综述：可持续的纳米技术驱动策略在抗生素去除和抗菌素耐药性（AMR）缓解中的应用：综述

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Sustainable nanotechnology-driven strategies for antibiotic removal and AMR mitigation: a comprehensive review

抗生素耐药性（AMR）因过度使用和不当处置引发全球危机，污染土壤与水体并加速耐药基因传播。传统污水处理效率不足，绿色纳米技术（如生物聚合物复合物、离子液体改性系统）在实验室中实现70-95%抗生素去除率，且减少二次污染。但规模化生产、生态毒性和再生技术仍存挑战，需结合风险评估与政策框架实现可持续治理。

　　

罗希特·拉杰（Rohit Raj）| 斯韦塔·阿查里亚（Sweta Acharya）| 索纳利·潘迪（Sonali Pandey）| 安基特·贾恩（Ankit Jain）

印度拉贾斯坦邦斋浦尔工程学院（Jaipur Engineering College）理学院植物学系及研究机构，邮编303905

摘要

抗生素耐药性（AMR）已成为21世纪最令人担忧的全球性问题之一，这主要是由于在人类医疗保健、兽医实践和农业生产中过度使用和不当处理抗生素所致。这些物质中有很大一部分未能完全代谢，从而被释放到环境中，污染了土壤和水生态系统。这不仅破坏了生态平衡，还对抗生素耐药基因（ARGs）和耐药微生物群落产生了选择压力，从而使其更加丰富和扩散。传统的污水处理厂（WWTPs）往往无法有效去除这些污染物。因此，需要开发可持续和环保的解决方案。在这篇综述中，我们全面探讨了绿色纳米技术在抗生素封存方面的潜力。例如，通过生物合成纳米颗粒和生物聚合物与壳聚糖、离子液体及生物炭结合的方法，在实验室条件下可实现70-95%的去除效率，并通过生物吸附、光催化降解、静电结合等机制将二次污染降至最低。尽管存在放大效应和生态毒性的风险，但结合适当的评估和强有力的政策框架，这些修复方法可以为减少抗生素污染和对抗AMR提供长期有效的途径。通过批判性地评估绿色技术的潜力和局限性，本文重点关注它们提供循环、低能耗和环保的修复解决方案的能力。通过将这些解决方案与风险评估工具、政策框架和“同一健康”（One Health）策略相结合，可以大大减轻抗生素污染带来的负面环境影响。

引言

亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）在1929年发现青霉素，标志着抗生素发展的“黄金时代”的开始，这一时代持续到20世纪70年代，期间有超过160种抗生素实现商业化。这些物质显著降低了与感染相关的发病率和死亡率（Davies, 2006）。因此，20世纪的感染相关发病率和死亡率下降了近70%，但这也为环境污染和耐药性的产生奠定了基础。很快人们发现，细菌在实验室和临床环境中都表现出对抗生素的耐药性（AMR）（Barber and Rozwadowska-Dowzenko, 1948）。

如今人们认识到，AMR对全球环境和公共卫生构成了严重威胁。世界卫生组织（WHO）将抗菌素耐药性（AMR）列为十大全球公共卫生问题之一。据估计，AMR每年导致全球127万人直接死亡，如果不采取有效干预措施，到2050年这一数字可能上升至1000万。WHO还强调，由抗生素残留物引起的持续微弱选择压力是加速耐药性发展的关键因素（Barathe et al., 2024）。

由于抗生素消耗量大、药物排放失控以及污水处理效率低下，印度的AMR负担尤为严重。根据印度医学研究委员会（ICMR）- AMR网络下属的国家疾病控制中心（NCDC）年度报告的监测数据，临床相关病原体中对氟喹诺酮类、β-内酰胺类和第三代头孢菌素的耐药率非常高（Mehanni et al., 2023）。制药设施、医院废水和农业径流中的抗生素残留物对环境和临床界面的抗生素耐药基因（ARGs）的选择和传播起到了推波助澜的作用（Larsson et al., 2007）。

据估计，2018年亚洲和中欧及东欧地区是抗生素的最大消费地区，占全球总量的72%。全球使用模式存在显著差异，不同地区的抗生素消费量各不相同。如图1所示，2000年至2018年间全球抗生素消费量稳步增长，达到超过401亿个定义日剂量，其中低收入和中等收入国家的增长最为显著（Barathe et al., 2024）。

AMR日益严重的挑战引起了全球政策制定者的关注，特别是在2024年9月的第79届联合国大会（UNGA）上得到了重点讨论。健康指标与评估研究所（IHME）记录显示，全球每年有127万人直接死于耐药性感染，总死亡人数达到495万。如果当前趋势持续，这一数字可能上升至每年1000万。在印度，人口密集、抗生素滥用和卫生条件差加剧了这一危机，2019年有1,042,500人死于AMR相关原因，另有297,000人直接死亡；据《柳叶刀》报道，到2050年这一数字可能接近200万。许多抗生素仅部分代谢后就被释放到环境中。这种情况因医疗保健、畜牧业和农业中的抗生素滥用以及不当废物处理而更加严重，导致了严重的抗生素污染（de Ilurdoz et al., 2022, Nava et al., 2022）。

