抗生素生物降解

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1、抗生素抗生素生物降解生物降解2021/6/161 抗生素是由微生物产生的在低浓度下能抑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泛使用的抗生素，按照化学结构可分为 内酰胺类、内酰胺类、 喹诺酮类、四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类、喹诺酮类、四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类、 磺胺类等。磺胺类等。 抗生素概述抗生素概述2021/6/162抗生素的应用和危害 长长期期以以来来，抗抗生生素素被被大大量量地地用用于于人人和和动动物物的的疾疾病病治治疗疗，并并以以亚亚治治疗疗剂剂量量添添加加于

2、于动动物物饲饲料料中中，以以预预防防动动物物疾疾病病和和促促进进其其生生长长。但但绝绝大大部部分分抗抗生生素素不不能能完完全全被被机机体体吸吸收收，约约有有90%90%的的抗抗生生素素以以原原形形或或者者代代谢谢物物形形式式经经由由病病人人和和畜畜禽禽的的粪粪, ,尿尿排排入入环环境境，经经不不同同途途径径 对对土土壤壤和和水水体体造造成成污污染染。目目前前, ,抗抗生生素素污污染染问问题题已已经经被被许许多多发发达达国国家家( ( 如如欧欧盟盟和和美美国国) ) 列列为为重重要要的的环环境境问问题题，相关的基础研究正在迅速得到开展。相关的基础研究正在迅速得到开展。 2021/6/163抗生素

3、的来源及暴露途径 由于抗生素主要用于医疗和畜牧由于抗生素主要用于医疗和畜牧, ,所以环境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中的抗生素主要来源医用药物和农用药物两个途 径径。2021/6/164医用抗生素主要来源经经由由病病人人粪粪便便和和尿尿液液排排出出的的处处方方抗抗生生素素 ；医院丢弃的过期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。医药企业在生产过程流失的抗生素等。2021/6/165 医用抗生素污染过程医用抗生素污染过程 经经排排泄泄物物排排出出的的抗抗生生素素、治治疗疗中中残残留留的的抗抗生

4、生素素以以及及制制药药企企业业流流失失的的抗抗生生素素都都会会经经过过城城市市和和医医院院的的下下水水道道进进入入到到城城市市污污水水处处理理厂厂, ,由由于于现现有有的的污污水水处处理理技技术术很很难难将将抗抗生生素素彻彻底底清清除除, ,一一部部分分抗抗生生素素会会随随着着处处理理后后的的废废水水进进入入土土壤壤和和水水中中, ,而而医医院院丢丢弃弃的的过过期期抗抗生生素素会会进进人人垃垃圾圾填填埋埋场场, ,如如果果处处理不当理不当, ,会渗入会渗入 土壤或地下水中。土壤或地下水中。2021/6/166农用药物来源途径动动物物养养殖殖中中兽兽药药长长期期亚亚剂剂量量使使用用后后, ,经经

5、粪粪便便和和尿尿液排出的抗生素液排出的抗生素 ； 水产养殖中兽药的直接施用；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。兽药生产过程损失和废弃的兽药。2021/6/167农用抗生素污染过程 动动物物粪粪便便和和尿尿液液排排出出的的抗抗生生素素随随粪粪便便被被施施入入农农田田, ,其其 中中一一部部分分直直接接渗渗入入地地下下水水中中, ,另另一一部部分分进进入入土土壤壤, ,经经雨雨水水淋淋洗洗进进入入河河流流或或湖湖泊泊 ; ;水水产产养养殖殖中中的的抗抗 生生素素施施用用后后一一部部分分直直接接进进入入 水水体体, ,另另一一部部分分被被水水底底淤淤泥泥中中所所吸吸附附, ,

6、存存在在于于养养殖殖场场底底泥泥中中; ;兽兽药药生生产产 中中损损失失的的抗抗生生素素会会随随着着废废水水经经由由下下水水道道进进入入城城市市污污水水处处理理厂厂, ,而而废废弃弃的的兽兽药药可可能能被被 当当作作垃垃圾圾填填埋埋, ,如如果果处处理理不不当当， 最终会进入土壤甚至地下水中。最终会进入土壤甚至地下水中。2021/6/168环境中抗生素残留的潜在风险 抗抗生生素素在在环环境境中中的的浓浓度度普普遍遍较较低低, ,一一般般在在 g g/ / L L 级级, ,有有的的甚甚至至低低至至n n g g L L级级, ,但但仍仍然然可可能能对对环环境境存存在在风风险险。如如某某些些 P

