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中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 摘要 研究了六种喹诺酮类药物在含氯的水溶液中发生的反应，这六种喹诺酮类药 物分别为：萘啶酸( n a l ) ，氟喹酸( f l u ) ，恶喹酸( o x o ) ，环丙沙星( c i p ) ，氧氟 沙星( o f l ) 和司帕沙星( s p a ) 。研究的主要内容及结果如下： 1 、分别研究了n a l ，o x o ，f l u 与有效氯在蒸馏水和自然水体系中反应 的动力学。在蒸馏水中，当有效氯浓度远大于药物浓度时，反应方程符合准一级 反应方程。反应速率受反应体系的p h 值影响，酸性条件下反应速度快，碱性条 件下反应速度慢。在相同条件下，f l u 与有效氯的反应最快，o x o 次之，n a l 反应最慢。在自然水体系所进行的反应，反应趋势和生成的产物与其在蒸馏水中 所进行的反应基本相同，但在自然水中的反应速率比在蒸馏水中的慢，自然水中 存在的各种基质对反应速率有影响。 2 、对n a l ，o x o ，f l u 的氯化反应产物进行了富集、分离和结构鉴定。 首先，利用液质联用仪对反应产物进行初步的分析，发现三种药物氯化反应的主 要产物为脱羧加氯的化合物。其次，从n a l 的氯化反应产物中分离得到三个纯 化合物，并培养出一个晶体，从f l u 的氯化反应产物中分离得到一个纯化合物。 利用高分辨质谱仪，核磁共振波谱仪，单晶衍射仪等对这些化合物的结构进行了 确定。最后，对未能分离出的产物采用气质联用仪进行分析，结合高分辨质谱提 供的信息推测产物的可能结构，质谱图3 5 c 扩7 c l 同位素峰的丰度比例显示，生成 的产物有一氯，二氯和三氯等多种化合物。n a l ，o x o ，f l u 与有效氯的反应 中心都集中在反应物母核的c ( 2 ) c ( 3 ) 不饱和键上。 3 、以大肠杆菌和肺炎克雷伯氏杆菌为指示菌种，采用肉汤微量稀释法测试 了萘啶酸和氟喹酸氯化产物的药物敏感性。实验表明m 让，f l u 与有效氯发生 反应后，抑菌活性明显下降。 4 、c i p ，o f l ，s p a 与有效氯的反应远比上述三种药物与有效氯的反应复杂， 反应更加迅速，产物也更多。药物结构上的微小差异对反应有很大影响，产物也 有很大差异，从产物质谱图上3 5 c 旷7 c l 同位素峰的比值，可以确定c i p 和o f l 的氯化产物主要是含有一个或两个氯原子的化合物，而s p a 与有效氯反应生成 的产物，多数为自身降解物。这些药物的反应中心集中在母核c ( 7 ) 位的哌嗪环或 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 甲基哌嗪环和c ( 3 ) 位的羧基上。反应体系的酸碱性对反应有很大的影响，在不同 p h 值溶液中，药物与有效氯的反应速度和生成产物都有很大差别。 关键词：喹诺酮，有效氯，反应。 n 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 a b s t r a c t ，n l er e a c t i o no fs i x q u 访o l o n e s w i t ht h e 矗e q u e n t l yu s e dd i s i i l 危c t a n t - 仔e e a v a i l a b l ec h l o r i r 蛇( f a c ) w 勰i n v e s t i g a t e d t h e s eq u i n o l o n e sa r e ：n a l i d i ) 【i ca c i d ( n a l ) ，o x 0 l i i l i ca c i d ( o x o ) ，n u m e q u 硫( f l u ) ，c i p r 0 舫x a c i l l ( c i p ) ，o n o x a c i l l ( o f l ) a i l ds p a r n o x a c i i l ( s p a ) t h em a i l lc o n t e n t s 如dr e s u n so ft l _ l i st h e s i sa r cl i s t e d 鹤 f o l l o w i i l g s ： l 、t 1 1 er e a c t i o nk i i l e t i c so f n a l ，o x o ，f l uw i t h 厅e ea v a i l a b l ec h l o r i l 舱( f a c ) i 1 1c l e a nw a t e rs ) ，s t e ma i l dr e a lw a t e rs y s t e mw e r ei i l v e s t i g a t e d t h er e a c t i o nk i l l e t i c s 如l l o 、e dt h ep s e u d o - 伍s t - o r d e rw 1 1 e ne x c