1、1,第五章 抗生素環(huán)境毒理學,2,2,綱要,抗生素簡介 環(huán)境中抗生素污染 不同介質抗生素毒性研究 抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展 環(huán)境中抗生素的檢測技術 水中微量抗生素的去除 問題與建議,3,一、抗生素簡介,抗生素（antibiotics）是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌屬）或高等動植物在生活過程中所產生的具有抗病原體或其它活性的一類次級代謝產物，能干擾其他生活細胞發(fā)育功能的化學物質。 抗生素的分類：,5,二、環(huán)境中抗生素污染,(1)醫(yī)用抗生素污染 醫(yī)用抗生素被認為是目前環(huán)境中抗生素污染的主要來源之一。醫(yī)用抗生素通過以下途徑進入環(huán)境: 醫(yī)院丟棄的過期抗生素; 殘留在藥瓶和器械上的生素; 經由病

2、人糞便和尿液排出的處方抗生素; 醫(yī)藥企業(yè)在生產過程中流的抗生素等。,6,(2)獸用抗生素污染 大量的飼用抗生素作為飼料添加劑使用，稱之為抗菌生長促進劑(AGP)。AGP能促進動物的生長，提高畜禽生產效率。 1、長期使用造成藥物殘留和耐藥基因的產生(包括動物致病菌和內在微生物菌群)，動物間的糞便接觸，特別是大規(guī)模圈養(yǎng)動物間加速了這種耐藥基因的擴散，進而對人類染病的醫(yī)治和微生態(tài)環(huán)境構成潛在威脅。,二、環(huán)境中抗生素污染,7,2、抗生素被動物吸收后，可分布于體內各個部分，也可通過泌乳、產蛋而進入乳、蛋中，而在肉、蛋、乳等動物產品中殘留。殘留的抗生素通過一般的食品烹飪方法不能完全使其分解，從而對人產生毒

3、副作用。 以下為土壤和水環(huán)境中獸藥的主要預期暴露途徑、轉歸及其生物效應圖：,二、環(huán)境中抗生素污染,暴露,獸藥,水產業(yè),牧場牲畜,轉歸,畜禽糞便,農田或牧場土壤,水環(huán)境,化糞池,家畜促生長劑和家畜抗球蟲劑,地表水 地下水,食物鏈,底泥,飲用水,生物效應,水生生物,人體健康,土壤微生物、動物,不同營養(yǎng)級生物,9,(3)農用抗生素污染 最早在農業(yè)上大面積應用的抗生素是鏈霉素、土霉素及其混合液“農霉素”。現在世界己開發(fā)高效、低毒、低殘留抗生素，在農業(yè)防治病、蟲、草害方面發(fā)揮了巨大作用。 但人們在選用抗生素種類、施用劑量及用藥時間等環(huán)節(jié)上存在著很多問題。其中最突出的問題是施用抗生素種類多、劑量大，引起藥

4、害，是加快了農作物致病菌耐藥性的產生，給作物病害的防治帶來困難，其藥物殘留也構成潛在的危害。,二、環(huán)境中抗生素污染,10,(4)工業(yè)抗生素污染 工業(yè)抗生素污染主要包括制藥廠廢水、廢渣內抗生素殘留對環(huán)境的污染。抗生素生產過程中產生大量廢水，廢水中不僅COD、SS高，且含生產工藝產生的剩余中間產物、殘留抗生素及有機溶劑等，廢水在生化處理中對微生物的生長有強烈的用，處理后，殘留的抗生素不能被完全降解，對環(huán)境造成一定污染。 另外工業(yè)或家庭用清潔衛(wèi)生洗滌劑、肥皂、洗澡液、清潔劑等中加入了一定量的抗生素，使得工業(yè)抗生素污染的范圍進一步擴大。,二、環(huán)境中抗生素污染,11,（一）土壤介質抗生素毒性 1、土壤中

