环境中典型抗生素的研究.docx

环境中典型抗生素的研究第一章绪论1.1抗生素简介1.1.1常用抗生素的分类抗生素指由细菌、霉菌或其它微生物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其它活性的一类物质。自1940年以来，青霉素应用于临床，现抗生素的种类已达几千种。在临床上常用的亦有几百种。其主要是从微生物的培养液中提取的或者用合成、半合成方法制造。其分类有以下几种：(一)-内酰胺类：-内酰胺类抗生素（-lactams）系指化学结构中具有-内酰胺环的一大类抗生素，包括临床最常用的青霉素与头孢菌素，以及新发展的头霉素类、硫霉素类、单环-内酰胺类等其他非典型-内酰胺类抗生素。此类抗生素具有杀菌活性强、毒性低、适应症广及临床疗效好的优点。本类药化学结构，特别是侧链的改变形成了许多不同抗菌谱和抗菌作用以及各种临床药理学特性的抗生素。目前临床应用的-内酰胺类对革兰阳性与阴性菌的作用大致有6种类型。类为青霉素及口服青霉素v，易透过革兰阳性菌胞壁粘肽层，但它们不能透过革兰阴性菌糖蛋白磷脂外膜，因而属窄谱的仅对革兰阳性菌有效。类包括有氨苄西林、羧苄西林、酰脲类青霉素、亚胺培南及若干头孢菌素，能适度透过革兰阳性菌的胞壁粘肽层，对革兰阴性菌的外膜透过性则很好，因而是广谱抗菌药物。类为青霉素等容易被革兰阳性菌的胞外-内酰胺酶即青霉素酶破坏灭活的青霉素类，对产酶菌往往表现明显的耐药性。类为异恶唑类青霉素、头孢菌素一、二代及亚胺培南等对青霉素酶稳定，对革兰阳性的产酶菌有效，但对染色体突变而改变的pbps结构，可使药物与pbps的亲和力下降或消失，因而无效。类包括酰脲类青霉素（阿洛西林与美洛西林等）、羧苄青霉素及头孢菌素一、二代，当胞膜外间隙的-内酰胺酶少量存在时有抗菌效果，大量酶存在时，则被破坏而无效。类包括第三代头孢菌素、氨曲南、亚胺培南等对-内酰胺酶十分稳定，即使大量-内酰胺酶存在时仍然有效，但对因染色体突变而改变了的pbps则无效，加用氨基甙类抗生素也仍然无效。(二)氨基糖苷类：包括链霉素、庆大霉素、卡那霉素、妥布霉素、丁胺卡那霉素、新霉素、核糖霉素、小诺霉素、阿斯霉素等。(三)四环素类：四环素类抗生素( 四环素母核tetracycline antibiotics)是由放线菌产生的一类广谱抗生素，包括金霉素（chlotetracycline)、土霉素（oxytetracycline）、四环素（tetracycline）及半合成衍生物甲烯土霉素、强力霉素、二甲胺基四环素等，其结构均含并四苯基本骨架。广泛用于多种细菌及立克次氏体、衣原体、支原体等所致之感染. (四)氯霉素类：包括氯霉素、甲砜霉素等。(五)大环内脂类：具有大环内酯的一类抗生素，多为碱性亲脂性化合物。对革兰氏阳性菌及支原体抑制活性较高。大环内酯基团和糖衍生物以以苷键相连形成的大分子抗生素。由链霉菌产生的一类弱碱性抗生素。目前沿用的大环内酯类有红霉素、麦迪霉素、螺旋霉素、乙酰螺旋霉素、交沙 大环内酯类抗生素霉素、柱晶白霉素。大环内酯类新品种（新大环内酯类）有阿奇霉素、克拉霉素、罗红霉素等，其对流感嗜血杆菌、肺炎支原体或肺炎衣原体等的抗微生物活性增强、口服生物利用度提高、给药剂量减小、不良反应亦较少、临床适应证有所扩大。