1、抗生素抗生素生物降解生物降解第1页 抗生素是由微生物产生在低浓度下能抑制抗生素是由微生物产生在低浓度下能抑制或灭杀其它微生物一类化学物质。当前被广泛使或灭杀其它微生物一类化学物质。当前被广泛使用抗生素，按照化学结构可分为用抗生素，按照化学结构可分为 内酰胺类、内酰胺类、喹喹诺酮类、四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类、诺酮类、四环素类、氨基糖苷类、大环内酯类、磺胺类等。磺胺类等。抗生素概述抗生素概述第2页抗生素应用和危害 长长久久以以来来，抗抗生生素素被被大大量量地地用用于于人人和和动动物物疾疾病病治治疗疗，并并以以亚亚治治疗疗剂剂量量添添加加于于动动物物饲饲料料中中，以以预预防防动动物物疾疾病病
2、和和促促进进其其生生长长。但但绝绝大大部部分分抗抗生生素素不不能能完完全全被被机机体体吸吸收收，约约有有90%90%抗抗生生素素以以原原形形或或者者代代谢谢物物形形式式经经由由病病人人和和畜畜禽禽粪粪,尿尿排排入入环环境境，经经不不一一样样路路径径 对对土土壤壤和和水水体体造造成成污污染染。当当前前,抗抗生生素素污污染染问问题题已已经经被被许许多多发发达达国国家家(如如欧欧盟盟和和美美国国)列列为为主主要要环环境境问问题题，相相关关基基础研究正在快速得到开展。础研究正在快速得到开展。第3页抗生素起源及暴露路径 因为抗生素主要用于医疗和畜牧因为抗生素主要用于医疗和畜牧,所以环境所以环境中抗生素主
3、要起源医用药品和农用药品两个途中抗生素主要起源医用药品和农用药品两个途 径径。第4页医用抗生素主要起源经由病人粪便和尿液排出处方抗生素经由病人粪便和尿液排出处方抗生素 ；医院丢弃过期抗生素医院丢弃过期抗生素 ；残留在药瓶和器械上抗生素残留在药瓶和器械上抗生素 ；医药企业在生产过程流失抗生素等。医药企业在生产过程流失抗生素等。第5页 医用抗生素污染过程医用抗生素污染过程 经经排排泄泄物物排排出出抗抗生生素素、治治疗疗中中残残留留抗抗生生素素以以及及制制药药企企业业流流失失抗抗生生素素都都会会经经过过城城市市和和医医院院下下水水道道进进入入到到城城市市污污水水处处理理厂厂,因因为为现现有有污污水水
4、处处理理技技术术极极难难将将抗抗生生素素彻彻底底去去除除,一一部部分分抗抗生生素素会会伴伴随随处处理理后后废废水水进进入入土土壤壤和和水水中中,而而医医院院丢丢弃弃过过期期抗抗生生素素会会进进人人垃垃圾圾填填埋埋场场,假假如如处处理理不不妥妥,会会渗渗透透 土壤或地下水中。土壤或地下水中。第6页农用药品起源路径动动物物养养殖殖中中兽兽药药长长久久亚亚剂剂量量使使用用后后,经经粪粪便便和和尿尿液排出抗生素液排出抗生素 ；水产养殖中兽药直接施用；水产养殖中兽药直接施用；兽药生产过程损失和废弃兽药。兽药生产过程损失和废弃兽药。第7页 农用抗生素污染过程 动动物物粪粪便便和和尿尿液液排排出出抗抗生生素
5、素随随粪粪便便被被施施入入农农田田,其其 中中一一部部分分直直接接渗渗透透地地下下水水中中,另另一一部部分分进进入入土土壤壤,经经雨雨水水淋淋洗洗进进入入河河流流或或湖湖泊泊 ;水水产产养养殖殖中中抗抗 生生素素施施用用后后一一部部分分直直接接进进入入 水水体体,另另一一部部分分被被水水底底淤淤泥泥中中所所吸吸附附,存存在在于于养养殖殖场场底底泥泥中中;兽兽药药生生产产 中中损损失失抗抗生生素素会会伴伴随随废废水水经经由由下下水水道道进进入入城城市市污污水水处处理理厂厂,而而废废弃弃兽兽药药可可能能被被 看看成成垃垃圾圾填填埋埋,假假如如处处理理不不妥妥，最最终终会会进入土壤甚至地下水中。进入