5、的抗生素對環(huán)境的影響主要涉及二個方面: 1）積累在土壤中的抗生素的轉移、擴散、降 解及對 水環(huán)境和動植物的影響; 2）對土壤生態(tài)系統的影響。,三、不同介質抗生素毒性,12,（一）土壤介質抗生素毒性,2、對土壤微生物生態(tài)毒性表現在: 通過影響環(huán)境中各種微生物的種群數量及其他生物如水生生物、植物、動物的種群結構和營養(yǎng)轉移方式，破壞環(huán)境中固有的以食物鏈為聯系的生態(tài)系統的平衡。 在環(huán)境中誘發(fā)大量耐藥菌的產生，并大量繁殖和傳播，最終影響人類健康。,13,抗生素多為抗微生物藥物，能直接殺死環(huán)境中某些微生物或抑制其生長，影響環(huán)境中微生物群落的組成，并通過影響土壤中有機質的腐爛和分解而影響土壤肥力。 抗生素還

6、可通過影響環(huán)境微生物的種類和數量，而降低土壤微生物對農藥、重金屬等其他污染物的固定或降解能力。,（一）土壤介質抗生素毒性,14,2、對植物生態(tài)毒性表現: 與大多數污染物相似，低濃度獸藥抗生素可促進植物生長，高濃度的抑制植物生長，不同土壤或生長基質上，獸藥對不同植物的影響差異非常大。 抗生素對植物生長發(fā)育的影響與其化學性質、使用劑量、與土壤吸附能力及植物的品種有關。,（一）土壤介質抗生素毒性,15,例如研究發(fā)現： 四環(huán)素對猩猩木的液體培養(yǎng)物產生毒害。 磺胺地索辛能明顯抑制車前草、玉米等作物的生長，并在植物的根部和樹葉富集。 土霉素和氯四環(huán)素減少雜色豆植株的生節(jié)、鮮重，并影響其對鈣、鉀和鎂的吸收。

7、 對不同植物的實驗室和田間研究表明，獸藥抗生素對植物出芽后的正常發(fā)育及根系、胚軸和葉子的生長造成影響。,（一）土壤介質抗生素毒性,16,除具有土壤介質中毒性外，水環(huán)境抗生素的存在還會影響 1、水體微生物的組成和活性，從而改變微生物區(qū)系的生態(tài)結構。 2、池塘底泥中的抗生素的聚積導致底泥微生物活性的下降或抑制，這將導致一個相對厭氧的環(huán)境，底泥中的有機物的降解與氧氣的濃度有著密切的聯系，厭氧,（二）水環(huán)境介質抗生素毒性,17,降解會導致比有氧降解產生出毒性更大的副產物如硫化物和氨氣。導致底泥有機物的降解率的下降。 3、水產養(yǎng)殖中使用的抗生素可對水生生物和昆蟲的生長產生強大的抑制或殺滅作用。另外，抗生

8、素還可隨動物的糞尿和城市污水施入農田，對農田造成污染。,（二）水環(huán)境介質抗生素毒性,18,4、抗生素可誘導菌體內產生耐藥基因，又由于耐藥基因的易傳播性，將極易產生高度耐藥的多重耐藥菌，使環(huán)境變成一個極大的耐藥基因庫。如果耐藥基因從非致病菌轉入致病菌，則可對人類造成相當大的危害。,（二）水環(huán)境介質抗生素毒性,19,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,國內外大部分環(huán)境污染物的毒理效應研究都還處在個體水平, 利用急性毒性試驗的生物檢測指標判斷污染物的毒性效應。急性毒性實驗更適用于高污染介質的毒性評價, 而對于低水平的環(huán)境污染的評價則顯得無能為力。 例如, 一些致畸作用的發(fā)生就沒有臨界值, 在遠低于可測

9、生態(tài)效應產生的劑量條件下, 就可能出現不可接受的風險。因此, 建立更為精確和敏感的生態(tài)毒理指標和方法, 進行環(huán)境亞致死含量抗生素的生態(tài)毒性效應及危害的診斷十分必要。,20,生物標記物 指通過測定體液、組織或整個生物體, 來表征對一種或多種化學污染物的暴露和其生化、細胞、生理、行為以及能量上的效應變化。 優(yōu)點是可以靈敏地檢測到環(huán)境中低劑量的潛在污染物。其能夠在不同水平上指示暴露- 效應關系, 并可通過多項反應指標提供有關生態(tài)毒性的綜合信息, 可用作污染的早期預警。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,21,分子標記物 把可遺傳的并可檢測的蛋白質和核酸水平的標記物稱為分子標記物。分子標記物具有生物標

