抗生素在环境中的降解

抗生素在环境中降解的研究进展

时间：2009-04-23 来源：互联网作者：康大夫点击：923 网友评

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抗生素是世界上用量最大、使用最广泛的药物之一。欧洲1999年抗生素的使用量为1 328吨，其中35％用于动物；美国2000年抗生素的用量约为16200吨，约70％用于畜牧水产养殖业；全球抗生素年均使用总量约为100000吨～200000吨。我国每年也有成千上万吨的抗生素类药物被用于畜禽养殖业和人的医疗中。多数抗生素类药物在人和动物机体内都不能够被完全代谢，以原形和活性代谢产物的形式通过粪便排到体外。排出体外后的抗生素代谢物仍然具有生物活性，而且能够在环境中进一步形成母体。近年来的资料表明，抗生素在我国许多地区的污染相当严重。在长江三角洲地区，城市生活污水、畜禽养殖场废水和水产养殖废水都是水环境潜在的抗生素污染源。3种典型废水中，养猪场废水检出抗生素的种类最多，浓度也最高；磺胺类检出频率最高，尤其是磺胺甲恶唑、磺胺二甲嘧啶和磺胺甲氧嘧啶。叶计朋等在珠江三角洲水体中发现，珠江广州河段(枯季)和深圳河抗生素药物污染严重，最高含最达1 340 ng／L，河水中大部分抗生素含量明显高于美国、欧洲等发达国家河流中药物含量，红霉素(脱水)、磺胺甲恶唑等与国外污水中含量水平相当甚至更高。在重庆，多种水体中普遍存在痕量水平的抗生素。其中以污水处理厂进水检出的抗生素种类最多，畜牧养殖场下游地表水的氯四环素检出最高浓度。

1、抗生素在环境中的吸附和迁移

抗生素一旦释放进入环境后分布到土壤、水和空气中，便会在土壤、水和沉积物中重新分配，常常会经过吸附、水解、光降解和微生物降解(有氧和无氧降解)等一系列生物转化过程，它反映了抗生素与水体有机质或土壤、沉积物相互作用，并可预测抗生素对环境影响的大小。一般易被土壤或沉积物吸附的抗生素，在环境中较稳定，易在土壤或沉积物中蓄积，但污染水体的风险较小。

1．1抗生素被土壤的吸附作用

吸附是抗生素在土壤环境中迁移和转化的重要过程，其很大程度上取决于抗生素和土壤的特性。土壤矿物和有机质组分可能是抗生素药物的主要吸附位

点，同时疏水分配、阳离子交换、阳离子键桥、表面配位鳌合以及氢键等作用机制都可能在吸附过程中起到重要的作用。抗生素的吸附能力因其化学结构的不同而差异较大。四环素类如金霉素、土霉素和强力霉素与表层土壤、土壤和沉积物有较强的吸附力，大环内酯类抗生素如泰乐菌素和阿维菌素以及氟喹诺酮类药物对表层土壤矿物质有明显的吸附能力。土壤对恩诺沙星具有较强的吸附作用，残留在土壤中的低量恩诺沙星主要被吸附在固体颗粒上，不易释放和随水迁移。抗生素的吸附能力还与土壤类型、pH等条件有关，一种抗生素在不同的土壤中的吸附系数差异很大。四环素类抗生素在土壤上的吸附能力随土壤或沉积物pH的增加而降低。

1．2抗生素在环境中的迁移

部分抗生素不与固相物质结合，它们及其代谢物具有极性，很容易到达水环境，对地下水构成威胁。土壤中的抗生素被淋洗到附近的河流中，最终将影响河流及海洋生态系统中的有机生物。不同的抗生素的性质、代谢途径及使用剂量不同，在环境中的转移也不一样。抗生素在土壤中的迁移主要取决于其自身的光稳定性、键合、吸附特性、淋洗和降解速率等。一般来讲弱酸、弱碱性和亲脂性类抗生素与土壤有较好的亲和力，在土壤中不易迁移。

2、抗生素在环境中的降解

2．1水解

水解是有机污染物在水环境和土壤中的一种重要的降解途径。人们在研究抗生素水解时主要是考虑pH的影响。各类抗生素中β-内酰胺类、大环内酯类和磺胺类易溶于水发生水解。大环内酯和磺胺类在中性pH条件下水解慢，且活性较低。β-内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快。头孢菌素类抗生素在酸性、碱性和中性条件的水环境中都能发生水解反应。Paesen J等发现泰乐菌素A在酸性条件下可水解成泰乐菌素B，而在中性和碱性条件下，则可产生丁间醇醛泰乐菌素A和一些极性的分解产物。泰乐菌素A的分解速率不仅与pH有关，还受缓冲液类型、浓度及离子强度的影响。氯霉素在pH 偏碱的缓冲液中，降解速度增加的幅度比在低pH缓冲液中大的多。青霉素类药物易受亲核及亲电试剂进攻，容易水解并引起分子重排，某些金属离子、氧化剂及加热等能对青霉素类药物的分解和分子重排起催化作用。在碱性条件

下，青霉素类药物的β-内酰胺环首先被破坏，分解为青霉酸；有金属离子作用时青霉酸能进一步分解为青霉醛和青霉胺。离子强度对抗生素水解无明显影响。金霉素、土霉素和四环素在不同温度和pH条件下降解速率差异显著，这表明它们在不同水体(表面水体、废水、地下水等)中的水解机制可能有差异。

2．2光降解

2．2．1光降解机理目前人们对抗生素的光降解机理研究仍然较少。一般认为，光化学降解反应机理主要就在于分子吸收光能变成激发态从而引发各种反应。光化学转化过程可分为直接光解和间接光解。直接光解见于那些具有吸收光子基团的药物分子。阿维菌素的光化学降解过程是属于直接光解反应的过程。间接光解机理是指当环境中存在的某些物质吸收光能呈激发状态后再诱发一系列药物参与的反应。前者为激发供体(光敏剂)把激发能量传递给受体分子(抗生素)，受体分子即可进行光化学转化。光敏剂作为光能的载体或受体，在自然界中广泛存在，它们可改变药物的光稳定性，加速或延缓光解。抗生素本身的化学结构仍是其能否光解的决定因素。所有C-7侧链有甲氧亚胺键构型的头孢菌素，均存在同样的光降解反应。Fabre H等发现，就光降解稳定性而言，氨曲南>头孢噻肟>头孢呋辛>头孢呋辛酯。

2．2．2光降解的主要反应类型

2．2．2．1光氧化吸光物质吸收太阳辐射，从而引发一系列的光化学过程，生成·0H、·O2等活性物质，这些活性物质再引发抗生素的光化学反应。左红影用光催化氧化法处理半合成的头孢菌素类抗生素废水90 min，化学耗氧量(chemical oxygendemand，COD)去除率达93．1％。

2．2．2．2光还原光还原即由光引发的还原反应。光化学还原过程包括两类，一是给光激发态物质加上一个或多个电子，二是由某种物质在光化学过程中产生氢。光还原反应见于带氯原子的抗生素降解。

2．2．2．3光水解多数含醚或酯类的化合物，在紫外光照射下，若体系中有水或湿气存在时能发生光水解反应，水解发生的部位一般在最具酸性的酯基上或醚位上。如多杀菌素类药物在无光条件下的水中非常稳定，但在光照条件下光水解迅速，半衰期小于1 d。