畜禽糞便中氟喹諾酮類抗生素的生物轉(zhuǎn)化與機(jī)制研究進(jìn)展

夏湘勤，黃彩紅，席北斗，3*，檀文炳，唐朱睿

（1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541006；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；3.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州730070）

抗生素廣泛存在于環(huán)境中，具有持久性，能抑制甚至殺滅多種病原菌[1]。氟喹諾酮類抗生素（Fluoroquinolones，F(xiàn)Qs）是一類具有較廣抗菌譜、高療效的人工合成抗菌藥物，長(zhǎng)期應(yīng)用于人類醫(yī)學(xué)和獸用防治領(lǐng)域[2]。中國(guó)是世界上最大的抗生素生產(chǎn)國(guó)和使用國(guó)，每年動(dòng)物的使用量達(dá)84 240 t。據(jù)統(tǒng)計(jì)估算，2013 年畜禽抗生素的使用量占抗生素使用總量的52%，略高于人類使用量（48%）。在畜禽養(yǎng)殖中FQs 使用量較多的是恩諾沙星（ENR）、環(huán)丙沙星（CIP）和諾氟沙星（NOR）[3-4]。大多數(shù)抗生素不能被動(dòng)物完全代謝，其攝入劑量的30%～90%以原型藥物和代謝產(chǎn)物形式排出[5-6]。因此，畜禽排泄物中存在大量的FQs，它們通過(guò)土壤糞肥、回用灌溉水等途徑進(jìn)入自然環(huán)境[7-8]，進(jìn)而對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生影響。畜禽糞便和糞便堆肥產(chǎn)品常作為肥料使用，是抗生素進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的主要來(lái)源，抗生素在施用糞肥的農(nóng)田中經(jīng)雨水徑流形成擴(kuò)散污染[9]。施用糞肥后，農(nóng)業(yè)土壤中FQs 的殘留量較高[10]，除此之外，污泥、沉積物、水環(huán)境中也有不同程度的殘留[11-12]。畜禽廢物進(jìn)入自然環(huán)境后造成一定水平的FQs污染，但首當(dāng)其沖的是土壤環(huán)境中的FQs 污染問(wèn)題，近年來(lái)，畜禽糞便中的FQs 殘留及其進(jìn)入土壤后的降解是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。有研究表明：FQs 生物降解速率緩慢，半衰期較長(zhǎng)（＞100 h）[13]，在環(huán)境中殘留時(shí)間比磺胺類和大環(huán)內(nèi)酯類抗生素更長(zhǎng)[14]；土壤顆粒存在吸附作用，該作用可螯合FQs，延緩了FQs 的非生物、生物降解，使得FQs 在土壤和水生沉積物中存在更持久[15]。為解決環(huán)境中的FQs 污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FQs 的有效去除方法進(jìn)行了大量研究，F(xiàn)Qs 可經(jīng)吸附、水解、光解、生物降解等一系列非生物或生物過(guò)程進(jìn)行轉(zhuǎn)化[16]。其中，吸附、水解、光解等非生物降解途徑可降低抗生素污染物的污染水平，但這些降解作用不足以使FQs殘留降低至安全濃度。FQs 的生物轉(zhuǎn)化是自然環(huán)境中抗生素類藥物降解的重要途徑，也是畜禽糞便中FQs殘留物失活的主要形式[17]，因此，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前，畜禽廢物中FQs的生物降解方法主要有兩種：高溫堆肥和外源添加高效降解菌劑。基于文獻(xiàn)研究，本文對(duì)畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中FQs的殘留情況進(jìn)行資料收集，結(jié)合國(guó)內(nèi)外FQs 生物降解的研究現(xiàn)狀，現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界關(guān)于FQs 生物降解效果的研究已有成果性的進(jìn)展，國(guó)外關(guān)于FQs生物轉(zhuǎn)化機(jī)理及分子機(jī)制的深入研究，則為科學(xué)解決FQs殘留污染問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)。文中對(duì)FQs 的生物轉(zhuǎn)化機(jī)制與機(jī)理進(jìn)行重點(diǎn)闡述，并對(duì)今后FQs 生物去除方法研究進(jìn)行展望，以期為畜禽糞便中FQs 生物轉(zhuǎn)化的進(jìn)一步研究提供參考。