10、志物的一般特征,但是更加敏感, 可探討并預測更低劑量環(huán)境污染物對機體的長期影響及可能的潛在危害, 從而防止慢性毒作用的發(fā)生。 研究從以下幾個方面展開：,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,22,1、機體生理生化水平 生物機體的生化過程酶起著重要的作用。污染物進入機體后, 一方面在酶的催化作用下進行代謝轉化, 另一方面也導致酶活性改變。許多污染物的毒作用就是與酶分子相互作用, 影響其表達量和活性, 引發(fā)體內一系列生化變化, 從而引起毒性效應。 例如, 細胞色素P450酶系、生物轉化酶如谷胱甘肽硫轉移酶( GST )、小分子抗氧化防御系統等各種酶活性的變化, 都對污染物的毒理過程發(fā)揮重要作用, 因此

11、, 可以將這些生物分子的響應作為污染物暴露的生物標志物。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,23,2、機體細胞基因表達產物水平 基因表達產物水平包括酶和一些蛋白質, 除了上述的幾種代表性酶, 目前蛋白質分子標記物的研究熱點主要有熱休克蛋白和金屬硫蛋白等。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,24,3、機體細胞基因表達水平 信使RNA (mRNA )是攜帶遺傳信息, 在蛋白質合成時充當模板的RNA, 是從脫氧核糖核酸( DNA )轉錄合成的一類單鏈核糖核酸。它在核糖體上作為蛋白質合成的模板, 決定肽鏈的氨基酸排列順序, 是轉錄過程的重要載體。 基因表達水平的分子標記物是指轉錄過程中mRNA的表達變

12、化(表達的誘導或抑制以及上調或下調)。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,25,4、機體細胞基因水平 脫氧核糖核酸( DNA )是生物體內重要的大分子和遺傳物質。在正常條件下, 生物細胞內的基因組是穩(wěn)定的。在細胞核內, DNA 分子保持著一種穩(wěn)態(tài)的動態(tài)平衡。DNA在細胞分裂過程中通過復制,把所有的遺傳物質傳遞給子代, 這對確保生物的正常新陳代謝和繁殖非常重要。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,26,由于DNA 結構特點及半保留復制特性, 在環(huán)境污染條件下可直接或間接地導致生物細胞內的DNA 分子損傷。DNA分子的異常變化會導致嚴重的遺傳效應, 一旦損傷發(fā)生, 修復能力即被誘導, 各種修復酶增

13、加并被活化; 如果損傷不能被修復, 則產生DNA結構和功能損傷, 導致細胞死亡或突變。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,27,也有污染物通過體內的酶活化作用產生高親電性的中間產物, 與高電子密度的脂類、蛋白、RNA 或DNA 的親核中心反應, 形成加合物。污染物及其活性代謝產物與DNA 作用形成DNA 加合物是產生DNA 損傷的最早期作用。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,28,DNA加合物為診斷、分析為污染物的暴露提供了有效的信息。一些數據可提供化學物代謝及加合物修復方面的信息。 抗生素類污染物能干擾DNA的復制、修復等正常活動, 可能會導致遺傳變化，如DNA甲基化。 許多事實證明，DN

14、A甲基化是遺傳學變化的指示器, 其可能是引起體細胞突變的基本作用。基于這一點, 它很可能會引起從單一點突變到染色體斷裂或多倍體這樣的染多倍體這樣的染色體組突變。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,29,DNA 鏈斷裂也屬DNA 損傷。很多物質能夠引起DNA 鏈直接斷裂, 比如污染物代謝生成的自由基和去堿基位點, 能夠引起DNA 分子內磷酸二酯鍵的斷裂。當動物細胞遭受持續(xù)的氧化應激、脫嘌呤作用和內源親電子受體如環(huán)氧乙烷的作用, 就會產生DNA 損傷。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,30,DNA 鏈斷裂的經典研究方法 主要有單細胞微凝膠電泳技術、微核測定法等。隨著分子生物學技術的飛速發(fā)展, 出

15、現了一系列以聚 合酶鏈式反應為基礎的、在分子水平上檢測污染物質導致生物體DNA 損傷的DNA 指紋技術，如功能基因組學、轉錄組、蛋白質組學和代謝組學等, 這些技術與檢測基因突變、染色體畸變和損傷為主的經典研究方法如彗星分析、微核實驗等相比，簡便、快速、靈敏。,四、抗生素的分子生態(tài)毒理研究進展,31,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,樣品的檢測技術主要有 微生物法、 薄層色譜法(TLC)、 高效液相色譜法 (HPLC)、 液相色譜質譜聯用法(HPLC/MS) 酶聯免疫法(ELISA) 毛細管電泳(CE),32,1、微生物法 微生物檢測法是抗生素殘留檢測的傳統方法，在過去大部分時間內在抗生素的檢測中占主