7、 P O O P P s s 物物质质, ,在在环环境境中中的的浓浓度度和和抗抗生生素素相相当当, ,但但是是它它的的雌雌激激素素效效应应却却造造成成人人类类生生殖殖率率降降低低, ,不不孕孕症症增增加加等等。所所以以, ,对对于于之之前前由由于于其其预预期期环环境境浓浓度度较较低低而而一一直直认认为为安安全全可可靠靠的的物物质质要要引引起起重重视视, ,它它们们有有可可能能对对环环境境构构成成潜潜在在的威胁。的威胁。2021/6/169潜在风险的主要表现( ( 1 ) 1 )诱导耐药性细菌。诱导耐药性细菌。( 2 )( 2 )对环境中微生物产生影响。对环境中微生物产生影响。( 3 )( 3

8、)对植物生长发育产生影响。对植物生长发育产生影响。( 4 )( 4 )食品和饮用水中抗生素对人类健康的威胁食品和饮用水中抗生素对人类健康的威胁。2021/6/1610诱导耐药性细菌 大大量量的的研研究究表表明明, ,抗抗生生素素的的使使用用能能诱诱导导病病原原菌菌产产生生耐耐药药性性, ,特特别别是是由由于于长长期期大大剂剂量量的的在在饲饲料料中中添添加加抗抗生生素素, ,导导致致产产生生了了一一些些能能够够抵抵抗抗强强力力抗抗生生素素的的病病原原菌菌, ,这这些些病病原原菌菌珠珠的的出出现现, ,对对人人和和动动物物的的健健康康都都极极具具威威胁胁。另另外外，抗抗生生素素能能够够导导致致耐耐

9、药药基基因因的的产产生生，而而耐耐药药基基因因又又可可以以在在 同同的的细细菌菌间间传传递递， 一一旦旦这这些些耐耐药药基基因因转转移移给给致致病病菌菌，就就更更增增加加了了对对人人类类健健康康的的威胁。威胁。2021/6/1611对环境中微生物的影响 抗抗生生素素的的作作用用就就是是抑抑制制某某类类病病菌菌的的生生长长，在在水水体体及及土土壤壤中中不不具具耐耐药药性性的的菌菌株株被被抗抗生生素素杀杀死死 ， 而而具具耐耐药药性性的的优优势势菌菌得得以以大大量量繁繁殖殖，因因此此长长期期低低浓浓度度抗抗生生素素的的存存在在对对微微生生物物群群落落有有一一定定的的影影响响， 并并且且该该影影响响

10、可可通通过过食食物物链链对对高高级级生生物物发发生生作作用用 ， 从而破坏了生态系统的平衡。从而破坏了生态系统的平衡。2021/6/1612对植物生长发育的影响 抗抗生生素素随随动动物物的的粪粪尿尿和和城城市市污污水水施施人人农农田田，对对农农田田植植物物的的生生长长发发育育产产生生影影响响。如如0 0. .009 009 - -0 0. .012mg012mgL L四四环环素素的的动动物物粪粪便便对对猩猩猩猩木木的的液液体体培培养养物物产产生生毒毒害害；300300- -900mg900mgL L的的磺磺胺胺地地索索辛辛能能明明显显抑抑制制车车前前草草、玉玉米米等等作作物物的的生生长长, ,

11、并并在在植植物物的的根根部部和和叶叶中中富富集集, ,根根部部的的浓浓度度较较高高；土土霉霉素素和和氯氯四四环环素素减减少少了了杂杂色色豆豆植植株株的的生生节节、鲜鲜重重，并并影影响响其其对对钙钙 、 钾钾和和镁镁的的吸吸收收。而而抗抗生生素素 对对植植物物生生长长发发育育的的影影响响与与其其化化学学性性质质、使使用用剂剂量量、土土壤壤吸吸附附能能力力及及植植物物的的品品种种有有关。关。2021/6/1613对人类健康的威胁 抗抗生生素素长长期期作作为为添添加加剂剂大大量量用用于于畜畜牧牧生生产产， 导导致致抗抗生生素素在在动动物物食食品品肉肉、蛋蛋、奶奶中中残残留留, ,人人食食用用后后,

12、,抗抗生生素素就就会会沿沿食食物物链链传传递递到到人人, ,一一方方面面会会引引起起人人群群的的过过敏敏反反应应, ,严严重重 时时会会造造成成食食物物 中中毒毒; ;另另一一方方面面, ,部部 分分药药物物还还具具有有致致癌癌、致致畸畸、致致突突变变或或激激素素类类作作用用, ,严严重重干干扰扰人人类类各各项项生生理理功功能能, ,威威胁胁人人类类健康。健康。 2021/6/1614 抗抗生生素素一一旦旦进进入入环环境境就就会会扩扩散散到到壤壤、 水水和和空空气气中中，一一般般会会经经过过吸吸附附、水水解解、 光光解解和和微微生生物物降降解解一一系系列列生生物物转转化化过过程程 ， 这这些些

