DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c00740
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40905724
تاريخ النشر: 2025-09-04
المؤلف: Shiyang Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: التأثيرات البيئية للأدوية والمضادات الحيوية
نظرة عامة
تتناول الدراسة الآثار البيئية لاستخدام المضادات الحيوية في البشر والحيوانات من خلال تطوير نموذج MARINA-Antibiotics، الذي يقيس مصادر وتركيزات 30 مضاد حيوي مستخدم بشكل شائع ويقيم المخاطر البيئية المرتبطة بها. تم تنفيذ النموذج في منطقة خزان السدود الثلاثة في عام 2020، وكشف أن حوالي 11 طنًا من المضادات الحيوية دخلت الأراضي الزراعية من خلال تطبيق السماد. ومن الجدير بالذكر أنه تم تحديد نسب مخاطر عالية ومتوسطة للسيبروفلوكساسين، والإينروفلوكساسين، والسلفابيريدين، والتتراسيكلين، والدوكسي سيكلين، والأوفلوكساسين، مما يدل على المخاطر المحتملة المرتبطة بهذه المواد في البيئات الزراعية.
بالإضافة إلى ذلك، وجدت الدراسة أن 13 طنًا من المضادات الحيوية تم تصريفها في الأنهار، بشكل رئيسي من مصادر نقطية (99%). كانت إزالة المضادات الحيوية في الأنهار تعزى بشكل أساسي إلى عمليات التحلل والترسيب، والتي شكلت 90% من الانخفاض. تم تحديد التتراسيكلينات والفلوروكينولونات كمساهمين رئيسيين في أحمال الرواسب. بينما كانت المخاطر العامة لتعزيز مقاومة المضادات الحيوية (AMR) منخفضة لمعظم المضادات الحيوية، كان السيبروفلوكساسين والإينروفلوكساسين يمثلان مخاطر أعلى. تعزز هذه الأبحاث الفهم لمصادر المضادات الحيوية وتوزيعها المكاني في بيئات حوض الأنهار، مما يوفر رؤى حاسمة لاستراتيجيات إدارة المياه النظيفة الفعالة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للمضادات الحيوية في علاج العدوى البكتيرية والآثار البيئية لاستخدامها الواسع، مما أدى إلى تلوث كبير في النظم البيئية المائية وظهور بكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية. توضح أمثلة محددة من أحواض نهر اليانغتسي والنهر الأصفر المخاطر التي تشكلها المضادات الحيوية مثل السيبروفلوكساسين، والدوكسي سيكلين، والنورفلوكساسين، مما يبرز الحاجة إلى فهم شامل لأنماطها المكانية والزمنية وآثارها البيئية.
لقد تقدمت الأساليب النمذجة الحالية، بما في ذلك نموذج الفوجاسيتي ونموذج SWAT، في تقييم تلوث المضادات الحيوية ولكنها تواجه قيودًا في التقاط تعقيد مصادر متعددة وعمليات الأنهار. تهدف هذه الدراسة إلى تعزيز نموذج MARINA-Antibiotics من خلال دمج مسارات انبعاث الإنسان وديناميات الأنهار، مع التركيز على منطقة خزان السدود الثلاثة (TGRA)، التي تتميز بظروف هيدرولوجية فريدة وتلوث مصدر منتشر كبير من الزراعة والمراكز الحضرية. من خلال قياس المصادر، والمصير، وتركيزات 30 مضاد حيوي مستخدم على نطاق واسع، تسعى هذه الأبحاث إلى توفير إطار عمل قوي لتقييم التلوث وإبلاغ استراتيجيات التخفيف المحلية في مناطق مماثلة حول العالم.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، ومعدات، وعينات بيولوجية، بالإضافة إلى مصادرها وطرق إعدادها. كما يصف القسم المنهجيات المطبقة لجمع البيانات وتحليلها، مما يضمن إمكانية تكرار النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد التقنيات الإحصائية المستخدمة لتفسير البيانات، بما في ذلك أي برامج أو خوارزميات تم استخدامها للتحليل. يبرز القسم أهمية هذه الطرق في التحقق من النتائج وضمان موثوقية الاستنتاجات المستخلصة من البحث. بشكل عام، يوفر هذا العرض الشامل إطارًا واضحًا لفهم النهج التجريبي المتبع في الدراسة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادة ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الفروق أو التأكيدات المهمة.
قد يناقش القسم أيضًا آثار النتائج، بما في ذلك أهميتها في المجال الأوسع للدراسة. عادة ما يتم الإبلاغ عن مقاييس محددة، مثل قيم p أو فترات الثقة، لتحديد الأهمية الإحصائية للنتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم حساب واضح وموضوعي للنتائج التجريبية، مما يمهد الطريق للنقاش والتفسير اللاحقين.
نقاش
يعزز نموذج MARINA-Antibiotics الإطار الحالي MARINA-Multi من خلال دمج وحدة للتربة للمضادات الحيوية، مما يدمج مصادر وعمليات مختلفة تؤثر على تلوث المضادات الحيوية في البيئة. تشمل التطورات الرئيسية إدخال مدخلات المضادات الحيوية من مياه الصرف الصحي المنزلية، ووحدات الأنهار لمحاكاة النقل والتحلل، ودقة شهرية لأخذ التغيرات الموسمية في استخدام المضادات الحيوية في الاعتبار. يقيم النموذج 30 مضاد حيوي مصنفة إلى السلفوناميدات، والتتراسيكلينات، والفلوروكينولونات، والمكروليدات، مما يعكس انتشارها في نفايات البشر والحيوانات. تعتبر مصادر التلوث النقطية بشكل رئيسي ناتجة عن تصريفات من محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) والسماد الحيواني غير المعالج، مع دمج التغيرات الموسمية في أنماط التصريف في المحاكاة.
