(yǎng)殖源頭扼制風險的發(fā)生概率；制定有機肥中反映耐藥性的控制標準，出臺技術指南以規(guī)范含抗生素糞便的處置與施用，減少抗生素耐藥基因進入環(huán)境的總量，同時加緊開展環(huán)境抗生素耐藥性產生和轉移的人類健康風險評估研究，實施農田土壤環(huán)境抗生素耐藥常規(guī)監(jiān)測，發(fā)揮風險評估在該類污染物風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，是較為復雜的污染問題。隨著化學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)境保護局（EPA）收錄的化合物總數(shù)為67 709種，有毒物質排放清單有391類，有土壤風險管控標準的化合物有899種。我國收錄的化合物總數(shù)為45 612種，危險化學品有2828種；《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》(GB 15618—2018)包括11種化合物的土壤管控標準，《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）涉及90種化合物的土壤管控標準。

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

抗生素是一類對致病微生物具有抑制和殺滅作用的化學物質，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，抗生素生產和使用量都較大，如產量達到2.48×10⁵t/a，使用量達到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%進入農田土壤。

抗生素的環(huán)境暴露會誘導選擇耐藥菌的產生，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菌間發(fā)生水平轉移和傳播；一旦傳遞至致病菌，將產生多重耐藥致病菌甚至超級細菌，可能造成人類感染后無藥可治的嚴重后果。

近年來，抗生素耐藥基因的環(huán)境健康風險成為學術研究熱點，也引起了管理部門的高度關注。2014年世界衛(wèi)生組織（WHO）提出《控制細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，應對細菌耐藥的風險挑戰(zhàn)。2018年，國家衛(wèi)生健康委員會印發(fā)《關于持續(xù)做好抗菌藥物臨床應用管理有關工作的通知》。2019年，農業(yè)農村部發(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生影響的評估方法以及采取相關管理措施的必要性；多國參會代表達成了共識：在抗生素的生產與使用、農業(yè)作業(yè)、污水處理廠等關鍵排放環(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險的發(fā)生。

本文在總結抗生素污染現(xiàn)狀與危害風險、梳理污染管控存在問題的基礎上，重點論述有關我國農田土壤抗生素及其耐藥基因風險管控的舉措，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對思路。

二、

農田土壤抗生素的污染現(xiàn)狀和潛在風險

（一）污染現(xiàn)狀

根據(jù)文獻報道，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)內酯類和其他類共計44種，分布于19個省份（見表1）?？股卦谵r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年至今的國內文獻數(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)調委員會（VICH）設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)有關喹諾酮類、大環(huán)內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)內酯類為 5.5×10^–5~8.08×10^–4copies/16S-rRNA，轉移子 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）危害與風險

施用有機肥給農田土壤環(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，構成了潛在的環(huán)境與健康風險（見圖2）?？股丶捌淠退幮栽谥参镏械膫鞑タ蓪r作物產生不良影響，如抗生素被蔬菜、農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)內酯類從根際轉移至葉部和果實的能力則較為有限。根據(jù)農作物中抗生素殘留濃度來計算食用抗生素污染農作物對人體健康的風險，結果顯示基于食用農作物估算的人群抗生素暴露量遠低于最低治療劑量（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：圖中化學結構式代表抗生素化學物質ARB–耐藥菌。

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

當糞便中的耐藥菌進入土壤，攜帶的耐藥基因可通過質粒、整合子、基因盒或轉座子等水平轉移給土著細菌。土壤環(huán)境耐藥菌同樣可以通過水平轉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菌，檢測出的序列同源性達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移（HGT）的直接證據(jù)。盡管有不少學者認為耐藥基因通過環(huán)境耐藥菌向致病菌水平轉移的概率較小，但是不能排除這種“低概率、高影響的一次性事件”風險。如果人類成為新型環(huán)境致病耐藥菌的受體，將會導致無法預判的嚴重后果。例如，印度發(fā)生的超級細菌（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，農業(yè)農村部發(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，飼料生產企業(yè)停止生產含有促生長類藥物飼料添加劑（中藥類除外）的商品飼料。雖然農業(yè)農村部“限抗令”的出臺對從源頭控制農田土壤抗生素耐藥傳播風險具有重大意義，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）控制標準

農業(yè)農村部辦公廳、生態(tài)環(huán)境部辦公廳聯(lián)合印發(fā)《關于進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》，要求畜禽糞污應根據(jù)排放去向或利用方式的不同執(zhí)行相應的標準規(guī)范。作為肥料利用的，應符合《畜禽糞便無害化處理技術規(guī)范》（GB/T 36195—2018）、《畜禽糞便還田技術規(guī)范》（GB/T 25246—2010）；向環(huán)境排放的，應符合《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB18596—2001）和地方有關排放標準；用于農田灌溉的，應符合《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）。然而，現(xiàn)行《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》《農田灌溉水質標準》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?！缎笄菁S便無害化處理技術規(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，同樣未涉及抗生素及其耐藥基因指標。相關控制標準的缺失、糞便農用安全性技術指南的缺位，導致糞便農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）風險評估

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

四、

對策建議

（一）建立更為嚴格的獸藥監(jiān)管機制

動物養(yǎng)殖用抗生素是導致土壤抗生素耐藥風險的源頭誘因。建議建立多部門聯(lián)合工作機制，指導養(yǎng)殖場科學使用抗生素，對養(yǎng)殖場抗生素的使用種類和用量進行規(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入環(huán)境。

（二）加快制定有機肥中反映耐藥性的控制標準

抗生素及其耐藥基因進入土壤環(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。應加快制定有機肥中反映耐藥性的控制標準，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)境抗生素耐藥風險評估研究

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

①以抗生素作為評估指標時，使用細菌的最低選擇抗生素濃度（MSC）作為劑量–效應評價指標，評估低水平抗生素對細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菌與各種感染疾病之間的劑量反應關系。

③以抗生素耐藥基因為評估指標時，追蹤篩查攜帶耐藥質粒的病原菌，建立環(huán)境高風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關系，提出抗生素和耐藥基因的風險分級清單。

（四）盡快發(fā)布糞便農用安全性技術指南

畜禽糞便作為肥料施用到農田，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。建議農業(yè)、生態(tài)環(huán)境等主管部門加強部際協(xié)調工作，盡快研究出臺有關糞便農用安全性技術指南，提出有關糞便處置技術、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鍵處理過程與技術，落實顯著降低經(jīng)糞肥農用途徑進入土壤環(huán)境的抗生素及其耐藥基因總量的目標。

（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量標準和監(jiān)測標準時機尚不成熟，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、農業(yè)領域耐藥監(jiān)測網(wǎng)的建設思路與經(jīng)驗，適時建立重點區(qū)域環(huán)境耐藥性監(jiān)測網(wǎng)絡，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：本文內容呈現(xiàn)略有調整，若需可查看原文。

作者介紹

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

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