广义的大环内酯类抗生素系指微生物产生的具有内酯键的大环状生物活性物质，其中包括一般大环内酯（狭义的大环内酯）、多烯大环内酯、安莎大环内酯与酯肽等。一般大环内酯分为一内酯与多内酯。常见的一内酯有：十二元环大环内酯类抗生素（如酒霉素等）、十四元环大环内酯类抗生素（如红霉素等）和十六元环大环内酯类抗生素（如柱晶白霉素、麦迪霉素、螺旋霉素、乙酰螺旋霉素及交沙霉素等），至今最大者已达六十元环，如具有抗肿瘤作用的醌酯霉素a1，a2，b1。多内酯中二内酯有：抗细菌与真菌的抗霉素、稻瘟霉素、洋橄榄霉素、硼霉素等。(六)糖肽类抗生素：万古霉素、去甲万古霉素、替考拉宁，后者在抗菌活性、药代特性及安全性方面均优于前两者。(七)喹诺酮类：诺酮类（4-quinolones），又称吡酮酸类或吡啶酮酸类，是一类较新的合成抗菌药。喹诺酮类以细菌的脱氧核糖核酸（dna）为靶。妨碍dna回旋酶，进一步造成细菌dna的不可逆损害，达到抗菌效果。本类药物与许多抗菌药物间无交叉耐药性，是理想的抗菌药。喹诺酮类和其他抗菌药的作用点不同，它们以细菌的脱氧核糖核酸（dna）为靶。细菌的双股dna扭曲成为袢状或螺旋状（称为超螺旋），使dna形成超螺旋的酶称为dna回旋酶，喹诺酮类妨碍此种酶，进一步造成细菌dna的不可逆损害，而使细菌细胞不再分裂。它们对细菌显示选择性毒性。当前，一些细菌对许多抗生素的耐药性可因质粒传导而广泛传布。本类药物则不受质粒传导耐药性的影响，因此，本类药物与许多抗菌药物间无交叉耐药性。喹诺酮类是主要作用于革兰阴性菌的抗菌药物，对革兰阳性菌的作用较弱（某些品种对金黄色葡萄球菌有较好的抗菌作用）。喹诺酮按发明先后及其抗菌性能的不同，分为一、二、三、四代。第一代喹诺酮类，只对大肠杆菌、痢疾杆菌、克雷白杆菌、少部分变形杆菌有抗菌作用。具体品种有萘啶酸（nalidixic acid）和吡咯酸（piromidic acid）等，因疗效不佳现已少用。第二代喹诺酮类，在抗菌谱方面有所扩大，对肠杆菌属、枸橼酸杆菌、绿脓杆菌、沙雷杆菌也有一定抗菌作用。吡哌酸是国内主要应用品种。此外尚有新恶酸（cinoxacin）和甲氧恶喹酸（miloxacin），在国外有生产。第三代喹诺酮类的抗菌谱进一步扩大，对葡萄球菌等革兰阳性菌也有抗菌作用，对一些革兰阴性菌的抗菌作用则进一步加强。本类药物中，国内已生产诺氟沙星。尚有氧氟沙星（ofloxacin）、培氟沙星（perfloxacin）、依诺沙星（enoxacin）、环丙沙星（ciprofloxacin）等。本代药物的分子中均有氟原子。因此称为氟喹诺酮。第四代喹诺酮类与前三代药物相比在结构上修饰，结构中引入8-甲氧基，有助于加强抗厌氧菌活性，而c-7位上的氮双氧环结构则加强抗革兰阳性菌活性并保持原有的抗革兰阴性菌的活性，不良反应更小，但价格较贵。对革兰阳性菌抗菌活性增强，对厌氧菌包括脆弱拟杆菌的作用增强，对典型病原体如肺炎支原体、肺炎衣原体、军团菌以及结核分枝杆菌的作用增强。多数产品半衰期延长，如加替沙星与莫昔沙星。(八)硝基咪唑类：包括甲硝唑、替硝唑、奥硝唑等。(九)作用于g-菌的其它抗生素，如多粘菌素、磷霉素、卷霉素、环丝氨酸、利福平等。(十)作用于g+细菌的其它抗生素，如林可霉素、氯林可霉素、杆菌肽等.(十一)抗真菌抗生素：分为棘白菌素类、多烯类、嘧啶类、作用于真菌细胞膜上麦角甾醇的抗真菌药物、烯丙胺类、氮唑类。(十二)抗肿瘤抗生素：如丝裂霉素、放线菌素d、博莱霉素、阿霉素等。