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1、抗生素 生物降解 抗生素是由微生物產(chǎn)生的在低濃度下能抑 制或滅殺其他微生物的一類化學(xué)物質(zhì)。目前被廣 泛使用的抗生素，按照化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為 內(nèi)酰胺 類、 喹諾酮類、四環(huán)素類、氨基糖苷類、大環(huán) 內(nèi)酯類、 磺胺類等。 抗生素概述 抗生素的應(yīng)用和危害 長期以來 ， 抗生素被大量地用于人和動物的疾病 治療 ， 并以亞治療劑量添加于動物飼料中 ， 以預(yù)防動 物疾病和促進其生長 。 但絕大部分抗生素不能完全被 機體吸收 ， 約有 90%的抗生素以原形或者代謝物形式 經(jīng)由病人和畜禽的糞 ,尿排入環(huán)境 ， 經(jīng)不同途徑 對土 壤和水體造成污染 。 目前 ,抗生素污染問題已

2、經(jīng)被許 多發(fā)達國家 ( 如歐盟和美國 ) 列為重要的環(huán)境問題 ， 相關(guān)的基礎(chǔ)研究正在迅速得到開展 。 抗生素的來源及暴露途徑 由于抗生素主要用于醫(yī)療和畜牧 ,所以環(huán)境 中的抗生素主要來源醫(yī)用藥物和農(nóng)用藥物兩個 途 徑。 醫(yī)用抗生素主要來源 經(jīng)由病人糞便和尿液排出的處方抗生素 ； 醫(yī)院丟棄的過期抗生素 ； 殘留在藥瓶和器械上的抗生素 ； 醫(yī)藥企業(yè)在生產(chǎn)過程流失的抗生素等 。 醫(yī)用抗生素污染過程 經(jīng)排泄物排出的抗生素 、 治療中殘留的抗生 素以及制藥企業(yè)流失的抗生素都會經(jīng)過城市和醫(yī) 院的下水道進入到城市污水處理廠 ,由于現(xiàn)有的 污水處理技

3、術(shù)很難將抗生素徹底清除 ,一部分抗 生素會隨著處理后的廢水進入土壤和水中 ,而醫(yī) 院丟棄的過期抗生素會進人垃圾填埋場 ,如果處 理不當(dāng) ,會滲入 土壤或地下水中 。 農(nóng)用藥物來源途徑 動物養(yǎng)殖中獸藥長期亞劑量使用后 ,經(jīng)糞便和尿 液排出的抗生素 ； 水產(chǎn)養(yǎng)殖中獸藥的直接施用； 獸藥生產(chǎn)過程損失和廢棄的獸藥 。 農(nóng)用抗生素污染過程 動物糞便和尿液排出的抗生素隨糞便被施 入農(nóng)田 ,其 中一部分直接滲入地下水中 ,另一 部分進入土壤 ,經(jīng)雨水淋洗進入河流或湖泊 ; 水產(chǎn)養(yǎng)殖中的抗 生素施用后一部分直接進入 水體 ,另一部分被水底淤泥中所吸附 ,存在于養(yǎng) 殖場底泥中 ;獸藥

4、生產(chǎn) 中損失的抗生素會隨著 廢水經(jīng)由下水道進入城市污水處理廠 ,而廢棄 的獸藥可能被 當(dāng)作垃圾填埋 ,如果處理不當(dāng) ， 最終會進入土壤甚至地下水中 。 環(huán)境中抗生素殘留的潛在風(fēng)險 抗生素在環(huán)境中的濃度普遍較低 ,一般在 g/ L 級 ,有的甚至低至 n g L級 ,但仍然可 能對環(huán)境存在風(fēng)險 。 如某些 P O P s 物質(zhì) ,在環(huán) 境中的濃度和抗生素相當(dāng) ,但是它的雌激素效應(yīng)卻 造成人類生殖率降低 ,不孕癥增加等 。 所以 ,對于 之前由于其預(yù)期環(huán)境濃度較低而一直認(rèn)為安全可 靠的物質(zhì)要引起重視 ,它們有可能對環(huán)境構(gòu)成潛在 的威脅 。 潛在風(fēng)險的主要表現(xiàn) ( 1 )誘