e s so ff a cw 够p r e s e n t e di i lt h es y s t e m r e h t i v et 0c o n c e n t r a t i o no ft h ed r u g s ( i n o r et h 觚l0 一硒l d ) t h ep hv a l u ea 舵c t e dt h e r e a c t i o nr a t e ，、析t ham a x i l t l 岫r e a c t i o nr a t ei i la c i d i cs o l u t i o na 1 1 dam i i l i m u mr e a c t i o n r a t ei na l k a l 证es o l u t i o n f l ud e g r a d e dt h ef 弧t e s t ，硒1 1 0 、耽db yo x oa 1 1 dn a l s i i i l i l a r1 e s u l t sw e r eo b t a i l l e dw h e nt 1 1 ec 1 1 l o r i l l a t i o nr e a c t i o n sw e r ec a r r i e do u ti 1 1 r e a l 、a t e rs y s t e m h o 、e v e r ，t h er e a c t i o nr a t e sw e r es l o w e rt h a nt h a ti i lc l e a nw a t e r s y s t e n l 2 、c r i i l a t i o np r o d u d so fn a l ，o x o 锄df l uw e r ei s o k e d 南rs t m c t u r e c o n f i 册a t i o n 1 kp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e 血e db yl c e s i m s n ，e i 】s ，h i 己m s ，1 h - ， 2 d - n m r 觚ds i n g l ec r y s t a ld i 衢a c t o r n e t e r ( s c d ) d e c 打b o x y l a t i i 唱c h l o r i n a t e d c o m p o u n d sw e r et h em 旬o rp r o d u c tf o rn a l ，f l ua n d o x o a n o t h e rt w op d u c t s ：6 h o mn a lw e r ed i a n dt r i c h l o r 0c 0 m p o u n d s f o rt l 抑t r a c e 猢u i l to fp 】d u c t s w l l i c hw e 蠡i l e dt ob ei s o h t e d ，w e r e 锄a l y z e db yg c m s 锄dh i 洲s r e 鳓l t s i 1 1 d i c a t e dt h a tt h e p r o d u c t si 1 1 c l u d e dm o n o - ，d i - a n dt r i - c h l o mc o m p o u n d sa c c o r d i n g t 0 3 5 c 沪7 c li s o t o p i cp e a l ( r a t i 0 t h er e a c t i o nc e n t e ro ft h ea b o v et h r e eq u i n o l o n e s 南c u s e do nc ( 2 ) 一c ( 3 ) l l i 】嘲t l l r 破e db o n d 3 、t a l 【i n g 舷6 娩肠竹跏聊7 l 缸p 锄d 岔c 绷缸c 晒弱i n d i c a t 砸gb a u c t e r i 码t h e 觚t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so f 恤c h j 0 r i i l a t i o np f o d 呶so fn a la n df l u 鼢m p l e sw 弱 i i l i t i a l l ys t u d i e du s i n gt h em e t h o dc a l l e db r o t hm i c r o d i l u t i o l l n eb i o t e s tr e s u l t s i i l d i c a t e dt l 斌t h e 叫e n t i a la n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e so fc h l o r i r 斌e dn a l 锄df l uw e r e w e a k e rt h 锄t h e i rp a r e n tc 0 1 1 1 1 ) o u n d s 4 、r e