6、土壤甚至地下水中。第8页 环境中抗生素残留潜在风险 抗抗生生素素在在环环境境中中浓浓度度普普遍遍较较低低,普普通通在在 g g/L L 级级,有有甚甚至至低低至至n n g g L L级级,但但依依然然可可能能对对环环境境存存在在风风险险。如如一一些些 P P O O P P s s 物物质质,在在环环境境中中浓浓度度和和抗抗生生素素相相当当,不不过过它它雌雌激激素素效效应应却却造造成成人人类类生生殖殖率率降降低低,不不孕孕症症增增加加等等。所所以以,对对于于之之前前因因为为其其预预期期环环境境浓浓度度较较低低而而一一直直认认为为安安全全可可靠靠物物质质要要引引发重视发重视,它们有可能对环境组
7、成潜在威胁。它们有可能对环境组成潜在威胁。第9页潜在风险主要表现(1)1)诱导耐药性细菌。诱导耐药性细菌。(2)(2)对环境中微生物产生影响。对环境中微生物产生影响。(3)(3)对植物生长发育产生影响。对植物生长发育产生影响。(4)(4)食品和饮用水中抗生素对人类健康威胁食品和饮用水中抗生素对人类健康威胁。第10页 诱导耐药性细菌 大大量量研研究究表表明明,抗抗生生素素使使用用能能诱诱导导病病原原菌菌产产生生耐耐药药性性,尤尤其其是是因因为为长长久久大大剂剂量量在在饲饲料料中中添添加加抗抗生生素素,造造成成产产生生了了一一些些能能够够抵抵抗抗强强力力抗抗生生素素病病原原菌菌,这这些些病病原原菌
8、菌珠珠出出现现,对对人人和和动动物物健健康康都都极极具具威威胁胁。另另外外，抗抗生生素素能能够够造造成成耐耐药药基基因因产产生生，而而耐耐药药基基因因又又能能够够在在 同同细细菌菌间间传传递递，一一旦旦这这些些耐耐药药基基因因转转移移给给致致病病菌菌，就更增加了对人类健康威胁。就更增加了对人类健康威胁。第11页对环境中微生物影响 抗抗生生素素作作用用就就是是抑抑制制某某类类病病菌菌生生长长，在在水水体体及及土土壤壤中中不不具具耐耐药药性性菌菌株株被被抗抗生生素素杀杀死死 ，而而具具耐耐药药性性优优势势菌菌得得以以大大量量繁繁殖殖，所所以以长长久久低低浓浓度度抗抗生生素素存存在在对对微微生生物物
9、群群落落有有一一定定影影响响，而而且且该该影影响响可可经经过过食食物物链链对对高高级级生生物物发发生生作作用用 ，从从而而破破坏坏了生态系统平衡。了生态系统平衡。第12页 对植物生长发育影响 抗抗生生素素随随动动物物粪粪尿尿和和城城市市污污水水施施人人农农田田，对对农农田田植植物物生生长长发发育育产产生生影影响响。如如0 0.009 009-0 0.012mg012mgL L四四环环素素动动物物粪粪便便对对猩猩猩猩木木液液体体培培养养物物产产生生毒毒害害；300300-900mg900mgL L磺磺胺胺地地索索辛辛能能显显著著抑抑制制车车前前草草、玉玉米米等等作作物物生生长长,并并在在植植物物
10、根根部部和和叶叶中中富富集集,根根部部浓浓度度较较高高；土土霉霉素素和和氯氯四四环环素素降降低低了了杂杂色色豆豆植植株株生生节节、鲜鲜重重，并并影影响响其其对对钙钙 、钾钾和和镁镁吸吸收收。而而抗抗生生素素 对对植植物物生生长长发发育育影影响响与与其其化化学学性性质质、使使用用剂剂量量、土土壤壤吸附能力及植物品种相关。吸附能力及植物品种相关。第13页对人类健康威胁 抗抗生生素素长长久久作作为为添添加加剂剂大大量量用用于于畜畜牧牧生生产产，造造成成抗抗生生素素在在动动物物食食品品肉肉、蛋蛋、奶奶中中残残留留,人人食食用用后后,抗抗生生素素就就会会沿沿食食物物链链传传递递到到人人,首首先先会会引引
11、发发人人群群过过敏敏反反应应,严严重重 时时会会造造成成食食物物 中中毒毒;另另首首先先,部部 分分药药品品还还含含有有致致癌癌、致致畸畸、致致突突变变或或激激素素类类作作用用,严重干扰人类各项生理功效严重干扰人类各项生理功效,威胁人类健康。威胁人类健康。第14页 抗抗生生素素一一旦旦进进入入环环境境就就会会扩扩散散到到壤壤、水水和和空空气气中中，普普通通会会经经过过吸吸附附、水水解解、光光解解和和微微生生物物降降解解一一系系列列生生物物转转化化过过程程 ，这这些些过过程程直直接接影影响响抗抗生生素素对对环环境境生生态态毒性。毒性。抗生素在环境中归趋抗生素在环境中归趋第15页吸附 吸吸附附反反
