常见抗生素生物降解

常见抗生素生物降解 09级环境科学一班张阳200941607029 抗生素概述 抗生素是由微生物产生的在低浓度下能抑制或灭杀其他微生物的一类化学物质 目前被广泛使用的抗生素 按照化学结构可分为内酰胺类 喹诺酮类 四环素类 氨基糖苷类 大环内酯类 磺胺类等 长期以来 抗生素被大量地用于人和动物的疾病治疗 并以亚治疗剂量添加于动物饲料中 以预防动物疾病和促进其生长 但绝大部分抗生素不能完全被机体吸收 约有90 的抗生素以原形或者代谢物形式经由病人和畜禽的粪 尿排入环境 经不同途径对土壤和水体造成污染 目前 抗生素污染问题已经被许多发达国家 如欧盟和美国 列为重要的环境问题 相关的基础研究正在迅速得到开展 抗生素的来源及暴露途径 由于抗生素主要用于医疗和畜牧 所以环境中的抗生素主要来源医用药物和农用药物两个途径 医用抗生素主要来源 经由病人粪便和尿液排出的处方抗生素 医院丢弃的过期抗生素 残留在药瓶和器械上的抗生素 医药企业在生产过程流失的抗生素等 经排泄物排出的抗生素 治疗中残留的抗生素以及制药企业流失的抗生素都会经过城市和医院的下水道进入到城市污水处理厂 由于现有的污水处理技术很难将抗生素彻底清除 一部分抗生素会随着处理后的废水进入土壤和水中 而医院丢弃的过期抗生素会进人垃圾填埋场 如果处理不当 会渗入土壤或地下水中 农用药物来源途径 动物养殖中兽药长期亚剂量使用后 经粪便和尿液排出的抗生素 水产养殖中兽药的直接施用 兽药生产过程损失和废弃的兽药 经动物粪便和尿液排出的抗生素随粪便被施入农田 其中一部分直接渗入地下水中 另一部分进入土壤 经雨水淋洗进入河流或湖泊 水产养殖中的抗生素施用后一部分直接进入水体 另一部分被水底淤泥中所吸附 存在于养殖场底泥中 兽药生产中损失的抗生素会随着废水经由下水道进入城市污水处理厂 而废弃的兽药可能被当作垃圾填埋 如果处理不当 最终会进入土壤甚至地下水中 环境中抗生素残留的潜在风险 抗生素在环境中的浓度普遍较低 一般在 g L级 有的甚至低至 ng L级 但仍然可能对环境存在风险 如某些POPs物质 在环境中的浓度和抗生素相当 但是它的雌激素效应却造成人类生殖率降低 不孕症增加等 所以 对于之前由于其预期环境浓度较低而一直认为安全可靠的物质要引起重视 它们有可能对环境构成潜在的威胁 潜在风险的主要表现 1 诱导耐药性细菌 2 对环境中微生物产生影响 3 对植物生长发育产生影响 4 食品和饮用水中抗生素对人类健康的威胁 诱导耐药性细菌 大量的研究表明 抗生素的使用能诱导病原菌产生耐药性 特别是由于长期大剂量的在饲料中添加抗生素 导致产生了一些能够抵抗强力抗生素的病原菌 这些病原菌珠的出现 对人和动物的健康都极具威胁 另外 抗生素能够导致耐药基因的产生 而耐药基因又可以在不同的细菌间传递 一旦这些耐药基因转移给致病菌 就更增加了对人类健康的威胁 对环境中微生物的影响 抗生素的作用就是抑制某类病菌的生长 在水体及土壤中不具耐药性的菌株被抗生素杀死 而具耐药性的优势菌得以大量繁殖 因此长期低浓度抗生素的存在对微生物群落有一定的影响 并且该影响可通过食物链对高级生物发生作用 从而破坏了生态系统的平衡 对植物生长发育的影响 抗生素随动物的粪尿和城市污水施人农田 对农田植物的生长发育产生影响 如0 009 0 012mg L四环素的动物粪便对猩猩木的液体培养物产生毒害 300 900mg L的磺胺地索辛能明显抑制车前草 玉米等作物的生长 并在植物的根部和叶中富集 根部的浓度较高 土霉素和氯四环素减少了杂色豆植株的生节 