16、導地位。 微生物檢測方法的主要原理是根據抗微生物藥對特異微生物的抑制作用來對環(huán)境中殘留的抗微生物藥進行定性或定量的檢測。 微生物法具有前處理簡單、經濟、批量大等優(yōu)點，但靈敏度較低、耗時較長、操作較復雜，易受到其他抗生素的干擾，缺乏專一性和精確度，此方法并不常用,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,33,2、薄層色譜法 薄層色譜法是Kirchner 等在20 世紀50 年代從經典柱色譜法及紙色譜法基礎上發(fā)展起來的一種色譜技術。 按涂布薄層固定相的性質可分為吸附薄層色譜、表面分配薄層色譜、離子交換薄層色譜和薄層電泳。 薄層色譜法常作為樣品篩選方法，不需要特殊設備，方法簡單、快速、直觀，有利于現場應用。但其

17、前處理復雜、靈敏度低、重復性差。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,34,3、液相色譜法 高效液相色譜HPLC是目前廣泛應用的一種理化檢測方法，它引入了氣相色譜理論，在技術上采用了高壓泵，高效固定相和高靈敏度檢測器，實現了分離速度快、效率高和操作自動化。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,35,幾乎所有的化合物包括高極性/離子型待測物和大分子物質，均可用HPLC進行測定。HPLC的分離機制與常規(guī)柱色譜相同，但填料更加精細，需高壓泵推動，柱效高(105塔板/m)、速度快、靈敏度與GC相近。最常用的檢測方式為濃度型的紫外檢測器和熒光檢測器。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,36,4、液相質譜聯用技術 液相色譜-

18、質譜聯用技術兼具HPLC 的強分離能力，同時又具有MS 的高靈敏度和極強的定性鑒定能力，是目前檢測復雜基體組織中痕量抗生素發(fā)展最迅速的分析手段之一。HPLC-MS 的接口部件為電噴霧離子源，正電荷模式，產生的主要質譜離子峰為（M+H）+或（M+Na）+，可用此峰進行定量分析，以其他碎片峰定性確定殘留物的結構。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,37,另外在液相色譜- 質譜聯用技術已經發(fā)展高效液相色譜串聯質譜法，國內外利用此技術同時檢測土壤中氟喹諾酮類、四環(huán)素類和磺胺類18種抗生素。土樣經SAX-HLB 串聯小柱凈化集，在HPLC/MS/MS 多反應監(jiān)測模式下進行定性及定量分析。,五、環(huán)境中抗生素的檢

19、測技術,38,5 、酶聯免疫法 酶聯免疫法是20 世紀70 年代發(fā)展起來的一項新的免疫學技術，它將酶促反應的高效率和免疫反應的高效專一性有機地結合起來，可對各種微量有機物進行測定，具有靈敏度高、特異性強、方便快速、對儀器設備要求不高的優(yōu)點。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,39,6、 毛細管電泳法 毛細管電泳是20 世紀80 年代中后期迅速發(fā)展起來的一類以毛細管為分離通道，以高壓直流電場為驅動力的新型液相分離分析技術。毛細管電泳具有高效、快速等優(yōu)點。,五、環(huán)境中抗生素的檢測技術,40,六、水中微量抗生素的去除,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除 離子交換/消毒 生物處理 砂濾 （二）微量抗生素的

20、深度處理 活性炭吸附 膜過濾及膜生物反應器 化學氧化及高級氧化技術,41,1、 離子交換/消毒 ClO2 和Cl2除了殺滅細菌外, 自身的強氧化性也可以去除水中的殘留抗生素。 采用Cl2 處理40 min, 能夠去除河水中90% 的 甲氧芐氨嘧啶和磺胺類抗生素。ClO2 可以去除與它有較高反應活性的磺胺類和大環(huán)內酯類抗生素, 且處理效果及反應速率比Cl2 好。,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除,42,但是, 這些消毒過程中的氯氧化反應會產生毒性很強的亞氯酸鹽副產物, 根據USEPA規(guī)定的水體中亞氯酸鹽含量 1. 0 mg /L的安全標準進行換算, ClO2 的安全使用劑量 1. 4 mg