(十三)抗结核菌类：利福平、异烟肼、吡嗪酰胺等。(十四)具有免疫抑制作用的抗生素如环孢霉素。1.1.2抗生素的作用机理抗生素等抗菌剂的抑菌或杀菌作用，主要是针对“细菌有而人（或其它高等动植物）没有”的机制进行杀伤，有5大类作用机理：其一，阻碍细菌细胞壁的合成，导致细菌在低渗透压环境下膨胀破裂死亡，以这种方式作用的抗生素主要是-内酰胺类抗生素。哺乳动物的细胞没有细胞壁，不受这类药物的影响；其二，与细菌细胞膜相互作用，增强细菌细胞膜的通透性、打开膜上的离子通道，让细菌内部的有用物质漏出菌体或电解质平衡失调而死。以这种方式作用的抗生素有多粘菌素和短杆菌肽等；其三，与细菌核糖体或其反应底物（如trna、mrna）相互所用，抑制蛋白质的合成这意味着细胞存活所必需的结构蛋白和酶不能被合成。以这种方式作用的抗生素包括四环素类抗生素、大环内酯类抗生素、氨基糖苷类抗生素、氯霉素等；其四，阻碍细菌dna的复制和转录，阻碍dna复制将导致细菌细胞分裂繁殖受阻，阻碍dna转录成mrna则导致后续的mrna翻译合成蛋白的过程受阻。以这种方式作用的主要是人工合成的抗菌剂喹诺酮类（如氧氟沙星）；其五，影响叶酸代谢 抑制细菌叶酸代谢过程中的二氢叶酸合成酶和二氢叶酸还原酶，妨碍叶酸代谢。因为叶酸是合成核酸的前体物质，叶酸缺乏导致核酸合成受阻，从而抑制细菌生长繁殖，主要是磺胺类和甲氧苄啶。1.2抗生素的使用情况、存在的问题及危害1.2.1我国抗生素的使用情况中国是抗生素使用大国，也是抗生素生产大国：年产抗生素原料大约21万吨，出口3万吨，其余自用（包括医疗与农业使用)，人均年消费量138克左右(美国仅13克)。据2006-2007年度卫生部全国细菌耐药监测结果显示，全国医院抗菌药物年使用率高达74%。而世界上没有哪个国家如此大规模地使用抗生素，在美英等发达国家，医院的抗生素使用率仅为22%-25%。中国的妇产科长期以来都是抗生素滥用的重灾区，上海市长宁区中心医院妇产科多年的统计显示，目前青霉素的耐药性几乎达到100%。而中国的住院患者中，抗生素的使用率则高达70%，其中外科患者几乎人人都用抗生素，比例高达97%。另据1995-2007年疾病分类调查，中国感染性疾病占全部疾病总发病数的49%，其中细菌感染性占全部疾病的18%-21%，也就是说80%以上属于滥用抗生素，每年有8万人因此死亡。这些数字使中国成为世界上滥用抗生素问题最严重的国家之一。临床上基本每一个科室，每一个专业的医生都在使用抗生素，它的使用率是非常高，对于感染，包括病毒感染，细菌的感染，寄生虫的感染，支原体、衣原体等微生物感染都需要使用抗生素。我们平常的很多疾病也确实属于感染性疾病，如普通的感冒，上呼吸道的感染，泌尿道的感染，皮肤的感染，但他们引起的感染原是不同的，上呼吸道80-90是病毒感染，而泌尿道的是细菌感染。如果是病毒感染我们要用抗病毒的抗生素，如果是细菌感染就要用抗细菌的抗生素。在医院里抗生素的使用占总量的30-50。其中一部分是需要使用的，另外一部分属于不合理使用。除了医院，老百姓的家里都会有抗生素存在，药店里的很大一部分也是抗生素。在我国抗生素的使用是非常广泛的，其中肯定有很多不合理之处，这就需要进行严格的、科学的指导管理。在欧美的发达国家抗生素的使用量大致占到所有药品的10左右。而我国最低的医院是占到30，基层医院可能高达50。