抗生素的微生物降解研究進(jìn)展

陳小麗　魏金　華藺中

摘要 近年來，由于人們對抗生素不規(guī)范、不合理以及過量的使用，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的相關(guān)環(huán)境污染問題日漸嚴(yán)重。鑒于微生物對抗生素的降解具有低耗、高效的效果，同時(shí)具備環(huán)保及操作簡便等特點(diǎn)，微生物降解法已作為抗生素污染處理的有效途徑之一逐漸受到人們的重視。本文介紹了抗生素的使用現(xiàn)狀及其危害，綜述了抗生素的環(huán)境行為、生物降解機(jī)理及其影響因素，展望了利用微生物降解環(huán)境中抗生素的前景，以期為治理環(huán)境中抗生素污染提供參考。

關(guān)鍵詞 抗生素；微生物降解；環(huán)境行為；影響因素

中圖分類號 X172；X502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）16-0167-02

抗生素（antibiotics）是一種細(xì)菌、霉菌或其他微生物在生活的過程中所產(chǎn)生的，能對其他生活細(xì)胞發(fā)育功能造成干擾的次級代謝產(chǎn)物[1]?？股刂饕蟹Z酮類、大環(huán)內(nèi)酯類、 β-內(nèi)酰胺類和四環(huán)素類、磺胺類等，因具有較好的抑菌或殺菌功能而被長期、大量、廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)、畜牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域[2]。

1 抗生素的使用現(xiàn)狀

目前，抗生素已應(yīng)用于食品加工、家畜飼養(yǎng)和水產(chǎn)養(yǎng)殖等各個(gè)與人類生活密切相關(guān)的領(lǐng)域。截至2002年，世界范圍內(nèi)抗生素的投入使用量為10萬～20萬t/年，且其應(yīng)用方式也因國家及地區(qū)的不同而不同，例如美國在水果種植中大量應(yīng)用鏈霉素，但德國卻禁止該行為。1999年，歐洲發(fā)達(dá)國家投入使用的抗生素共1.32萬t，其中用于預(yù)防人類疾病以及治療的占65%，用于制作獸藥的占29%，剩下的6%用于制作生長促進(jìn)劑[3]。據(jù)報(bào)道，美國每年約使用2.27萬t抗生素，其中約50%用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、畜牧業(yè)和種植業(yè)，50%則用于人類的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。

中國是生產(chǎn)和使用抗生素的大國。2003年，我國土霉素和青霉素的產(chǎn)量分別為1萬、8萬t，占當(dāng)時(shí)世界總生產(chǎn)量的65%。世界衛(wèi)生組織建議醫(yī)院抗菌類藥物的推薦使用率應(yīng)低于30%[4]，發(fā)達(dá)國家抗生素的使用率約為10%，而發(fā)展中國家的使用率約為42%，我國存在十分嚴(yán)重的抗生素濫用問題，抗生素使用率高達(dá)70%。2001年中國衛(wèi)生部公布：我國患者在面對相關(guān)疾病時(shí)選擇使用抗生素的比例高達(dá)70%，比歐美國家多1倍，而實(shí)際需要抗生素的相關(guān)疾病不及20%，造成抗生素濫用的主要原因是預(yù)防性抗生素的使用[5]。除應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)外，抗生素還普遍應(yīng)用于畜牧業(yè)，我國每年用于動物養(yǎng)殖的金霉素為750～1 000 t、土霉素為5 000～7 000 t。

2 抗生素的危害

抗生素雖然在保健和牲畜生產(chǎn)等方面做出了較大的貢獻(xiàn)，但是其廣泛使用甚至濫用引起了一系列環(huán)境污染問題。由于人類和動物不能完全吸收和利用抗生素，部分抗生素會通過排泄物進(jìn)入環(huán)境。多數(shù)抗生素半衰期相對較短，但由于使用頻率高且易于進(jìn)入環(huán)境，致使產(chǎn)生“偽持續(xù)”的現(xiàn)象，抗生素已成為不可忽視的新型污染物。由于抗生素的篩選作用，產(chǎn)生大量耐藥病原體，威脅人類健康和生態(tài)環(huán)境，其污染現(xiàn)狀、遷移轉(zhuǎn)化及風(fēng)險(xiǎn)評估已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。

