（环境工程专业论文）β内酰胺类抗生素及中间体降解途径研究.pdf

b 内酰胺类抗生素及中间体雕解途径研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；宣i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 摘要 1 3 - 内酰胺类抗生素，对于抗菌感染有良好的应用效果，应用非常广泛。世界上1 3 一内 酰胺类抗生素药品市场正在蓬勃发展，对其需求量：不断增加，1 3 - 内酰胺类抗生素类药品 的产量和品种增长都很可观。但是已有研究表明环境中大量存在的d 内酰胺类抗生素及 中间体会对人体健康及生态环境产生不利影响，因此，深入探讨1 3 内酰胺类抗生素及中 间体的迁移转化和环境行为规律非常必要。 本文选取头孢曲松钠、氨苄西林钠、头孢哌酮钠、阿莫西林、6 - a p a 和7 - a c a 作 为特征污染物，分别考察了不同温度和p h 值条件下几种1 3 - 内酰胺类抗生素及中间体的 水解和吸附行为规律，并采用活性污泥法将影响1 3 - 内酰胺类抗生素及中间体降解的因子 叠加，综合考察在不同外加碳源、温度、溶解氧、p h 值下的1 3 - 内酰胺类抗生素及中间 体的去除效果，得出最佳处理条件。 在对1 3 - 内酰胺类抗生素及中间体水解行为规律的研究中得出，1 3 - 内酰胺类抗生素及 中间体的半衰期随温度或p h 值的升高逐渐缩短，水解速率随之加快，1 3 - 内酰胺类抗生 素及中间体在p h 值较高的条件下快速水解，在p h 值较低时则比较稳定，溶液酸碱性 的变化对p 内酰胺类抗生素及中间体水解效果影响较大。光照对p 内酰胺类抗生素及中 间体的水解仅能起到很微弱的促进作用，对于选定的几种p 内酰胺类抗生素及中问体光 解作用并不是其主要去除途径。 在对b 内酰胺类抗生素及中间体的吸附行为规律研究中得出，溶液在4 h 时就能达到 吸附平衡状态，环境温度和p h 值都会影响p 内酰胺类抗生素及中间体的吸附效果，高温 环境、偏酸或偏碱环境均不利于污泥对d 内酰胺类抗生素及中间体的吸附。 本文综合考察了采用好氧活性污泥法分别处理几种b 内酰胺类抗生素及中间体的 降解效果，分别选择葡萄糖、蔗糖及淀粉作为外加碳源，试验结果葡萄糖作为外加碳源 时b 内酰胺类抗生素及中间体处理效果最好，葡萄糖与目标污染物的最佳质量浓度比为 1 ：8 ，分别控制温度为1 5 c 、2 5 c 及3 5 。c ，p h 值为5 、7 和9 ，溶解氧为1 、2 5 和4 m g l 进行降解试验，最终，综合考虑处理效果及处理成z 王等因素后控制温度在2 5 3 5 。c 、p h 值近中性、溶解氧为2 5 m g l 较为适宜。 关键词：b 内酰胺类抗生素；中间体；水解；吸附；综合降解 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t c u r r e n t l y1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c sh a v eg o o da p p l i c a t i o ne f f e c ti na n t i - b a c t e r i a li n f e c t i o na n d t h e ya r ea p p l i e dw i d e l y t h el b - l a c t a m a n t i b i o t i c sp h a r m a c e u t i c a im a r k e ti sb o o m i n g t h e d e m a n do fp - l a c t a ma n t i b i o t i c sd r u g si si n c r e a s i n g ；m dt h er a p i dg r o w t ho fo u t p u ta n d v a r i e t i e sa r ev e r yc o n s i d e r a b l e b u ts o m es t u d i e sh a v es h o w nt h a tal a r g en u m b e ro f1 3 - 1 a e t a m a n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e se x i s t i n gi nt h ee n v i r o n m e n ta r eh a r m f u lt oh u m a nh e a l t ha n d e c o s y s t e m t h e r e f o r e ，i t sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ed e g r a d a t i o nl a wo f1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c s a n di n t e r m e d i a t e i nt h i ss t u d yc e f t r i a x o n es o d i u m ，c e f o p e r a z o n es o d i u m ，a m p i c i l l i ns o d i u m ，a m o x i c i l l i n ， 6 - a p aa n d7 - a c aw e r ec h o s e na st h ea n a l y t e s t h eh y d r o l y s i sa n da d s o r p t i o nb e h a v i o rr u l e s i nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ec o n d i t i o n so ff ) - l a c t a r na n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e s w e r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l y a d d i t i o n a l l y ，t h e1 3 - 1 a c t a r aa n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t er e m o v a l e f f i c i e n c yi nd i f f e r e n tc a r b o ns o u r c e s ，t e m p e r a t u r e ，d is s o l v e do x y g e n ，p hv a l u ec o n d i t i o n s w e r ei n s p e c t e di n t e g r a t e d l ya n dt h eo p t i m u mp r o c e s s i n gc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h er e s e a r c ho f1 3 1 a e t a ma n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t eh y d r o l y s i sb e h a v i o rr u l e si n d i c a t e d t h a tt h eh a l f - l i v e so f1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t es h o r t e n e da n dh y d r o l y s i sr a t e s a c c e l e r a t e dw i t ht e m p e r a t u r ea n dp hv a l u er i s i n g t h e1 3 - 1 a c t a r na n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e w e r eh y d r o l y z c dr a p i d l yu n d e rw e a ka l k a l ic o n d i t i o n sa n dt h e yw e r em o r es t a b l eu n d e ra c i d i c c o n d i t i o n s t h ep hv a l u ec h a n g e sh a do b v i o u s l ye f f e c tu p o nh y d r o l y s i sr a t e so fp - l a c t a m a n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e l i g h tc o u l do n l yp l a yav e r yw e a kr o l ei np r o m o t i n gt h e h y d r o l y s i so fb e t a - l a c t a ma n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e s i ti sn o tt h em a i nr e m o v a lp a t h w a yo f t h e s ea n a l y t e s t h er e s e a r c ho f1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t ea d s o r p t i o nb e h a v i o rr u l e s d e m o n s t r a t e dt h a ts o l u t i o nc o u l da c h i e v ea d s o r p t i o nb a l a n t ea f t e r4 h t h et e m p e r a t u r ea n dp h v a l u eh a dac e r t a i ni n f l u e n c eo nt h ea d s o r p t i o no f1 3 - 1 a t t a i na n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t e h i 曲 t e m p e r a t u r ew a sd i s a d v a n t a g e o u sf o ra d s o r p t i o no f1 3 - 1 a t t