糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)厭氧降解研究

1、糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)厭氧降解研究摘 要糖皮質(zhì)激素是由腎上腺皮質(zhì)分泌的甾體化合物，可以通過人工合成的方式進(jìn)行批量生產(chǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療方面。因?yàn)樘瞧べ|(zhì)激素所具有的獨(dú)特的生理作用，常被應(yīng)用到炎癥的治療中，如關(guān)節(jié)炎、哮喘、支氣管炎等。近年來，我國糖皮質(zhì)激素類藥物的銷售總額不斷上升，醫(yī)生開出的處方藥中超過 20%為糖皮質(zhì)激素類藥物。據(jù)調(diào)查，我國所有制藥廠所產(chǎn)的糖皮質(zhì)激素類藥物的年產(chǎn)值總量高達(dá)數(shù)百噸，被廣泛的應(yīng)用于人類疾病的治療以及畜牧業(yè)養(yǎng)殖中。糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)通過人體與生物體的代謝排出體外，經(jīng)過遷移轉(zhuǎn)化與制藥廠所排出的廢水最終匯聚到污水處理廠，或經(jīng)處理后作為景觀水進(jìn)入到水環(huán)境中，進(jìn)入水環(huán)境中的糖皮質(zhì)激素被

2、生物吸收并造成一定的危害。目前，在我國的污水處理廠以及不少地區(qū)的水環(huán)境中都檢測(cè)到糖皮質(zhì)激素類藥物的存在，這些糖皮質(zhì)激素有的是天然的，有的是經(jīng)過制藥工藝人工合成的。在我國，污水處理廠處理廢水中有機(jī)污染物最常用的方法為生物法。生物法是目前公認(rèn)的最具環(huán)境友好型的處理方法，不僅可以將廢水中所含的有機(jī)污染物進(jìn)行降解，且伴隨著污染物的降解過程可以產(chǎn)生 CH4和 H2等再生能源，從而達(dá)到變廢為寶的目的。國內(nèi)外對(duì)糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)的研究大多集中在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域中，在環(huán)境領(lǐng)域的研究剛進(jìn)入初級(jí)階段，且研究主要集中在環(huán)境檢測(cè)方面。有研究表明糖皮質(zhì)激素可以被微生物（如簡單節(jié)桿菌、馬紅球菌、溶脂短桿菌等）降解，而糖皮質(zhì)激素的

3、在厭氧環(huán)境中最終降解程度以及對(duì)厭氧消化過程中的微生物活性的影響還沒有具體研究。因此，本文參考ECETOC 測(cè)試法，選取氫化可的松、可的松、強(qiáng)的松以及地塞米松這四種醫(yī)用糖皮質(zhì)激素為研究對(duì)象，研究其在厭氧環(huán)境中的最終降解規(guī)律以及厭氧降解過程中對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性的抑制程度。1.本文以氫化可的松、可的松、強(qiáng)的松以及地塞米松四種醫(yī)用糖皮質(zhì)激素為受試物，參照 ECETOC 測(cè)定法與 ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法研究這四種糖皮質(zhì)激素的厭氧降解規(guī)律。從凈產(chǎn)氣量、生物氣組分、揮發(fā)性脂肪酸以及生物降解百分率等方面進(jìn)行綜合分析，可以得出以下結(jié)論：（1）氫化可的松、可的松、強(qiáng)的松以及地塞米松部分被最終降解。氫化可的松、可

4、的松與強(qiáng)的松只有小部分被礦化并發(fā)生最終降解。地塞米松無法進(jìn)行最終降解且會(huì)抑制內(nèi)生生物氣的產(chǎn)生。（2）在所選濃度范圍內(nèi)，氫化可的松和可的松的生物降解百分率隨著濃度的升高而降低，強(qiáng)的松的降解百分率隨著濃度的升高而增大；氫化可的松在濃度為 50 mg/L 時(shí)，生物降解百分率最高，可達(dá) 20 %以上。（3）在濃度低于 100 mg/L 時(shí)，這四種糖皮質(zhì)激素的厭氧降解規(guī)律為氫化可的松可的松強(qiáng)的松地塞米松。2.以葡萄糖作為共基質(zhì)，分別在培養(yǎng)液中加入相應(yīng)濃度的氫化可的松、可的松、強(qiáng)的松以及地塞米松作為受試物進(jìn)行厭氧生態(tài)毒性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)參照 ECETOC 測(cè)定法與ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，通過觀察這四種糖

