【NSO新污染与新污染物专题】全球河流抗生素概览
《国家科学进展》 中国科学杂志社 2022-09-14 14:51 发表于北京
抗生素作为一类典型的新污染物在世界范围广受关注。近日，中国农业大学李思副教授和北京大学孙卫玲、倪晋仁教授在《国家科学进展》（National Science Open, NSO）合作发表了题为“Antibiotics in global rivers”的最新综述，系统揭示了全球河流抗生素污染空间分异特征及驱动机制，从全球、大洲、国家、流域尺度评估了河流抗生素的潜在生态风险和健康风险，为河流可持续管理提供了新的认识和科学依据。论文由全球水体抗生素出现与分布的“成因链”出发，提出了基于全生命周期的抗生素可持续管理“对策链”。在对抗生素本身从生产、销售、消费、排放及其环境行为等进行全过程管控的同时，亟需普及对抗生素及其影响的客观认识，建立全球抗生素监测网，改善卫生条件，完善优化医疗设施，细化用药管理制度，研发有效替代产品，使抗生素更好地服务人类健康。
全球河流抗生素的“大数据库”
文章分析了1999~2021年以来600多篇河流抗生素监测的相关文献，汇集了从全球七大洲（亚洲、欧洲、非洲、北美洲、南美洲、大洋洲和南极洲）76个国家10,000多个水样和沉积物采样点获得的90,000多条抗生素监测数据，建立了169种抗生素及其代谢物的综合数据集，包含磺胺类（SAs）、四环素类（TCs）、喹诺酮类（QNs）、β-内酰胺类（β-Ls）和大环内酯类（MLs）等多种类型抗生素。发现了世界河流中普遍检出的抗生素，特别是磺胺甲噁唑（sulfamethoxazole, SMX）、甲氧苄啶（trimethoprim, TMP）、磺胺二甲嘧啶（sulfamethazine, SMZ）、环丙沙星（ciprofloxacin, CIP)、诺氟沙星（norfloxacin, NOR）和红霉素（erythromycin, ETM）。
图1 全球河流水体 (A)与沉积物 (B) 中抗生素监测点分布以及抗生素类型在国家（C、D）和大洲尺度 (E、F)上表现出的多样性。
世界河流抗生素的分布格局
基于全球尺度河流抗生素数据库，构建了世界河流抗生素浓度分布图谱。在洲际、国家和流域尺度下，分别剖析了河流水体和沉积物抗生素浓度分布特征。研究发现，抗生素浓度较高的河流主要位于欠发达国家或新兴经济体（如非洲、南美洲和亚洲）国家。河流水体中32种代表性抗生素的中值浓度范围为ND–286 ng/L，其中，90.0%的中值浓度低于10.0 ng/L。与其它洲相比，非洲河流水体和沉积物中抗生素浓度相对较高，污水处理系统尚不健全是当前和未来相当长时期内的重大挑战。
图2 全球河流抗生素浓度分布。全球河流水体中32种代表性抗生素的浓度中值 (A)以及在五大洲的浓度分布特征：北美洲 (B)，南美洲 (C)，欧洲 (D)，非洲 (E)，亚洲 (F)。
河流抗生素与区域发展水平
河流抗生素空间分异特征与自然和社会经济因素密切相关。利用基于距离的冗余分析（distance-based redundancy analysis）和方差分解分析（variance partitioning analysis）方法对全球河流中代表性抗生素浓度空间分异特征及驱动机制进行分析，结果表明：社会经济变量对抗生素浓度变化的贡献高达66%，不同国家的抗生素污染程度与国民总收入指数、预期寿命和受教育机会显著相关。总体上，国家/地区的人类发展指数（human development index，HDI）与河流水体中磺胺甲噁唑（SMX）和甲氧苄啶（TMP）两类典型抗生素特征浓度呈现强负相关关系，或可成为评价与预测河流抗生素污染的重要依据。
图3 河流抗生素空间分布特征与自然和社会经济因素密切相关。不同国家河流水体中典型抗生素空间分布特征：SMX (A)，TMP (B)。全球不同国家人均国民总收入 (C) 和人口密度 (D)。不同人类发展指数 (HDI) 级别国家中SMX (E) 和TMP (I) 浓度对比。抗生素特征浓度与HDI的关系：SMX (F−H)，TMP (J−L)。
河流优控抗生素甄别与监管导航
提出了适用于大数据集的基于生态风险加权频率的水体优控抗生素筛查方法，即加权频率风险熵值法（weighted frequency of RQ, WFRQ），从全球、大洲和国家尺度对河流优控抗生素进行了甄别。全球河流中排序前五的优控抗生素为阿莫西林（amoxicillin, AMX）、磺胺甲噁唑（SMX）、脱水红霉素（anhydroerythromycin, AETM）、甲氧苄啶（TMP）和磺胺吡啶（sulfapyridine, SPD）。磺胺甲噁唑（SMX）和甲氧苄啶（TMP）因其较高的持久性和较长的使用历史，在五大洲及四个代表性国家（中国、美国、西班牙和巴西）均列入优控抗生素清单。
图4 全球和大洲尺度下河流优控抗生素排序。WFRQ累积分布图 (A)。不同尺度下优控抗生素排序：全球 (B)，北美洲 (C)，南美洲 (D)，欧洲 (E)，非洲Africa (F)，亚洲 (G)。
上述研究得到了国家重点研发计划（2021YFC3200901）、国家自然科学基金（51721006、51925901和52100204）和中国科学院青年交叉团队项目（JCTD-2021-13）的资助。合作作者包括中国科学院城市环境研究所孙倩研究员、北京师范大学水科学研究院王易初博士等。该文将收录于NSO“新污染与新污染物”专题（Special Topic: Emerging Pollution and Emerging Pollutants）中 ▼
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Antibiotics in global rivers. National Science Open, 1: 20220029, 2022.
https://doi.org/10.1360/nso/20220029
