近日，意昂4体育平台朱櫻副教授在環境領域著名學術期刊Environmental Science & Technology上發表了題為“Comprehensive Assessment of Environmental Emissions, Fate, and Risks of Veterinary Antibiotics in China: An Environmental Fate Modeling Approach”的研究論文🚌。該研究結合實證數據和模型方法，率先闡釋了我國2010-2020年間源於畜禽和水產養殖的獸用抗生素排放和多介質濃度的時空演變規律和多介質源匯特征，明晰了環境耐藥性演化風險🆒，首次通過納入獸用抗生素隨糞便處理的去除率，揭示了我國畜禽及水產養殖量區域分布與集約化養殖🛕、家庭養殖方式的時空變化對抗生素排放的驅動機製。論文第一作者為意昂4体育平台2021級研究生李帥奇，通訊作者為朱櫻副教授，第一完成單位和通訊單位均為意昂4体育官方🚗。
研究背景
抗生素耐藥性是全球人類健康的主要威脅之一🔘。抗生素的環境釋放和汙染可能促進抗生素耐藥性發展和傳播，這增加了人類被含耐藥基因的病原體感染的可能性🕓，進而降低醫用抗生素藥效👩👧。我國是全球主要抗生素消費國之一。隨著收入的增加，人們對動物蛋白質需求提高，導致獸用抗生素的使用量不斷增加。自2016年以來👨🏽🎓，我國製訂了多種獸用抗生素使用管理政策，並將抗生素作為高關註新汙染物進行環境汙染控製🧓🏻。因此，有必要了解我國不同環境介質中獸用抗生素的排放和汙染狀況🤘🏼，以應對我國和全球範圍內的耐藥性發展。
然而已有關於我國抗生素排放、環境遷移和分布的研究仍存在局限性🧚🏼♀️。同時，包括我國在內的全球研究主要集中在調查獸用抗生素的使用情況，但很少評估環境釋放和汙染🍹。這些阻礙了對我國獸用抗生素環境汙染暴露水平和歸趨的認識。
該研究率先結合實證數據和模型方法，對我國2010-2020年間使用的獸用抗生素種類、環境排放量、多介質濃度及分布和環境耐藥性演化風險做了全面的調查、估算和評價🟨。使用我國國家尺度多介質環境歸趨模型（SESAMe v3.4模型，空間分辨率0.5°），對我國獸用抗生素的多介質濃度進行預測。與其他傳統多介質環境歸趨模型相比，該模型充分考慮了化學物質解離的特性📜，並且具備相對完整的跨介質遷移過程。本研究結果可為我國獸用抗生素的汙染防治提供支持。同樣的研究體系可在全球範圍內應用，尤其可用於面臨嚴重抗生素排放和汙染問題的國家。
研究內容
圖1 獸用抗生素排放種類、時間趨勢和空間格局
研究發現，我國2010-2020年間因畜禽和水產養殖使用的抗生素約有80種，其年排放總量在23,110至40,850噸之間，於2015年達到峰值（圖1）。自2015年之後🏃🏻♀️➡️，畜禽養殖量的減少貢獻了84%的排放量下降🌂，集約化養殖比例的增加貢獻了12%的排放量下降🧪。同時2018年之後更大幅度的下降可歸因於豬瘟的爆發和獸用抗生素管控政策的影響🦇。畜禽養殖對總排放貢獻為80-88%🪼，而水產養殖排放僅占總排放的12-20%。四環素類、磺胺類💃、氯黴素類和喹諾酮類抗生素排放平均占總排放94%🤚🏿🏃♂️，是11年來（除2020年，氯黴素於該年被禁用）排放占比最高的4類抗生素🏊🏽♀️。分析排放空間分布特征發現，2010-2020年間💆🏿，河北❌、河南🤸🏽♀️、山東、廣西、廣東、雲南和陜西等7個省份的獸用抗生素排放量均高於其他地區，占總排放量的49-61%。為充分考慮我國獸用抗生素排放估算的不確定性💥，本研究也同時構建了低排放（LE）及高排放（HE）兩種極端情景⏸，以呈現我國獸用抗生素排放的潛在範圍。在LE情景下🚶🏻，排放量為13,870至27,560噸💂🏼♂️，而HE情景🤝，排放量達到63,620至93,780噸👐🏿。