5、皮質(zhì)激素在厭氧環(huán)境中對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性的影響，從而判斷其生態(tài)毒性規(guī)律。從累計(jì)產(chǎn)氣量、凈產(chǎn)氣量、生物氣組分、揮發(fā)性脂肪酸以及相對(duì)活性等方面進(jìn)行綜合分析，可以得出以下結(jié)論：（1）地塞米松和氫化可的松會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)生一定的抑制作用，且隨著濃度的增大而增大。（2）可的松在開始階段對(duì)厭氧微生物的活性具有抑制作用，抑制作用與濃度成正比；經(jīng)過適應(yīng)后，會(huì)產(chǎn)生刺激作用，且刺激作用隨著濃度的增大而減??；可的松在低濃度時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性產(chǎn)生抑制作用，隨著濃度增加，抑制作用減小。（3）強(qiáng)的松對(duì)厭氧微生物活性具有強(qiáng)烈的抑制作用，且隨著濃度的增大而增強(qiáng)。（4）在低濃度下，四種糖皮質(zhì)激素的抑制性大小關(guān)系為強(qiáng)的松可的松地

6、塞米松氫化可的松。關(guān)鍵字：厭氧降解，糖皮質(zhì)激素，厭氧生態(tài)毒理性。ABSTRACT。Glucocorticoid is a steroid compound secreted by adrenal cortex, which can be mass-produced in artificial synthetic fashion and widely used in medical care. Owing to the unique physiological nature,glucocorticoid always be used in the treatment of inflammatio

7、n, such as arthritis, asthma, bronchitis and so on. In recent years, the total sales of glucocorticoid drugs has been increasing, and more than 20% of the prescribed drugs that doctors prescribed glucocorticoid-like drugs in China. According to the investigation,there are more than hundreds of tons

8、of glucocorticoid drugs which output annual among of China s pharmaceutical products and most of the glucocorticoid drugs, widely used in the treatment of human diseases and livestock breeding. These glucocorticoids are excreted by the metabolism of the human body and the organism, and into the wast

9、e water discharged from the pharmaceutical factory eventually converge to the sewage treatment plant, the treated water is drained into the water environment, It might cause harmsthat the glucocorticoid in water absorbed by the organism. At present, glucocorticoid-like drugs have detected in sewage

10、treatment plants and many areas of the water environment in China. Some of these glucocorticoids are natural, but some have been artificially synthesized by the pharmaceutical process. The most common method of treating organic pollutants with wastewater treatment plants is biological methodin China

11、. Biological method is currently recognized as the most environmentally-friendly treatment to achieve the purpose of recycling, which not only can the organic pollutants in wastewater, but also,produce renewable energy with the degradation of pollutants , such as CH4 、H2 and so on .At the early stag

12、e, the research on glucocorticoid substances in domestic and foreign were mostly focus on medicine field, the research has just entered the initial stage in the field of environmental, and the study is mainly focused on environmental testing. Research shown that glucocorticoids can be degraded by mi

13、croorganisms (such as Corynebacterium simplex, Rhodococcus equi, and Bacillus lipolyticus), while both of the ultimate degradation of glucocorticoid in anaerobic environments and the effects on microbial activity during anaerobic digestion have not been specifically studied. Therefore, this paper re

14、fers to the ECETOC test method, selecting the hydrocortisone, cortisone, prednisone, and dexamethasone, four kinds of medical glucocorticoids as research objects, to study their ultimate degradation in anaerobic environment and anaerobic degradation process, the degree of inhibition of methanogen ac

15、tivity.1. In this paper, choosing four medical glucocorticoids: hydrocortisone, cortisone, prednisone,and dexamethasone, were used as test substances. The degradation laws of these four glucocorticoids were studied with reference to the ECETOC assay and the ISO international standard design test met

16、hod. A comprehensive analysis of the net gas production, biogenic gas composition, VFAs and percentage of biodegradation can lead to the following conclusions: (1) It is difficult to degrade eventually with the hydrocortisone, cortisone, prednisone, and dexamethasone Only a small amount of hydrocort

17、isone,cortisone and prednisone are mineralized, and occurs degradation finally. However, dexamethasone only undergoes initial degradation and cannot be degraded finally, which will inhibit the production of endogenous biogas. With the increase of the concentration, the inhibitory effect decreases. (

18、2) In the selected concentration range, the percentage of biodegradation of hydrocortisone and cortisone decreases as the concentration increases, and the percentage degradation of prednisone increases with the increase of concentration. At the concentration of hydrocortisone is 50 mg/L, the highest