5、導(dǎo)耐藥性細菌 。 ( 2 )對環(huán)境中微生物產(chǎn)生影響 。 ( 3 )對植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響 。 ( 4 )食品和飲用水中抗生素對人類健康的威脅 。 誘導(dǎo)耐藥性細菌 大量的研究表明 ,抗生素的使用能誘導(dǎo)病原菌產(chǎn) 生耐藥性 ,特別是由于長期大劑量的在飼料中添加 抗生素 ,導(dǎo)致產(chǎn)生了一些能夠抵抗強力抗生素的病 原菌 ,這些病原菌珠的出現(xiàn) ,對人和動物的健康都 極具威脅 。 另外 ， 抗生素能夠?qū)е履退幓虻漠a(chǎn) 生 ， 而耐藥基因又可以在 同的細菌間傳遞 ， 一 旦這些耐藥基因轉(zhuǎn)移給致病菌 ， 就更增加了對人 類健康的威脅 。 對環(huán)境中微生物的影響 抗生素的作用

6、就是抑制某類病菌的生長 ， 在 水體及土壤中不具耐藥性的菌株被抗生素殺死 ， 而具耐藥性的優(yōu)勢菌得以大量繁殖 ， 因此長期低 濃度抗生素的存在對微生物群落有一定的影響 ， 并且該影響可通過食物鏈對高級生物發(fā)生作用 ， 從而破壞了生態(tài)系統(tǒng)的平衡 。 對植物生長發(fā)育的影響 抗生素隨動物的糞尿和城市污水施人農(nóng)田 ， 對 農(nóng)田植物的生長發(fā)育產(chǎn)生影響 。 如 0.009 -0.012mg L四環(huán)素的動物糞便對猩猩木的液體培養(yǎng)物產(chǎn)生 毒害； 300-900mg L的磺胺地索辛能明顯抑制車前 草 、 玉米等作物的生長 ,并在植物的根部和葉中富 集 ,根部的濃度較高；土霉素和氯四環(huán)素減少了雜

7、 色豆植株的生節(jié) 、 鮮重 ， 并影響其對鈣 、 鉀和鎂 的吸收 。 而抗生素 對植物生長發(fā)育的影響與其化 學(xué)性質(zhì) 、 使用劑量 、 土壤吸附能力及植物的品種有 關(guān) 。 對人類健康的威脅 抗生素長期作為添加劑大量用于畜牧生產(chǎn) ， 導(dǎo)致抗生素在動物食品肉 、 蛋 、 奶中殘留 ,人食用 后 ,抗生素就會沿食物鏈傳遞到人 ,一方面會引起 人群的過敏反應(yīng) ,嚴(yán)重 時會造成食物 中毒 ;另一 方面 ,部 分藥物還具有致癌 、 致畸 、 致突變或激 素類作用 ,嚴(yán)重干擾人類各項生理功能 ,威脅人類 健康 。 抗生素一旦進入環(huán)境就會擴散到壤 、 水和空氣中 ，

8、 一般會經(jīng)過吸附 、 水解 、 光解和微生物降解一系列生物轉(zhuǎn)化過程 ， 這些過程直接影響抗生素對環(huán)境的生態(tài)毒 性 。 抗生素在環(huán)境中的歸趨 吸 附 吸附反映了抗生素與水體有機質(zhì)或土 壤沉積物的相互作用 ， 并可預(yù)測抗生素對 環(huán)境的影 響程度 。 一般來說 ， 吸附能力強 的抗生素 ， 在環(huán)境中較穩(wěn)定 ， 容易積蓄； 部分抗生素不與固相物質(zhì)結(jié)合 ， 吸附能 力較弱 ， 在淋洗作用下很容易被淋洗到附 近的河流中 ， 到達水環(huán)境 ， 進而對地下水 構(gòu)成威脅 。 抗生素的吸附能力因其化學(xué)結(jié) 構(gòu) 、 理化性質(zhì) 、 土壤類型和環(huán)境條件的不 同而不同 。 降 解

9、 抗生素在環(huán)境 中可能發(fā) 生水解 、 光降解和微生物降解 等一系列降解反應(yīng) ， 但視環(huán)境 條件的不同 ， 抗生素會發(fā)生一 種或多種降解反應(yīng) 。 一般來 說 ， 降解過程會降低抗生素 的藥效 ， 但有些抗生素的降解 產(chǎn)物可能比抗生素本身的毒性 還強 。 水解 是水體中抗 生素降解的一種重要方式 ， 六大類主要抗生素中內(nèi)酰胺類 、 大環(huán)內(nèi)酯類和磺 胺類抗生素易水解 ， 但是大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類抗 生素在中性 pH值條件下水解很慢 。 光降解 是在能接受到光照的水體表層中的抗 生素降解的另一種重要途徑 ， 喹諾酮類和四環(huán)素 類抗生素比較容易發(fā)生光降解 。