1 畜禽糞便中FQs的殘留與降解

1.1 畜禽糞便中FQs的殘留

根據(jù)國(guó)內(nèi)外各畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)和農(nóng)場(chǎng)的檢測(cè)調(diào)查表明，在豬、雞和牛的糞便中，氟喹諾酮抗生素（FQs）的檢出率高，檢出濃度范圍廣。諾氟沙星（NOR）、環(huán)丙沙星（CIP）、恩諾沙星（ENR）、氧氟沙星（OF）、洛美沙星（LOM）和麻保沙星（MAR）是畜禽糞便中檢出率和檢出濃度較高的幾類FQs[17-20]；而環(huán)丙沙星、恩諾沙星和諾氟沙星的殘留濃度極高，是FQs降解去除中的主要研究對(duì)象。表1 列出了國(guó)內(nèi)外不同畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便中FQs的污染水平?？傮w而言，國(guó)外各養(yǎng)殖場(chǎng)及農(nóng)場(chǎng)畜禽糞便中常檢測(cè)到的幾類FQs 殘留濃度低于國(guó)內(nèi)；FQs 在畜禽糞便中的殘留濃度普遍較高。然而，調(diào)查數(shù)據(jù)中顯示的FQs殘留水平要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)研究中的濃度值，并影響到FQs生物去除方法在外界環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用，這一問(wèn)題將是今后研究中的重要突破點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外調(diào)查表明，畜禽糞便中FQs殘留污染現(xiàn)象較為普遍，F(xiàn)Qs 殘留濃度因地區(qū)和時(shí)節(jié)差異存在明顯的不同。Hu 等[31]檢測(cè)出畜禽糞便中環(huán)丙沙星、氧氟沙星等抗生素的殘留濃度會(huì)隨時(shí)節(jié)而變化，夏季與冬季之間的濃度差異較明顯。中國(guó)北方地區(qū)畜禽糞便中環(huán)丙沙星平均殘留濃度（0.808±2.308 mg·kg-1），比東南地區(qū)畜禽糞便中環(huán)丙沙星濃度（45.6 mg·kg-1）要低[22]。Huang等[32]在施用豬糞的農(nóng)田土壤中檢測(cè)到恩諾沙星等抗生素的殘留水平在0.189～2.669 mg·kg-1之間。劉峰等[33]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，福建廈門(mén)市和莆田市部分養(yǎng)殖場(chǎng)的畜禽糞便中喹諾酮類抗生素（Quinolones，QNs）的檢出濃度很高，單個(gè)樣品總含量∑QNs在糞肥中最高達(dá)到2.968 mg·kg-1。在福建兩市的作物土壤中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Qs 濃度最高達(dá)到0.579 mg·kg-1，其中50%的樣品FQs 總濃度超過(guò)生態(tài)毒性效應(yīng)濃度0.100 mg·kg-1，具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[33]。Hou 等[34]對(duì)中國(guó)北方遼寧、天津等地區(qū)施用畜禽糞便的土壤進(jìn)行檢測(cè)，F(xiàn)Qs的殘留濃度為0.411±1.453 mg·kg-1。

值得關(guān)注的是，畜禽糞便中的FQs 進(jìn)入土壤后，在土壤介質(zhì)中會(huì)發(fā)生一系列的生物作用和非生物作用，但土壤自身的降解能力較弱，使得土壤中FQs 殘留仍較高，為控制FQs 殘留所帶來(lái)的污染，尋找FQs高效生物降解去除方法將需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。

表1 國(guó)內(nèi)外畜禽糞便中檢測(cè)到的FQs種類及濃度Table 1 Types and concentrations of FQs detected in animal manure in China and other countries

1.2 畜禽糞便中FQs的降解

環(huán)境中FQs 的歸趨行為包括：吸附、降解和植物吸收與富集。關(guān)于FQs 的降解研究，有FQs 的水解、光降解以及生物降解。生物降解作為一種有應(yīng)用前景的FQs 高效去除方法，主要有兩種方式：高溫堆肥和外源添加降解菌劑。這兩種方法不僅能有效去除FQs，且在實(shí)際田間環(huán)境中有較好的環(huán)境效應(yīng)，能很好地防止畜禽糞便中的FQs 通過(guò)食物鏈等途徑進(jìn)入生態(tài)環(huán)境后引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，成為了近年來(lái)FQs生物降解研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