21、/L。這種安全濃度的限制使得ClO2 在實際應用中無法發(fā)揮出色的處理效果。通常的水處理條件下, 上述處理方法對抗生素的去除效率不理想。要充分發(fā)揮作用, 需要對水體進行pH 調節(jié)等預處理, 或建立在副產物的毒性研究之上。因此, 它們多作為預處理或后處理工序, 一般不單獨使用。,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除,43,2、生物處理 生物處理法是去除有機污染物最常用的方法,包括好氧、厭氧、厭氧/好氧組合處理等方法。 在好氧生物處理中, 活性污泥法是比較成熟的技術之一。有研究報道, 傳統活性污泥法( CAS )對污水中ng /L水平的微量氟喹諾酮類抗生素的去除率為88% 91%, 對磺胺類的去除率

22、為67% 94%, 對大環(huán)內酯類的去除率為30% 61%, 但是對甲氧芐氨嘧啶的去除率僅為2% 32%。,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除,44,厭氧生物處理在污水抗生素處理上也有一定優(yōu)勢。 兩相厭氧污泥法可以去除污水中95% 100%的殘留磺胺甲惡唑和羅紅霉素，且處理效果不受溫度等的影響。 好氧生物處理負荷低, 厭氧處理出水水質較差,通過好氧、厭氧、物化法的結合可以解決這些問題,提高整體處理效果。,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除,45,3、砂濾 砂濾介質上生成的生物膜對抗生素具有一定的降解效果。,（一）常規(guī)處理工藝對微量抗生素的去除,46,1、活性炭吸附 活性炭具有很高的物理吸附和

23、化學吸附功能,廣泛應用在污水處理中, 其中包括顆?；钚蕴? GAC )和粉末活性炭( PAC )。GAC 過濾和PAC吸附對微量抗生素都有很好的去除作用，通?；钚蕴款w粒越小、用量越多、接觸時間越長、水中有機物越少則去除效果越好。,（二）微量抗生素的深度處理,47,2、膜過濾及膜生物反應器 基于分子篩機制的膜過濾技術對大分子抗生素的去除效果最好, 而小分子抗生素需要較小的膜孔徑, 容易造成膜通量的下降和堵塞, 耗能較高, 這是需要解決的問題。因此, 在選擇膜的類型時, 需要綜合考慮膜、污染物和廢水性質等因素。 目前影響膜處理的主要因素是膜垢, 此外Ca2+ 、Mg2+ 等離子對膜處理效果和壽命也

24、有一定影響。,（二）微量抗生素的深度處理,48,3、化學氧化及高級氧化技術 高級氧化技術( AOPs) 通過化學氧化劑( O3、H2O2過渡態(tài)金屬等)和輔助能量(紫外線、電流、射線等)結合, 形成大量自由基氧化分解有機污染物，由于自由基的活性強、選擇性小, 因此AOPs的處理范圍和效果比單獨的化學氧化技術好。 在抗生素處理中經常采用的AOPs有O3 /H2O2、O3 /UV、H2O2 /UV、光化學氧 化( TiO2 /h )等。,（二）微量抗生素的深度處理,49,電化學氧化相關技術是AOPs研究領域的一個熱點，難生物降解有機物在電極上可以直接降解或與 OH 自由基間接發(fā)生反應，相比于化學氧化, 該技術反應條件易于控制, 無需氧化劑, 出水無需額外處理。,（二）微量抗生素的深度處理,50,1、需要加強研究的科學問題 1990 年歐盟各國已經開始了對環(huán)境中抗生素的風險評估研究, 并對人用抗生素和獸用抗生素做了嚴格的限定。美國于2001年也開始了水體中抗生素殘留的大范圍調查和研究。 我國人口眾多且高度密集,污水處理系統很不完善, 在某些地區(qū)生活污水未經處理直接排入環(huán)境中,七、問題與建議,51,目前, 需要加強研究的幾個科學問題大致如下: 1) 我國環(huán)境中抗生素的來源及其區(qū)域分布特征對我國地表水、地下水和土壤等進行調查采樣