13、过过程程直直接接影影响响抗抗生生素素对对环环境境的的生生态毒性。态毒性。 抗生素在环境中的归趋抗生素在环境中的归趋2021/6/1615吸附 吸吸附附反反映映了了抗抗生生素素与与水水体体有有机机质质或或土土壤壤沉沉积积物物的的相相互互作作用用，并并可可预预测测抗抗生生素素对对环环境境的的影影 响响程程度度。一一般般来来说说，吸吸附附能能力力强强的的抗抗生生素素，在在环环境境中中较较稳稳定定，容容易易积积蓄蓄；部部分分抗抗生生素素不不与与固固相相物物质质结结合合 ， 吸吸附附能能力力较较弱弱，在在淋淋洗洗作作用用下下很很容容易易被被淋淋洗洗到到附附近近的的河河流流中中，到到达达水水环环境境，进进

14、而而对对地地下下水水构构成成威威胁胁。抗抗生生素素的的吸吸附附能能力力因因其其化化学学结结构构 、理理化化性性质质、土土壤壤类类型型和和环环境境条条件件的的不不同而不同。同而不同。2021/6/1616降解 抗抗生生素素在在环环境境 中中可可能能发发生生水水解解、光光降降解解和和微微生生物物降降解解等等一一系系列列降降解解反反应应，但但视视环环境境条条件件的的不不同同，抗抗生生素素会会发发生生一一种种或或多多种种降降解解反反应应。一一般般来来说说 ， 降降解解过过程程会会降降低低抗抗生生素素 的的药药效效，但但有有些些抗抗生生素素的的降降解解产产物物可可能能比比抗抗生生素素本本身身的的毒毒性性

15、还还强。强。2021/6/1617 水水解解是是水水体体中中抗抗 生生素素降降解解的的一一种种重重要要方方式式，六六大大类类主主要要抗抗生生素素中中内内酰酰胺胺类类、大大环环内内酯酯类类和和磺磺胺胺类类抗抗生生素素易易水水解解，但但是是大大环环内内酯酯类类和和磺磺胺胺类类抗抗生素在中性生素在中性pHpH值条件下水解很慢。值条件下水解很慢。 光光降降解解是是在在能能接接受受到到光光照照的的水水体体表表层层中中的的抗抗生生素素降降解解的的另另一一种种重重要要途途径径， 喹喹诺诺酮酮类类和和四四环环素素类类抗生素比较容易发生光降解。抗生素比较容易发生光降解。 生生物物降降解解是是在在有有生生物物的的

16、作作用用下下发发生生的的降降解解反反应应，它也是抗生素降解的主要方式。它也是抗生素降解的主要方式。2021/6/1618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或有机小分子。生物降解主要有植物降解和微生生物降解主要有植物降解和微生物降解两种方式物降解两种方式 。2021/6/1619植物降解机制 植植物物具具有有庞庞大大的的叶叶冠冠和和根根系系, ,在在水水体体或

17、或土土壤壤中中与与环环境境之之间间进进行行着着复复杂杂的的物物质质交交换换和和能能量量交交换换, ,在在维维持持生生态态环环境境的的平平衡衡中中起起着着重重要要作作用用。植植物物修修复复受受污污染染 的水土环境主要有的水土环境主要有3 3种机制：种机制： 植物直接吸收有机污染物后转移或分解；植物直接吸收有机污染物后转移或分解； 植植物物释释放放分分泌泌物物和和特特定定酶酶降降解解土土壤壤环环境境中中的的有有机机污污染物；染物； 植植物物促促进进根根际际微微生生物物对对土土壤壤环环境境中中有有机机污污染染物物的的吸吸收或利用转化。收或利用转化。2021/6/1620植物降解 被被植植物物直直接接

18、吸吸收收的的污污染染物物主主要要有有: :氮氮、磷磷等等植植物物营营养养物物质质；对对水水生生生生物物有有毒毒害害作作用用的的某某些些重重金金属属和和有有机机物物等等。第第一一类类是是被被吸吸收收后后用用以以合合成成植植物物 自自身身 的的结结构构组组成成物物质质，第第二二类类则则是是脱脱毒毒后后储储存存于于体体内内或或在在植植物物体体内内被被降降解解。氟氟喹喹诺诺酮酮类类、磺磺胺胺类类和氯四环素等可直接被植物吸收。和氯四环素等可直接被植物吸收。2021/6/1621 微微生生物物降降解解是是现现阶阶段段处处理理抗抗生生素素污污染染的的最最理理想想的的方方法法。光光合合菌菌、乳乳酸酸菌菌、放放