19、 percentage of biodegradationis up to 20%. (3) When the concentrations below 100 mg/l, the anaerobic degradation of the four glucocorticoid hormones was hydrocortisone Cortisone Prednisone Dexamethasone.2. Using glucose as a co-substrate, anaerobic ecotoxicity experiments were performed by adding hy

20、drocortisone, cortisone, prednisone, and dexamethasone as the test substances in the culture medium. The experiment is based on the ECETOC assay and the ISO international standard design experiment method. By observing the effect of these four glucocorticoids on the activity of methanogens in anaero

21、bic environment, the ecotoxicity rule of the four glucocorticoids can be judged. From the comprehensive analysis of cumulative gas production, net gas production, biogas components, volatile fatty acids, and relative activities, the following conclusions can be drawn: (1) The activity of dexamethaso

22、ne and hydrocortisone on methanogenic bacteria It has a certain inhibitory effect and increases with the concentration. (2) Cortisone has an inhibitory effect on the activity of anaerobic microorganisms at the beginning stage, and the inhibitory effect is proportional to the concentration; after bei

23、ng adapted, it will have a stimulatory effect, and the stimulatory effect will decrease as the concentration increases; Pine at a low concentration will have an inhibitory effect on the activity of methanogens, and as the concentration increases, the inhibitory effect decreases. (3) Prednisone has a

24、 strong inhibitory effect on the activity of anaerobic microorganisms, and it increases with the increase of concentration. (4) At low concentrations, the inhibitory size relationship of the four glucocorticoids was prednisone cortisone dexamethasone hydrocortisone.KEY WORDS:anaerobic degradation,gl

25、ucocorticoid,anaerobic ecological toxicity。1、 緒 論現(xiàn)階段人們的生活與生產(chǎn)都離不開有機(jī)化合物，為滿足人們的需求，合成的有機(jī)物種類不斷增多。這些由人類通過各種工藝合成的有機(jī)化合物一部分不被自然界的生物圈所熟識(shí)，難以被自然環(huán)境中的微生物降解，會(huì)在自然界中長期存留和富集，對(duì)環(huán)境和生物造成不可挽回的危害。近年來，有研究者對(duì)部分地區(qū)的河道進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)的存在。2009 年，常紅等1人對(duì)北京市溫榆河流域進(jìn)行檢測(cè)，共測(cè)出 6 種糖皮質(zhì)激素，其中包括可的松和氫化可的松這兩種天然激素以及潑尼松、潑尼松龍、地塞米松、甲基潑尼松龍 4 種人工合成激素。2

26、015 年，郭文景2在北京市清河對(duì)地表水進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)出 8 種糖皮質(zhì)激素。據(jù)調(diào)查研究，在我國，糖皮質(zhì)激素作為藥物的使用量逐年遞增，隨之環(huán)境中該物質(zhì)的含量也在不斷增高。環(huán)境中的糖皮質(zhì)激素經(jīng)過各種途徑的富集，會(huì)被人體所吸收，人體攝入過高會(huì)引發(fā)肥胖、高血壓、骨質(zhì)疏松等各種疾病，且會(huì)對(duì)水環(huán)境中的生物造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，隨之成為環(huán)境激素類污染物之一，因此，對(duì)糖皮質(zhì)激素的降解研究顯得尤為迫切。1.1、 環(huán)境激素及其危害。環(huán)境激素3-4一詞最早由一位日本的學(xué)者提出的，專指存在于環(huán)境中具有干擾生物體自身穩(wěn)定以及體內(nèi)激素平衡作用的化合物5。當(dāng)環(huán)境中的環(huán)境激素被生物吸收進(jìn)入體內(nèi)，會(huì)打破生物體的生理平衡，影響生

27、物體的正常發(fā)育及成長。早期，人們對(duì)它的危害并不了解，因此并未引起學(xué)者們的關(guān)注。直到 1996 年，美國科學(xué)家 Colborn 在其環(huán)保著作Our stolen futurn中正式提出了環(huán)境激素;這個(gè)名詞，開始引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注，在這篇著作中說明了環(huán)境激素所帶來的危害，若生物體所吸收的環(huán)境激素含量較少時(shí)，會(huì)影響體內(nèi)的代謝平衡，若吸收的含量過高時(shí)可能出現(xiàn)生物絕種的現(xiàn)象，如雄性生物吸收了環(huán)境中具有雌激素作用的化合物，會(huì)出現(xiàn)雌性化現(xiàn)象、后代出現(xiàn)發(fā)育缺陷等障礙、生物的生殖生育能力降低，最后致使生物絕種。自此，人們真正認(rèn)識(shí)到了激素化合物對(duì)人類及各種野生動(dòng)物的危害6-7。經(jīng)過 80 年的工業(yè)發(fā)展，環(huán)境激素