12、应应了了抗抗生生素素与与水水体体有有机机质质或或土土壤壤沉沉积积物物相相互互作作用用，并并可可预预测测抗抗生生素素对对环环境境影影 响响程程度度。普普通通来来说说，吸吸附附能能力力强强抗抗生生素素，在在环环境境中中较较稳稳定定，轻轻易易积积蓄蓄；部部分分抗抗生生素素不不与与固固相相物物质质结结合合 ，吸吸附附能能力力较较弱弱，在在淋淋洗洗作作用用下下很很轻轻易易被被淋淋洗洗到到附附近近河河流流中中，抵抵达达水水环环境境，进进而而对对地地下下水水组组成成威威胁胁。抗抗生生素素吸吸附附能能力力因因其其化化学学结结构构 、理理化化性性质质、土壤类型和环境条件不一样而不一样。土壤类型和环境条件不一样而
13、不一样。第16页降解 抗抗生生素素在在环环境境 中中可可能能发发生生水水解解、光光降降解解和和微微生生物物降降解解等等一一系系列列降降解解反反应应，但但视视环环境境条条件件不不一一样样，抗抗生生素素会会发发生生一一个个或或各各种种降降解解反反应应。普普通通来来说说 ，降降解解过过程程会会降降低低抗抗生生素素 药药效效，但但有有些些抗抗生生素素降降解解产产物物可可能比抗生素本身毒性还强。能比抗生素本身毒性还强。第17页 水水解解是是水水体体中中抗抗 生生素素降降解解一一个个主主要要方方式式，六六大大类类主主要要抗抗生生素素中中内内酰酰胺胺类类、大大环环内内酯酯类类和和磺磺胺胺类类抗抗生生素素易易
14、水水解解，不不过过大大环环内内酯酯类类和和磺磺胺胺类类抗抗生生素在中性素在中性pHpH值条件下水解很慢。值条件下水解很慢。光光降降解解是是在在能能接接收收到到光光照照水水体体表表层层中中抗抗生生素素降降解解另另一一个个主主要要路路径径，喹喹诺诺酮酮类类和和四四环环素素类类抗抗生生素素比较轻易发生光降解。比较轻易发生光降解。生生物物降降解解是是在在有有生生物物作作用用下下发发生生降降解解反反应应，它它也是抗生素降解主要方式。也是抗生素降解主要方式。第18页抗生素生物降解 生物降解是抗生素在环境中降解最主要路径。生物降解是抗生素在环境中降解最主要路径。被生物降解抗生素，可能转化为生物体组成部分被生
15、物降解抗生素，可能转化为生物体组成部分或是最终转化为没有生物毒性无机或有机小分子或是最终转化为没有生物毒性无机或有机小分子。生物降解主要有植物降解和微生物降解两种方式生物降解主要有植物降解和微生物降解两种方式 。第19页植物降解机制 植植物物含含有有庞庞大大叶叶冠冠和和根根系系,在在水水体体或或土土壤壤中中与与环环境境之之间间进进行行着着复复杂杂物物质质交交换换和和能能量量交交换换,在在维维持持生生态态环环境境平平衡衡中中起起着着主主要要作作用用。植植物物修修复复受受污污染染 水水土土环环境主要有境主要有3 3种机制：种机制：植物直接吸收有机污染物后转移或分解；植物直接吸收有机污染物后转移或分
16、解；植植物物释释放放分分泌泌物物和和特特定定酶酶降降解解土土壤壤环环境境中中有有机机污污染染物；物；植植物物促促进进根根际际微微生生物物对对土土壤壤环环境境中中有有机机污污染染物物吸吸收收或利用转化。或利用转化。第20页植物降解 被被植植物物直直接接吸吸收收污污染染物物主主要要有有:氮氮、磷磷等等植植物物营营养养物物质质；对对水水生生生生物物有有毒毒害害作作用用一一些些重重金金属属和和有有机机物物等等。第第一一类类是是被被吸吸收收后后用用以以合合成成植植物物 本本身身 结结构构组组成成物物质质，第第二二类类则则是是脱脱毒毒后后储储存存于于体体内内或或在在植植物物体体内内被被降降解解。氟氟喹喹诺