鲜重 并影响其对钙 钾和镁的吸收 而抗生素对植物生长发育的影响与其化学性质 使用剂量 土壤吸附能力及植物的品种有关 对人类健康的威胁 抗生素长期作为添加剂大量用于畜牧生产 导致抗生素在动物食品肉 蛋 奶中残留 人食用后 抗生素就会沿食物链传递到人 一方面会引起人群的过敏反应 严重时会造成食物中毒 另一方面 部分药物还具有致癌 致畸 致突变或激素类作用 严重干扰人类各项生理功能 威胁人类健康 抗生素在环境中的归趋 抗生素一旦进入环境就会扩散到土壤 水和空气中 一般会经过吸附 水解 光解和微生物降解一系列生物转化过程 这些过程直接影响抗生素对环境的生态毒性 吸附 吸附是抗生素在环境中迁移和转化的重要过程 一般有物理吸附和化学吸附 抗生素通过范德华力 诱导力和氢键等分子间作用力与水体和土壤中有机质或颗粒物表面吸附位点相吸附 或者抗生素的分子官能团如羧酸 醛 胺类与环境中化学物质或有机质发生化学反应形成络合物或螯合物 并存留在环境中 吸附 吸附反映了抗生素与水体有机质或土壤沉积物的相互作用 并可预测抗生素对环境的影响程度 一般来说 吸附能力强的抗生素 在环境中较稳定 容易积蓄 部分抗生素不与固相物质结合 吸附能力较弱 在淋洗作用下很容易被淋洗到附近的河流中 到达水环境 进而对地下水构成威胁 抗生素的吸附能力因其化学结构 理化性质 土壤类型和环境条件的不同而不同 降解 抗生素在环境中可能发生水解 光降解和微生物降解等一系列降解反应 但视环境条件的不同 抗生素会发生一种或多种降解反应 一般来说 降解过程会降低抗生素的药效 但有些抗生素的降解产物可能比抗生素本身的毒性还强 水解是水体中抗生素降解的一种重要方式 六大类主要抗生素中内酰胺类 大环内酯类和磺胺类抗生素易水解 但是大环内酯类和磺胺类抗生素在中性pH值条件下水解很慢 光降解是在能接受到光照的水体表层中的抗生素降解的另一种重要途径 喹诺酮类和四环素类抗生素比较容易发生光降解 生物降解是在有生物的作用下发生的降解反应 它也是抗生素降解的主要方式 抗生素的生物降解 生物降解是抗生素在环境中降解的最重要的途径 被生物降解的抗生素 可能转化为生物体的组成部分或是最终转化为没有生物毒性的无机或有机小分子 生物降解主要有植物降解和微生物降解两种方式 植物降解 植物具有庞大的叶冠和根系 在水体或土壤中 与环境之间进行着复杂的物质交换和能量交换 在维持生态环境的平衡中起着重要作用 植物修复受污染的水土环境主要有3种机制 植物直接吸收有机污染物后转移或分解 植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污染物 植物促进根际微生物对土壤环境中有机污染物的吸收或利用转化 植物降解 被植物直接吸收的污染物主要有 氮 磷等植物营养物质 对水生生物有毒害作用的某些重金属和有机物等 第一类是被吸收后用以合成植物自身的结构组成物质 第二类则是脱毒后储存于体内或在植物体内被降解 氟喹诺酮类 磺胺类和氯四环素等可直接被植物吸收 微生物降解 微生物降解是现阶段处理抗生素污染的最理想的方法 光合菌 乳酸菌 放线菌 酵母菌 发酵丝状菌 芽孢杆菌 枯草杆菌 硝化细菌 酵母等都具有抗生素的降解功能 实例 在实验室条件下 降解菌降解泰乐菌素在pH值为6 0 7 0 温度为30 35 达到最适条件 该降解菌在30 pH6 5 摇床转速125r min 接种量10 的条件下培养48h 对泰乐菌素 50nag L一 的降解率达95 2 国内外学者有很多整致力于类似降解菌的删选和培养 