协同作用与拮抗作用：抗生素污染下土壤环境因素的差异性响应

《Applied Soil Ecology》：Synergy and antagonism: Differential responses of soil environmental factors under antibiotic pollution

抗生素污染在土壤生态系统中的来源、迁移与生态效应研究。主要发现80%以上土壤抗生素残留源自畜禽粪便和医疗废物，新型抗生素如colistin和daptomycin具有独特环境行为，其迁移与降解受土壤理化性质（pH、质地、有机质）和微生物群落协同调控，并引发多介质迁移、水平基因转移及生态链破坏。

　　

王玲|惠坤龙|王东|孙杰|袁颖|谭文兵

中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室及地下水污染模拟与控制国家重点环境保护实验室，北京，100012，中国

摘要

作为新兴污染物，抗生素在其在土壤生态系统中的归趋和风险方面引起了全球关注。本文系统地探讨了它们的来源、分布及其与土壤物理化学和生物因素的相互作用。主要研究发现，超过80%的土壤抗生素残留物来源于畜禽粪便和医疗废物，而像多粘菌素和达托霉素这样的新兴抗生素表现出独特的环境行为。抗生素的行为受到土壤性质（如质地、pH值、有机物）、抗生素特性以及共存污染物的多维相互作用的影响。例如，土壤质地和pH值共同决定了抗生素的归趋：沙质土壤通过通气促进微生物降解，而粘土土壤由于高吸附性和低渗透性则抑制降解。共存的抗生素会竞争吸附位点，导致四环素在表土中积累，而磺胺类药物则容易渗出。抗生素污染还会通过重塑微生物群落、破坏生物地球化学循环、促进抗性基因的水平转移以及损害植物、酶和动物功能等方式引发连锁生态影响。

引言

土壤是陆地生物生存和发展的关键介质，其健康状况直接维持着生物多样性和生态平衡。然而，由于医疗和农业领域对抗生素的广泛使用及其残留物的不当排放，土壤正面临日益严重的抗生素污染和抗性基因传播的压力。据估计，全球每年约有60-70%的抗生素用于畜牧业，其中超过80%的剂量最终以原始或代谢形式进入环境，主要通过粪便施肥、废水灌溉等途径在土壤中积累（Lyu等人，2020；Song等人，2021）。这一过程不仅导致直接的生态毒性，还通过多介质迁移、生物累积和水平基因转移，对从土壤微生物到食物链的多个生态系统构成多重生态风险（Song等人，2021）。抗生素在土壤中的环境行为，包括吸附-解吸、迁移和降解，受其物理化学性质（如分子结构、极性）和土壤环境因素（如pH值、质地、有机物、微生物群落）的共同调控（Gworek等人，2021）。由于四环素含有可电离基团，它们可以通过静电相互作用和阳离子桥接作用强烈吸附；而氨基糖苷类由于含有羟基和氨基，能够形成密集的氢键网络，使其对水分子具有高亲和力，从而容易渗出并迁移到土壤深层（Zhi等人，2019）。

然而，近年来出现的或衍生的抗生素，如达托霉素（临床广泛应用）、多粘菌素（一种常用于畜牧业的多肽抗生素和生长促进剂）和替加环素，在结构、活性和环境行为上表现出显著特性，其与土壤环境因素的关联不容忽视（Zumstein和Helbling，2019）。例如，多粘菌素（10 mg/kg）和赛唑胺（30 mg/kg）联合处理四周后，土壤有机质、pH值和总氮含量显著增加，表明多粘菌素和杀菌剂的共污染直接改变了土壤的物理化学性质（Zhao等人，2025）。同样，加替沙星在肉鸡粪便的好氧堆肥过程中容易降解，其半衰期和降解效率受到堆肥物理化学性质（如温度和pH值）的显著影响（Du等人，2023）。同时，堆肥后残留的重金属（如锌和铬）可能随有机肥料进入土壤，带来潜在的复合污染风险（Chu等人，2021）。值得注意的是，尽管替加环素未被批准用于畜牧业，但在畜禽粪便样本中检测到的相关抗性基因（包括六个tet(X)变体和tmexCD1-toprJ1）的检出率仍高达90%-100%（He等人，2023）。这间接反映了这些新型抗生素通过抗性基因的潜在环境传播风险，并突显了它们的环境行为与生物因素之间的密切关联。更关键的是，大多数现有研究仅关注单一因素或单一类别抗生素的影响，缺乏对“土壤环境因素-抗生素-共污染物”多系统相互作用的系统整合分析。土壤质地对吸附的调控、pH值对形态变化的影响、有机物对迁移的调节以及微生物群落的响应和反馈共同构成了一个动态且非线性的复杂网络，其整体行为机制尚未完全阐明（Koba等人，2017；Lv等人，2023）。因此，阐明多种环境因素如何协同调控不同抗生素（尤其是新兴抗生素）的环境行为和生态效应，已成为当前土壤污染领域亟需解决的核心科学问题。