10、 生物降解 是在有生物的作用下發(fā)生的降解反應(yīng) ， 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環(huán)境中降解的最重要的 途徑。被生物降解的抗生素，可能轉(zhuǎn)化為生物體 的組成部分或是最終轉(zhuǎn)化為沒有生物毒性的無機 或有機小分子。生物降解主要有植物降解和微生 物降解兩種方式 。 植物降解機制 植物具有龐大的葉冠和根系 ,在水體或土壤中與 環(huán)境之間進行著復(fù)雜的物質(zhì)交換和能量交換 ,在維持 生態(tài)環(huán)境的平衡中起著重要作用 。 植物修復(fù)受污染 的水土環(huán)境主要有 3種機制： 植物直接吸收有機污染物后轉(zhuǎn)移或分解； 植物釋放分泌物和特定酶降解土壤環(huán)境中的有機污 染物

11、； 植物促進根際微生物對土壤環(huán)境中有機污染物的吸 收或利用轉(zhuǎn)化 。 植物降解 被植物直接吸收的污染物主要有 :氮 、 磷等植 物營養(yǎng)物質(zhì)；對水生生物有毒害作用的某些重金 屬和有機物等 。 第一類是被吸收后用以合成植物 自身 的結(jié)構(gòu)組成物質(zhì) ， 第二類則是脫毒后儲存于 體內(nèi)或在植物體內(nèi)被降解 。 氟喹諾酮類 、 磺胺類 和氯四環(huán)素等可直接被植物吸收 。 微生物降解是現(xiàn)階段處理抗生素污染 的最理想的方法 。 光合菌 、 乳酸菌 、 放線 菌 、 酵母菌 、 發(fā)酵絲狀菌 、 芽孢桿菌 、 枯 草桿菌 、 硝化細菌 、 酵母等都具有抗生 素的降解功能 。 微生物降

12、解 抗生素生產(chǎn)廢水好氧處理工藝 厭 氧 處 理 厭氧處理高濃度的有機廢水是較可行的 方 ， 與好氧處理相比 ， 厭氧法在處理高濃度 有機廢水方面通常有以下優(yōu)點： 有機負(fù)荷高； 污泥產(chǎn)率低 ， 產(chǎn)生的生物污泥易于脫水； 營養(yǎng)物需要量少； 不需要曝氣 ， 能耗低； 可以產(chǎn)生沼氣 、 回收能源： 對水溫的適宜范圍較廣； 活性厭氧污保存時間長 。 抗生素生產(chǎn)廢水厭氧處理工藝 厭氧好氧生物處理組合工藝 在實際廢水處理中 ， 由于單獨好氧處理或單獨 厭氧處理都存在自身難以克服的缺點而難以滿足出水達標(biāo) 排放的要求 。 因而從 8

13、0年代開始 ， 厭氧好氧生物處理組合 工藝逐漸成為主導(dǎo)工藝 。 采用厭氧好氧工藝不僅克服了好 氧工藝的高能耗 、 高運轉(zhuǎn)費用及稀釋水量大等特點 ， 也克 服了厭氧處理出水不能達標(biāo)排放的缺點 ， 在經(jīng)濟和技術(shù)上 都是可行的 。 抗生素生產(chǎn)廢水厭氧好氧生物 組合處理工藝 微 生 物 降 解 機 理 抗生素的微生物降解是指在微生 物作用下 ， 使抗生素殘留物的結(jié)構(gòu)發(fā)生 改變 ， 從而引起其化學(xué)和物理性質(zhì)發(fā)生 改變 ， 即通過將抗生素殘留物從大分子 化合物降解為小分子化合物 ， 最后成為 H2O和 CO2。 實現(xiàn)對環(huán)境污染的無害化處理 的過程 ， 其中耐藥細菌起最重要

14、的作用 。 耐藥菌的作用機制 耐藥菌直接破壞和修飾抗生素而使其失活 ， 包 括水解 、 基團轉(zhuǎn)移和氧化還原 3種機制 .許多抗生素含 有易水解的敏感化學(xué)鍵 ( 如酯鍵和酰胺鍵 ) ， 耐藥 菌含有消除這些脆弱化學(xué)鍵的酶而摧毀這些抗生素的 活性 。 這其中主要的一類酶是可以消除青霉素和頭 孢菌素類藥物內(nèi)酰胺環(huán)的酰胺酶 。 另外 ， 還有與大環(huán) 內(nèi)酯類藥物耐藥性有關(guān)的酯酶及磷霉素耐藥性有關(guān)的 開環(huán)環(huán)氧化酶 。 耐藥菌的基因轉(zhuǎn)移作用 基團轉(zhuǎn)移有多種途徑 ， 包括 ： 乙?；D(zhuǎn)移修飾 。 通過對羥基或酰胺基等 活潑基 團的共價修飾導(dǎo)致化合物失去靶點 結(jié)合能力從而失 活 。

