四環(huán)素類抗生素生物降解研究進(jìn)展

鄭茂佳 張恩棟 孫靜茹 王冬瑩

摘 要：四環(huán)素類抗生素是一類以并四苯結(jié)構(gòu)為母核的廣譜抗生素，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、畜牧、水產(chǎn)等行業(yè)，通過糞便和尿液排出造成土壤、水體嚴(yán)重污染。本文概括了四環(huán)素類抗生素的微生物降解、植物修復(fù)、人工濕地以及微生物燃料電池的降解機(jī)理、影響因素和研究進(jìn)展，以期為其生物降解后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：四環(huán)素類抗生素；微生物降解；植物修復(fù)；人工濕地；微生物燃料電池

中圖分類號(hào)：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.06.018

Biodegradation Research Progress of Tetracyclines Antibiotics

ZHENG Maojia， ZHANG Endong， SUN Jingru， WANG Dongying

（School of Life Science， Liaoning Normal University， Dalian， Liaoning 116081， China）

Abstract：Tetracycline antibiotics are a class of broad-spectrum antibiotics with the tetracene structure as the mother nucleus. It has been widely used in the medical industry， animal husbandry， aquaculture and other industries. However， most of them were excreted in the form of excrement and urine， causing serious pollution problems of soil and water. The degradation mechanism， influencing factors and progress of microbial degradation， phytoremediation， constructed wetlands and microbial fuel cells in the biodegradation studies of tetracycline antibiotics were summarized in the review， aiming to provide references for further research.

Key words： tetracycline antibiotics； microbial degradation； plant repair； constructed wetlands； microbial fuel cell

四環(huán)素類抗生素（Tetracycline antibiotics，TCs）是由鏈霉菌產(chǎn)生的一類廣譜抗生素，阻止氨酰tRNA同核蛋白結(jié)合產(chǎn)生藥理作用[1]，抑制革蘭氏陽性和陰性菌、支原體、衣原體、立克次氏體及濾過性病毒等微生物生理活性[2]。其在尿液和糞便里仍具有較強(qiáng)活性[3]，對環(huán)境生物有生理毒性[4]。近年來，對四環(huán)素類抗生素降解研究日益增多，本文總結(jié)了四環(huán)素類抗生素生物降解研究進(jìn)展，旨在為四環(huán)素類抗生素生物降解研究提供參考。

1 四環(huán)素類抗生素化學(xué)結(jié)構(gòu)

四環(huán)素類抗生素（TCs）是一類以含有四個(gè)芳香環(huán)的并四苯為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的廣譜抗生素，包括四環(huán)素、土霉素、金霉素、地美環(huán)素及其衍生物——多西環(huán)素（Doxycycline）、米諾環(huán)素（Minocycline）、替加環(huán)素（Tigecycline）等。

金霉素于1948年從金色鏈霉菌（Streptomyces aureofaciens）中分離而來[5]。土霉素源于龜裂鏈霉菌（Streptomyces rimosus）產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物[6]。金霉素和土霉素直到1953年才確定化學(xué)結(jié)構(gòu)式[7]。隨后，金霉素的C7-脫氯衍生物對細(xì)菌性病原體具有更高的效力，而且是四環(huán)素類抗生素家族中最簡單的化合物，命名為四環(huán)素[8]。1957年，Mocormik發(fā)現(xiàn)第一代四環(huán)素類抗生素——地美環(huán)素[1]。通過對四環(huán)素化學(xué)結(jié)構(gòu)的修飾研發(fā)出增加抗微生物效力和降低藥物毒性的第二代四環(huán)素類化合物，主要包括強(qiáng)力霉素、甲氯環(huán)素、米諾環(huán)素等[9]。1994年Sum合成一系列帶有甘氨酰部分的C9-氨基四環(huán)素——甘氨酰四環(huán)素，打破了第三代四環(huán)素研究瓶頸[10]。目前，第三代四環(huán)素Omadacycline（PTK 0796）和Eravacycline（TP-434）正在進(jìn)行III期臨床試驗(yàn)[7]。

四環(huán)素類抗生素化學(xué)結(jié)構(gòu)如表1。

2 四環(huán)素類抗生素生物降解研究進(jìn)展

2.1 微生物降解

微生物降解一般包括活性污泥、膜生物反應(yīng)器、超聲以及堆肥法[11]。耐藥菌[12]對TCs 的降解機(jī)制如下：①水解；②乙酰轉(zhuǎn)移；③氧化還原。研究表明，在豬糞中添加外源微生物可以提高豬糞中TCs的降解，且外源微生物對TCs的降解率為：金霉素>土霉素>四環(huán)素[13]。