堆肥是一種畜禽糞便高效資源化的處置方法，能使土壤環(huán)境中FQs 濃度顯著降低[35-36]。季秋潔[20]在豬糞堆肥實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)55 ℃的光照條件下，C∶N 為30∶1時(shí)，恩諾沙星、環(huán)丙沙星、諾氟沙星的降解最快，半衰期分別為7.34、8.62、5.89 d。Ho 等[18]采集大型肉雞農(nóng)場(chǎng)中的糞便為原料，并向其中加入標(biāo)準(zhǔn)樣品恩諾沙星和諾氟沙星各5 mg·kg-1，檢測(cè)出糞肥中恩諾沙星和諾氟沙星的初始濃度分別為5.09 mg·kg-1和36.77 mg·kg-1，堆肥降解40 d 中，99.93%的恩諾沙星在13 d 之內(nèi)被降解，諾氟沙星在第9 d被快速降解，18 d以后濃度低于檢出限，兩類氟喹諾酮類抗生素的降解率均在99.9%以上。FQs的堆肥去除分為好氧和厭氧兩種方式，好氧發(fā)酵是一種可以消減畜禽糞便中抗生素殘留污染的有效途徑，環(huán)丙沙星在高溫好氧發(fā)酵過(guò)程中可被降解至檢出限以下[37]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在FQs 的堆肥處理過(guò)程中，與添加外源菌劑相結(jié)合的生物降解方法更能有效提高FQs 的去除率。馮瑤[38]以雞糞為堆肥原料，在堆體初始C∶N 分別為10、15、20、25、35，以及添加不同外源抗生素降解功能菌劑（細(xì)菌T4 和真菌FZC3）的條件下，研究抗生素諾氟沙星的降解情況。結(jié)果表明，C∶N為25，諾氟沙星的添加量為50 mg·kg-1時(shí)，諾氟沙星去除率最高，可達(dá)80.78%；與未添加菌劑處理相比，添加了實(shí)驗(yàn)室篩選分離得到的兩株外源菌劑后，諾氟沙星的去除率提高了0.61%～2.50%。總體而言，該研究中外源菌劑的添加對(duì)諾氟沙星的去除效果不夠明顯，還需對(duì)外源菌劑在不同溫度下的活性及其對(duì)不同濃度諾氟沙星的去除率做進(jìn)一步研究。薛南冬[39]以雞糞為堆肥原料，與鋸末按照質(zhì)量比為6～8∶1的比例進(jìn)行混合，測(cè)出C∶N 為20∶1，堆肥原料含水率在55%～60%之間，堆肥室溫控制在25～30 ℃，并外源添加耐高溫菌種產(chǎn)黃纖維單胞菌的條件下，外源菌劑與其他相關(guān)微生物共同作用，諾氟沙星、環(huán)丙沙星、沙拉沙星、洛美沙星、恩諾沙星的降解率提高至61.09～82.82%，使糞肥中的FQs降低至安全量。就外界環(huán)境中FQs的污染水平，Slana等[40]研究比較了實(shí)驗(yàn)室條件和田間條件下恩諾沙星的降解途徑和速率，相比于受控的實(shí)驗(yàn)室條件，田間環(huán)境條件下恩諾沙星的降解模式多樣化，降解速度較快，經(jīng)兩個(gè)月的田間試驗(yàn)培養(yǎng)，大約66%的恩諾沙星和92%的環(huán)丙沙星被降解。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者了解到FQs的降解效果除了受降解菌種類、豐度等生物因素的控制外，受pH 值、溫度、總有機(jī)碳（TOC）、總氮（TN）、總磷（TP）和金屬含量等非生物因素的控制也較大。關(guān)注環(huán)境因子的調(diào)控，抗生素在堆肥和外源添加降解菌的作用下可有較好的生物去除效果，為有效降低FQs生物降解過(guò)程中降解菌帶來(lái)的生物風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)FQs生物轉(zhuǎn)化機(jī)理與機(jī)制的認(rèn)知。

2 畜禽糞便中FQs的生物轉(zhuǎn)化

微生物的生物轉(zhuǎn)化作用是降解去除FQs 抗生素的有效途徑?？股氐纳镛D(zhuǎn)化是指在微生物降解菌的作用下，將抗生素降解轉(zhuǎn)化為其他多種降解產(chǎn)物的過(guò)程。低效降解菌作用下，抗生素生物轉(zhuǎn)化后的降解殘留物及降解產(chǎn)物仍存在抗菌活性，在環(huán)境中有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，如何發(fā)掘篩分出穩(wěn)定高效的外源降解菌以提高生物轉(zhuǎn)化作用成為了FQs 降解研究的重點(diǎn)，為此眾多學(xué)者開(kāi)展了不同外源降解菌劑作用下，F(xiàn)Qs 生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的降解條件、降解產(chǎn)物、降解途徑等機(jī)理研究，并進(jìn)一步分析了抗生素及其降解產(chǎn)物的抗菌活性。