抗生素滥用是我们不可回避的问题。1.2.2抗生素的使用存在的问题及危害随着各类药物种类、产量与用量的不断增加，加之药品管理的混乱和盲目的使用，与之有关的人体健康、生态环境与产品质量问题在我国十分严重。其中最为突出的是已引起社会广泛关注的滥用抗生素问题。我国住院患者抗生素药物使用率高达80%，其中使用广谱抗生素和联合使用两种以上抗生素的占58%，远远高于30%的国际水平。相对人用抗生素的滥用，家禽饲养和水产养殖中抗生素滥用问题更为严重。在我国，养殖户将抗生素混到饲料中喂养动物，或者在养殖池塘大量的喷洒抗生素类药物等现象十分普遍，并且具有愈演愈烈的趋势。在我国农村以及沿海养殖地区,由于广大农民和水产养殖户对农作物和水产病虫害防治知识的不足,普遍存在着滥用农用抗生素的现象。在选用抗生素种类、施用剂量及用药时间等环节上存在着很多问题。其中，突出的问题是施用抗生素种类多、剂量大。畜禽及鱼类等养殖业滥用抗生素的问题则更严重。我国畜牧业使用抗生素的量，己远远超过人使用量的总和。全球每年消耗的抗生素总量中90%被用在食用动物身上。为数众多的养殖户为了预防畜禽及鱼类疾病的发生,一劳永逸地发挥其预防作用，因此在饵料中加入一定量或过量的一种或多种抗生素并长期使用。这种滥用抗生素作为畜禽及水产养殖行为，使整个养殖业抗生素使用量十分巨大。据统计，我国哇诺酮类抗生素年产量约700吨(如ppa和氟呱酸等)，其中一半以上用于养殖业。再加上其他种类的抗生素，总用量十分惊人，其中绝大部分是不合理使用。抗生素在养殖业泛滥成灾与其背后的经济利益息息相关。据悉，使用抗生素不仅可使动物抗病能力提高，还可让它吃得更少，长得更快。中国疾病预防控制中心专家冉陆表示，由于抗生素在动物饲养过程中被长期低剂量使用，动物会逐渐产生耐药性，这种耐药菌可通过粪便直接污染环境、水、食品，还可通过直接接触传染给人类。此外，长期食用“有抗食品”，消费者的耐药性也会不知不觉增强。抗生素的大量滥用，不可避免地会蓄积残留在畜禽及鱼类的肌体内。甚至残留在相应的蛋、奶里。人们食用它们时，残留的抗生素和耐药菌就会进入人体，从而影响人类健康。据调查，我国每年有20万人死于药品不良反应，其中有40%死于抗生素滥用。在我国住院患者中，抗生素的使用率达到70%，是欧美国家的2倍。外科患者几乎人人都用抗生素，比例高达97%，真正需要使用的病人还不到20%。此外，有关人士认为,在我国滥用抗生素现象还具有明显的地区特征，在一些经济发达地区存在抗生素应用档次过高，疗程过长或不必要用药等过度用药现象；而在经济不发达地区,则出现剂量不足。疗程过短或使用假冒伪劣药品等用药不足的现象，使致病微生物没能彻底杀灭而产生耐药性,这两种情况均导致耐药生物的大量出现。同时大量使用抗生素无疑是对致病菌抗药能力的“锻炼”，在绝大多数普通细菌被杀灭的同时，原先并不占优势的具有抗药性的致病菌却存留了下来，并大量繁衍。而且由于药物长期刺激，使一部分致病菌产生变异、成为耐药菌株。这种耐药性既会被其他细菌所获得，也会遗传给下一代。“超级细菌”很大程度上就是抗菌药物滥用催生出来的。如果这种情况继续恶化下去，很可能使人类面临感染时无药可用的境地。其耐药菌的机理主要有三种：其一，酶促破坏:如一内酞胺酶(青霉素酶)使青霉素水解,氨基环醇类抗生素常被钝化。其二，细菌改变敏感部位:链霉素通过与30s亚基结合而抑制蛋白质合成,某些细菌小亚基上的蛋白发生突变,不与链霉素结合,产生耐药性。