|
◎ 恆春分所 康定傑
■ 前言
抗生素抗性基因 (antibiotic resistance genes, ARGs) 是受到廣泛關注的新興污染物。畜牧廢水中存在許多不同類型的ARGs。如果得不到有效處理，它們會威脅到動物生產、公眾健康和周圍環境的生態安全。
抗生素廣泛應用於畜牧業，長期使用導致細菌抗藥性產生。2013年中國抗生素使用總量約為16.2萬噸，佔全球消費量的一半，其中動物用抗生素佔52%，即8.4萬噸。根據美國食品和藥物管理局 (FDA) 的報告指出，2011年有1.3萬噸的抗生素用於經濟動物，占美國抗生素總消耗量的80.5%。同樣，在越南，超過2千噸的抗生素以促進生長用途使用於養豬業，1.13萬噸用於疾病預防，1.67萬噸用於疾病治療。抗生素長期使用導致動物腸道中微生物產生了抗生素抗性基因 (ARG)。此外，獸用抗生素不能被畜禽完全吸收或降解時，殘留的抗生素大部分以未代謝的藥物及其代謝產物的形式通過尿液和糞便排出體外。現行大型畜禽場均有廢水處理系統，放流水除進入河川溪流外，也有很大部分會進行農地施灌之用，ARGs便可經此進入到環境中。此外，ARGs還可以經由基因感染的形式轉移進入其他細菌內，威脅生態安全（圖 1）。更為嚴重的是病原體亦是ARG的重要宿主，這將更進一步形成更為廣泛而且嚴重的問題。2019年，全球約有495萬人死於對抗生素產生抗藥性的細菌感染，其中127萬人直接因為細菌具有抗生素抗藥性而死亡。越來越多國家已經禁止使用抗生素作為生長促進劑。然而，ARG污染的數量仍然在逐漸增加，並無受到控制的跡象。因此，有必要建立有效的去除程序及方法來預防和控制抗生素抗藥性基因的進一步傳播與危害。廢水是主要的畜禽飼養廢棄物之一，也是ARGs的重要積存處。中國每年產生約38億噸畜禽糞便。其中，養殖廢水超過4.6億噸。然而，目前的畜禽廢水處理程序主要是針對有機物、氨氮、磷、抗生素和重金屬等常規污染物的處理，而不是ARGs或抗生素抗藥菌。因此，有必要了解不同畜禽廢水處理程序對ARGs的去除效果，以了解其造成之實際影響與作用機制，為ARGs和抗生素抗藥性污染的控制提供參考。
■ 牲畜廢水中 ARG 分布概況
畜禽廢水是ARGs的重要儲存庫。廢水中經常檢測到四環素類、氨基糖苷類、磺胺類、大環內酯類、鏈黴素、桿菌肽、β-內酰胺類、氯黴素、喹諾酮類、甲氧芐氨嘧啶、磷米黴素、多粘菌素和萬古黴素等之抗藥性基因，ARGs的絕對數量在108–1010 copies/mL之間，相對量在10-3和10-1 copies/16S rRNA 基因之間。其中，四環素、氨基糖苷類、大環內酯-林可酰胺-鏈陽菌素（MLS）、磺胺類和氯黴素類抗藥基因量最多，分別佔總ARGs的28.13%、23.64%、12.17%、11.53%、8.74%和6.18%，它們的量分別高達 2.41 × 10-1、2.03 × 10-1、1.04 × 10-1、9.90 × 10-2、7.49 × 10-2 和 5.31 × 10-2 copies/16S rRNA。根據不同的抗藥機制，ARGs可分為外排幫浦 (efflux pump)、標靶保護 (target protection)、酶修飾 (抗生素失活) 等類型。此外，大多數ARGs存在於畜禽廢水中的細菌內，部分ARGs存在於噬菌體中，少量ARGs以核酸形式游離於廢水中。
 |
|
圖1. ARG於畜牧場與環境中之循環 （Huang et al., 2019）。 |
■ ARG在畜禽廢水中的危害
畜禽廢水中殘留的ARG會隨著廢水的外排和利用進入農場和周圍環境，威脅人類健康。在中國廣東省肇慶市養豬場監控研究發現在豬場下游河水blaTEM抗性基因量為107copies/mL，明顯高於上游河水 (105 copies/mL)。此外，養豬場周圍河川之下游沉積物中，ARG的量比上游沉積物高1.2倍。這意味著殘留在畜禽廢水中的ARGs在周圍水體及土壤中均很多，並可被細菌或噬菌體攜帶，進入水生動植物體內，在整個食物鏈中造成更嚴重的抗生素抗藥性污染 (Yang et al., 2019)。畜禽廢水中存在的ARG和抗藥細菌也可以氣溶膠形式進入空氣。Sun et. (2020) 發現在豬場實習3個月的學生，糞便樣本中ARGs的成分與豬場環境中的一致，說明ARGs可以通過一定的途徑進入人體腸道，進而影響腸道菌群的組成。應該注意的是，在畜禽廢水中檢測到了危害較大之高風險mcr-1、blaNDM及tetX，也在豬場廢水中檢測到具臨床抗藥性的blaCTX、blaCMY和qnrB等ARG，這些結果讓我們知道，這些基因的存在會進入病原菌，並使之產生抗生素抗藥性，此結果將使疾病的治療更加困難。
抗生素的危害現已不僅侷限於用藥動物本身所致的抗藥性問題，其汙染更進一步經由糞尿及清洗畜舍之廢水而影響到周遭的空氣、水體及土壤。更可怕的是這些抗藥性基因會藉由感染的方式侵入細菌甚或是動物體之細胞，危害程度遠超於想像。臺灣對於抗生素替代之研究已發展多年，但抗藥性基因散佈的媒介及程度的問題似乎尚未有過多的著墨，應當盡快著手調查並制定相對應之策略以維護環境及國民健康安全。
■ 參考文獻
1. Huanga, Lu., Y. Xu, J. Xu, J. Ling, L. Zheng, X. Zhou, and G. Xie. 2019. Dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs) by rainfall on a cyclic economic breeding livestock farm. Int. Biodeterior. Biodegradation 138: 114–121.
2. Yang, Y., Z. Liu, S. Xing, and X. Liao. 2019. The correlation between antibiotic resistance gene abundance and microbial community resistance in pig farm wastewater and surrounding rivers. Ecotoxicol Environ Saf. 182:109452.
3. Sun, J., X-P. Liao, A. W. D’Souza, M. Boolchandani, S-H. Li, and K. Cheng. 2020. Environmental remodeling of human gut microbiota and antibiotic resistome in livestock farms. Nat Commun. (2020) 11:1–11.