a c t i 0 璐o fc i eo f la n ds p i aw i t hf a cw e r e 最叔e r 觚dm o r ec 0 i i l p l i c a t e d l 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 c o m p a r i i l gt ot l l o s eo fn a l ，o x oo rf l u t 】1 er e a c t i o nc e n t e ro fc 1 只o f l a n ds p a 佑c u s e do nc ( 7 ) 一p i 薹) e r a z i i l y l r i i l go rc ( 7 ) - m e t h y lp i p e f a z i i l y lr i l l _ g t l l l ep hv a l u e so f t l l er e a c t i o ns y s t e ma n dt h ec o i l c e n t r a t i o no f 丘e ea v a i l a b l ec l d o r i i l en o to l l l ya n b c t e d t h er e a c t i o nr a t eb u ta l s 0 雄i e c t e dt h es b m c t u r eo fp r o m l c t sp r o d l l c e d t h e 吐d o r i i l a t i o n p r o d u c t so fc i p a n do f l w e r el i 】a i l l l ym o n 0 一a 1 1 dd i c 1 1 j o r oc o m p o u n d s h o 、v e v e rt h e d o r n j n m i r 培p r o d u c t s 南rs i ) aw a s i l o n - c l l l o r i r l ec o m p o u n d k e yw 6 r d s ：q u 勘l o n e s ，f r e ea v a i l a b l ec b l l o r 遗e ，c h l o r i i l a t i o nr e a c t i o n 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 缩写词表 q n s ( q u i n o l o n e s ) 喹诺酮 n a l 州a l i d i x i ca c i d ) 萘啶酸 o x o ( o x o l i i l i ca c i d ) 恶喹酸 f l u ( f l u m e q u 沁) 氟喹酸 c i p ( c i p n o x a c 哟环丙沙星 o f l ( o n o x a c 的氧氟沙星 s p 似s p a r n o x a c 哟司帕沙星 f a c ( f r e ea v a i l a b l ec h l o r 沁) 有效氯 h p l c ( 1 1 i g hp e r f o m l a n c el i q u i dc l l r o i n a t o g r a p l l y ) 高效液相色谱 h r m s ( h i 曲r e s o l u t i o n m a s ss p e c t n l m ) 高分辨质谱 e i 舢s ( e l e c t ni o n i z a t i o nm a s ss p e c t r u m ) 电子轰击离子源质谱 g c m s ( g 鹤c l 啪m a t o g r a p h y m a s ss l 弦c t m m ) 气相色谱质谱联用 l c m s ( 1 i q u i dc h r o m a t o 卿h y 佃a s s 啦c t m m ) 液相色谱一质谱联用 e s i ( e l e c t r o n 测。i o n i z a t i o n ) 电喷雾电离源 删n u c l e 孤m a g n e t i cr e s o m n c es p e c t r o m e t e r ) 核磁共振波谱仪 2 d 撇( 2 - d h n e n s i o m ln u c l e a r1 1 1 a g n e t i cr e s o i l a n c es p e c t m m ) 二维核磁共振波谱 g h s q c ( 1 hd e t e c t e dh e t e r o 越c l e a rs m g l eq u a n t 啪l l c 黯n c e ) 1 h 检测的1 3 c - 1 h 异核相关谱 g h m b c ( 1 h d e t e c t e dl l e t e r o m l c l e a rm u n i p l e b o n dc o h e r e n c e ) 1 h 检测的1 3 c 1 h 异核远程相关谱 s c d ( s i n g l ec r ) r s t a ld i m a c t o n 硷t e r ) 单晶衍射仪 v 中山大学硕士学位论文 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弼姓 日期：2 0 d 7 年月2 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：弼孙。