其三，降低细胞膜的通透性:细菌可以合成抗生素透过的阻碍物,可以发生突变使抗生素不被转运,也可以产生将抗生素运出体外的拮抗系统。1.3环境中抗生素的来源与归趋1.3.1环境中抗生素的污染来源环境中抗生素主要来自生活、工业污水的排放(污水厂)、医院和药厂废水的排放,水产养殖废水以及垃圾填埋场等也含有大量的抗生素类药物。其一，生活、工业污水的排放(污水厂)虽然大多数药物可以在污水处理厂中得到分解或去除,但即使在污水处理设施十分完善的发达国家,抗生素类药物也不能完全被去除。水环境甚至饮用水中以及地下水中也可检出许多药物，因为这些物质大多不在现有的水质控制标准之列。现有的污水处理流程与自来水厂工艺不是针对抗生素类药物设计的,对大多数药物的去除效率尚缺少了解。在英国地表水和污水处理厂的排出水中检测到甲氧苄啶(0.27g/l)、红霉素(0.18g/l)和磺胺甲嗯哇(0.05g/l)；在西班牙污水处理厂进水和出水口以及地下水中检测到了痕量的四环素和喹诺酮类药物,其中环丙沙星浓度最高达0.60g/l 。污水厂中药物含量在不同的季节有所变化。niina和vieno研究了包括布罗芬在内的5种药物在污水厂、接收水体及水源水中的含量水平。同时还研究了不同季节(春天、夏天和冬天)中药物含量的变化。研究发现,冬季污水厂出水中药物含量要明显高于春季和夏季,最高含量达到2500ng/l。春季和夏季含量在500-900 ng/l。同时,在冬季,含量高达129 ng/l的药物在接收水体中被检测到,而在水源水中,同样检测到布罗芬药物的存在,含量为8ng/l。克拉霉素(一种大环内酯类抗生素)在该污水厂的纳污水体中,冬季检测到高达129 ng/l药物含量,更为严重的是,在距离该污水厂的32km一家自来水厂中也检测到了抗生素药物的存在,最高含量为8 ng/l,已经引起该国有关部门的重视和关注。castislioni等研究了30种药物在5家城市污水厂中的含量水平及消除特点。在5家污水厂的进水中共检测到26种药物,含量范围在1-1029 ng/l之间,出水中在o一966ng/l之间,平均去除率不到40%研究结果并且发现夏季的去除率要高于冬季,可能是因为温度的影响。由于不同国家使用的种类有很大差别,因此,污水厂检测到的药物也不尽相同。即使在同一国家的不同地区,检测到的药物也不尽相同在瑞士的三个污水处理厂出水中克拉霉素高达57-330ng/l,冬季高于夏季,在附近的河流中还高达75 ng/l。包括四环素类、大环内酷类、磺胺类及-内酞胺类等在内10类,26种不同的药物在意大利六家污水厂中都有检出,含量高达1300ng/l。同样,在加拿大污水厂,miao调查了31种抗生素类药物在该污水厂中含量,共检测到14种药物的存在,最高含量在18-977 ng/l之间。其中,环丙沙星、克拉霉素、红霉素、四环素及氧氟沙星等7种抗生素类药物具有高的检出率,有的高达100%。lindberg调查了瑞典5家污水厂中氟哇诺酮类药物的含量水平,氧氟沙星和诺氟沙星在进水中含量分别在7-213ng/l和72-155ng/l之间。而在美国4家污水厂中,氧氟沙星和诺氟沙星的平均含量分别为470ng/l和400ng/l,最高含量达到1000ng/l。