常见抗生素生物降解

吸 附
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 p H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。
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。
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Leabharlann Baidu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。
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
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。
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
• • • • ( 1 ) p H、 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。
厌 氧 处 理
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 ． 0 0 9 ～ 0 ． 0 1 2 mg ／ L四环素的动物 粪便对猩猩木 的液 体培 养物产生毒害 ； 3 0 0 ～ 9 0 0 mg ／ 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 。
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。
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。
微 生 物 降 解
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℃、pH 6．5、摇床 转速125 r· min、接种量10％ 的条件下培养48 h，对泰乐 菌素(50 nag· 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 ： 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。
实 例
抗生素生产废水好氧处理工艺
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： 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。
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 。
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
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 9 0 % 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。
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 。
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 。
抗 生 素 在 环 境 中 的 归 趋
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。
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
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。
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
• 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。
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。