之 导师签名：卢f 渝； p 日期：2 卯7 年月- 2 日日期：州7 年6 月占日 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 1 1 立题依据 第一章前言弟一早刖i 喹诺酮类药物是目前广泛使用的抗菌药，在医院污水，普通的自然水体，如 河流中，检测到了较高的浓度。在污水处理和自来水消毒过程中对这些含喹诺酮 类药物的水体进行氯消毒时有可能会生成其他一些化合物，特别是酸性喹诺酮类 药物在水体中半衰期还很长，氯化消毒过程中有效氯的连续投入使之与这些药物 发生反应的几率增大。目前，对氯消毒副产物的研究我国还是空白，国外很多学 者对水消毒过程中产生的消毒副产物有一些研究，但是对喹诺酮这类品种多，应 用广泛，且很有发展前途的药物在氯消毒过程中发生的变化研究报道很少，本文 针对这类药物在含氯水溶液中的反应过程、反应生成产物的结构、产物的毒副作 用等进行研究。 1 2 水体中抗生素污染问题 1 2 1 水中抗生素污染来源 在过去十年中，抗生素药物不仅被广泛用于人类疾病的治疗，也被用于牲畜、 家禽、渔业养殖中疾病的治疗和预防。随着农畜牧鱼业的发展，抗生素用量不断 增加，抗生素也随之进入外环境，成为一类新兴环境污染物。 水中抗生素污染来源主要有以下四种f l 】： 医用抗生素。抗生素自被发现以来就一直作为对抗感染性疾病的强有力工具 广泛应用于人体。医用抗生素主要有b 一内酰胺类、磺胺类、四环素类、大环 内酯一林可霉素一链阳性菌素类、喹诺酮类、氨基糖苷类、糖肽类等。临床上， 抗生素被机体吸收后，少部分经过羟基化、裂解和葡萄糖苷酸化等代谢反应生成 无活性的产物，而超过9 0 的药物以原形通过粪便和尿液排到体外【2 1 。这些未经 代谢的抗生素进入城市和医院污水排放系统之后，少部分直接渗漏到地下水中造 成污染，大部分经污水处理厂处理后( 或者直接) 排放汇入地表水，污水处理厂无 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 法完全消除水体中抗生素，继而残留的抗生素又会对地下水造成污染。 畜用抗生素。用于防治动物感染性疾病和用作生长促进剂是抗生素污染的另 一重要来源。它们绝大多数以原形被牲畜排泄物带进土壤后渗入地下水形成污 染。畜用抗生素主要有四环素类、青霉素类、大环内酯类、喹诺酮类、聚醚类、 卑霉素、阿伏帕星、黄霉素、杆菌肽等种类。 水产养殖业用抗生素。现代水产养殖业中有相当数量的抗生素被用于防治鱼 类疾病和加快鱼类生长、繁殖。投放到水中未被食用及食用后又随排泄物进入水 体中的抗生素形成污染。估计，水产养殖中使用的抗生素至少有7 5 进入水体 并在底泥中形成蓄积性污染1 3 1 。这部分抗生素主要有磺胺类、喹诺酮类、四环素 类、氯霉素、甲砜氯霉素、氟甲喹、氟苯尼考和制霉菌素等。 抗生素生产企业工业废水。抗生素制药工艺主要包括发酵、化学合成、提取 和成药四个阶段，其成药过程所产生的废水含有多种难降解的生物毒性物质和较 高浓度的活性抗生素，它们对废水生化处理中微生物的生长有很强的抑制作用， 加之生产过程中废水排放的不连续性及浓度波动较大等特点，使抗生素生产废水 很难降解。 此外，未使用过的或过期药品及其容器所造成的污染也是水中污染物的一个 来源【4 l 。 1 2 2 抗生素在水中的运转 抗生素在水体中主要有以下几种方式运转： 吸附。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，亲脂性、不易降解的药物主要是残留在污泥或微粒中【5 6 l ，主 要药物吸附强度依次为：四环素 大环内酯 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；3 一内酰胺类抗 生素极性较强并带有羧基结构，对土壤的吸附作用较弱。 水解。水解是水环境中抗生素降解的重要途径，水体的酸碱性，含盐量对药 物的水解都有很大影响，在海水中和淡水中各种药物降解速率是不同的。总的来 说，b 一内酰胺类、大环内酯类、磺胺类，喹诺酮类【7 】抗生素都有不同程度的水解 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 隅】，b 一内酰胺类在弱酸性至碱性条件下的降解速度都相当快，大环内酯类、磺 胺类，在中性p h 条件下降解速度则比较慢。氟喹诺酮类药物在淡水中几个月内可 自行降解，但是酸性喹诺酮则将长期存在于自然界中。 光解。喹诺酮类和四环素类抗生素对光降解作用较为敏感，因此这两类抗生 素在自然水环境中存在的浓度呈现明显的地区和季节相关性【9 - 1 1 】。 生物转化。生物转化对存在于水中的抗生素的降解有着极为重要的作用，其 影响因素主要有：水温、有机和无机营养物、供氧状况、生物量、悬浮沉积物以 及受转化有机物的浓度等【1 2 j 。 氧化还原反应。