《抗生素生物降解》PPT课件.ppt

抗生素 生物降解 抗生素是由微生物产生的在低浓度下能抑 制或灭杀其他微生物的一类化学物质。目前被广 泛使用的抗生素，按照化学结构可分为 内酰胺 类、 喹诺酮类、四环素类、氨基糖苷类、大环 内酯类、 磺胺类等。 抗生素概述 抗生素的应用和危害 长期以来 ， 抗生素被大量地用于人和动物的疾病 治疗 ， 并以亚治疗剂量添加于动物饲料中 ， 以预防动 物疾病和促进其生长 。 但绝大部分抗生素不能完全被 机体吸收 ， 约有 90%的抗生素以原形或者代谢物形式 经由病人和畜禽的粪 ,尿排入环境 ， 经不同途径 对土 壤和水体造成污染 。 目前 ,抗生素污染问题已经被许 多发达国家 ( 如欧盟和美国 ) 列为重要的环境问题 ， 相关的基础研究正在迅速得到开展 。 抗生素的来源及暴露途径 由于抗生素主要用于医疗和畜牧 ,所以环境 中的抗生素主要来源医用药物和农用药物两个 途 径。 医用抗生素主要来源 经由病人粪便和尿液排出的处方抗生素 ； 医院丢弃的过期抗生素 ； 残留在药瓶和器械上的抗生素 ； 医药企业在生产过程流失的抗生素等 。 医用抗生素污染过程 经排泄物排出的抗生素 、 治疗中残留的抗生 素以及制药企业流失的抗生素都会经过城市和医 院的下水道进入到城市污水处理厂 ,由于现有的 污水处理技术很难将抗生素彻底清除 ,一部分抗 生素会随着处理后的废水进入土壤和水中 ,而医 院丢弃的过期抗生素会进人垃圾填埋场 ,如果处 理不当 ,会渗入 土壤或地下水中 。 农用药物来源途径 动物养殖中兽药长期亚剂量使用后 ,经粪便和尿 液排出的抗生素 ； 水产养殖中兽药的直接施用； 兽药生产过程损失和废弃的兽药 。 农用抗生素污染过程 动物粪便和尿液排出的抗生素随粪便被施 入农田 ,其 中一部分直接渗入地下水中 ,另一 部分进入土壤 ,经雨水淋洗进入河流或湖泊 ; 水产养殖中的抗 生素施用后一部分直接进入 水体 ,另一部分被水底淤泥中所吸附 ,存在于养 殖场底泥中 ;兽药生产 中损失的抗生素会随着 废水经由下水道进入城市污水处理厂 ,而废弃 的兽药可能被 当作垃圾填埋 ,如果处理不当 ， 最终会进入土壤甚至地下水中 。 环境中抗生素残留的潜在风险 抗生素在环境中的浓度普遍较低 ,一般在 g/ L 级 ,有的甚至低至 n g L级 ,但仍然可 能对环境存在风险 。 如某些 P O P s 物质 ,在环 境中的浓度和抗生素相当 ,但是它的雌激素效应却 造成人类生殖率降低 ,不孕症增加等 。 所以 ,对于 之前由于其预期环境浓度较低而一直认为安全可 靠的物质要引起重视 ,它们有可能对环境构成潜在 的威胁 。 潜在风险的主要表现 ( 1 )诱导耐药性细菌 。 ( 2 )对环境中微生物产生影响 。 ( 3 )对植物生长发育产生影响 。 ( 4 )食品和饮用水中抗生素对人类健康的威胁 。 诱导耐药性细菌 大量的研究表明 ,抗生素的使用能诱导病原菌产 生耐药性 ,特别是由于长期大剂量的在饲料中添加 抗生素 ,导致产生了一些能够抵抗强力抗生素的病 原菌 ,这些病原菌珠的出现 ,对人和动物的健康都 极具威胁 。 另外 ， 抗生素能够导致耐药基因的产 生 ， 而耐药基因又可以在 同的细菌间传递 ， 一 旦这些耐药基因转移给致病菌 ， 就更增加了对人 类健康的威胁 。 对环境中微生物的影响 抗生素的作用就是抑制某类病菌的生长 ， 在 水体及土壤中不具耐药性的菌株被抗生素杀死 ， 而具耐药性的优势菌得以大量繁殖 ， 因此长期低 浓度抗生素的存在对微生物群落有一定的影响 ， 并且该影响可通过食物链对高级生物发生作用 ， 从而破坏了生态系统的平衡 。 对植物生长发育的影响 抗生素随动物的粪尿和城市污水施人农田 ， 对 农田植物的生长发育产生影响 。 如 0.009 -0.012mg L四环素的动物粪便对猩猩木的液体培养物产生 毒害； 300-900mg L的磺胺地索辛能明显抑制车前 草 、 玉米等作物的生长 ,并在植物的根部和叶中富 集 ,根部的浓度较高；土霉素和氯四环素减少了杂 色豆植株的生节 、 鲜重 ， 并影响其对钙 、 钾和镁 的吸收 。 