抗生素的發(fā)現(xiàn)對于醫(yī)藥發(fā)展以及傳染病的治療具有劃時(shí)代意義,如今已注冊并流入市場的抗生素種類多達(dá)百種,這些抗生素廣泛應(yīng)用于人類及牲畜的疾病治療,同時(shí)也作為促生長劑在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大量使用。雖然抗生素的使用具有重要的醫(yī)療意義,但由于缺乏健全的管理機(jī)制以及逐年增長的抗生素產(chǎn)量及銷量,抗生素濫用已逐漸引起全球性生態(tài)問題�？股剡M(jìn)入有機(jī)體后無法被完全吸收或利用,約有攝入總量30-90%的抗生素以母體或代謝產(chǎn)物的形式隨尿或糞便排出有機(jī)體外,隨后進(jìn)入環(huán)境。由于抗生素的頻繁使用,最終導(dǎo)致其在環(huán)境中的持續(xù)輸入及積累,抗生素因此也被稱為環(huán)境中的“假持久性”污染物。由于抗生素具有較強(qiáng)的親水性,因此其多殘留在水環(huán)境中,抗生素污染情況在接收污水排放的地表水體中尤為嚴(yán)重。近年,國際上針對環(huán)境中殘留的抗生素已展開大量研究,但對于以下幾方面仍顯不足:人類活動對于水環(huán)境中抗生素污染的影響程度;抗生素在具有水力聯(lián)系的不同水體間的遷移;抗生素在環(huán)境殘留水平下對于水生生物的影響及毒性效應(yīng)。本文即針對以上問題展開研究。本文研究區(qū)位于中國中部的江漢平原以及美國中部的歐扎克高地地區(qū),圍繞水環(huán)境中殘留的抗生素開展如下研究:識別水體中抗生素的污染來源;探討抗生素的季節(jié)及空間變化規(guī)律,以及在不同水體之間的遷移情況;評估兩個(gè)研究區(qū)水體中殘留抗生素的抗性基因危害及水生生態(tài)風(fēng)險(xiǎn);針對抗生素毒性敏感生物研究抗生素對其生長及生理機(jī)能的毒性效應(yīng)。本研究探討的抗生素包括:大環(huán)內(nèi)酯類,四環(huán)素類,氟喹諾酮類及磺胺類抗生素。論文取得了以下主要研究進(jìn)展:1、通過選取不同程度人類活動干擾的研究區(qū)開展抗生素污染調(diào)查,從而識別水體中抗生素的污染來源并探討人類活動對于抗生素污染的影響程度。此部分研究在美國中部歐扎克高地展開,研究選取三種土地利用類型下受不同程度人類活動干擾的自然流域,分別為:受人類活動干擾最少的森林區(qū)(參考區(qū));分布有個(gè)別養(yǎng)雞場的牧場及草場區(qū)(中度區(qū));居民聚居城鎮(zhèn)區(qū)(密集區(qū)),該區(qū)域自然水體接收多個(gè)污水處理廠的廢水排放。相較于參考區(qū)和中度區(qū)水體中抗生素的少量殘留,抗生素的最高殘留水平出現(xiàn)在人類活動密集區(qū),檢測到年平均抗生素總量為202.87 ng/L,高出參考區(qū)30多倍及中度區(qū)70多倍。說明生活污水的排放是該地區(qū)地表水中抗生素的主要來源,且在該研究區(qū),密集的人類活動伴隨抗生素的大量排放,進(jìn)而導(dǎo)致自然水體中嚴(yán)重的抗生素污染。在醫(yī)藥領(lǐng)域,磺胺甲惡唑和甲氧芐氨嘧啶通常共同使用以提高藥效(又稱復(fù)方磺胺甲惡唑),而這兩種抗生素在研究區(qū)內(nèi)所有水體中均被大量檢出,且在有污水排放的密集區(qū)水體中被檢出平均殘留比例為6:1。在選定的三個(gè)自然流域中,春季檢測出抗生素的總量均高于冬季,推測原因?yàn)榇杭咀鳛榧膊「甙l(fā)期以致抗生素被大量使用,且檢測出地表水流速在春季更為緩慢,進(jìn)而減緩抗生素隨水流的遷移衰減。2、抗生素進(jìn)入環(huán)境的最初受體地表水后,進(jìn)一步探索其在水環(huán)境中的遷移及相關(guān)影響因素。此部分研究在中國中部江漢平原地區(qū)展開,主要研究區(qū)選定為鄉(xiāng)村地區(qū),其主要特征為頻繁的農(nóng)業(yè)活動,以及當(dāng)?shù)鼐用裱睾泳劬?但因缺少集中的污水處理設(shè)施,生活污水及農(nóng)業(yè)廢水大多未經(jīng)處理直接排放至地表水體中。針對研究區(qū)養(yǎng)豬廢水、河水、不同深度含水層的地下水,通過調(diào)查抗生素在不同水體中的殘留情況,探討水環(huán)境中抗生素的季節(jié)及空間變化特點(diǎn)。借助地下水中水化學(xué)因子隨季節(jié)的變化,探索地表水與地下水之間的相互作用對于地下水中抗生素污染的影響。水環(huán)境中的抗生素殘留水平及其變化除受到污染源及其相對位置影響外,還受水流動力影響,其在雨季表現(xiàn)尤其明顯�？股卦诓煌w中的總體殘留水平由高到低為:養(yǎng)豬廢水河水地下水,養(yǎng)豬廢水中抗生素最高殘留水平出現(xiàn)在冬季,而對于河水和地下水,春季為抗生素在水體中殘留濃度最高的季節(jié)。不同水體中主要?dú)埩舻目股仡悇e存在差異,養(yǎng)豬廢水中主要?dú)埩艨股貫榇蟓h(huán)內(nèi)酯類和磺胺類抗生素,河水中的優(yōu)勢殘留化合物為大環(huán)內(nèi)酯類抗生素,而地下水中則是氟喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素。河水中的抗生素在水流的作用下其水平衰減作用不明顯,但其在含水介質(zhì)的過濾作用下,隨著含水層深度的增加,地下水中抗生素殘留濃度在垂向上呈明顯遞減趨勢。地下水水化學(xué)因子在雨季的明顯濃度變化(DOC,EC,Cl-以及SO42-濃度升高,Fe和Mn濃度下降)表明,雨季地下水受到地表水補(bǔ)給。綜合分析地表水及地下水水位變化趨勢,和地表水及地下水中抗生素濃度隨季節(jié)變化情況,推測該研究區(qū)地下水中的抗生素主要來源于受抗生素污染的地表水,且主要通過地表水補(bǔ)給地下水過程大量輸入到地下水環(huán)境中,地下水中抗生素殘留濃度水平是地表水中抗生素輸入及地表水補(bǔ)給過程中水量稀釋綜合作用的結(jié)果。3、基于兩個(gè)研究區(qū)不同水體中抗生素的殘留濃度,評估其對水生態(tài)環(huán)境的危害及風(fēng)險(xiǎn)。