Selvam 等[41]研究了在豬糞堆肥物料中，較高濃度（20 mg·kg-1）下環(huán)丙沙星降解率為82.9%，低濃度（2 mg·kg-1）下降解率僅為69%，該結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中控制了堆肥溫度、碳氮比、總有機(jī)碳、總磷等物理化學(xué)性質(zhì)，金霉素和磺胺嘧啶可得到高效降解，但堆肥后環(huán)丙沙星仍存在17%～31%的殘留，抗生素殘留物通過(guò)牲畜糞便堆肥進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，需進(jìn)一步提高環(huán)丙沙星抗生素的去除率。而Liao等[42]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)溫度為25 ℃時(shí)，添加葡萄糖為碳源，氨氮為氮源，以變形菌綱（Gammaproteobacteria）、擬桿菌綱（Bacteroidia）和β-變形菌綱（Betaproteobacteria）為主要馴化降解細(xì)菌群落，28 d后100 μg·L-1環(huán)丙沙星的降解率高達(dá)89.1%，可見(jiàn)，高效外源菌劑在環(huán)丙沙星生物降解中發(fā)揮著極其重要的作用，該降解轉(zhuǎn)化過(guò)程中環(huán)丙沙星的四種降解途徑、降解產(chǎn)物及主要降解菌群如圖1所示。

圖1 環(huán)丙沙星的四種降解途徑及其代表性菌群Figure 1 Four degradation pathways and typical bacteria flora of ciprofloxacin

Pan 等[12]從制藥污泥中篩分出嗜熱細(xì)菌菌株C419，并在實(shí)驗(yàn)中添加乙酸鈉，以70 ℃、pH 6.5 為最佳條件，有效促進(jìn)了降解菌株的生長(zhǎng)，其中環(huán)丙沙星、諾氟沙星、恩諾沙星、氧氟沙星被高效降解，4 種FQs的殘留抗菌活性降低了20%～40%；實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)一步研究了環(huán)丙沙星抗生素的生物降解過(guò)程，經(jīng)5 d 的降解去除，環(huán)丙沙星的降解率達(dá)57%，并檢測(cè)出7 種代謝產(chǎn)物，降解產(chǎn)物的殘留抗菌活性也明顯降低。故C419 菌株有望成為受氟喹諾酮類污染的畜禽糞便堆肥環(huán)境或其他環(huán)境中的優(yōu)勢(shì)修復(fù)菌種。有研究表明[43]，埃希氏菌、假單胞菌和微桿菌通過(guò)特異性位點(diǎn)的羥基化等反應(yīng)可較快地降解FQs。其中諾氟沙星經(jīng)微桿菌屬（Microbacterium sp.）轉(zhuǎn)化生成四種代謝物：N-乙酰基諾氟沙星、去乙烯N-乙?；Z氟沙星、8-羥基諾氟沙星和脫氟化合物6-羥基諾氟沙星[44]。

除細(xì)菌外，學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)多種真菌可用于降解FQs[45-47]。子囊菌（Xylaria longipes）作為一種能有效降解氟喹諾酮類藥物的真菌，能高效降解恩諾沙星和達(dá)氟沙星，并生成降解產(chǎn)物恩諾沙星N-氧化物和達(dá)氟沙星N-氧化物。FQs 及相應(yīng)降解產(chǎn)物的殘留抗菌活性顯著降低，其中濃度3.5 μg·L-1的恩諾沙星和恩諾沙星N-氧化物的殘留抗菌活性分別低于10%和25%[48]，達(dá)氟沙星N-氧化物的殘余抗菌活性小于母體化合物的20%[47]。

對(duì)環(huán)境有機(jī)物有較強(qiáng)降解能力的另一類真菌為白腐菌，其在FQs 生物降解中具有較好應(yīng)用[49-50]。Cˇvancˇarová 等[45]研究發(fā)現(xiàn)白腐菌群中的白囊耙齒菌（Irpex lacteus）和變色栓菌（Trametes versicolor）對(duì)諾氟沙星、氧氟沙星和環(huán)丙沙星有很高的降解潛力，殘留抗生素活性測(cè)試的結(jié)果顯示，白囊耙齒菌能完全去除氧氟沙星和諾氟沙星，并未檢測(cè)出它們的殘留抗菌活性，而環(huán)丙沙星雖在10 d 內(nèi)完全降解，14 d 后仍有一定的殘留抗菌活性。實(shí)驗(yàn)表明，降解菌作用下，F(xiàn)Qs的生物轉(zhuǎn)化并非完全去除了抗生素及其降解產(chǎn)物的抗菌活性。