水体中成分复杂，各种活性物质可以相互发生反应，如水中 的自由基【1 3 1 ，活性氯【川7 】，臭氧【18 1 等都可能和各种抗生素反应生成降解物或其 他物质。污水处理过程中就常用到含氯消毒剂或臭氧等对水中存在的各种有机物 进行降解消毒，但是，这样也有了二次污染的可能。 1 2 3 水中抗生物污染的危害 水是整个自然界的灵魂，存在于水中的抗生素会对包括人类在内的整个自然 界产生严重的影响，现在普遍认为水体遭抗生素污染会带来以下危害： 耐药性问题。耐药性又称抗药性，是指细菌对药物的敏感性下降甚至完全 消失的现象。抗生素在水中长时间存在时，细菌出现耐药菌株，耐药性增强，甚 至向人类传播，会出现药效减弱或完全无效的现象，严重威胁人类健康乃至生命 安全。土霉素、金霉素等药物曾经是防治海水养殖鱼类弧菌病的较好药物，耐药 菌株的产生使得用药量越来越大，药效越来越差，同时也对人类的公共卫生构成 了威胁。如樊剑锋等人研究了北京地区金黄色葡萄球菌的耐药情况【2 0 1 ，发现所 有的金黄色葡萄球菌对青霉素耐药，对红霉素、四环素、克林霉素和氯霉素的耐 药率分别为8 0 、7 0 、6 0 、5 0 ，1 9 9 9 至2 0 0 8 年间耐药率不同程度地升高。 瓦内萨一考斯塔和同事分离并分析了一批来自土壤的4 8 0 种不同的芽胞微生物， 发现其中每一种至少对7 种现有的抗生素有耐药性，包括对一些最新开发出的药 物1 2 1 捌。 药物残留问题。存在于水体中的药物被动物吸收后，药物蓄积或储存在动物 3 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 的细胞、组织或器官内。目前，药物残留已成为我国扩大水产品国际贸易的主要 障碍【l9 1 。药残危害的主要表现有：( 1 ) 毒性损伤。水产品中的抗生素残留直接引 起急性中毒事件发生相对来说很少，但药物残留可通过食物链长期富集。( 2 ) 变 态反应或过敏反应。以往在水产养殖中经常使用的磺胺类、四环素类、喹诺酮类 和某些氨基糖甙类抗生素进入人体后使敏感个体致敏，当这些致敏个体再次接触 这些抗生素时，则会引发变态反应或过敏反应。在临床上，轻者表现为有瘙痒的 荨麻疹、恶心呕吐、腹痛腹泻，重者表现为血压剧烈下降，迅速引起休克，甚至 死亡。( 3 ) 三致”作用，即致癌、致畸、致突变作用。近来的研究认为，以往在水 产上常用的硝基呋喃类药物( 如呋喃唑酮、呋喃西林) 长期使用除了会对肝、肾造 成损伤外，同时具有致癌作用和致畸、致突变效应。以前常用的氯霉素近年发现 其对造血系统有严重不良反应，目前世界上很多国家都禁止其用于水产养殖。 破坏微生态平衡。水是水生动物和许多有益微生物( 如光合细菌、硝化细菌 等) 赖以生存的环境。水生动物的肠道里也有大量的有益微生物，如乳酸杆菌和 部分弧菌等。它们在维持水环境的稳定、水生动物的代谢平衡中起着关键性的作 用，是水产动物体内外微生态平衡的重要组成部分。抗生素在抑制或杀灭病原微 生物的同时，可能会抑制这些有益微生物，使水生动物体内外的微生态平衡被打 破，导致微生态环境恶化或消化吸收障碍而引起新的疾病。不同抗生素对不同微 生物有选择性抑制或促进其生长和活性的作用，如链霉素和放线菌酮的作用是选 择性抑制土壤中的细菌和真菌的生长，因而，抗生素药物会引起本土微生物群落 结构变化。从而，即使是很低的浓度土霉素和磺胺吡嗪也能产生长远的影响1 2 引。 由此可见被污染环境基质同时容纳着这些药物和抗病菌f 2 4 j 。 抑制免疫系统。抗生素对免疫系统的抑制作用主要表现为对吞噬细胞的抑 制。一是直接影响吞噬细胞的功能；二是通过影响微生物从而间接影响吞噬细胞 对微生物的趋化、摄取和杀灭等功能。 1 2 4 中国抗生素污染现状 目前中国己成为世界上最大的原料药生产国，维生素c 、青霉素工业盐、扑热 息痛等大类原料药产量居世界第一，制剂的产量也居世界第一。2 0 0 3 年，青霉素 4 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 年产量为2 8 ，o o o 吨( 占全球产量6 0 ) ，土霉素为1 0 ，0 0 0 吨( 占全球产量6 5 ) ， 盐酸多西环素和头抱霉素产量也列世界第一【2 n 。此外，抗生素用量也十分巨大。 据报道，在中国超过的7 0 处方药是抗生素，而在西方国家则大约是3 0 。抗生 素滥用现象较为严重，药物残留已成为我国扩大水产品国际贸易的主要障碍【1 9 】。 虽然具体用量还不清楚，有限的研究和新闻快报表明中国每年消耗的抗生素量比 世界其他地方要多【2 。目前，在我国主要河流都检测到了浓度较高的抗生素， 特别是我国经济相对发达的沿海地区，如长江三角洲，珠江三角洲及香港的维多 利亚港等水体中的抗生素浓度比发达国家河流中的要高很多【2 5 之引。 在很多西方国家，抗生素在水环境中残留及其归宿、可能造成的影响引起了 化学家和毒理学家的关注，如荷尔蒙和外来雌激素等引发的雌性化或雄性化、复 杂化合物的交互毒性、药物残留可能导致自然菌群产生抗药性以及对人类健康都 存在潜在的危害【2 2 】等。但是在中国关于环境中抗生素的污染状况的报道还很少。 药物及其代谢产物在环境中的长时间稳定存在令人担忧，有些经常使用的药 物在环境中的保留时间超过一年。