28、的種類不斷增加，在醫(yī)藥、化妝品等多數(shù)的化學(xué)制品中都含有激素類物質(zhì)。目前已確定約 70 種環(huán)境激素，除了鎘、鉛、汞等幾種重金屬外，剩余的都是有機(jī)物質(zhì)8-9。近年來有學(xué)者發(fā)現(xiàn)環(huán)境激素對(duì)人類的健康存在影響，如會(huì)導(dǎo)致男嬰的出生率降低，胎兒畸變，引起人神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，造成智力低下等危害10。因此，環(huán)境激素成為了繼臭氧層破壞、溫室效應(yīng)后，第三個(gè)全球性重大環(huán)境問題11-12。1.2、 糖皮質(zhì)激素。糖皮質(zhì)激素是腎上腺皮質(zhì)激素的其中一種，它的名稱來源于其在人體中的生理作用，即調(diào)節(jié)糖的代謝，屬于甾體化合物13。人們對(duì)糖皮質(zhì)激素的生理作用和臨床應(yīng)用的研究開始于 1855 年14，而直到 1949 年 ，才發(fā)現(xiàn)可的

29、松對(duì)治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎具有奇效，至此人們首次真正的認(rèn)識(shí)到了糖皮質(zhì)激素具有作為高療效和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值藥物的作用。據(jù)調(diào)查研究，在藥物治療中，糖皮質(zhì)激素類藥物的使用量遠(yuǎn)超于雌激素類藥物15，是目前激素類藥物中使用量最大的藥物之一。目前，超過 30 余種糖皮質(zhì)激素合成藥物被廣泛應(yīng)用于人類醫(yī)療與獸藥使用中16。這些藥物的使用除了可以治療眾所周知的風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎外，還可以治療人體的呼吸道疾病如支氣管哮喘以及皮膚病如濕疹等。近年來，有學(xué)者對(duì)我國的部分醫(yī)院所開的處方單進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)我國醫(yī)生開出的處方藥中超過 20%為糖皮質(zhì)激素類藥物，且每年所售出的糖皮質(zhì)激素類藥物的銷售金額也在不斷攀升。目前臨床上應(yīng)用較廣泛的

30、有可的松17-18（Cortisone）、強(qiáng)的松（Prednisone）、地塞米松19-20（Dexamethasone），氫化可的松（Hydrocortisone）等。這些藥物大多被應(yīng)用于治療人體的各種炎癥，如風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、呼吸道炎癥等。1.2.1、 糖皮質(zhì)激素結(jié)構(gòu)。糖皮質(zhì)激素作為甾體化合物中的一種，具有相同的母核結(jié)構(gòu)，即環(huán)戊烷多氫菲碳結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通式如圖 1-1 所示，由三個(gè)六元環(huán)（A、B、C）和一個(gè)五元環(huán)（D）稠合的碳結(jié)構(gòu)，并且大部分甾體化合物在環(huán)戊烷多氫菲的母核上存在三個(gè)側(cè)鏈，分別連在 C-10，C-13 和 C-17 上21。如膽甾醇、雌激素、孕激素等都屬于甾醇化合物22-23。1.2

31、.2 糖皮質(zhì)激素的環(huán)境來源及危害?；谔瞧べ|(zhì)激素調(diào)節(jié)體內(nèi)糖、蛋白質(zhì)以及脂肪三者間的轉(zhuǎn)化與代謝平衡的特殊的生理功能及其抗炎的治療特性24-25，天然的及合成的不同種類的糖皮質(zhì)激素被廣泛的應(yīng)用于人類的關(guān)節(jié)炎、哮喘、支氣管炎等疾病26-28，在畜牧養(yǎng)殖業(yè)中也常被作為治療家畜的炎癥反應(yīng)及免疫性疾病的藥物使用29。而且早在 20 世紀(jì) 80 到 90 年代，有研究者先后報(bào)道了糖皮質(zhì)激素可以通過促進(jìn)動(dòng)物體內(nèi)食物的吸收，將糖類轉(zhuǎn)化成脂肪，增加動(dòng)物的體重。自此，糖皮質(zhì)激素被廣泛應(yīng)用于畜牧業(yè)養(yǎng)殖中。在我國，每年僅天津一家制藥廠生產(chǎn)的糖皮質(zhì)激素就超過 20 噸，全國糖皮質(zhì)激素類藥物的生產(chǎn)總額高達(dá)數(shù)百噸30。目前環(huán)