在土壤真菌和細(xì)菌作用下，環(huán)丙沙星和諾氟沙星的主要生物轉(zhuǎn)化途徑有亞硝化和乙?；痆51]。較早時(shí)期，就有研究發(fā)現(xiàn)黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）、擬盤(pán)多毛孢屬（Pestalotiopsis guepini）、條紋黏褶菌（Gloeophyllum striatum）這幾類真菌對(duì)環(huán)丙沙星和諾氟沙星有生物降解作用[51-54]，但這幾類菌對(duì)FQs 降解效果不顯著，因此，并未對(duì)其展開(kāi)長(zhǎng)期研究。文獻(xiàn)所述表明，F(xiàn)Qs 生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，受不同降解菌和降解條件的影響，同種抗生素的降解途徑和降解產(chǎn)物存在顯著差異[55-56]。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者對(duì)白腐真菌[57]中的變色栓菌分泌漆酶參與CIP和NOR的降解研究關(guān)注較多，其主要通過(guò)三條途徑形成轉(zhuǎn)化產(chǎn)物：（1）哌嗪基取代基的氧化，（2）單羥基化，（3）二聚產(chǎn)物的形成。在不同的培養(yǎng)時(shí)期分別形成6種環(huán)丙沙星轉(zhuǎn)化產(chǎn)物和3種恩諾沙星轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，環(huán)丙沙星及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分子式、IUPAC命名、化學(xué)結(jié)構(gòu)及保留時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 環(huán)丙沙星及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分子式、IUPAC命名、化學(xué)結(jié)構(gòu)及保留時(shí)間Table 2 Molecular formula，systematic IUPAC names，chemical structure and retention time of ciprofloxacin and its transformation products

Cˇvancˇarová 等[45]通過(guò)發(fā)光細(xì)菌毒性試驗(yàn)表明，隨著CIP、OF 和NOR 存在濃度的增加，其對(duì)發(fā)光細(xì)菌的抑制作用不斷增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)Qs 及相應(yīng)代謝產(chǎn)物對(duì)發(fā)光細(xì)菌有一定毒性，并觀察到生物體對(duì)CIP、OF更敏感，5 類白腐真菌的降解作用下，生物毒性均顯著降低。據(jù)報(bào)道[48]，在不同細(xì)胞體系中，F(xiàn)Qs 呈現(xiàn)出不同的細(xì)胞毒性，超過(guò)毒性劑量會(huì)抑制細(xì)胞增殖；子囊菌（X.longipes）N-氧化不僅降低了抗微生物活性，而且能顯著降低細(xì)胞毒性作用。在哺乳動(dòng)物中，N-氧化物的形成是氟喹諾酮N-烷基化的主要代謝途徑之一?？梢?jiàn)，子囊菌的生物轉(zhuǎn)化能有效滅活氟喹諾酮類藥物。發(fā)光細(xì)菌毒性試驗(yàn)和細(xì)胞毒性測(cè)試是抗生素生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。研究表明，高效降解菌作用下，抗生素及轉(zhuǎn)化產(chǎn)物降解去除過(guò)程中抗菌活性有效降低，隨之生物風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。國(guó)外學(xué)者對(duì)與抗生素降解菌有關(guān)的生物風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題雖有所關(guān)注，但相關(guān)研究尚少，日后需加大該方面的探究。

3 FQs生物轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制

通過(guò)畜禽排泄物進(jìn)入環(huán)境的氟喹諾酮類有機(jī)污染物，在微生物作用下得到了有效降解。明確FQs生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中的分子機(jī)制是實(shí)現(xiàn)抗生素及其抗性基因生物安全的關(guān)鍵。因此，抗生素降解過(guò)程中，微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度及真菌、細(xì)菌多樣性變化對(duì)FQs的生物轉(zhuǎn)化影響程度，降解菌分泌酶或所攜帶的酶對(duì)FQs的生物降解作用，以及起關(guān)鍵作用的抗性基因（Antibiotic resistance genes，ARGs）的含量變化情況及其分布與歸趨，這幾類問(wèn)題是值得研究者們深入探討的。

3.1 FQs生物轉(zhuǎn)化中微生物群落結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)

環(huán)境中抗生素有機(jī)污染物的有效生物衰減，通常與整個(gè)微生物群落的協(xié)同作用相關(guān)[58-59]。雞糞堆肥過(guò)程中，諾氟沙星在50 mg·kg-1濃度下，堆肥高溫期微生物群落的豐度增大，整個(gè)堆肥過(guò)程中的真菌多樣性有所增加，細(xì)菌多樣性變化不明顯。其中與諾氟沙星降解有一定關(guān)系的細(xì)菌主要是芽孢桿菌屬（Bacil?lus）、芽孢八疊球菌屬（Sporosarcina）和擬桿菌屬（Bac?teroidetes），真菌包括酵母菌屬（Issatchenkia）、曲霉屬（Aspergillus）、節(jié)擔(dān)菌屬（Wallemia）以及一個(gè)未被辨識(shí)的菌屬[38]。