抗生素生产废水好氧处理工艺 厌氧处理 厌氧处理高浓度的有机废水是较可行的方法 与好氧处理相比 厌氧法在处理高浓度有机废水方面通常有以下优点 有机负荷高 污泥产率低 产生的生物污泥易于脱水 营养物需要量少 不需要曝气 能耗低 可以产生沼气 回收能源 对水温的适宜范围较广 活性厌氧污保存时间长 抗生素生产废水厌氧处理工艺 厌氧好氧生物处理组合工艺 在实际废水处理中 由于单独好氧处理或单独厌氧处理都存在自身难以克服的缺点而难以满足出水达标排放的要求 因而从80年代开始 厌氧好氧生物处理组合工艺逐渐成为主导工艺 采用厌氧好氧工艺不仅克服了好氧工艺的高能耗 高运转费用及稀释水量大等特点 也克服了厌氧处理出水不能达标排放的缺点 在经济和技术上都是可行的 抗生素生产废水厌氧好氧生物组合处理工艺 微生物降解机理 抗生素的微生物降解是指在微生物作用下 使抗生素残留物的结构发生改变 从而引起其化学和物理性质发生改变 即通过将抗生素残留物从大分子化合物降解为小分子化合物 最后成为H2O和CO2 实现对环境污染的无害化处理的过程 其中耐药细菌起最重要的作用 耐药菌的作用机制 耐药菌直接破坏和修饰抗生素而使其失活 包括水解 基团转移和氧化还原3种机制 许多抗生素含有易水解的敏感化学键 如酯键和酰胺键 耐药菌含有消除这些脆弱化学键的酶而摧毁这些抗生素的活性 这其中主要的一类酶是可以消除青霉素和头孢菌素类药物内酰胺环的酰胺酶 另外 还有与大环内酯类药物耐药性有关的酯酶及磷霉素耐药性有关的开环环氧化酶 耐药菌的基因转移作用 基团转移有多种途径 包括 乙酰基转移修饰 通过对羟基或酰胺基等活泼基团的共价修饰导致化合物失去靶点结合能力从而失活 乙酰转移是细菌使抗生素失活的常用机制 见于氨基糖苷类抗生素 磷酸化 氨基糖苷类 大环内酯类的红霉素和肽类抗生素硫酸酯霉可通过这种机制降 基因转移作用 糖基化 见于大环类酯类 核苷酸化 见于林可霉素和克林霉素 核糖基化 见于含氨基酸残基的抗生素 巯基转移 如磷霉素 氧化还原机制不多见 四环素可被耐药性酶TetX氧化 影响微生物降解的因素 1 pH 水分和温度 2 氧气 3 环境介质 4 环境中其他抗生素的存在 PH 水分和温度 环境的酸碱度和温度影响微生物对营养物质的吸收和生长代谢 进而改变微生物的生长状况 对大多数细菌而言 pH为6 5 8 5 温度为25 45 时有较高的生物活性 微生物进行代谢活动时需要有足够的水分 微生物的呼吸方式不同对水分的需求也不一样 在海洋 淡水和含水层中 微生物不会因缺水而受到限制 但在土壤中的水分有时会成为限制因素 氧气 微生物具有好氧 厌氧 兼性好氧多种代谢途径 微生物可以在好氧或厌氧的条件下都可以发挥作用 环境中需氧菌生长速度快 降解作用明显 人们在处理抗生素废水时 常采用活性污泥法 固定床生物膜法 生物流化床法和生物转盘法等好氧降解法 环境介质 环境中抗生素常被其他介质如土壤包被 这些介质影响着抗生素与微生物的接触和微生物的生长状态 固定化颗粒半径愈小 降解速度愈快 在固定化颗粒内 氧浓度随着颗粒半径的减少而迅速下降 当颗粒半径为3mm时 粒子中心的0mm 0 8mm范围内的微生物处于缺氧状态甚至厌氧状态 环境中其他抗生素的存在 在同一区域往往不只受一种抗生素的污染 如养殖场 医院附近环境中 常同时存在多种抗生素 这些抗生素能够抑制或杀死具有降解作用的微生物 从而抑制其它抗生素的降解 抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一