a i na n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t ea n d p hv a l u et o oh i g l lo rl o ww a sa l s ou n f a v o r a b l et ot h e i ra d s o r p t i o n t h ep a p e re x a m i n e dt h e1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c sa n di n t e r m e d i a t ed e g r a d a t i o ne f f e c tu s i n g a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g es y s t e ms y n t h e t i c a l l y g l u c o s e ，s u c r o s ea n ds t a r c hw e r es e l e c t e da s e x t e r n a lc a r b o ns o u r c e ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e m o v a le f f e c to f1 3 - 1 a c t a ma n t i b i o t i c s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a n di n t e r m e d i a t ew a sb e s tw h e ng l u c o s ew a su s e da sp l u sc a r b o ns o u r c e t h eo p t i m u mm a s s r a t i oo fg l u c o s ea n da n a l y t e sw a s 1 ：8 d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h er e a c t i o nc o n d i t i o nw e r e c o n t r o l l e da sf o l l o w s ：t e m p e r a t u r e15 ，2 5 a n d3 5 ；p hv a l u e5 ，7a n d 9 ：d i s s o l v e d o x y g e n1 ，2 5a n d4m e c l f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h et r e a t m e n te f f e c ta n dt h ep r o c e s s i n gc o s t f a c t o r s ，t h e ng a i n e dar e l a t i v e l ya p p r o p r i a t ec o n d i t i o n ：c o n t r o l l i n gt e m p e r a t u r ea t2 5t o3 5 ， p hv a l u ei nn e u t r a la n dd i s s o l v e do x y g e nf o r2 5m g l k e y w o r d s ：1 3 - 1 a t t a i na n t i b i o t i c s ；i n t e r m e d i a t e ；h y d r o l y s i s ；a d s o r p t i o n ；d e g r a d a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源、研究目的及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目“多级环流m b r 中微型生物群落对头孢菌素 中间体的生物协同控制机制及特征解析”( 5 0 9 0 8 0 6 2 ) 。 1 1 2 研究目的及意义 抗生素类药物在人类健康、农业生产及畜牧业生产等诸多方面都起到了重要作用【l 】。 可是，未经过完全吸收和利用的抗生素及其代谢产物会有多种途径进入环境中，比如， 垃圾填埋场产生的渗滤液中含有的抗生素会随着渗滤作用进入到地下水或土壤中；污水 处理厂中产生的剩余污泥用于农肥时会将未处理完全的药物引入农田中【2 】：饲养家畜家 禽时喂食药物也会导致动物粪便中药物的残留，进而通过施肥进入土壤环境等等【3 】。虽 然抗生素类药物在环境中存在的半衰期比较短，但是大范围使用抗生素，仍然可能形成 “假性持久性”污染1 4 】。 目前，已有诸多报导证实在地表水、污泥、土壤等多种环境介质中都检测出了不同 含量水平的抗生素，对于生态环境和人体健康的不利影响也已经获得了国际社会的普遍 关注。欧美一些国家对水环境中存在的药物做了比较深入的研究，我国滥用抗生素情况 比较严重，但是对于抗生素类药物的环境归趋及生态毒理学研究却更少。2 0 0 7 年1 0 月 2 5 日，联合国环境规划署( i 肥p ) 在“全球环境展望：保护环境是为了发展( g e 0 4 ) ” 报告中指出，须密切关注抗生素对水生态系统的影响【5 】。“全球环境展望( g e o ) ”对抗 生素类药物提出示警，足以说明抗生素已经成了异常重要且危险的新型污染物，在处理 过程中要尤其注意【6 j 。 