如氯苯氧异丁酸( c l o f i b r i ca c i d ) ，是降血脂药物 氯贝酸等的代谢产物，在环境中的保留时间为2 0 年。因此，其造成的环境影响 十分深远。 药物在水中发生反应，如氧化，还原等，生成的产物也是人类健康的一大隐 患。目前的城市污水处理和水产养殖中经常用到含氯消毒剂，如漂白粉，漂白精 等来杀菌消毒，含氯消毒剂的有效成分次氯酸是一种氧化能力很强的物质，可 以和很多药物发生反应生成氯化产物。氯化产物的生成对环境会造成什么样的影 响，国外有很多人做过研究，发现有些药物与有效氯反应后生成比原药毒性更强 的物质，从而造成水体的二次污染。而在我国，这方面还没有引起足够的重视， 所见的研究报道很少。 1 3 喹诺酮( q u i n o l o n e s ，q n s ) 类药物介绍 1 3 1 喹诺酮类药物的分类 一些常用的和新上市的喹诺酮类药物结构见表1 1 。 表1 1 常用的和新上市的喹诺酮类药物的分类及其化学结构 5 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 母核药物结构和名称 拶洲 甜hh 硝h h 洲 弛hh o 对h h i 【：二：； ：妒l ( ：二二；二甜hh l 【：二二；二i 矿h 文产h h 渺舱一 喹啉酸类 n 吣唱。l l 人 d p h盼h 乞 西诺沙星 妙 v n 帆 9 叫 a b t 7 1 9 6 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 1 3 2 喹诺酮类药物的发展史 喹诺酮类药物的发展可分为以下四个阶段幽3 】： 第一阶段( 1 9 6 2 1 9 6 9 年) ，此阶段上市的有萘啶酸、恶喹酸和吡咯酸3 个 品种，此阶段的一个重要发现是萘啶酸对细菌的d n a 合成具有选择性抑制作用 阱】。这些发现被后来的许多试验所证实，并为喹诺酮类药物作用机制的进一步 研究奠定了初步基础。这些药物主要对革兰氏阴性菌有效，抗菌谱窄，半衰期短， 毒副作用较高。 第二阶段( 1 9 7 0 1 9 7 7 年) ，此阶段以吡哌酸为代表，最重要贡献是发现了 d n a 促旋酶( 细菌拓扑异构酶i i ) 。确定了喹诺酮对d n a 促旋酶具有选择性抑制 作用，从而干扰了细菌d n a 的复制、转录和修复重组，使细菌无法正常传代而 被抑制。这一阶段的药物主要也是对革兰氏阴性菌有效。 第三阶段( 1 9 7 8 1 9 8 6 年) ，此阶段上市的品种有八种，即诺氟沙星，依诺 沙星，培氟沙星，氧氟沙星，环丙沙星，洛美沙星，芦氟沙星和氟罗沙星，其共 同的结构特征是母环6 一位有氟，7 一位有哌嗪基取代，故称为氟喹诺酮或新喹诺酮。 此阶段在发现促旋酶a 亚基的突变是导致细菌对喹诺酮耐药的基础上，发现b 亚 基的突变也导致细菌对喹诺酮耐药，这表明促旋酶a 亚基和b 亚基并非喹诺酮的 唯一作用靶点，其作用靶点极可能是促旋酶本身。新喹诺酮药物对革兰氏阴性菌 有极强的效果，对革兰氏阳性菌也有比较好的作用，抗菌谱扩大，抗菌作用更强。 第四阶段( 1 9 8 6 现在) ，此阶段上市的品种妥氟沙星、左氟沙星和司帕沙 星三个。其特点之一是以妥氟沙星和司帕沙星为代表，两者的抗菌活性比第三阶 段喹诺酮强得多。其特点之二是以左氟沙星为代表，它是氧氟沙星的左旋光异构 体，其活性是右旋体的8 1 2 8 倍、是外消旋体氧氟沙星的2 倍，毒副反应更低， 水溶性好，它的产业化表志该类药物向着高效能、低毒性的活性对映体药物这一 高新手性技术产业迈进。此阶段发现喹诺酮的链合部位在促旋酶d n a 复合物上， 提出一种三元复合物模型1 3 6 1 。这是一种新型的喹诺酮类药物，这些药物对大多 数革兰阴性菌和部分阳性菌有效，对那些已对p 一内酰胺类药物产生耐药性的流 感杆菌、葡萄球菌、淋球菌、肺炎链球菌等仍然具有抗菌活性。国外目前将加替 沙星主要用于呼吸道感染、泌尿系统感染、皮肤及软组织感染和脑膜炎等感染性 7 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 疾病的治疗。 1 3 3 喹诺酮类药物的构效关系 关于喹诺酮类药物的构效关系已有比较详尽的综述报道【3 3 ，3 ，其主要结论 如下： 1 位：l 位取代基的演变实际是氟喹诺酮化合物活性改进的写照，新的n ( 1 ) 位取代基的发现就会导致该类化合物的一个飞跃。已上市品种的n ( 1 ) 位多为乙 基，环丙基代替乙基后，进一步扩大抗菌谱，增强了抗菌活性。自从发现环丙基 的优越活性后，一系列有前途的优秀品种不断问世。n ( 1 ) 位改为4 氟或2 ，4 二氟 苯基，则可改善对革兰阳性菌及厌氧菌、衣原体、支原体的抗菌活性。n ( 1 ) 位引 入特丁基，进一步增强了抗革兰阳性菌的作用，但对革兰阴性菌的活性降低。 2 位：早期对2 位结构进行修饰合成的药物抗菌活性一般，后来很少有深入研 究，近来发现在l ，2 位以硫桥连接成四环或五环的药物具有极佳的体内和体外抗 菌活性，目前，该类抗菌剂的研究开发还处在初始阶段。 3 、4 位：3 位羧基和4 位羰基是喹诺酮类与d n a 促旋酶结合的必须部分，对3 位的改造没有得到有活性的化合物。