绿色技术为抗生素修复提供了比传统物理化学方法更安全的替代方案，强调环保合成、低能耗和循环利用。人工湿地、生物炭复合材料（Cong et al., 2024, Fady et al., 2025）以及生物合成纳米颗粒（TiO₂、ZnO和Fe₃O₄）（Al-darwesh et al., 2024）在土壤和水中对抗生素的去除效率超过70-90%，同时将二次污染降至最低。基于纳米颗粒的技术已被广泛用于抗生素去除，包括光催化降解、高级氧化过程（AOPs）、膜过滤和纳米复合材料辅助消毒（Tripathy et al., 2024）。这些技术对多种抗生素类别具有选择性亲和力，具有高表面积和可调节的表面化学性质，能够实现快速封存、易于再生并减少二次污染，使得基于吸附的策略特别适合分散式污水处理和环境修复（Abolghasemi et al., 2025）。

本文分析了现有污水处理设施在去除环境中抗生素方面的局限性，以及抗生素在低于最低抑制浓度（sub-MIC）水平下污染土壤和废水的潜在风险。如果不解决抗生素的环境污染问题、临床管理问题和新药研发问题，AMR危机就无法得到遏制。基于纳米颗粒的吸附技术已成为从土壤和水体中去除抗生素最成功、可扩展且环保的修复技术之一（Nain et al., 2025）。生物合成纳米颗粒和基于生物聚合物的纳米复合材料凭借其大表面积、可调节的表面化学性质和对抗生素分子的选择性亲和力，在环境相关浓度下实现了有效的封存。这类基于吸附的干预措施是减少AMR传播的关键上游策略，通过降低抗生素在环境中的生物可利用性（Annu et al., 2024）。

本文提出了一个综合的、以环境为中心的框架，将抗生素污染、低于最低抑制浓度的抗生素选择压力以及抗菌素耐药性（AMR）的传播联系起来，不同于以往主要关注抗生素存在或孤立纳米材料应用的综述。本文的独特之处在于：（i）系统地将基于纳米颗粒的吸附策略与AMR缓解联系起来，而不仅仅是污染物去除；（ii）在环境相关条件下比较了生物合成纳米颗粒、基于生物聚合物的吸附剂、离子液体改性系统和生物炭复合材料；（iii）强调了生命周期考虑因素，如生态毒性、再生和可持续性。本文结合了全球（WHO）和国家（NCDC, India）关于AMR的观点以及环境纳米技术解决方案（Singer et al., 2016）。

部分内容摘录

抗生素在环境中的存在：来源、途径和归趋

印度作为全球最大的抗生素生产和消费国之一，特别容易受到抗生素污染对环境和公共卫生的负面影响（Taneja and Sharma, 2019）。要了解AMR的持久性，有必要通过工业、文化和临床方法追踪抗生素在环境中的传播途径。

在印度，抗生素在农业、畜牧业和人类医疗中的广泛使用...

环境中抗生素的生态毒性和人类健康危害

这种持久性转化为生态毒性和人类健康风险，因为药物活性成分会从处理后的社区废水、生物固体和粪便中持续释放；在水生和陆地环境中都经常检测到高浓度的抗生素（Christou et al., 2017）。如果药物通过废水或生物固体进入土壤，它们可以被植物根部吸收并影响作物生长...

低于最低抑制浓度（sub-MIC）水平的抗生素耐药性和选择压力

抗生素耐药性不仅限于治疗浓度；即使在微量抗生素存在的情况下，微生物也会进化并产生耐药性。人类和动物体内自然存在的抗生素对自然环境（如土壤或水）的影响尚不清楚，尽管显而易见的是，高浓度的抗生素使用...

传统污水处理策略及其局限性

关于抗生素吸附的研究仍然有限，最近的进展主要集中在寻找活性炭的替代吸附剂上。尽管吸附方法是水处理中最常用的方法之一，但在自然废水系统中，抗生素的去除效率相对较低（48-77%）。目前的技术仍不足以完全解决这一问题。抗生素的广谱性和普遍性需要专门的去除技术...

用于可持续环境修复的绿色技术

基于绿色技术的修复方法正在不断完善，应继续改进以去除和封存抗生素。绿色修复方法强调环保和高效，从而显著降低能耗。这些方法的总体去除效率超过70-90%，通常优于传统污水处理厂（WWTPs）。

绿色纳米技术的挑战、风险评估和可持续性考虑

生物合成纳米颗粒由微生物、植物提取物或生物聚合物制成，被认为比化学合成的纳米颗粒对环境的破坏性更小。天然封盖剂提高了胶体稳定性，减少了生物合成过程中的有害前体和化学废物。通过降低抗生素在环境中的选择库，基于吸附的纳米技术增强了传统的AMR处理方法...

结论与未来展望

因此，与环境相关的抗生素污染与抗生素耐药性的传播密切相关。传统处理方法无法消除微量污染物，反而可能促进耐药基因的传播；因此，迫切需要绿色技术。然而，这些绿色技术的主要缺点包括可重复性、环境变异性、纳米颗粒的生态毒性、生物炭的脱附以及政策支持不足...

未引用的参考文献

Roy等人，相关期刊。

CRediT作者贡献声明

罗希特·拉杰（Rohit Raj）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。斯韦塔·阿查里亚（Sweta Acharya）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、数据整理。索纳利·潘迪（Sonali Pandey）：项目管理、正式分析。安基特·贾恩（Ankit Jain）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。