而抗生素 对植物生长发育的影响与其化 学性质 、 使用剂量 、 土壤吸附能力及植物的品种有 关 。 对人类健康的威胁 抗生素长期作为添加剂大量用于畜牧生产 ， 导致抗生素在动物食品肉 、 蛋 、 奶中残留 ,人食用 后 ,抗生素就会沿食物链传递到人 ,一方面会引起 人群的过敏反应 ,严重 时会造成食物 中毒 ;另一 方面 ,部 分药物还具有致癌 、 致畸 、 致突变或激 素类作用 ,严重干扰人类各项生理功能 ,威胁人类 健康 。 抗生素一旦进入环境就会扩散到壤 、 水和空气中 ， 一般会经过吸附 、 水解 、 光解和微生物降解一系列生物转化过程 ， 这些过程直接影响抗生素对环境的生态毒 性 。 抗生素在环境中的归趋 吸 附 吸附反映了抗生素与水体有机质或土 壤沉积物的相互作用 ， 并可预测抗生素对 环境的影 响程度 。 一般来说 ， 吸附能力强 的抗生素 ， 在环境中较稳定 ， 容易积蓄； 部分抗生素不与固相物质结合 ， 吸附能 力较弱 ， 在淋洗作用下很容易被淋洗到附 近的河流中 ， 到达水环境 ， 进而对地下水 构成威胁 。 抗生素的吸附能力因其化学结 构 、 理化性质 、 土壤类型和环境条件的不 同而不同 。 降 解 抗生素在环境 中可能发 生水解 、 光降解和微生物降解 等一系列降解反应 ， 但视环境 条件的不同 ， 抗生素会发生一 种或多种降解反应 。 一般来 说 ， 降解过程会降低抗生素 的药效 ， 但有些抗生素的降解 产物可能比抗生素本身的毒性 还强 。 水解 是水体中抗 生素降解的一种重要方式 ， 六大类主要抗生素中内酰胺类 、 大环内酯类和磺 胺类抗生素易水解 ， 但是大环内酯类和磺胺类抗 生素在中性 pH值条件下水解很慢 。 光降解 是在能接受到光照的水体表层中的抗 生素降解的另一种重要途径 ， 喹诺酮类和四环素 类抗生素比较容易发生光降解 。 生物降解 是在有生物的作用下发生的降解反应 ， 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环境中降解的最重要的 途径。被生物降解的抗生素，可能转化为生物体 的组成部分或是最终转化为没有生物毒性的无机 或有机小分子。生物降解主要有植物降解和微生 物降解两种方式 。 植物降解机制 植物具有庞大的叶冠和根系 ,在水体或土壤中与 环境之间进行着复杂的物质交换和能量交换 ,在维持 生态环境的平衡中起着重要作用 。 植物修复受污染 的水土环境主要有 3种机制： 植物直接吸收有机污染物后转移或分解； 植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污 染物； 植物促进根际微生物对土壤环境中有机污染物的吸 收或利用转化 。 植物降解 被植物直接吸收的污染物主要有 :氮 、 磷等植 物营养物质；对水生生物有毒害作用的某些重金 属和有机物等 。 第一类是被吸收后用以合成植物 自身 的结构组成物质 ， 第二类则是脱毒后储存于 体内或在植物体内被降解 。 氟喹诺酮类 、 磺胺类 和氯四环素等可直接被植物吸收 。 微生物降解是现阶段处理抗生素污染 的最理想的方法 。 光合菌 、 乳酸菌 、 放线 菌 、 酵母菌 、 发酵丝状菌 、 芽孢杆菌 、 枯 草杆菌 、 硝化细菌 、 酵母等都具有抗生 素的降解功能 。 微生物降解 抗生素生产废水好氧处理工艺 厌 氧 处 理 厌氧处理高浓度的有机废水是较可行的 方 ， 与好氧处理相比 ， 厌氧法在处理高浓度 有机废水方面通常有以下优点： 有机负荷高； 污泥产率低 ， 产生的生物污泥易于脱水； 营养物需要量少； 不需要曝气 ， 能耗低； 可以产生沼气 、 回收能源： 对水温的适宜范围较广； 活性厌氧污保存时间长 。 抗生素生产废水厌氧处理工艺 厌氧好氧生物处理组合工艺 在实际废水处理中 ， 由于单独好氧处理或单独 厌氧处理都存在自身难以克服的缺点而难以满足出水达标 排放的要求 。 因而从 80年代开始 ， 厌氧好氧生物处理组合 工艺逐渐成为主导工艺 。 