19、线线菌菌、 酵酵母母菌菌、发发酵酵丝丝状状菌菌、芽芽孢孢杆杆菌菌、枯枯草草杆杆菌菌、 硝硝化化细细菌菌 、酵酵母母等等都都具具有有抗抗生生素的降解功能。素的降解功能。微生物降解微生物降解2021/6/1622抗生素生产废水好氧处理工艺抗生素生产废水好氧处理工艺2021/6/1623厌氧处理 厌厌氧氧处处理理高高浓浓度度的的有有机机废废水水是是较较可可行行的的方方，与与好好氧氧处处理理相相比比，厌厌氧氧法法在在处处理理高高浓浓度度有机废水方面通常有以下优点：有机废水方面通常有以下优点： 有机负荷高；有机负荷高； 污泥产率低，产生的生物污泥易于脱水污泥产率低，产生的生物污泥易于脱水； 营养物需要量

20、少；营养物需要量少； 不需要曝气，能耗低；不需要曝气，能耗低； 可以产生沼气、回收能源：可以产生沼气、回收能源： 对水温的适宜范围较广；对水温的适宜范围较广； 活性厌氧污保存时间长。活性厌氧污保存时间长。2021/6/1624抗生素生产废水厌氧处理工艺抗生素生产废水厌氧处理工艺2021/6/1625厌氧好氧生物处理组合工艺 在在实实际际废废水水处处理理中中，由由于于单单独独好好氧氧处处理理或或单单独独厌厌氧氧处处理理都都存存在在自自身身难难以以克克服服的的缺缺点点而而难难以以满满足足出出水水达达标标排排放放的的要要求求。因因而而从从8080年年代代开开始始，厌厌氧氧好好氧氧生生物物处处理理组组

21、合合工工艺艺逐逐渐渐成成为为主主导导工工艺艺。采采用用厌厌氧氧好好氧氧工工艺艺不不仅仅克克服服了了好好氧氧工工艺艺的的高高能能耗耗、高高运运转转费费用用及及稀稀释释水水量量大大等等特特点点，也也克克服服了了厌厌氧氧处处理理出出水水不不能能达达标标排排放放的的缺缺点点，在在经经济济和和技技术术上上都是可行的。都是可行的。2021/6/1626抗生素生产废水厌氧好氧生物抗生素生产废水厌氧好氧生物组合处理工艺组合处理工艺2021/6/1627微生物降解机理 抗抗生生素素的的微微生生物物降降解解是是指指在在微微生生物物作作用用下下，使使抗抗生生素素残残留留物物的的结结构构发发生生 改改变变，从从而而引

22、引起起其其化化学学和和物物理理性性质质发发生生改改变变，即即通通过过将将抗抗生生素素残残留留物物从从大大分分子子化化合合物物降降解解为为小小分分子子化化合合物物，最最后后成成为为 H H2 2O O和和COCO2 2。实实现现对对环环境境污污染染的的无无害害化化处处理理的过程的过程，其中耐药细菌起最重要的作用。其中耐药细菌起最重要的作用。2021/6/1628耐药菌的作用机制 耐耐药药菌菌直直接接破破坏坏和和修修饰饰抗抗生生素素而而使使其其失失活活，包包括括水水解解、基基团团转转移移和和氧氧化化还还原原3 3种种机机制制. .许许多多抗抗生生素素含含 有有易易水水解解的的敏敏感感化化学学键键

23、( ( 如如酯酯键键和和酰酰胺胺键键) ) ， 耐耐药药菌菌含含有有消消除除这这些些脆脆弱弱化化学学键键的的酶酶而而摧摧毁毁这这些些抗抗生生素素的的 活活性性。这这其其中中主主要要的的一一类类酶酶是是可可以以消消除除青青霉霉素素和和头头 孢孢菌菌素素类类药药物物内内酰酰胺胺环环的的酰酰胺胺酶酶。另另外外，还还有有与与大大环环内内酯酯类类药药物物耐耐药药性性有有关关的的酯酯酶酶及及磷磷霉霉素素耐耐药药性性有有关关的的开环环氧化酶开环环氧化酶 。2021/6/1629耐药菌的基因转移作用 基团转移有多种途径基团转移有多种途径 ， 包括包括 ： 乙乙酰酰基基转转移移修修饰饰 。通通过过对对羟羟基基或

