抗生素生物降解ppt课件

植物降解机制
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： ①植物直接吸收有机污染物后转移或分解； ②植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污 染物； ③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。
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。
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。
抗生素生产废水厌氧好氧生物 组合处理工艺
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 。
关注环境抗生素污染
加快研究抗生素降解技术
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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μ g/ L 级 , 有的甚至低至μn g ／ L级 , 但仍然可 能对环境存在风险。如某些 P O P s 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。
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，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： ①有机负荷高； ②污泥产率低，产生的生物污泥易于脱水； ③营养物需要量少； ④不需要曝气，能耗低； ⑤可以产生沼气、回收能源： ⑥对水温的适宜范围较广； ⑦活性厌氧污保存时间长。
农用药物来源途径
①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 ；
②水产养殖中兽药的直接施用；
③兽药生产过程损失和废弃的兽药。
农用抗生素污染过程
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。我国是一 个农业化大国， 畜禽养殖业由分散式快速 向集约化 迈进， 因此而导致畜禽粪便 的年产量不断增长，抗 生 素对环境的污染可能比世界其他各国更为严重 ， 但 在我国这些问题还没有引起足够重视。人们对抗 生素的降解作用研究 ， 基本上还只停留在实验室水 平， 且研究方式比较单一， 不能综合考虑各种环境 因素。 随着人们对 自身问题的越来越关注， 通过 探讨抗生素在环境中的降解作用来寻求降低环境中 抗生素污染的方法 ， 必将成为未来的一个重要研究 方向。
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 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。
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。
P H、 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， p H 为 6 ． 5 ～8 ． 5 ， 温 度为 25℃～4 5℃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。
微 生 物 降 解 机 理
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 。
吸附
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。
抗生素在环境中的归趋
抗生素一旦进入环境就会扩散到壤、 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。
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 。
抗生素生物降解
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。
抗生素的应用和危害

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。
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 3 mm时 ， 粒子中心的0 mm～0 . 8 mm范围内的微生物处于缺氧状态甚至厌氧状 态。
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
①经由病人粪便和尿液排出的处方抗生素 ；
②医院丢弃的过期抗生素 ；
③残留在药瓶和器械上的抗生素 ；
④医药企业在生产过程流失的抗生素等。
医用抗生素污染过程
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。
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
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。
基因转移作用
③糖基化 。见于大环类酯类 。 ④核苷 酸化。见于林可霉素和克林霉素。
⑤核糖基化。见 于含氨基酸残基的抗生素。
⑥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 Te t X 氧化 。
影响微生物降解的因素
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p H、 水分和温度 。 氧气 。 环境介质。 环境中其他抗生素的存在。
耐药菌的基因转移作用
基团转移有多种途径 ， 包括 ： ①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。 ②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