危害分析基于抗生素抗性基因的選擇閾值,風(fēng)險(xiǎn)評估則針對三種營養(yǎng)級生物(藻類,水蚤,魚類)評估殘留抗生素能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生負(fù)面影響的潛在可能。評估結(jié)果表明,兩個(gè)研究區(qū)不同類型水體中抗生素的殘留水平均對水生態(tài)環(huán)境具有不同程度的潛在危害和風(fēng)險(xiǎn)。通過危害分析可知,人類活動密集區(qū)水體中殘留的抗生素水平對于生物體抗生素抗性基因具有潛在的選擇風(fēng)險(xiǎn);水體中甲氧芐氨嘧啶的殘留濃度雖低于磺胺甲惡唑,但其對抗性基因的潛在選擇風(fēng)險(xiǎn)則高于磺胺甲惡唑;同時(shí),磺胺甲惡唑和甲氧芐氨嘧啶混合物的抗性基因選擇風(fēng)險(xiǎn)高于單體生素作用的情況。進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果表明,暴露在含有抗生素污染水體中反應(yīng)敏感的水生生物按順序?yàn)?藻類水蚤魚類;與危害評估結(jié)果相似,在人類活動密集區(qū)域的地表水體中高水平的抗生素殘留,對于水環(huán)境具有更大的生態(tài)危害風(fēng)險(xiǎn)。對于重要淡水資源儲庫的地下水環(huán)境,其中抗生素的殘留水平,在抗性基因危害分析中其仍處于“相對安全”范疇,但在風(fēng)險(xiǎn)評估中,地下水中殘留的抗生素對于藻類和水蚤的危害可能性分別為低風(fēng)險(xiǎn)和中度風(fēng)險(xiǎn)級別。此外,水生生物暴露在混合抗生素狀態(tài)下的受害風(fēng)險(xiǎn)顯著高于單獨(dú)抗生素暴露情況。在實(shí)際環(huán)境中,多種抗生素同時(shí)殘留于水環(huán)境中共同作用于水生生物體,且在抗生素抗性基因危害分析及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中,抗生素混合物帶來的環(huán)境影響遠(yuǎn)大于單體抗生素。因此,關(guān)于有機(jī)體對于多種抗生素混合物的毒性效應(yīng)數(shù)據(jù)庫亟待建立,以使建立在混合物毒性數(shù)據(jù)上的進(jìn)一步環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估更具現(xiàn)實(shí)意義。4、基于上述研究,藻類作為對抗生素毒性響應(yīng)最敏感的生物,被選為目標(biāo)水生生物體開展抗生素毒理學(xué)研究。P.subcapitata屬于微藻的一種,設(shè)計(jì)將其分別暴露于以下三種情況的抗生素中:磺胺甲惡唑,甲氧芐氨嘧啶,磺胺甲惡唑:甲氧芐氨嘧啶=6:1(比例實(shí)際檢測自人類活動密集水域地表水體)。探討抗生素對于目標(biāo)生物的毒性效應(yīng),其主要基于微藻生長抑制情況,以及抗生素對于微藻自身光合作用的色素產(chǎn)量的影響。微藻生長抑制實(shí)驗(yàn)共計(jì)持續(xù)96小時(shí),結(jié)果表明,在三種設(shè)計(jì)暴露情況下,72h生長抑制半數(shù)有效濃度(EC50)均小于96h-EC50。由于毒性數(shù)據(jù)一般被用于進(jìn)行環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)評估,因此其數(shù)值越小,則評估結(jié)果越安全保守;其次,72小時(shí)的培養(yǎng)周期正位于P.subcapitata的對數(shù)生長周期中段,此時(shí)微藻生長受營養(yǎng)競爭及自然死亡的影響有限,因此抗生素暴露為其生長抑制的主要誘因。所以,對于P.subcapitata,相對于96h-EC50,72h毒性數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確且更有利于進(jìn)一步的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估。相較抗生素對微藻的生長抑制,其對微藻的色素產(chǎn)量影響更為明顯,色素包括葉綠素A,葉綠素B,以及總類胡蘿卜素。三種抗生素暴露情況下得到的72h生長抑制EC50值分別為:磺胺甲惡唑EC50=0.37mg/L;甲氧芐氨嘧啶EC50=56.46 mg/L;磺胺甲惡唑:甲氧芐氨嘧啶=6:1混合暴露情況下得到的72h-EC50值最低,為0.257 mg/L磺胺甲惡唑以及0.043 mg/L甲氧芐氨嘧啶。由此進(jìn)一步證明,混合物暴露情況下,對于生物體的毒性作用強(qiáng)于單體抗生素暴露的情況。本研究所涉及的兩個(gè)調(diào)查區(qū)域水體中,磺胺甲惡唑和甲氧芐氨嘧啶的殘留水平均處于ng/L,對比上述毒性結(jié)果(mg/L)可知,研究區(qū)自然水體中相應(yīng)抗生素污染水平在短期內(nèi)不會對于微藻生物P.subcapitata產(chǎn)生明顯的生長抑制和減少色素合成的毒性作用。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：X52
【文章目錄】：
作者簡歷
摘要
abstract
Chapter 1 Introduction
    1.1 Overview of antibiotics
    1.2 Source and distribution of antibiotics
        1.2.1 Source of antibiotics in the aquatic environment
        1.2.2 Distribution of antibiotics in surface water and groundwater
    1.3 Antibiotics migration from surface water to groundwater
    1.4 Ecological risk and hazard of antibiotics in aquatic ecosystem
    1.5 Sites description
        1.5.1 Ozark Highland in central USA