抗生素生物轉(zhuǎn)化中，起作用的微生物菌落生長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)菌種和敏感菌種。環(huán)丙沙星的生物處理過(guò)程中，微生物群落有較大的結(jié)構(gòu)變化，投加環(huán)丙沙星至300 μg·L-1高濃度時(shí)，硝化螺旋菌屬（Nitrospirae）是敏感菌種，在CIP 的作用下易被殺滅，而抗環(huán)丙沙星的微生物綠菌屬（Chlorobi）和綠彎菌屬（Chloroflexi）得以生存、適應(yīng)和繁殖，逐漸成為生物膜優(yōu)勢(shì)菌群[60]。Liao 等[42]研究發(fā)現(xiàn)環(huán)丙沙星生物降解過(guò)程中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有明顯的變化，變形菌綱，擬桿菌綱和β-變形菌綱為環(huán)丙沙星降解的主要菌群；而假黃色單胞菌屬（Pseudoxanthomonas）、寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomon?as）、苯基桿菌屬（Phenylobacterium）和白色桿菌屬（Leucobacter）參與環(huán)丙沙星的消散過(guò)程，僅為附屬菌群。Meng 等[61]進(jìn)一步研究了微生物群落結(jié)構(gòu)的變化情況，F(xiàn)Qs 生物降解中，微生物物種豐富度的急劇下降，在門(mén)和屬兩個(gè)級(jí)別上，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化顯著，兩個(gè)主要門(mén)：變形菌門(mén)（Proteobacteria）和擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）為FQs的優(yōu)勢(shì)菌群。

生物轉(zhuǎn)化中FQs 的微生物群落變化相關(guān)研究表明，F(xiàn)Qs 濃度和生長(zhǎng)條件的不同，會(huì)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性產(chǎn)生極大影響[62]；實(shí)驗(yàn)測(cè)試，單種或多種抗生素混合存在時(shí)，優(yōu)勢(shì)菌群在培養(yǎng)基上產(chǎn)生了適應(yīng)性，微生物群落結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化[63]。FQs 存在時(shí)，微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著變化，但微生物多樣性和豐度的長(zhǎng)期變化還未有研究[64]。Brandt 等[65]提出，微生物群落可能是一個(gè)抗生素敏感群體，在生態(tài)功能領(lǐng)域起著調(diào)節(jié)、供應(yīng)和支撐作用。土壤中的抗生素會(huì)影響微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性，進(jìn)而導(dǎo)致一些微生物種群及其生態(tài)功能消失[62]。FQs 的微生物生態(tài)學(xué)知識(shí)有利于研究抗生素降解生物學(xué)過(guò)程，同時(shí)為環(huán)境中的微生物群落發(fā)揮更好的生態(tài)功能效應(yīng)提供理論指導(dǎo)。

3.2 FQs生物轉(zhuǎn)化中的酶作用

在抗生素的微生物降解轉(zhuǎn)化中，高降解能力的耐藥菌含有消除大分子化合物中脆弱化學(xué)鍵的酶，從而降低了抗生素的活性。白腐真菌是一種能降解木質(zhì)素的擔(dān)子菌，并能分泌胞外木質(zhì)素降解酶，它除了自身能降解諾氟沙星、氧氟沙星和環(huán)丙沙星，其木質(zhì)素酶也能降解各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難降解的抗生素有機(jī)物。

現(xiàn)階段，學(xué)者們對(duì)白腐真菌所攜帶的具有非特異性的酶系統(tǒng)已有較多關(guān)注，研究表明非特異性的酶系統(tǒng)作用可以轉(zhuǎn)化甚至礦化應(yīng)用最廣泛的抗生素[66]，該系統(tǒng)包括細(xì)胞外木質(zhì)素降解酶（主要是漆酶，木質(zhì)素過(guò)氧化物酶，錳過(guò)氧化物酶和通用的過(guò)氧化物酶）以及胞內(nèi)酶如細(xì)胞色素P-450酶等，這些酶對(duì)抗生素有高效的降解能力[67]。有研究發(fā)現(xiàn)，爆竹柳和玉米兩種植物對(duì)抗生素的降解由細(xì)胞色素P-450酶驅(qū)動(dòng)，能發(fā)生羥基化等轉(zhuǎn)化反應(yīng)[68]。Cˇvancˇarová 等[45]通過(guò)PCA 分析木質(zhì)素降解酶活性，分析表明錳過(guò)氧化物酶可能參與木質(zhì)素降解菌對(duì)FQs的降解。近年來(lái)，白腐真菌全細(xì)胞和包埋在顆粒生物塑料制劑中的真菌繁殖體已經(jīng)成功地應(yīng)用于廢水或污泥中抗生素藥物的去除[69-70]?？股厣镛D(zhuǎn)化過(guò)程中，全細(xì)胞生物催化是指利用微生物有機(jī)體（即全細(xì)胞、組織甚至個(gè)體）作為催化劑進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。Prieto 等[57]研究了酸性條件下，使用白腐真菌的全細(xì)胞和該菌分泌酶能降解環(huán)丙沙星和諾氟沙星。為實(shí)現(xiàn)白腐真菌降解FQs 生物技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，研究并確定降解過(guò)程中起主要作用的酶是一關(guān)鍵點(diǎn)。