采用厌氧好氧工艺不仅克服了好 氧工艺的高能耗 、 高运转费用及稀释水量大等特点 ， 也克 服了厌氧处理出水不能达标排放的缺点 ， 在经济和技术上 都是可行的 。 抗生素生产废水厌氧好氧生物 组合处理工艺 微 生 物 降 解 机 理 抗生素的微生物降解是指在微生 物作用下 ， 使抗生素残留物的结构发生 改变 ， 从而引起其化学和物理性质发生 改变 ， 即通过将抗生素残留物从大分子 化合物降解为小分子化合物 ， 最后成为 H2O和 CO2。 实现对环境污染的无害化处理 的过程 ， 其中耐药细菌起最重要的作用 。 耐药菌的作用机制 耐药菌直接破坏和修饰抗生素而使其失活 ， 包 括水解 、 基团转移和氧化还原 3种机制 .许多抗生素含 有易水解的敏感化学键 ( 如酯键和酰胺键 ) ， 耐药 菌含有消除这些脆弱化学键的酶而摧毁这些抗生素的 活性 。 这其中主要的一类酶是可以消除青霉素和头 孢菌素类药物内酰胺环的酰胺酶 。 另外 ， 还有与大环 内酯类药物耐药性有关的酯酶及磷霉素耐药性有关的 开环环氧化酶 。 耐药菌的基因转移作用 基团转移有多种途径 ， 包括 ： 乙酰基转移修饰 。 通过对羟基或酰胺基等 活泼基 团的共价修饰导致化合物失去靶点 结合能力从而失 活 。 乙酰转移是细菌使抗 生素失活的常用机制 ， 见于氨基糖苷类抗 生素 。 磷酸化 。 氨基糖苷类 ， 大环内酯类的红 霉素和肽类抗生素硫酸酯霉可通过这 种机 制降 基因转移作用 糖基化 。 见于大环类酯类 。 核苷 酸化 。 见于林可霉素和克林霉素 。 核糖基化 。 见 于含氨基酸残基的抗生素 。 巯基转移 ， 如磷霉素 。 氧化还原机制不多见 ， 四环素可被耐药性 酶 Te t X 氧化 。 影响微生物降解的因素 ( 1 ) p H、 水分和温度 。 ( 2 ) 氧气 。 ( 3 ) 环境介质 。 ( 4 ) 环境中其他抗生素的存在 。 P H、 水分和温度 环境的酸碱度和温度影 响微 生物对营养物质的吸收和生长代谢 ， 进 而改变微生物的生长状况 。 对大多数细菌 而言 ， p H 为 6 5 8 5 ， 温 度为 25 4 5 时有较高的生物活性 。 微生物进行代谢活动时需要有足够的水分 。 微生物的呼吸方式不同对水分的需求也不 一样 。 在海洋 、 淡水和含水层中 ， 微生 物不会因缺水而受到限制 ， 但在土壤中 的水分有时会成为限制因素 。 氧气 微生物具有好氧 、 厌氧 、 兼性好氧多 种代谢途径 ， 微生物可以在好氧或厌氧的条件下都 可以发挥作用 。 环境中需 氧菌生长速度快 ， 降解作 用明显 。 人们在处理抗生素废水时 ， 常采用活性污 泥法 、 固定床生物膜法 、 生物流化床法和生物转盘 法 等好氧降解法 。 环境介质 环境中抗生素常被其他介质如土壤包被 ， 这些介质影响着抗生素与微生物的接触 和微 生物的生长状态 。 固定化颗粒半径愈小 ， 降解速度愈快 。 在固定化颗粒内 ， 氧浓度 随着颗粒半径的减少而迅速下降 ；当颗粒半 径为 3 mm时 ， 粒子中心的 0 mm 0.8 mm 范围内的微生物处于缺氧状态甚至厌氧状态 。 环境中其他抗生素的存在 在同一区域往往不只受一种抗生素的污染 。 如养 殖场 、 医院附近环境中 ， 常同时存在多种抗生素 。 这 些抗生素能够抑制或杀死具有降解作用的微生物 ,从而抑 制其它抗生素的降解 。 抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我 国乃至全球所面临的重大环境问题之一。我国是一 个农业化大国， 畜禽养殖业由分散式快速 向集约化 迈迚， 因此而导致畜禽粪便 的年产量不断增长，抗 生 素对环境的污染可能比世界其他各国更为严重 ， 但 在我国这些问题还没有引起足够重视。人们对抗 生素的降解作用研究 ， 基本上还只停留在实验室水 平， 且研究方式比较单一， 不能综合考虑各种环境 因素。 随着人们对 自身问题的越来越关注， 通过 探讨抗生素在环境中的降解作用来寻求降低环境中 抗生素污染的方法 ， 必将成为未来的一个重要研究 方向。 关注环境抗生素污染 加快研究抗生素降解技术 构建美好的明天！