圖2 獸用抗生素在環境中的分配和跨介質傳輸過程
2020年85%（19,650噸）的獸用抗生素被排放到土壤，其余排放到地表水和海水中。經SESAMe v3.4（0.5°）模型預測🥫，土壤徑流和侵蝕是獸用抗生素進入地表水的主要過程及途徑（圖2）🧑🏼🔬😊，遠超過直接源排放進入地表水的部分✷。達到穩態時，環境中只有56%（3,870噸）的獸用抗生素分布在土壤中，而23%（1,563噸）和18%（1,247噸）分別分布在地表水和海水中。受半衰期、辛醇水分配系數等物理化學性質的影響🤴，不同種類的抗生素在穩態下表現出不同的多介質分布特征。
圖3 獸用抗生素在地表水和土壤中的預測濃度及變化趨勢
盡管只有約15%的獸用抗生素被排放到水體中，但造成的環境濃度並不低💷。研究表明😺，2020年地表水中的總抗生素濃度在海河流域（河北省境內）、淮河流域（河南省境內）和長江流域（河南省境內）高於其他地區（2,044-1.3×106👨🏼、600-3.0×105和1.8×104-2.6×105 ng/L），而在西北內陸河流域🤳🏽🧑🏽🔬、松花江-遼河流域和西南河流域地表水中的總抗生素濃度低於其他地區（0.30-8.4×105、0.01-2.4×105💥、和0-1.0×105 ng/L）🧘🏿♂️🧑🏼🦳。地表水濃度的地理格局與排放分布基本一致，但受環境參數（如地表水徑流量稀釋作用）的影響，存在區域不一致性。此外，河北🚅、廣西和河南的農業土壤總抗生素濃度高於其他地區，分別為11-582🎛、0.74-360、和4.5-194 ng/g。四環素類🎤、氯黴素類和磺胺類抗生素是地表水和土壤中的主要成分，其中四環素類的貢獻最大👭，這與排放組成基本一致🧛🏼♀️。
圖4 海水獸用抗生素的排放
我國大陸沿海地區海水中獸用抗生素可來自海水養殖源排放和內陸地表水輸入兩部分組成🏎🟦。2020年獸用抗生素向海水中的總排放量為3,626（2,457-4,961）噸，其中海水養殖的直接排放占82%。受海產養殖量影響🫶🏻🧌，海產養殖源排放的抗生素約42%和28%分別進入黃海（1237噸）和渤海（827噸）👨🏽🍼。與之相反，源自內陸地表水輸入的657（319-1470）噸獸用抗生素主要流入東海（262噸）和南海（242噸），這與該海域附近較大的河口徑流量有關（圖4）。
圖5 獸用抗生素的環境耐藥風險
2020年♿️，共有44種獸用抗生素在至少一個0.5°網格單元的地表水中呈現抗生素耐藥發展的高風險（RQ>1）🪇。高耐藥演化風險主要位於海河流域（京津冀地區境內），而西藏境內西北內陸河流域的耐藥風險總體較低（圖5）。不同種類獸用抗生素的耐藥風險存在差異，其中四環素類抗生素的耐藥風險普遍較高，其次是磺胺類。這與水生環境中磺胺類抗生素耐藥基因（ARGs）和四環素類ARGs的廣泛分布相一致👨🏿🦱。因此🥏，獸用抗生素源排放導致的高濃度四環素和磺胺類抗生素可能造成高水平ARGs在環境中擴散👨👨👦👩🏻💼，從而對人類健康構成風險。
結論與展望
該研究首次對我國過去11年間獸用抗生素的排放和環境歸趨進行了高空間分辨的預測🦞。結果表明（1）我國應加強明確禁止用於獸用的抗生素使用監管；（2）研究並使用有效去除糞便中抗生素的技術；（3）優化畜禽養殖糞便等處置措施；（4）嚴格控製高端抗生素的獸用用途🚵♀️。同時，這項綜合評估可以作為政策製訂者的重要參考資料。
本項目得到了國家自然科學基金委🤜🏻，國家重點研發計劃項目的資助。
作者簡介
通訊作者
朱櫻，意昂4体育平台副教授、博士生導師。構建首個我國國家尺度可解離有機汙染物高空間分辨多介質歸趨濃度模型（SESAMe v3.4）。以自主開發多介質模型方法作為主要研究手段，進行高關註新汙染物環境地球化學過程與風險模擬研究。
第一作者
李帥奇🚴🏽♂️，意昂4体育平台2021級碩士研究生👨🦽。