17、诺酮酮类类、磺磺胺胺类类和和氯氯四四环素等可直接被植物吸收。环素等可直接被植物吸收。第21页 微微生生物物降降解解是是现现阶阶段段处处理理抗抗生生素素污污染染最最理理想想方方法法。光光合合菌菌、乳乳酸酸菌菌、放放线线菌菌、酵酵母母菌菌、发发酵酵丝丝状状菌菌、芽芽孢孢杆杆菌菌、枯枯草草杆杆菌菌、硝硝化化细细菌菌 、酵酵母母等等都都含含有有抗抗生生素素降降解功效。解功效。微生物降解微生物降解第22页抗生素生产废水好氧处理工艺抗生素生产废水好氧处理工艺第23页厌氧处理 厌厌氧氧处处理理高高浓浓度度有有机机废废水水是是较较可可行行方方，与与好好氧氧处处理理相相比比，厌厌氧氧法法在在处处理理高高浓浓度度
18、有有机机废水方面通常有以下优点：废水方面通常有以下优点：有机负荷高；有机负荷高；污泥产率低，产生生物污泥易于脱水污泥产率低，产生生物污泥易于脱水；营养物需要量少；营养物需要量少；不需要曝气，能耗低；不需要曝气，能耗低；能够产生沼气、回收能源：能够产生沼气、回收能源：对水温适宜范围较广；对水温适宜范围较广；活性厌氧污保留时间长。活性厌氧污保留时间长。第24页抗生素生产废水厌氧处理工艺抗生素生产废水厌氧处理工艺第25页厌氧好氧生物处理组合工艺 在在实实际际废废水水处处理理中中，因因为为单单独独好好氧氧处处理理或或单单独独厌厌氧氧处处理理都都存存在在本本身身难难以以克克服服缺缺点点而而难难以以满满足
19、足出出水水达达标标排排放放要要求求。因因而而从从8080年年代代开开始始，厌厌氧氧好好氧氧生生物物处处理理组组合合工工艺艺逐逐步步成成为为主主导导工工艺艺。采采取取厌厌氧氧好好氧氧工工艺艺不不但但克克服服了了好好氧氧工工艺艺高高能能耗耗、高高运运转转费费用用及及稀稀释释水水量量大大等等特特点点，也也克克服服了了厌厌氧处理出水不能达标排放缺点，在经济和技术上都是可行。氧处理出水不能达标排放缺点，在经济和技术上都是可行。第26页抗生素生产废水厌氧好氧生物抗生素生产废水厌氧好氧生物组合处理工艺组合处理工艺第27页微生物降解机理 抗抗生生素素微微生生物物降降解解是是指指在在微微生生物物作作用用下下，使
20、使抗抗生生素素残残留留物物结结构构发发生生 改改变变，从从而而引引发发其其化化学学和和物物理理性性质质发发生生改改变变，即即经经过过将将抗抗生生素素残残留留物物从从大大分分子子化化合合物物降降解解为为小小分分子子化化合合物物，最最终终成成为为 H H2 2O O和和COCO2 2。实实现现对对环环境境污污染染无无害害化化处处理理过过程程，其其中耐药细菌起最主要作用。中耐药细菌起最主要作用。第28页耐药菌作用机制 耐耐药药菌菌直直接接破破坏坏和和修修饰饰抗抗生生素素而而使使其其失失活活，包包含含水水解解、基基团团转转移移和和氧氧化化还还原原3 3种种机机制制.许许多多抗抗生生素素含含 有有易易水
21、水解解敏敏感感化化学学键键 (如如酯酯键键和和酰酰胺胺键键)，耐耐药药菌菌含含有有消消除除这这些些脆脆弱弱化化学学键键酶酶而而摧摧毁毁这这些些抗抗生生素素 活活性性。这这其其中中主主要要一一类类酶酶是是能能够够消消除除青青霉霉素素和和头头 孢孢菌菌素素类类药药品品内内酰酰胺胺环环酰酰胺胺酶酶。另另外外，还还有有与与大大环环内内酯酯类类药药品品耐耐药药性性相相关关酯酯酶酶及及磷磷霉霉素素耐耐药药性性相相关关开开环环环环氧氧化化酶酶 。第29页耐药菌基因转移作用 基团转移有各种路径基团转移有各种路径 ，包含包含 ：乙乙酰酰基基转转移移修修饰饰 。经经过过对对羟羟基基或或酰酰胺胺基基等等活活泼泼基基