除此之外，Blanquez 等[71]研究使用肉毒鏈霉菌（Streptomyces）堿性漆酶SiLA 降解環(huán)丙沙星和諾氟沙星兩類氟喹諾酮類抗生素。特定的SiLA-乙酰丁香酮體系能夠降解超過(guò)90%的氟喹諾酮類，使用HPLC 分析酶處理后的降解產(chǎn)物，結(jié)果證明24 h后抗菌劑完全消失，毒性測(cè)試表明該酶系統(tǒng)對(duì)諾氟沙星和環(huán)丙沙星的毒性分別降低了70%和90%?？梢?jiàn)，F(xiàn)Qs 生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，降解菌所攜帶的酶系統(tǒng)對(duì)降低抗生素毒性所發(fā)揮的作用是舉足輕重的。

3.3 FQs生物轉(zhuǎn)化中的ARGs

為揭示抗性基因作用下抗生素耐藥性的擴(kuò)散分子機(jī)制，在分子生物學(xué)方面，學(xué)者們對(duì)FQs 生物轉(zhuǎn)化中ARGs 相關(guān)作用做了大量研究。部分微生物對(duì)抗生素的降解需攜帶ARGs，即耐藥菌才能發(fā)揮直接破壞或修飾抗生素等作用而使其失活[72]。Lucas 等[73]研究檢測(cè)出白腐真菌（Trametes versicolor）處理下，使對(duì)氟喹諾酮敏感性降低的抗性基因qnrS 增加了163%，傳統(tǒng)污水處理廠中抗性基因qnrS 增加了302%，這一抗性基因在傳統(tǒng)污水處理中對(duì)環(huán)丙沙星、恩諾沙星和麻保沙星這幾類FQs的高效去除起關(guān)鍵作用[74]。

趙祥[75]研究了某地施用畜禽糞便后設(shè)施菜地土壤中的抗生素及ARGs 含量，并檢測(cè)發(fā)現(xiàn)檢出率較高的喹諾酮類ARGs 為qepA、qnrS、qnrB，其中qepA 的含量相對(duì)較高，抗性基因qnr 與重金屬含量的相關(guān)性顯著。生豬養(yǎng)殖廢物中通常會(huì)有qnr（A、B 和S）的存在[76-77]。Mu等[78]對(duì)中國(guó)北方家禽飼養(yǎng)場(chǎng)中的ARGs進(jìn)行檢測(cè)，在遼寧和天津地區(qū)的部分養(yǎng)殖場(chǎng)中，檢測(cè)率較高的FQs 抗性基因有qnrS 和qepA。Zhang 等[79]研究表明土壤中施用豬糞和家禽糞便可能會(huì)比施用牛糞產(chǎn)生更豐富的ARGs。在中國(guó)，畜禽糞便和堆肥后的糞便作為肥料的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)土壤中抗生素的主要來(lái)源之一。更多研究表明[80-82]，長(zhǎng)期施用畜禽糞便堆肥，土壤中ARGs的多樣性和豐度顯著增加。

在畜禽廢物的生物處理過(guò)程中，除了抗生素存在降解轉(zhuǎn)化，抗性基因也會(huì)被消減[83]。好氧堆肥被廣泛用于畜禽糞便的回收利用，并能有效降低進(jìn)入環(huán)境中的ARGs含量。鄭寧國(guó)等[84]研究了豬糞好氧高溫堆肥過(guò)程中，兩個(gè)喹諾酮類抗性基因qnrA 和qnrS 豐度的變化，堆肥過(guò)程中qnrS 含量呈現(xiàn)急劇降低趨勢(shì)，在堆肥結(jié)束時(shí)降至2.6×103copies·g-1，去除率達(dá)到99.7%；而qnrA 含量在堆肥過(guò)程中降解速率較為緩慢，堆肥結(jié)束時(shí)豐度為1.5×105copies·g-1，去除率達(dá)到61.8%。Selvam 等[85]研究探討了豬糞堆肥中ARGs 的變化，喹諾酮類抗性基因gyrA 和parC 在28～42 d 的堆肥處理后，gyrA被完全去除，parC基因含量顯著降低，但在持續(xù)56 d 的檢測(cè)中仍有部分殘留?？梢?jiàn)，堆肥是去除ARGs 的有效方法，但基因宿主菌的嗜溫性以及基因型較大等性質(zhì)是少數(shù)抗性基因在堆肥過(guò)程中難以去除的潛在原因。