تم التحقق من أداء النموذج مقابل البيانات الملاحظة عبر مصفوفات بيئية متعددة، مما يظهر دقة معقولة في التنبؤ بتركيزات المضادات الحيوية في تصريفات محطات معالجة مياه الصرف الصحي، والتربة، والمياه السطحية. ومع ذلك، توجد قيود، بما في ذلك الاعتماد على تركيزات المضادات الحيوية المستمدة من الأدبيات وكفاءات الإزالة العامة لتقنيات المعالجة. على الرغم من هذه التحديات، يلتقط النموذج بشكل فعال ديناميات تلوث المضادات الحيوية في منطقة خزان السدود الثلاثة (TGRA)، مما يبرز الدور الكبير للمصادر النقطية، وخاصة من الثروة الحيوانية، في المساهمة في مستويات المضادات الحيوية في الأنهار. تؤكد النتائج على الحاجة إلى استراتيجيات إدارة مستهدفة للتخفيف من مخاطر مقاومة المضادات الحيوية، خاصة في المناطق ذات النشاط الزراعي العالي وكثافة السكان.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.5c00740
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40905724
Publication Date: 2025-09-04
Author(s): Shiyang Li et al.
Primary Topic: Pharmaceutical and Antibiotic Environmental Impacts
Overview
The study addresses the environmental implications of antibiotic use in humans and animals by developing the MARINA-Antibiotics model, which quantifies the sources and concentrations of 30 commonly used antibiotics and assesses their environmental risks. Implemented in the Three Gorges Reservoir Area in 2020, the model revealed that approximately 11 tons of antibiotics entered cropland through manure application. Notably, high and medium risk quotients were identified for ciprofloxacin, enrofloxacin, sulfapyridine, tetracycline, doxycycline, and ofloxacin, indicating potential risks associated with these substances in agricultural settings.
Additionally, the study found that 13 tons of antibiotics were discharged into rivers, predominantly from point sources (99%). The removal of antibiotics in rivers was primarily attributed to degradation and sedimentation processes, which accounted for 90% of the reduction. Tetracyclines and fluoroquinolones were identified as the major contributors to sediment loads. While the overall risk of promoting antimicrobial resistance (AMR) was low for most antibiotics, ciprofloxacin and enrofloxacin posed higher risks. This research enhances the understanding of antibiotic sources and their spatial distribution in watershed environments, offering critical insights for effective clean water management strategies.
Introduction
The introduction highlights the critical role of antibiotics in treating bacterial infections and the environmental consequences of their widespread use, which has led to significant pollution in aquatic ecosystems and the emergence of antibiotic-resistant bacteria. Specific examples from the Yangtze and Yellow River basins illustrate the risks posed by antibiotics such as ciprofloxacin, doxycycline, and norfloxacin, emphasizing the need for a comprehensive understanding of their spatiotemporal patterns and environmental impacts.
Current modeling approaches, including the fugacity model and the SWAT model, have advanced the assessment of antibiotic pollution but face limitations in capturing the complexity of multiple sources and river processes. This study aims to enhance the MARINA-Antibiotics model by integrating human emission pathways and river dynamics, focusing on the Three Gorges Reservoir Area (TGRA), which features unique hydrological conditions and significant diffuse source pollution from agriculture and urban centers. By quantifying the sources, fate, and concentrations of 30 widely used antibiotics, this research seeks to provide a robust framework for pollution assessment and inform local mitigation strategies in similar regions worldwide.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, as well as their sources and preparation methods. The section also describes the methodologies applied for data collection and analysis, ensuring reproducibility of the results.
Additionally, the statistical techniques utilized to interpret the data are specified, including any software or algorithms employed for analysis. The section emphasizes the importance of these methods in validating the findings and ensuring the reliability of the conclusions drawn from the research. Overall, this comprehensive overview provides a clear framework for understanding the experimental approach taken in the study.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables to illustrate the outcomes. The results are often compared against hypotheses or previous studies to highlight significant differences or confirmations.
The section may also discuss the implications of the findings, including their relevance to the broader field of study. Specific metrics, such as p-values or confidence intervals, are usually reported to establish the statistical significance of the results. Overall, this section serves to provide a clear and objective account of the experimental outcomes, laying the groundwork for subsequent discussion and interpretation.
Discussion
The MARINA-Antibiotics model enhances the existing MARINA-Multi framework by integrating a soil module for antibiotics, incorporating various sources and processes affecting antibiotic contamination in the environment. Key advancements include the inclusion of antibiotic inputs from domestic wastewater, river modules for simulating transport and degradation, and a monthly resolution to account for seasonal variability in antibiotic use. The model evaluates 30 antibiotics categorized into sulfonamides, tetracyclines, fluoroquinolones, and macrolides, reflecting their prevalence in human and animal waste. Point sources of contamination are primarily effluents from wastewater treatment plants (WWTPs) and untreated animal manure, with seasonal variations in discharge patterns incorporated into the simulations.
The model’s performance was validated against observed data across multiple environmental matrices, demonstrating reasonable accuracy in predicting antibiotic concentrations in WWTP effluents, soils, and surface waters. However, limitations exist, including reliance on literature-derived antibiotic concentrations and generalized removal efficiencies for treatment technologies. Despite these challenges, the model effectively captures the dynamics of antibiotic contamination in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA), highlighting the significant role of point sources, particularly from livestock, in contributing to riverine antibiotic levels. The findings underscore the need for targeted management strategies to mitigate antibiotic resistance risks, particularly in regions with high agricultural activity and population density.