22、 团团共共价价修修饰饰造造成成化化合合物物失失去去靶靶点点结结合合能能力力从从而而失失 活活。乙乙酰酰转转移移是是细细菌菌使使抗抗生生素失活惯用机制素失活惯用机制 ，见于氨基糖苷类抗生素。见于氨基糖苷类抗生素。磷磷酸酸化化 。氨氨基基糖糖苷苷类类，大大环环内内酯酯类类红红霉霉素素和肽类抗生素硫酸酯霉可经过这和肽类抗生素硫酸酯霉可经过这 种机制降种机制降第30页基因转移作用糖基化糖基化 。见于大环类酯类。见于大环类酯类 。核苷核苷 酸化。见于林可霉素和克林霉素。酸化。见于林可霉素和克林霉素。核糖基化。见核糖基化。见 于含氨基酸残基抗生素。于含氨基酸残基抗生素。巯巯基基转转移移，如如磷磷霉霉素素。
23、氧氧化化还还原原机机制制不不多多见见 ，四环素可被耐药性四环素可被耐药性 酶酶 Te t X Te t X 氧化氧化 。第31页影响微生物降解原因(1)p H(1)p H、水分和温度水分和温度 。(2)(2)氧气氧气 。(3)(3)环境介质。环境介质。(4)(4)环境中其它抗生素存在。环境中其它抗生素存在。第32页P H、水分和温度 环环境境酸酸碱碱度度和和温温度度影影 响响微微生生物物对对营营养养物物质质吸吸收收和和生生长长代代谢谢 ，进进而而改改变变微微生生物物生生长长情情况况。对对大大多多数数细细菌菌而而言言，p p H H 为为 6 6 5 5 8 8 5 5，温温度度为为 25254
24、 4 55时时有有较较高高生生物物活活性性。微微生生物物进进行行代代谢谢活活动动时时需需要要有有足足够够水水分分。微微生生物物呼呼吸吸方方式式不不一一样样对对水水分分需需求求也也不不一一样样。在在海海洋洋、淡淡水水和和含含水水层层中中，微微生生物物不不会会因因缺缺水水而而受受到到限限制制 ，但但在在土土壤壤中中水水分分有有时时会成为限制原因。会成为限制原因。第33页氧气 微微生生物物含含有有好好氧氧、厌厌氧氧 、兼兼性性好好氧氧多多 种种代代谢谢路路径径，微微生生物物能能够够在在好好氧氧或或厌厌氧氧条条件件下下都都 能能够够发发挥挥作作用用。环环境境中中需需 氧氧菌菌生生长长速速度度快快 ，降
25、降解解作作 用用显显著著 。人人们们在在处处理理抗抗生生素素废废水水时时 ，常常采采取取活活性性污污 泥泥法法 、固固定定床床生生物物膜膜法法、生生物物流流化化床床法法和和生生物物转转盘盘法法 等好氧降解法等好氧降解法 。第34页环境介质 环环境境中中抗抗生生素素常常被被其其它它介介质质如如土土壤壤包包被被，这这些些介介质质影影响响着着抗抗生生素素与与微微生生物物接接触触 和和微微生生物物生生长长状状态态。固固定定化化颗颗粒粒半半径径愈愈小小 ，降降解解速速度度愈愈快快 。在在固固定定化化颗颗粒粒内内，氧氧浓浓度度伴伴随随颗颗粒粒半半径径降降低低而而快快速速下下降降 ；当当颗颗粒粒半半径径为为
26、 3 3 mmmm时时 ，粒粒子子中中心心0 0 mmmm0 0.8 8 mmmm范范围围内内微微生物处于缺氧状态甚至厌氧状态。生物处于缺氧状态甚至厌氧状态。第35页环境中其它抗生素存在 在在同同一一区区域域往往往往不不只只受受一一个个抗抗生生素素污污染染 。如如养养殖殖场场 、医医院院附附近近环环境境中中，常常同同时时存存在在各各种种抗抗生生素素。这这些些抗抗生生素素能能够够抑抑制制或或杀杀死死含含有有降降解解作作用用微微生生物物 ,从从而而抑抑制制其其它抗生素降解。它抗生素降解。第36页 抗生素环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临重大环境问题之一。我国是一 个农业化大国，畜禽养殖业由分散式快速 向集约化前进，所以而造成畜禽粪便 年产量不停增加，抗生 素对环境污染可能比世界其它各国更为严重，但 在我国这些问题还没有引发足够重视。人们反抗生素降解作用研究，基本上还只停留在试验室水平，且研究方式比较单一，不能综合考虑各种环境原因。伴随人们对 本身问题越来越关注，经过探讨抗生素在环境中降解作用来寻求降低环境中抗生素污染方法，必将成为未来一个主要研究方向。第37页关注环境抗生素污染加紧研究抗生素降解技术构建美好明天！第38页