大环内酯类药物同样具有高的检出率(100%),其中红霉素(脱水)的含量要远远高于罗红霉素的含量,含量范围在253-1978 ng/l,这在一定程度上反映了红霉素具有高的使用率。此外,也与红霉素被大量用于家禽饲养有关。需要强调的是,在某些国家或者地区的中小城市,特别是经济不发达的地区,污水处理系统不完善,大量的生活和工业污水直接排放到水环境中,可以直接引起水体的抗生素污染。其二，医院排放医院是抗生素类药物使用最为集中的地方。许多研究己经证明医院中的废水，包括由医院丢弃的过期抗生素,病人粪便和尿液排出的处方抗生素,医药企业在生产过程中流失的抗生素等水环境中药物最重要的来源之一。hartmann等在医院附近的下水道检测到大量高浓度的医用抗生素,如强心剂、镇痛药、避孕药、类固醇和其他荷尔蒙激素类、抗生素、防腐剂,利尿剂和心血管和呼吸病治疗剂和免疫剂驱虫剂和降压和降糖药等。据kummerer等人的调查结果,环丙沙星在某医院废水中的浓度为0.7-124.5g/l,阿莫西林20-80 g/l,这个含量己经远远超过了水中生物的致死含量。美国在城市废水中检测6类主要处方药是: -内酰胺类(如青霉素、阿莫西林、头抱氨节和头抱氢氨节等),大环内酯类(如阿奇霉素、乙酞螺旋霉素和红霉素),氟哇诺酮类,氨基糖昔类(如新霉素)、磺胺类及四环素类抗生素,其中青霉素的检出率最高,阿莫西林27mg/l,磺胺甲基异恶吟318 mg/l ,乙酰螺旋霉素912 mg/l,环丙沙星3ll mg/l。布洛芬(一种广泛使用的镇痛安定药)在德国的污水处理厂出水中的最高浓度可达3.4g/l,在地表水中可达0.53g/l。其三，水产养殖废水水产养殖中使用抗生素预防和治疗鱼类等疾病己经是行内外皆知的事实,并且存在滥用的现象随着药物的使用,大量未被吸收和养殖水体中残留的药物最终将进入环境中或者吸附到池塘沉积物中。1.3.2抗生素在环境中的迁移途径部分抗生素不与固相物质结合，它们及其代谢物具有极性，很容易到达水环境，对地下水构成威胁。土壤中的抗生素被淋洗到附近的河流中，最终将影响河流及海洋生态系统中的有机生物。不同的抗生素的性质、代谢途径及使用剂量不同，在环境中的转移也不一样。抗生素在土壤中的迁移主要取决于其自身的光稳定性、键合、吸附特性、淋洗和降解速率等。一般来讲弱酸、弱碱性和亲脂性类抗生素与土壤有较好的亲和力，在土壤中不易迁移。1.3.3抗生素的环境行为吸附与降解由于各类抗生素的结构特征各异, 对底泥、粘土、土壤和活性污泥的吸附行为各有不同, 其吸附强度依次为:四环素大环内酯氟喹诺酮磺胺。此外, 氨基葡糖苷类抗生素的氨基末端能带正电荷, 易于吸附带负电荷的粘土和土壤; - 内酰胺类抗生素极性较强并带有羧基结构, 对土壤的吸附作用较弱。抗生素在环境中的降解分为以下几类：其一，水解。水解是有机污染物在水环境和土壤中的一种重要的降解途径。人们在研究抗生素水解时主要是考虑ph的影响。各类抗生素中-内酰胺类、大环内酯类和磺胺类易溶于水发生水解。大环内酯和磺胺类在中性ph条件下水解慢，且活性较低。-内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快。头孢菌素类抗生素在酸性、碱性和中性条件的水环境中都能发生水解反应。paesen j等发现泰乐菌素a在酸性条件下可水解成泰乐菌素b，而在中性和碱性条件下，则可产生丁间醇醛泰乐菌素a和一些极性的分解产物。泰乐菌素a的分解速率不仅