有研究表明，不同種類動(dòng)物糞便中ARGs 的多樣性、豐富度和持久性有顯著差異，并受重金屬濃度、總氮水平以及接觸抗生素的劑量和持續(xù)時(shí)間的影響[86]。生物用藥過(guò)程中，抗生素、耐藥菌和環(huán)境細(xì)菌的不斷混合，使ARGs 在環(huán)境中大量出現(xiàn)并廣泛傳播[87-88]。不同抗生素與ARGs 在環(huán)境中具有不同的歸趨和傳播機(jī)制，抗生素的降解過(guò)程、可動(dòng)遺傳因子的類型（Mobile genetic elements，MGE）、微生物群落結(jié)構(gòu)[89]以及環(huán)境介質(zhì)理化性質(zhì)（如總有機(jī)質(zhì)、溫度、營(yíng)養(yǎng)元素等[90]）均可影響他們之間的相關(guān)性，但不同抗生素與ARGs間的相關(guān)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

研究表明，堆肥是去除ARGs 的有效手段，為降低FQs 抗性基因的污染水平，在土地施用糞肥之前，建議對(duì)動(dòng)物糞便中抗生素進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳锝到馓幚怼，F(xiàn)階段，研究者們對(duì)FQs生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中起關(guān)鍵作用的ARGs 有了廣泛認(rèn)知，并研究了該類抗性基因的含量變化情況。在今后的研究中，探究相關(guān)因素對(duì)ARGs 分布和歸趨機(jī)制的影響是解決ARGs 污染問(wèn)題的關(guān)鍵，這不僅能有效降低ARGs 的多樣性和豐度，也對(duì)減緩ARGs在環(huán)境中的傳播有積極作用。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，畜牧養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，隨之帶來(lái)的畜禽糞便中抗生素污染問(wèn)題不容輕視。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)外畜禽糞便中FQs污染問(wèn)題普遍嚴(yán)重，多數(shù)達(dá)到了生態(tài)毒性效應(yīng)濃度閾值幾倍以上，東南地區(qū)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)更是FQs 污染的重災(zāi)區(qū)。國(guó)內(nèi)畜禽糞便中FQs 的殘留濃度普遍高于實(shí)驗(yàn)室中FQs降解研究濃度水平，高濃度FQs污染條件下，高效生物處理方法的研究是一重要趨勢(shì)。堆肥和外源添加高效降解菌劑作為處理畜禽糞便中FQs的常用手段，可穩(wěn)定糞肥并有效降低抗生素濃度。基于最新文獻(xiàn)所述，白腐真菌及其分泌酶對(duì)FQs 和ARGs 具有較高生物降解能力，且生物風(fēng)險(xiǎn)較低，相較于其他降解菌群具有更多優(yōu)勢(shì)。國(guó)外對(duì)FQs生物轉(zhuǎn)化機(jī)理以及分子機(jī)制的認(rèn)知已較廣泛，但關(guān)于降解菌作用下，F(xiàn)Qs 生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中涉及人類健康和生態(tài)環(huán)境的生物風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的探究還不全面，以及ARGs 在環(huán)境中的分布與歸趨相關(guān)性研究尚有不足，生物轉(zhuǎn)化機(jī)理與分子機(jī)制研究對(duì)抗生素及其抗性基因污染水平的有效降低具有重要意義，有必要加深關(guān)于機(jī)制機(jī)理研究的認(rèn)知。

鑒于FQs 生物降解研究現(xiàn)狀，建議今后在FQs 的生物去除方法上開(kāi)展以下研究：

（1）FQs 屬光降解敏感型抗生素，應(yīng)進(jìn)行光解和生物降解相結(jié)合作用下FQs生物去除方法的研究，因土壤作為施用糞肥后殘留FQs的直接受納環(huán)境，可將降解菌與土壤中對(duì)FQs 有較強(qiáng)吸收和富集能力的植物進(jìn)行組合優(yōu)化，以提高FQs的生物降解效果。

（2）由于多種外界環(huán)境因素在實(shí)驗(yàn)室條件下無(wú)法模擬，且實(shí)驗(yàn)室研究與環(huán)境中FQs的污染濃度水平不一致，畜禽糞便中FQs生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的去除研究不應(yīng)僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用。

（3）生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，受土著微生物、重金屬、環(huán)境條件變化等因素影響，外源降解微生物的存活能力和降解活性會(huì)有所降低，從而可能導(dǎo)致外源降解菌對(duì)FQs 的生物降解能力下降，為避免降解菌降解能力下降帶來(lái)的生物風(fēng)險(xiǎn)，提高降解菌劑在各因素下的耐受性將成為FQs生物降解的研究重點(diǎn)。