4 位羰基用其它基团取代均使活性消失。 5 位：5 位的研究十分有限，通常认为5 位引入基团，导致抗菌活性降低，认 为是由于立体因素的影响，干扰了相邻的4 位羰基与受体的结合，电性的影响也 不可忽略。上市的喹诺酮5 位仅含有h 、c h 3 或n h 2 基团。 6 位：6 位引入氟，与无氟取代的相应化合物比较，与d n a 促旋酶结合能力 提高2 1 7 倍，对细胞渗透力提高l 7 0 倍。正因如此，6 位引入氟成为氟喹诺酮 类的结构特征。不过，最新有资料显示6 位为h ，n h 2 的某些喹诺酮也具有很好的 体外抗菌活性1 4 2 4 4 l 。 7 位：7 位在构效关系中是一个十分重要的位置，主要影响药物体内分布和抗 菌谱。7 位连接碱基并有适当水溶性基团有利于提高抗菌活性和改善药动学性质。 8 位：引入氟或氯，通常改善了口服吸收，增强体内活性，但也增加了光敏 毒性，当改为甲基、甲氧基或三氟甲基时，不但保持或明显增强了对革兰阳性菌 的活性作用，而且降低了光毒性。 8 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 对于母核的变化，主要影响抗菌活性。与喹啉酸类药物相比相比，萘啶酮类 化合物的体外抗菌活性稍低，但因其在体内吸收良好，所以仍有与喹诺酮类相当 的体内活性。1 9 9 4 年首次报道的a b t 7 1 9 是2 吡啶酮类药物的代表。a b t - 7 1 9 对 格兰氏阳性和格兰氏阴性菌及厌氧菌均有很强的体内、外抗菌活性，最难得的是 它对耐甲氧西林金葡菌、耐万古霉素肠球菌和耐环丙沙星铜绿假单胞菌所具有较 高的抗菌活性i 删。 1 3 4 喹诺酮类药物的理化性质 喹诺酮类药物均为白色或淡黄色晶体粉末。多数熔点在2 0 0 以上( 熔融伴 随分解) 。盐类的熔点可超过3 0 0 。游离酸形式一般易溶于稀碱、稀酸溶液和 冰醋酸，在p h 6 8 的水中溶解度最小，在甲醇、氯仿、乙醚等多种溶剂中难溶 或不溶，盐形式易溶于水，但不溶于冰醋酸。喹诺酮的c 一3 位有羧基，具有弱 酸性，称为酸性喹诺酮，有些c 一7 位连接含氮碱性基团，具酸碱两性，酸解离 常数约为6 ，碱解离常数约为9 ，等电点约等于7 【4 5 ，4 6 1 。 q n s 结构对光照、温度和酸碱具有极好的稳定性，只在长时间剧烈条件下( 强 光、强酸、氧化剂) 才发生一定的分解1 4 5 1 。 1 3 5 喹诺酮药物的应用 喹诺酮类药物是继磺胺类药物之后人类在合成抗生素方面最重要的突破。近 2 0 年来发展尤为迅速。由于它是化学合成药物，价格相对比较低廉。在我国医药 市场中，抗感染药物的销售额始终居于首位，约占全国药品市场的3 0 以上。目 前在抗感染药物市场中，喹诺酮类药物的用药频度已经超过青霉素类，跃居成为 第二大抗菌类药物，青霉素类降至第三位，到2 0 l o 年，喹诺酮类药将超过目前销 路最好的头孢菌素类，成为抗菌药物市场中增长最快的一类药物f 7 1 。国际上许 多大型跨国公司如辉瑞、百时美施贵宝、拜耳、葛兰素史克等，正在大力开展喹 诺酮类药的研究，日本更是将喹诺酮类药作为主要发展方向，以保持其世界第一 的地位。上世纪9 0 年代初起，从氧氟沙星、环丙沙星的兴起直至左氟沙星的霸气， 9 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 几乎每隔4 年就有一个新品种成为喹诺酮类药物的龙头老大【3 3 1 。 目前，喹诺酮类药物也成为抗肿瘤药物设计的新目标化合物【4 引，因为其抗菌 机制是抑制d n a 促旋酶，而且很多新喹诺酮类化合物已经具有抗肿瘤活性这些 新喹诺酮类化合物的结构显示，抗肿瘤喹诺酮类化合物有它全新的作用方式。喹 诺酮类化合物可以用作拓扑异构酶i i 的抑制剂，也可用作有丝分裂抑制剂。 常用于治疗结核病感染的药物为异烟肼、利福平、吡嗪酰胺、乙胺丁醇和链 霉素等，可是，如今它们却出现了多重耐药性【4 9 】。传统药物的耐药问题已成为 结核病防治工作中迫切需要解决的难题之一。因此，目前再度掀起研究改进治疗 结核病感染药物的浪潮。在国内外都已有喹诺酮治疗结核病获得良好结果的报道 【5 0 】 o 鱼类的细菌性疾病主要由气单胞菌属，假单胞菌属，弧菌，柱状曲绕杆菌( 有 些人称之为鱼害粘球菌或柱状纤维黏杆菌) 等引起，都是革兰氏阴性菌! 目前， 第一，第二代喹诺酮类药物还广泛用于水产养殖。 1 3 6 喹诺酮类药物残留主要检测技术 喹诺酮类药物在临床，牲畜和水产养殖方面的广泛应用，使这类药物进入 外环境，对人类健康造成威胁。为了监测这些药物在牲畜和水产养殖中的使用， 避免滥用，国内外通过规定药物残留的最高残留量( m r l ) 来限制药物的使用。 欧盟规定：自2 0 0 0 年开始，任何一种新的、有可能用做兽药的喹诺酮药物必须规 定最高残留量，而且对不同动物，动物的不同部位都有详细的规定。如恩诺沙星 和环丙沙星在牛羊的肌肉和脂肪中最高残留总量为1 0 0 p g k g ，在肝中最高残留限 量为3 0 0 i l g l ( g 。我国农业部规定嗯喹酸在水产品中的最高残留限量为3 0 0 “g l ( g 。 q n s 属高极性、高熔点化合物，显然不适合用g c 分析，但早期曾有人将恶 喹酸、萘啶酸、吡哌酸经烷基化后使其极性降低，再用g c 分析。