24、或酰酰胺胺基基等等活活泼泼基基 团团的的共共价价修修饰饰导导致致化化合合物物失失去去靶靶点点结结合合能能力力从从而而失失 活活。乙乙酰酰转转移移是是细细菌菌使使抗抗生生素素失失活活的的常常用用机机制制 ， 见见于于氨氨基基糖糖苷苷类类抗抗生素。生素。磷磷酸酸化化 。氨氨基基糖糖苷苷类类， 大大环环内内酯酯类类的的红红霉霉素素和和肽肽类类抗抗生生素素硫硫酸酸酯酯霉霉可可通通过过这这 种种机机制制降降2021/6/1630基因转移作用糖基化糖基化 。见于大环类酯类。见于大环类酯类 。核苷核苷 酸化。见于林可霉素和克林霉素。酸化。见于林可霉素和克林霉素。核糖基化。见核糖基化。见 于含氨基酸残基的抗生

25、素。于含氨基酸残基的抗生素。巯巯基基转转移移， 如如磷磷霉霉素素。 氧氧化化还还原原机机制制不不多多见见 ， 四环素可被耐药性四环素可被耐药性 酶酶 Te t X Te t X 氧化氧化 。2021/6/1631影响微生物降解的因素( 1 ) p H( 1 ) p H、 水分和温度水分和温度 。( 2 ) ( 2 ) 氧气氧气 。( 3 ) ( 3 ) 环境介质。环境介质。( 4 ) ( 4 ) 环境中其他抗生素的存在。环境中其他抗生素的存在。2021/6/1632PH、水分和温度 环环境境的的酸酸碱碱度度和和温温度度影影 响响微微生生物物对对营营养养物物质质的的吸吸收收和和生生长长代代谢谢

26、， 进进而而改改变变微微生生物物的的生生长长状状况况。对对大大多多数数细细菌菌而而言言， p p H H 为为 6 6 5 5 8 8 5 5 ， 温温度度为为 25254 4 55时时有有较较高高的的生生物物活活性性。微微生生物物进进行行代代谢谢活活动动时时需需要要有有足足够够的的水水分分。微微生生物物的的呼呼吸吸方方式式不不同同对对水水分分的的需需求求也也不不一一样样。在在海海洋洋、 淡淡水水和和含含水水层层中中， 微微生生物物不不会会因因缺缺水水而而受受到到限限制制 ， 但但在在土土壤壤中中的水分有时会成为限制因素。的水分有时会成为限制因素。2021/6/1633氧气 微微生生物物具具有

27、有好好氧氧、 厌厌氧氧 、 兼兼性性好好氧氧多多 种种代代谢谢途途径径， 微微生生物物可可以以在在好好氧氧或或厌厌氧氧的的条条件件下下都都 可可以以发发挥挥作作用用。环环境境中中需需 氧氧菌菌生生长长速速度度快快 ， 降降解解作作 用用明明显显 。人人们们在在处处理理抗抗生生素素废废水水时时 ， 常常采采用用活活性性污污 泥泥法法 、 固固定定床床生生物物膜膜法法、 生生物物流流化化床床法法和和生生物物转转盘盘法法 等好氧降解法等好氧降解法 。2021/6/1634环境介质 环环境境中中抗抗生生素素常常被被其其他他介介质质如如土土壤壤包包被被， 这这些些介介质质影影响响着着抗抗生生素素与与微微

28、生生物物的的接接触触 和和微微生生物物的的生生长长状状态态。 固固定定化化颗颗粒粒半半径径愈愈小小 ， 降降解解速速度度愈愈快快 。在在固固定定化化颗颗粒粒内内， 氧氧浓浓度度随随着着颗颗粒粒半半径径的的减减少少而而迅迅速速下下降降 ；当当颗颗粒粒半半径径为为 3 3 mmmm时时 ， 粒粒子子中中心心的的0 0 mmmm0 0. .8 8 mmmm范围内的微生物处于缺氧状态甚至厌氧状态。范围内的微生物处于缺氧状态甚至厌氧状态。2021/6/1635环境中其他抗生素的存在 在在同同一一区区域域往往往往不不只只受受一一种种抗抗生生素素的的污污染染 。如如养养殖殖场场 、 医医院院附附近近环环境境

29、中中， 常常同同时时存存在在多多种种抗抗生生素素。这这些些抗抗生生素素能能够够抑抑制制或或杀杀死死具具有有降降解解作作用用的的微微生生物物 , ,从从而而抑抑制其它抗生素的降解。制其它抗生素的降解。 2021/6/1636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。2021/6/1637关注环境抗生素污染加快研究抗生素降解技术构建美好的明天！2021/6/1638 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！