四環(huán)素類抗生素在環(huán)境中主要降解產(chǎn)物為其差向異構(gòu)體和脫水產(chǎn)物。四環(huán)素、金霉素和土霉素C-4可以被可逆地差向異構(gòu)化形成相對應(yīng)差向異構(gòu)體 [14-15]。由于C-5位的羥基可能與二甲基氨基團(tuán)結(jié)合，所以TC和CTC比OTC更容易差向異構(gòu)化[16]。酸性條件促進(jìn)TC，CTC，OTC中位置C-5上的氫和C-6位上的羥基以及它們的差向異構(gòu)體的脫水。差向土霉素和脫水土霉素在酸性溶液中不穩(wěn)定。C-5羥基導(dǎo)致B環(huán)斷裂產(chǎn)生α-Apo-OTC 和 β-Apo-OTC，降解為ter-OTC [17]。用堿處理C-6處具有羥基的四環(huán)素容易裂解成異四環(huán)素[18]。

研究者不斷從環(huán)境中篩選分離出能夠降解四環(huán)素類抗生素的菌種。光合細(xì)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、酵母等均具有抗生素的降解功能[13]。沈穎等[19]分離得到有效降解四環(huán)素的放線菌、真菌及細(xì)菌。張長青[20]篩選出蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus），第8天對50 mg·L-1土霉素降解率達(dá)到82.38%。陳海寧[21]篩選出粘質(zhì)沙雷氏菌和陰溝腸道桿菌，6天降解率超過90%。張欣陽等[22]篩選得到四環(huán)素降解菌株4002，經(jīng)鑒定為Advenella sp.，可使50 μg·mL-1 四環(huán)素降解率達(dá)57.8%。成潔等[23]分離得到木糖氧化無色桿菌（Achromobacter sp.）TJ-2#，對土霉素、四環(huán)素和金霉素 3 種四環(huán)素類抗生素降解率分別為 58.3%，63.9% 和 65.5%，枯草芽胞桿菌（Bacillus sp.）TJ-6#對3種四環(huán)素類抗生素的降解率分別為49.6%，62.3%和60.6%。楊正禮[24-25]篩選出降解金霉素真菌，桔青霉（Penicillium citrinum）LJ318，草酸青霉（Penicillium oxalicum）LJ302。張惠艷[26]考察哈茨木霉（Trichoderma harzianum）LJ245和LJ302菌株對金霉素的降解能力，LJ245和LJ302兩株真菌LJ245 能夠在300 mg·L-1的金霉素中生長且降解效率最高。馮福鑫等[27]分離得到一株酵母菌Trichosporon mycotoxinivorans XPY-10可以鹽酸四環(huán)素為唯一碳源進(jìn)行生長，對600 mg·L-1鹽酸四環(huán)素降解率為83.63%。

2.2 植物修復(fù)

植物修復(fù)是利用植物對抗生素的直接吸收和降解、根系分泌物以及土壤微生物對抗生素的降解等的綜合利用[28-29]。有機(jī)污染物的植物修復(fù)過程主要有三種機(jī)制[29]：（1）直接吸收，將其轉(zhuǎn)化為在植物組織中積累的無毒代謝物；（2）通過植物根系釋放的酶促進(jìn)有機(jī)污染物降解；（3）植物與根際微生物的聯(lián)合作用。

植物修復(fù)污染物受內(nèi)、外部因素影響。內(nèi)部因素主要是指植物本身的特性，不同植物類型的根部組成成分、根際分泌酶的種類、蒸騰作用強(qiáng)度及營養(yǎng)需求和吸收能力有差異性，對污染物吸附遷移能力不同。研究表明，大漂、鳳眼蓮、黑麥草、空心菜和水芹對抗生素的去除效果有明顯差異[30-32]。外部因素主要是指污染物的理化性質(zhì)、養(yǎng)分條件、溫度，pH值，光照，微生物等。污染物的辛醇-水分配系數(shù)（Kow）與其隨蒸騰作用向上遷移的能力有關(guān)，lgKow在1.0～3.5之間容易被植物吸收轉(zhuǎn)移[33]。研究表明水生植物濾床對抗生素的去除效率受季節(jié)變化影響，植物在冬季對水體的吸收能力減弱進(jìn)而影響降解率[32]。