研究發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間暴露在抗生素環(huán)境下，食物和水中殘留的抗生素通過食物鏈在人體中積蓄，加強(qiáng)人體中病菌的耐藥性，降低人體免疫能力，從而直接危害人體健康。隨城市污水和動物糞尿施于農(nóng)田的抗生素還會影響農(nóng)作物葉綠素的合成、酶的分泌以及根系的生長?？股剡€會使環(huán)境中的微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，土壤和水體的耐藥性菌增加，從而破壞生態(tài)多樣性。

3 抗生素的環(huán)境行為

3.1 吸附

抗生素在生物體內(nèi)以初級代謝產(chǎn)物或原藥的形式隨尿液和糞便排出體外，又通過直接或間接經(jīng)過生活廢水進(jìn)入土壤環(huán)境等途徑最終被水體沉積物和土壤吸附和結(jié)合。土壤和抗生素本身的特性決定著其自身的遷移去向和降解方式，不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的抗生素，其吸附能力存在較大差異。具有強(qiáng)吸附能力的抗生素在環(huán)境中表現(xiàn)穩(wěn)定，并易于積累，如表層土壤和沉積物中的土霉素、金霉素和強(qiáng)力霉素均具有較強(qiáng)的吸附力，不容易解吸和隨水遷移[6]。而吸附能力較弱的大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類抗生素易隨水流遷移并擴(kuò)散，最終對河流以及海洋等水環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

3.2 降解

研究表明，水解、光降解以及微生物降解是抗生素在自然條件下會發(fā)生的降解反應(yīng)?？股氐慕到夥磻?yīng)會因物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境條件的不同而不同，并且會產(chǎn)生一種或者多種降解反應(yīng)，其反應(yīng)降解過程也存在一定差異。

3.2.1 水解。水解是抗生素降解的主要方式，尤其是土壤和水體中的抗生素。大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類以及β-內(nèi)酰胺類抗生素都會發(fā)生不同程度的水解。一般來說，在影響抗生素水解的所有因素中，最主要的是pH值和溫度，水解程度因pH值和抗生素類型的不同而不同。頭孢菌素類抗生素?zé)o論在酸性、中性還是堿性水體中都可以發(fā)生水解；而對于其他類的抗生素，如大環(huán)內(nèi)酯類和磺胺類，在中性條件的水體中水解較慢、活性較低。此外，溫度對抗生素的水解也有一定的影響，如水體溫度升高時(shí)，土霉素的水解速率增快。

3.2.2 光降解。光降解是抗生素降解的另外一種主要途徑，喹諾酮類藥物和四環(huán)素類藥物都較易發(fā)生光降解反應(yīng)。目前，人們對光降解抗生素的機(jī)理研究較少，普遍認(rèn)為光降解作用的主要機(jī)理是分子吸收光能發(fā)生躍遷，躍遷至激發(fā)態(tài)時(shí)放出能量而引起各種反應(yīng)，即帶有吸收光子基團(tuán)的抗生素分子或抗生素所在環(huán)境中的某些物質(zhì)吸收了光能變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，從而直接或間接地推動抗生素的降解過程。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，催化劑可加速降解反應(yīng)，如紅霉素和脫水紅霉素在中性的水溶液中經(jīng)過1 h光照后，其光降解率不足30%；若存在2 000 mg/L TiO2的催化劑，經(jīng)15 min光照后兩者的降解率分別可達(dá)到97.2%和95.5%[7-8]。

3.2.3 生物降解。大部分抗生素主要通過微生物降解，目前通過實(shí)驗(yàn)室馴化培養(yǎng)、分離純化和誘變等手段獲得的可降解抗生素的功能微生物主要有細(xì)菌和真菌兩大類。經(jīng)篩選出的對抗生素有降解功能的微生物中，細(xì)菌類的有蠟樣芽孢桿菌、假單胞菌、枯草芽孢桿菌、黃桿菌屬、諾卡氏菌科、伯克霍爾德氏菌、粘質(zhì)沙雷氏菌、不動桿菌、嗜熱脂肪芽孢桿菌、無丙二酸檸檬酸桿菌、蒼白桿菌、解蛋白弧菌、惡臭假單胞菌、變形菌門短波單胞菌、變形菌門貪噬菌和人蒼白桿菌、缺陷短波單胞菌、無丙二酸檸檬酸桿菌以及放線菌、細(xì)桿菌；真菌類的有黑粉菌、粘性紅圓酵母、酵母菌和白腐真菌等。由于生物降解效果好，可持續(xù)性高，降解徹底，是土壤中抗生素自我凈化的重要手段。

