抗生素生物降解.ppt

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(zhǎng)期以來 抗生素被大量地用于人和動(dòng)物的疾病治療 并以亞治療劑量添加于動(dòng)物飼料中 以預(yù)防動(dòng)物疾病和促進(jìn)其生長(zhǎng) 但絕大部分抗生素不能完全被機(jī)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(duì)土壤和水體造成污染 目前 抗生素污染問題已經(jīng)被許多發(fā)達(dá)國(guó)家 如歐盟和美國(guó) 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(gè)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(huì)經(jīng)過城市和醫(yī)院的下水道進(jìn)入到城市污水處理廠 由于現(xiàn)有的污水處理技術(shù)很難將抗生素徹底清除 一部分抗生素會(huì)隨著處理后的廢水進(jìn)入土壤和水中 而醫(yī)院丟棄的過期抗生素會(huì)進(jìn)人垃圾填埋場(chǎng) 如果處理不當(dāng) 會(huì)滲入土壤或地下水中 農(nóng)用藥物來源途徑 動(dòng)物養(yǎng)殖中獸藥長(zhǎng)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(dòng)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(jìn)入土壤 經(jīng)雨水淋洗進(jìn)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(jìn)入水體 另一部分被水底淤泥中所吸附 存在于養(yǎng)殖場(chǎng)底泥中 獸藥生產(chǎn)中損失的抗生素會(huì)隨著廢水經(jīng)由下水道進(jìn)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(huì)進(jìn)入土壤甚至地下水中 環(huán)境中抗生素殘留的潛在風(fēng)險(xiǎn) 抗生素在環(huán)境中的濃度普遍較低 一般在 g L級(jí) 有的甚至低至 ng L級(jí) 但仍然可能對(duì)環(huán)境存在風(fēng)險(xiǎn) 如某些POPs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(duì)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(duì)環(huán)境構(gòu)成潛在的威脅 潛在風(fēng)險(xiǎn)的主要表現(xiàn) 1 誘導(dǎo)耐藥性細(xì)菌 2 對(duì)環(huán)境中微生物產(chǎn)生影響 3 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響 4 食品和飲用水中抗生素對(duì)人類健康的威脅 誘導(dǎo)耐藥性細(xì)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(zhǎng)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(qiáng)力抗生素的病原菌 這些病原菌珠的出現(xiàn) 對(duì)人和動(dòng)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(xì)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(duì)人類健康的威脅 對(duì)環(huán)境中微生物的影響 抗生素的作用就是抑制某類病菌的生長(zhǎng) 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(shì)菌得以大量繁殖 因此長(zhǎng)期低濃度抗生素的存在對(duì)微生物群落有一定的影響 并且該影響可通過食物鏈對(duì)高級(jí)生物發(fā)生作用 從而破壞了生態(tài)系統(tǒng)的平衡 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響 抗生素隨動(dòng)物的糞尿和城市污水施人農(nóng)田 對(duì)農(nóng)田植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響 如0 009 0 012mg L四環(huán)素的動(dòng)物糞便對(duì)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(zhǎng) 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)素減少了雜色豆植株的生節(jié) 鮮重 并影響其對(duì)鈣 鉀和鎂的吸收 而抗生素對(duì)植物生長(zhǎng)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(duì)人類健康的威脅 抗生素長(zhǎng)期作為添加劑大量用于畜牧生產(chǎn) 導(dǎo)致抗生素在動(dòng)物食品肉 蛋 奶中殘留 人食用后 抗生素就會(huì)沿食物鏈傳遞到人 一方面會(huì)引起人群的過敏反應(yīng) 嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(xiàng)生理功能 威脅人類健康 抗生素一旦進(jìn)入環(huán)境就會(huì)擴(kuò)散到壤 水和空氣中 一般會(huì)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(duì)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(jī)質(zhì)或土壤沉積物的相互作用 并可預(yù)測(cè)抗生素對(duì)環(huán)境的影響程度 一般來說 吸附能力強(qiáng)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(dá)水環(huán)境 進(jìn)而對(duì)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 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(huì)發(fā)生一種或多種降解反應(yīng) 一般來說 降解過程會(huì)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(qiáng) 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 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(jī)或有機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)制 植物直接吸收有機(jī)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(jī)污染物 植物促進(jìn)根際微生物對(duì)土壤環(huán)境中有機(jī)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 對(duì)水生生物有毒害作用的某些重金屬和有機(jī)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(chǔ)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(xì)菌 酵母等都具有抗生素的降解功能 微生物降解 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(jī)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(jī)廢水方面通常有以下優(yōu)點(diǎn) 有機(jī)負(fù)荷高 污泥產(chǎn)率低 產(chǎn)生的生物污泥易于脫水 營(yíng)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(duì)水溫的適宜范圍較廣 活性厭氧污保存時(shí)間長(zhǎng) 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(shí)際廢水處理中 由于單獨(dú)好氧處理或單獨(dú)厭氧處理都存在自身難以克服的缺點(diǎn)而難以滿足出水達(dá)標(biāo)排放的要求 因而從80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(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用及稀釋水量大等特點(diǎn) 也克服了厭氧處理出水不能達(dá)標(biāo)排放的缺點(diǎn) 在經(jīng)濟(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境污染的無害化處理的過程 其中耐藥細(xì)菌起最重要的作用 耐藥菌的作用機(jī)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(tuán)轉(zhuǎn)移和氧化還原3種機(jī)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(tuán)轉(zhuǎn)移有多種途徑 包括 乙?；D(zhuǎn)移修飾 通過對(duì)羥基或酰胺基等活潑基團(tuán)的共價(jià)修飾導(dǎo)致化合物失去靶點(diǎn)結(jié)合能力從而失活 乙酰轉(zhuǎn)移是細(xì)菌使抗生素失活的常用機(jī)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(jī)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(jī)制不多見 四環(huán)素可被耐藥性酶TetX氧化 影響微生物降解的因素 1 pH 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 PH 水分和溫度 環(huán)境的酸堿度和溫度影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和生長(zhǎng)代謝 進(jìn)而改變微生物的生長(zhǎng)狀況 對(duì)大多數(shù)細(xì)菌而言 pH為6 5 8 5 溫度為25 45 時(shí)有較高的生物活性 微生物進(jìn)行代謝活動(dòng)時(shí)需要有足夠的水分 微生物的呼吸方式不同對(duì)水分的需求也不一樣 在海洋 淡水和含水層中 微生物不會(huì)因缺水而受到限制 但在土壤中的水分有時(shí)會(huì)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(zhǎng)速度快 降解作用明顯 人們?cè)谔幚砜股貜U水時(shí) 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(zhǎng)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3mm時(shí) 粒子中心的0mm 0 8mm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(chǎng) 醫(yī)院附近環(huán)境中 常同時(shí)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(guó)乃至全球所面臨的重大環(huán)境問題之一 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)化大國(guó) 畜