陳小潔等[30]采用水培方法研究水生植物大漂（Pistia stratiotes）和鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）對水體中氨芐青霉素、鹽酸四環(huán)素、鹽酸土霉素和鹽酸金霉素的降解，結(jié)果表明大漂和鳳眼蓮對水體中的4種抗生素都具有一定的清除能力，降解效果能達(dá)到80%以上。裴孟等[31]利用黑麥草對土壤中殘留抗生素進(jìn)行降解，黑麥草對四環(huán)素類抗生素的降解率為19.1%～27.7%，其中對金霉素的降解率最高為11.4%～27.7%，對磺胺二甲基嘧啶的降解率最低，僅為3.4%～8.3%。造成黑麥草對不同類型抗生素的降解效果差異的原因可能與抗生素本身的化學(xué)性質(zhì)和分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。有文獻(xiàn)報(bào)道，在酸性條件下，四環(huán)素類抗生素化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不如磺胺二甲基嘧啶穩(wěn)定，因此更易被植物根系的高效降解菌和活性酶分解成無機(jī)物和碳水化合物[32]。廖杰等[33]運(yùn)用水生植物濾床系統(tǒng)研究水生蔬菜空心菜和水芹對典型抗生素（四環(huán)素類 TCs、磺胺類SMs 和喹諾酮類QNs）的去除和累積情況，并考察夏季和冬季對此過程的影響，研究結(jié)果表明，在夏季水芹植物濾床系統(tǒng)對3種典型的抗生素去除效果均高于空心菜系統(tǒng)的，而在冬季的去除效果差異不顯著，但是都明顯高于空白對照組。

2.3 人工濕地法去除四環(huán)素類抗生素

人工濕地利用基質(zhì)吸附、植物吸收和微生物降解協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)污水凈化，具有成本低、能耗小、過程穩(wěn)定、污水凈化效率良好及不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于污水處理[34]。人工濕地好氧厭氧交替的內(nèi)部環(huán)境、高比表面積的基質(zhì)和較長的水力停留時(shí)間、植物根際效應(yīng)和繁復(fù)的微生物群落等特點(diǎn)，使得人工濕地對難降解有機(jī)物（包括抗生素）的去除具有較高的潛能。

人工濕地對有機(jī)污染物的去除可分為非破壞性和破壞性。非破壞性降解是指污染物在濕地環(huán)境中揮發(fā)直接進(jìn)入大氣或者通過濕地植物的植物揮發(fā)作用，由根系吸附后以蒸騰作用為動(dòng)力將其排入大氣[35]。破壞性降解則是植物降解和微生物降解。植物吸附、積累、沉淀、轉(zhuǎn)移的污染物，在植物酶或輔酶因子作用下代謝降解或破壞。微生物一方面通過異養(yǎng)代謝作用將污染物作為生長基質(zhì)，另一方面通過共代謝作用，利用其他物質(zhì)作為生長基質(zhì)的同時(shí)去除目標(biāo)污染物。

人工濕地的性能取決于植物種類、流動(dòng)類型、基質(zhì)、水力負(fù)荷率、水力停留時(shí)間和施加的污染物負(fù)荷等設(shè)計(jì)參數(shù)。污染物的去除可能涉及底物吸附，植物吸收，光解，揮發(fā)和生物降解。不同的去除機(jī)制取決于濕地設(shè)計(jì)和污染物本身特征。植物和微生物是人工濕地的基本要素，植物根系分泌物能夠促進(jìn)根際微生物的代謝活動(dòng)。垂直流人工濕地在固液交界面的高頻接觸作用使得氧氣溶解量增多，因而對污染物的降解作用優(yōu)于地表漫流型人工濕地。較低的水力負(fù)荷率有利于降低污水中污染物濃度，但占地面積較大，而較高的水力負(fù)載占地面積少卻對污染物凈化率不高且在工作中更容易堵塞。基質(zhì)一方面可為濕地植物和微生物提供載體和生長環(huán)境，另一方面能夠直接參與污染物去除，通過吸收、吸附、過濾、離子交換、絡(luò)合反應(yīng)等物理化學(xué)反應(yīng)來凈化污染物質(zhì)。