关于土壤环境中抗生素的研究结果已根据其来源、变化模式和检测方法获得。一些修复技术也已被探索，主要包括具有同时检测和修复功能的微生物电化学系统等复合或混合技术（Kaur Sodhi和Singh，2022）。在修复方面，我们建议实施多层次策略，重点关注源头减少、技术创新和农业改进，包括阻断抗生素的输入和提高环境的自我净化能力（Zhi等人，2019）。然而，土壤生态系统内的生物多样性、资源分布的稳态平衡、土壤性质的异质性以及它们与各种污染物的动态相互作用的复杂性，给控制土壤污染带来了重大挑战。在ScienceDirect上以“抗生素”和“土壤”为关键词进行搜索后，我们发现2000年至2025年间发表了81,053篇与土壤抗生素相关的文章。尽管已有大量研究在来源分析、检测技术和修复策略方面取得了显著成果，但大多数综述仍局限于描述现象或讨论单一过程，缺乏对多因素相互作用机制的深入分析，也未将新兴抗生素的独特行为纳入系统框架进行比较和整合（Kaur Sodhi和Singh，2022；Wu等人，2023）。因此，本文系统分析了土壤环境中抗生素的主要来源，总结了环境因素变化与抗生素的吸收、解吸、转移和转化过程之间的相互影响，并系统筛选和分析了过去25年的约200篇核心文献。本文的创新主要体现在三个方面：它系统整合了新兴/衍生抗生素（如多粘菌素、达托霉素和替加环素）的环境行为数据，填补了该领域传统综述的空白；详细阐述了土壤物理化学性质（质地、pH值、有机物）、生物因素（微生物、酶活性）和共存污染物（重金属、农药）之间的多维相互作用机制，突破了单一因素分析的局限性；并构建了一个“多因素协同调控、复合污染效应和生态风险传递”的综合分析框架，旨在为土壤抗生素污染的精准预测和全面预防控制提供新的理论基础和决策支持。通过这篇综述，我们旨在为后续研究提供更明确的方向，推动土壤抗生素污染研究从现象学描述向机制分析和系统调控的转变。

部分摘录

土壤中抗生素的来源和分布

抗生素进入土壤环境是一个由自然过程和高强度人类活动共同驱动的复杂过程。传统上，其来源被分为自然来源和人为来源。然而，当前的土壤抗生素污染实质上是一个由人为来源主导的过量输入过程，其流量远远超过了自然合成和释放的规模。尽管特定的土壤微生物（如

土壤pH值

土壤pH值通过两种方式深刻影响抗生素的吸附-迁移-降解过程：调节电荷状态和形成化学复合物。这决定了抗生素与土壤颗粒的相互作用及其在环境中的最终归趋（Rodríguez-López等人，2024）。其影响体现在三个方面。首先，它通过改变分子的电荷状态来调节抗生素与土壤颗粒之间的相互作用强度。例如，当pH值<7.0时，四环素

土壤细菌

土壤细菌通过参与养分循环、污染物降解和促进植物生长来维持土壤生态系统的稳定性和抵抗力。代谢活性、生物量和α多样性可以用来指示土壤的健康状况（Philippot等人，2024）。抗生素污染通过抑制微生物生长或间接改变环境因素，直接损害细菌的结构和功能稳定性，从而破坏土壤的生态平衡。

研究结论总结

已经进行了全面的研究，探讨了不同土壤环境因素对抗生素污染的差异性响应。土壤抗生素污染具有多维和非线性的复杂特征（表2），主要表现为：（1）抗生素引起的物理化学性质变化：土壤质地、含水量、pH值和离子类型的变化产生了不同的吸附位点、通气能力和有机物迁移过程

CRediT作者贡献声明

王玲：撰写——初稿。惠坤龙：撰写——审阅与编辑、调查、资金获取。王东：撰写——审阅与编辑。孙杰：调查。袁颖：调查。谭文兵：资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了SINOPEC研究与发展计划（编号324001）、国家自然科学基金（编号22308342）以及土壤污染控制与安全国家重点实验室的开放项目（编号SPCS-2025-02009）的财政支持。