32、境中存在的糖皮質(zhì)激素類藥物分別為天然合成和人工合成兩類。天然合成，即在人與動(dòng)物體內(nèi)合成，通過新陳代謝排出體外，進(jìn)入環(huán)境中，因此人與動(dòng)物的排泄也是環(huán)境中糖皮質(zhì)激素類藥物的來源之一。人工合成的糖皮質(zhì)激素的主要來源為醫(yī)院、制藥廠中排出的廢水、廢渣。通過第一種途徑進(jìn)入到環(huán)境中的糖皮質(zhì)激素，都是先以無生物活性的結(jié)合態(tài)在人體中存在的，排出體外之后逐步解離形成具有生物活性的自由態(tài)糖皮質(zhì)激素31。人工合成的糖皮質(zhì)激素藥物中大部分是先進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)，經(jīng)過代謝排出，而這些糖皮質(zhì)激素在生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化成為極性強(qiáng)、生物活性低的代謝產(chǎn)物排出體外，成為環(huán)境中的潛在污染物。據(jù)調(diào)查研究，成年男性每天尿液中排泄的雌二醇約為 1.

33、5?g，而所含的糖皮質(zhì)激素的量約為雌二醇的 100-1000 倍32。種豬每天排放的糞便中可以檢測(cè)到的氫化可的松的含量介于 906310?g/d 之間33。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國，每年醫(yī)生開出的處方藥中超過 20%的為糖皮質(zhì)激素類藥物，成為應(yīng)用最廣泛的激素類藥物34。而另外一部分人工合成的糖皮質(zhì)激素會(huì)通過第三種途徑進(jìn)入環(huán)境中。經(jīng)檢測(cè)，醫(yī)院廢水中所含的糖皮質(zhì)激素受體活性要比污水處理廠中的高 2.59 倍，而制藥廠排出的廢水中所含的量最高時(shí)是污水處理廠的 22 倍，這種高濃度的糖皮質(zhì)激素進(jìn)入環(huán)境中，會(huì)對(duì)人類和水生生物的健康等造成嚴(yán)重的負(fù)面影響35-36。因此，醫(yī)院和制藥廠是環(huán)境種糖皮質(zhì)激素的重要污染

34、來源之一。近年來，由于人類活動(dòng)的頻繁，糖皮質(zhì)激素的使用量的幅度增加 2016 年沈曉燕等人在污水廠水樣檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)氫化可的松的濃度為 0.61-121ng/L、地塞米松濃度為 1.7-14ng/L、潑尼松龍濃度水平在 2.7-190ng/L。特別是在糖皮質(zhì)激素藥物的生產(chǎn)車間，排出的工業(yè)廢水中所含有的糖皮質(zhì)激素的含量要比污水處理廠以及河湖中的含量要高的多。近年來，隨著天然和人工合成的糖皮質(zhì)激素的生產(chǎn)與消費(fèi)量的逐漸提高，環(huán)境中的糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)含量逐漸攀升，糖皮質(zhì)激素在環(huán)境領(lǐng)域的研究進(jìn)入到了初步階段。且已經(jīng)有部分實(shí)驗(yàn)證明了糖皮質(zhì)激素類物質(zhì)對(duì)魚類具有潛在的生態(tài)毒性。如 2002 年，Overli37等研究者長期對(duì)魚類投加氫化可的松藥物，研究發(fā)現(xiàn)長期吸收氫化可的松藥物的魚類的生理活動(dòng)和進(jìn)攻行為都會(huì)遭到一定的抑制，同時(shí)會(huì)影響星斑川鰈的免疫系統(tǒng)38-39。而且發(fā)現(xiàn)長期吸收氫化可的松的虹鱒魚的發(fā)育會(huì)受到一定的限制，體型要比正常條件下生長的要小的多，而且具有發(fā)育不完善的情況。另外，有研究發(fā)現(xiàn)潑尼松龍與倍氯米松會(huì)使黑頭呆魚體內(nèi)的糖轉(zhuǎn)化速率加快，血糖含量升高以及降低血液中白細(xì)胞數(shù)量40。最近有研究表明低濃度的糖皮質(zhì)激素具有加快蛋白質(zhì)分解作用41以及造成雌性鮭魚，食蚊魚出現(xiàn)雄性化現(xiàn)象42-43。1.2.3 環(huán)境水