近年來，國內(nèi)外有不少學(xué)者用人工濕地研究醫(yī)藥品與個(gè)人護(hù)理品（Pharmaceuticals and Personal Care Products，PPCPs）降解。阿丹[36]選用再力花（Thalia dealbata）和花葉蘆竹（Arundo donax var. versicolor）兩種水生植物研究12 種不同構(gòu)型模擬人工濕地對生活污水14種抗生素去除效果，結(jié)果表明，除第1種人工濕地構(gòu)型對四環(huán)素類抗生素的降解率為51%之外，其余11種構(gòu)型對四環(huán)素去除率在 72%～93% 之間。易禮陵[37]以蘆葦和美人蕉作為供試植物，構(gòu)建 2 套復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)，探究系統(tǒng)中 COD、N、P及四環(huán)素類抗生素的去除效果，結(jié)果表明，HRT為1.5 d 時(shí)，美人蕉濕地中對四環(huán)素、土霉素和金霉素的去除率分別為97.27%，91.18%，83.43%，蘆葦濕地中的四環(huán)素、土霉素、金霉素去除率分別為97.71%，91.46%，86.68%，均表現(xiàn)出較高的去除效果。楊平等[38]采用穩(wěn)定塘+復(fù)合水平潛流人工濕地組合工藝研究對四環(huán)素類抗生素的去除效果，復(fù)合水平潛流濕地對四環(huán)素類抗生素的去除效果較好。

2.4 微生物燃料電池強(qiáng)化四環(huán)素類抗生素生物降解

將微生物燃料電池應(yīng)用于廢水處理，可實(shí)現(xiàn)污水處理與能源再生的同步進(jìn)行，而且發(fā)電過程不產(chǎn)生污染環(huán)境的有害氣體，是一種高效、低耗、清潔的新型廢水處理工藝[39]。

目前，應(yīng)用微生物燃料電池降解四環(huán)素類抗生素研究少，但文獻(xiàn)報(bào)道應(yīng)用于降解甲硝唑、氯霉素、磺胺類、β-內(nèi)酰胺類（青霉素類、頭孢菌素類）抗生素的研究證實(shí)微生物燃料電池可以用于降解抗生素，輸出電壓穩(wěn)定[40]。微生物燃料電池電極材料、環(huán)境條件、微生物種群等眾多因素對其運(yùn)行性能都會(huì)產(chǎn)生顯著影響。研究表明，陰、陽極室溶液濃度、離子強(qiáng)度、曝氣速率、水力負(fù)荷、外電路電阻及溫度等決定產(chǎn)電效能的參數(shù)，影響系統(tǒng)運(yùn)行[41]?；旌暇号c純菌相比，具有抗沖擊能力強(qiáng)、可利用基質(zhì)范圍廣且能發(fā)揮不同菌種間協(xié)同作用的優(yōu)點(diǎn)，能有效增強(qiáng)MFC的性能。

2.5 人工濕地耦合微生物燃料電池去除四環(huán)素類抗生素

人工濕地底層是厭氧帶，表層是好氧帶，具備構(gòu)建微生物燃料電池條件。當(dāng)微生物燃料電池與人工濕地系統(tǒng)結(jié)合時(shí)，人工濕地系統(tǒng)為微生物燃料電池增大了其陽極的比表面積，電子介體容易被吸附從而提高系統(tǒng)電化學(xué)活性達(dá)到提高對有機(jī)物降解目的。

楊可昀[42]采用具有較高污染物去除效能的垂直潛流式人工濕地為MFC載體，以生活污水中抗生素（四環(huán)素、磺胺甲惡唑）為底物研究出人工濕地耦合微生物燃料系統(tǒng)比人工濕地系統(tǒng)具有更好的抗生素凈化效果，且出水抗生素濃度波動(dòng)小，抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。李驊等[43]的研究也表明微生物燃料電池型人工濕地具有較好的去除抗生素能力，但其去除率受抗生素濃度、進(jìn)水共基質(zhì)等影響。關(guān)于MFC相關(guān)研究處于起步探索階段，其發(fā)展受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多方面影響，距離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，但未來實(shí)現(xiàn)工業(yè)化將是污水處理領(lǐng)域的重大變革。

3 結(jié) 論

綜上所述，四環(huán)素類抗生素大量使用造成環(huán)境污染，對其生物降解機(jī)理和降解方法研究日益增多且逐漸深入，但對抗生素降解中間產(chǎn)物研究較少，在后續(xù)研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對降解中間產(chǎn)物毒性研究，以及聯(lián)合多種降解方法進(jìn)行后續(xù)降解，以達(dá)到無害化目的。

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