        1.5.2 Jianghan Plain in central China
    1.6 Objectives and innovations
        1.6.1 Objectives
        1.6.2 Innovations
Chapter 2 Occurrence and Sources of Antibiotics in the aquaticenvironment: a case study in Ozark Highlands, central USA
    2.1 Introduction
    2.2 Materials and methods
        2.2.1 Site description and sampling
        2.2.2 Standards and chemicals
        2.2.3 Sample pretreatment and analysis
        2.2.4 Quantification and method validation
        2.2.5 Statistical analysis
    2.3 Results and discussion
        2.3.1 Occurrence of antibiotics in surface water
        2.3.2 Spatial and temporal patterns of antibiotics in surface waters
    2.4 Conclusions
Chapter 3 Occurrence and transport of antibiotics in surfacewater-groundwater systems: a case study in Jianghan Plain, central China
    3.1 Introduction
    3.2 Materials and methods
        3.2.1 Site description and sampling
        3.2.2 Standards and chemicals
        3.2.3 Hydrochemical analysis
        3.2.4 Extraction and analysis of antibiotics
        3.2.5 Quantification and method validation
        3.2.6 Statistical analysis
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Hydrochemistry
        3.3.2 Occurrence and seasonal variations of antibiotics in the aquaticenvironment
        3.3.3 Spatial patterns of antibiotics in the aquatic environment
        3.3.4 The effect of surface water-groundwater interactions on antibioticsconcentration in groundwater
    3.4 Conclusions
Chapter 4 Hazard and risk assessment of antibiotics in the aquaticenvironment
    4.1 Introduction
    4.2 Methods
        4.2.1 Resistance hazard assessment
        4.2.2 Risk assessment
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 Resistance hazards of antibiotics in the aquatic environment
        4.3.2 Environmental risks of the individual pharmaceuticals
        4.3.3 Environmental risks of antibiotics mixtures in the aquatic environment
    4.4 Conclusions
Chapter 5 Toxicity of antibiotics on green algae
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and methods
        5.2.1 Chemicals
        5.2.2 Algal culture
        5.2.3 Procedure for the growth inhibition test
        5.2.4 Photosynthetic pigment content
        5.2.5 Quality assurance and quality control
        5.2.6 Statistical analysis
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 Toxicity of individual antibiotics based on P. subcapitata growth
        5.3.2 Toxicity of mixture based on P. subcapitata growth
        5.3.3 Toxic effects of antibiotics on pigment synthesis
    5.4 Conclusions
Chapter 6 Conclusions and suggestions
    6.1 Conclusions
    6.2 Suggestions
Acknowledgement
References

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本文編號：2882473