4 抗生素的生物降解機(jī)理

抗生素的微生物降解是指微生物通過同化作用改變抗生素殘留物的結(jié)構(gòu)分子，并使其理化性質(zhì)發(fā)生改變的過程，即通過微生物所產(chǎn)生的一系列反應(yīng)使抗生素殘留物中的大分子結(jié)構(gòu)化合物降解，并使其分解成水和二氧化碳等對環(huán)境無害的小分子物質(zhì)，從而達(dá)到對環(huán)境低害或無害化的處理目的。該過程中耐藥菌的降解作用非常重要[9]，耐藥菌通過水解、氧化還原和基團(tuán)轉(zhuǎn)移3種機(jī)理破壞抗生素結(jié)構(gòu)。耐藥菌含有能夠消除多數(shù)抗生素化學(xué)鍵的酶，例如破壞酰胺鍵和酯鍵的酶，其通過對相關(guān)化學(xué)鍵的破壞，使其理化性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而使這些抗生素活性降低甚至失活。還有能破壞頭孢菌素類藥物和青霉素β-內(nèi)酰胺化學(xué)鍵，使其活性降低或失活的酰胺酶。此外，還有與磷霉素耐藥性相關(guān)的開環(huán)環(huán)氧化酶以及與大環(huán)內(nèi)酯類藥物耐藥性相關(guān)的酯酶[10-11]。

基團(tuán)轉(zhuǎn)移的方式有以下6種。①乙?；D(zhuǎn)移修飾。通過改變活潑基團(tuán)（如羥基或酰胺基）的共價(jià)修飾，使化合物的靶點(diǎn)失去結(jié)合能力導(dǎo)致其失活。該類轉(zhuǎn)移方法常見于氨基糖苷類抗生素，是細(xì)菌使抗生素失活的較為常見的機(jī)制。②磷酸化。多見于氨基糖苷類抗生素的降解過程，磷酸化機(jī)制可降解肽類抗生素硫酸酯霉和大環(huán)內(nèi)酯類的紅霉素。③糖基化，多見于大環(huán)類酯類降解過程。④核糖基化，含有氨基酸殘基的抗生素降解過程中可見。⑤核苷酸化，克林霉素和林可霉素降解過程中可見。⑥巰基轉(zhuǎn)移，磷霉素降解過程中可見。氧化還原機(jī)制比較少見，耐藥性酶TetX能氧化四環(huán)素。

5 抗生素生物降解的影響因素

5.1 pH、水分和溫度

與其他生物一樣，微生物的生長代謝及其分布需要合適的pH值、水分和溫度，受環(huán)境中溫度和酸堿度影響。大多數(shù)細(xì)菌在pH值為6.5～8.5、溫度為25～45 ℃的環(huán)境中生存。微生物需要充足的水分進(jìn)行代謝活動，在干旱的土壤中，缺水會抑制呼吸作用，從而限制微生物的生長。

5.2 氧氣

微生物代謝途徑有3種，分別是需氧代謝途徑、厭氧代謝途徑和兼性厭氧代謝途徑。在有氧和無氧環(huán)境下，微生物均能降解抗生素，但好氧菌在有氧條件下能夠迅速生長繁殖，降解效果顯著。因此，在處理含有抗生素的廢水時(shí)，多采用好氧降解，此類方法有生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床、固定床生物膜以及活性污泥等。

5.3 環(huán)境中存在的其他抗生素

通常情況下，同一地區(qū)往往會受到多種抗生素的污染，比如醫(yī)院或畜牧場附近的環(huán)境中，常有多種抗生素同時(shí)存在。部分具有降解特定種類抗生素能力的微生物會被其他種類的抗生素抑制或殺死，從而使其降解功能受到抑制或喪失。

6 展望

抗生素類藥物作為一類人造的新型污染物，其自身以及其所帶來的問題受到了越來越多的關(guān)注，尤其是其所帶來的環(huán)境污染以及危害成為我國乃至全球都將面對的重大環(huán)境問題之一。然而，目前關(guān)于抗生素的環(huán)境行為和毒理效應(yīng)的研究正處于快速發(fā)展階段，降低環(huán)境中抗生素污染的方法也因成本高、適用范圍小而局限于實(shí)驗(yàn)室，無法大規(guī)模普及。

現(xiàn)階段，微生物降解是一種成本低廉、適用面廣的治理抗生素污染的方法，也是降低或消除環(huán)境中抗生素污染最理想的方法。因此，微生物降解抗生素的研究必然將成為今后研究抗生素污染治理的重點(diǎn)研究方向。

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