15、 乙酰轉(zhuǎn)移是細菌使抗 生素失活的常用機制 ， 見于氨基糖苷類抗 生素 。 磷酸化 。 氨基糖苷類 ， 大環(huán)內(nèi)酯類的紅 霉素和肽類抗生素硫酸酯霉可通過這 種機 制降 基因轉(zhuǎn)移作用 糖基化 。 見于大環(huán)類酯類 。 核苷 酸化 。 見于林可霉素和克林霉素 。 核糖基化 。 見 于含氨基酸殘基的抗生素 。 巰基轉(zhuǎn)移 ， 如磷霉素 。 氧化還原機制不多見 ， 四環(huán)素可被耐藥性 酶 Te t X 氧化 。 影響微生物降解的因素 ( 1 ) p H、 水分和溫度 。 ( 2 ) 氧氣 。 ( 3 ) 環(huán)境介質(zhì) 。 ( 4 ) 環(huán)境中其他抗生素的存在 。 P H、 水分和

16、溫度 環(huán)境的酸堿度和溫度影 響微 生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生長代謝 ， 進 而改變微生物的生長狀況 。 對大多數(shù)細菌 而言 ， p H 為 6 5 8 5 ， 溫 度為 25 4 5 時有較高的生物活性 。 微生物進行代謝活動時需要有足夠的水分 。 微生物的呼吸方式不同對水分的需求也不 一樣 。 在海洋 、 淡水和含水層中 ， 微生 物不會因缺水而受到限制 ， 但在土壤中 的水分有時會成為限制因素 。 氧氣 微生物具有好氧 、 厭氧 、 兼性好氧多 種代謝途徑 ， 微生物可以在好氧或厭氧的條件下都 可以發(fā)揮作用 。 環(huán)境中需 氧菌生長速度快 ， 降解作

17、 用明顯 。 人們在處理抗生素廢水時 ， 常采用活性污 泥法 、 固定床生物膜法 、 生物流化床法和生物轉(zhuǎn)盤 法 等好氧降解法 。 環(huán)境介質(zhì) 環(huán)境中抗生素常被其他介質(zhì)如土壤包被 ， 這些介質(zhì)影響著抗生素與微生物的接觸 和微 生物的生長狀態(tài) 。 固定化顆粒半徑愈小 ， 降解速度愈快 。 在固定化顆粒內(nèi) ， 氧濃度 隨著顆粒半徑的減少而迅速下降 ；當(dāng)顆粒半 徑為 3 mm時 ， 粒子中心的 0 mm 0.8 mm 范圍內(nèi)的微生物處于缺氧狀態(tài)甚至厭氧狀態(tài) 。 環(huán)境中其他抗生素的存在 在同一區(qū)域往往不只受一種抗生素的污染 。 如養(yǎng) 殖場 、 醫(yī)院附近環(huán)境

18、中 ， 常同時存在多種抗生素 。 這 些抗生素能夠抑制或殺死具有降解作用的微生物 ,從而抑 制其它抗生素的降解 。 抗生素的環(huán)境污染及其生態(tài)毒理效應(yīng)已成為我 國乃至全球所面臨的重大環(huán)境問題之一。我國是一 個農(nóng)業(yè)化大國， 畜禽養(yǎng)殖業(yè)由分散式快速 向集約化 邁迚， 因此而導(dǎo)致畜禽糞便 的年產(chǎn)量不斷增長，抗 生 素對環(huán)境的污染可能比世界其他各國更為嚴(yán)重 ， 但 在我國這些問題還沒有引起足夠重視。人們對抗 生素的降解作用研究 ， 基本上還只停留在實驗室水 平， 且研究方式比較單一， 不能綜合考慮各種環(huán)境 因素。 隨著人們對 自身問題的越來越關(guān)注， 通過 探討抗生素在環(huán)境中的降解作用來尋求降低環(huán)境中 抗生素污染的方法 ， 必將成為未來的一個重要研究 方向。 關(guān)注環(huán)境抗生素污染 加快研究抗生素降解技術(shù) 構(gòu)建美好的明天！