方法操作复杂 【5 l 】 o h p l c 法操作简单、方法灵活，成为包括q n s 在内的大多数兽药残留的最 主要的分析方法【5 2 击5 1 。分析喹诺酮类药物广泛使用o d s 柱，通过调整流动相p h 值和离子强度或加入离子对试剂、掩蔽剂、竞争剂( 大多数文献报道用溴化四丁 l o 中山大学硕士学位论文喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 基胺) 等来抑制峰拖尾和得到在柱上合适的保留，也可采用以高聚物作为固定相 的色谱柱，流动相中则无需加入p h 值调节剂对这类药物进行分析。 h p l c 与m s 的联用是q n s 及其降解产物定性定量分析的最有效的方法，几 乎所有q n s 都已建立l c m s 或l c m s m s 分析法，q n s 的l c m s 裂解特征都 很相似，主要离子包括各种加和物和与羧基、哌嗪、氟、l 一烷基部分的有关的 中性丢失，采用多离子反应监测模式( m l 洲) 和中性丢失扫描模式对q n s 及其 降解物进行分析，灵敏度高，选择性好。 近几年有文献报道用免疫分析法分析喹诺酮类药物。由于q n s 结构中有羧 基，故多采用q n s 羧基与载体蛋白质游离氨基的缩合反应，将q n s 与载体连接 合成人工抗原，该方法直接将q n s 做为半抗原，方法简便，但得到的人工抗原 失去了吡酮酸这一重要的免疫活性基团，q n s 的结构都非常相似，因此某一q n s 的抗体会与其他q n s 存在交叉反应，另一方面q n s 母核6 位，7 位连接有不同 基团，欲制备能识别q n s 的簇特异性抗体是相当困难的。 1 4 水消毒技术简介 一 1 4 1 常用水消毒技术及优缺点 联合国环境和发展机构指出，人类约有8 0 的疾病与细菌感染有关，其中 6 0 以上的疾病是通过饮用水传播的。人类通过长期的实践掌握了水媒传染病原 细菌的有效控制手段，其中对水体进行消毒是有效的去除病原微生物和其它有害 微生物的方法。 饮用水消毒是常规水处理工艺的最后一道安全保障工序，对于保障用水安全 具有重要意义。对水产养殖用水进行消毒也是水产养殖过程中的预防和治疗水产 动物细菌性疾病的有效措施。污水处理厂对污水进行消毒是去除微生物和各种有 机物的有效方法。对水进行消毒的处理方式可分为两种：物理消毒和化学消毒。 物理消毒。物理消毒法一般是采用某种物理效应，如热效应，超声波，电场， 磁场，紫外线辐射等作用，干扰或破坏微生物的生命过程，达到消毒的目的。过 滤除菌主要是机械地将微生物从水中分离出来，也是一种物理过程。物理消毒作 中山大学硕士学位论文喹诺酹类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 用迅速，处理时问短，杀菌效果可靠稳定，一般不会带来杂质和消毒副产物。但 是，物理消毒往往作用区域有限，杀菌范围不大，没有后续的杀生能力，处理后 的水必须尽快使用掉，因此只适合于小规模的给水，如家庭用水。 化学消毒。化学消毒剂主要分为两大类：氧化型消毒剂和非氧化型消毒剂。 前者包括目前常用的消毒剂的大部分，如氯，二氧化氯，臭氧等，后者包括了一 类特殊的高分子有机化合物和表面活性剂，如季铵类化合物等惭l 。 氧化型消毒剂往往是通过灭活微生物的某种特殊酶而起消毒作用，或者通过 氧化，使细胞质产生破坏性降解【6 6 1 。目前常见的氧化型消毒剂有：卤素，包括 氯、氯氨、次氯酸盐、二氧化氯、溴、氯溴合剂、碘、氯碘合剂、氯化溴、氯化 碘等；臭氧，重金属离子，如银，过氧化氢，过氧乙酸，高锰酸钾，高铁酸钾等。 这些杀菌剂的特点是杀菌能力强，来源广泛，价格低廉。但是容易与环境生成有 害的消毒副产物，化学稳定性差。 非氧化型消毒剂主要是通过与细胞构成物质的结合来扰乱生物细胞的结构， 改变这些构成物质的功能特性，使微生物的正常生活过程不能进行而起到杀菌作 用的。如季铵盐可以溶解细胞膜的脂质，使细胞内部生命物质泄露，重金属离子 凝固细胞内蛋白。一般而言，非氧化型消毒剂不容易产生消毒副产物，但杀菌能 力较差，价格也较高。 1 4 2 氯消毒 氯消毒是化学消毒的一种，水的氯化消毒是目前应用最为广泛、技术最成熟 的方法。尽管已经发现这种消毒剂本身对人体健康有可能构成威胁，但是在现阶 段和相当长的一段时间内，氯仍然是发展中国家和地区使用最普遍的消毒剂之 一。氯在水处理领域有一下一些用途： 消毒：对泳池和娱乐用水，食用贝类进行消毒，对控制水处理设备中的藻类、 细菌、滤池蝇、介壳类生物进行消毒，水产养殖用水消毒； 氧化除臭：去除硫化物等； 污水处理：去除排放到水体中的生物需氧量，去除回流污泥或回流消化液的 直接需氧量，稳定水处理污泥，控制污泥干化气味，缓解或降低分解，防止污水 中山大学硕士学位论文 喹诺酮类药物氯化产物研究及其对环境的影响评估 系统中产生厌氧条件等。在碱性条件下能将氰化物转化为氰酸盐，从废水中分离 油脂等。 氯消毒的机理，近代认为，次氯酸( h o c l ) 起了主要作用。次氯酸是分子 量很小的中性分子，相比次氯酸根，能够更快地扩散到细菌表面，并透过细胞壁 与细胞内部的酶起作用，破坏酶的功能【6 9 j ，次氯酸还可以氧化原生质