抗生素应用与人类的身体健康有很大的联系，其生产有明显的社会经济效益。目前 我国共有3 0 0 多家企业生产抗生素，覆盖7 0 多个品种，占世界产量的2 0 0 o , - , 3 0 。由于 抗生素生产工业中仍然存在很多困难没有得到实质性解决，因此出现了抗生素生产污染 严重的局面，抗生素产业废水有机污染物浓度高、难降解物质多、生物毒性强、色度高、 n 、s 含量高等等。而作为药物生产及使用大国，我国更应该重视抗生素废水的处理， 逐步深入对水环境中抗生素存在及迁移转化的研究【_ 列。 欧盟很多研究人员已经指出，环境中存在的抗生素类药物微量污染已经危及到环境 哈尔滨工程大学硕士学位论文 安全，因此而产生的抗生素耐药菌广泛存在与传播已不容忽视。但是，目前抗生素类废 水中特征污染物的迁移转化机理尚不清楚，因此，该类问题的研究刻不容缓。本论文就 是在这样的背景下提出的，它的完成将为抗生素废水的有效处理助一臂之力。 1 2 p 内酰胺类抗生素概述 p 内酰胺类抗生素含有典型的p 内酰胺环结构，在抗生素中占据重要位置。头孢菌 素与青霉素均属于b 内酰胺类抗生素，除此以外，d 内酰胺类抗生素还含有青霉烯类、 氧青霉稀类等其他品种。b 内酰胺类抗生素的作用机理是抑制细菌细胞壁的合成，具有 广谱性、抗菌能力强、疗效好、致敏性低、不良反应小等特点，应用范围广，实用性强 【8 一l o 】 o 1 2 1p 内酰胺类抗生素的分类 1 、头孢菌素类 头孢菌素类药品分类方式复杂多样，大部分会按给药途径、结构、抗菌谱、发展代 别等分类。最近几年，研究者已经放缓了对于头孢菌素的研究和开发，上市产品逐渐减 少，在1 9 9 6 年后仅有两种，临床研究产品也显著减少，在2 0 0 0 年仅有4 种头孢菌素临床 试验。尽管如此，有关的研究和开发工作仍然在不断深入进行，并且已经发现了许多新 的化合物，经过结构改造后可用作化疗剂，有的试验品不但能够抗感染，还有抑制蛋白 酶的作用，第四代头饱菌素即为典型代表。第四代头饱菌素的主要特征包括：能够高度 亲和青霉素结合蛋白；可以顺利通过革兰氏阴性菌外部膜的孔道，迅速与细胞周质结合 并且能够维持高浓度；p 内酰胺酶亲和性和诱导性较低，对染色体介导和部分粒质介导 中的p 内酰胺酶均很稳定等等【1 1 】。 2 、青霉素类 青霉素在1 9 4 0 年开始临床应用，具有治疗效果好、价格优惠、毒副性小、应用广泛 等优点。主要分为四种类别：作用于g + 菌的青霉素，此时抗菌谱较窄；抗g 菌的青霉素， 抗菌谱较窄；抑制一般g 杆菌的青霉素，该青霉素抗菌谱广；作用于绿脓杆菌的青霉素， 菌谱广【1 2 1 。 3 、青霉烯类 青霉烯类抗生素在分子结构上与头孢类和青霉素类相似，抗菌谱广，抗菌活性强， 耐p 内酰胺酶，主要作用于革兰氏阳性菌、阴性菌等。该类抗生素在国内大部分处于研 究阶段，在国外市场上也很少应用【1 3 1 。 2 第1 苹绪论 i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣宣葺i i i i i i 宣i i i 宣i i i 宣i i i 萱i i i i i i i i i i 宣i i i 置i i i i 宣i i i i i i 宣i 萱萱i i 宣l 。 4 、单环p 内酰胺类抗生素 单环p 内酰胺类抗生素主要作用于阴性需氧杆菌，抗菌谱窄，能够强烈的抑制g 需 氧菌及绿脓杆菌，几乎不受单环b 内酰胺酶的影响，对人体及动物细胞的毒性低，不会 与青霉素等产生交叉过敏反应【1 4 15 1 。 1 2 2 几种p 内酰胺类抗生素及中间体的简介 6 - a p a ：合成青霉素的重要中间体，用途广泛，可用于合成氨苄青霉素，阿莫西林， 苯氧甲基青霉素等。6 - a p a 自身可由天然青霉素经化学法或酶法脱酰作用生成。6 - a p a 抗菌活性很低，不能直接作为抗菌药应用，但是作为合成原料却意义重大【1 6 】。以6 - a p a 作为半合成青霉素的母核进行化学结构修饰，接上不同结构的侧链，能够制造出对青霉 素耐药茵更为敏感、抗菌谱更广的新的半合成青霉素，从而开创了一个半合成类抗生素 一 的新时代。制备6 - a p a 的方法主要有化学法和生物法两种。 7 - a c a ：生产头孢菌素的关键性中间体。占据当今国内外抗生素市场的重要地位， 以7 - a c a 为母核开发的头孢曲松钠、头孢噻肟钠、头孢地嗪、头孢唑南等多种药物，是 在国际市场用量较大的抗生素药物。由于它们疗效理想，销售量越来越大，已成为国际 上紧俏的抗生素药物【1 7 】。目前国外大部分7 a c a 采用酶法制得，而国内则多采用头孢菌 素c 化学裂解的方法制备，酶法催化反应制备7 - a c a 所占比例小【l 引。 阿莫西林：又叫羟氨苄青霉素，是一种广谱的半合成青霉素类抗生素药物，因为可 以口服用药而得到广泛应用。阿莫西林是可广泛用于各种感染炎症的理想药物，它具有 b 内酰胺环的典型特征，可以通过干涉两种共聚糖肽链的转钛反应抑制细胞壁再生【1 9 j 。 阿莫西林在临床上主要应用于呼吸道感染、消化道感染、泌尿道感染、皮肤和软组织感 染、败血症、脑膜炎、心内膜炎、白喉、百日咳、创伤及手术后的感染等。中国药典 规定阿莫西林的测定方法为高效液相色谱法，除此之外，毛细管电泳法、分光光度法、 荧光光度法、流动注射化学发光法、红外光谱法、极谱法等也常见诸报道【2 0 j 。 氨苄西林：第一个半合成的广谱青霉素，是用游离氨基取代青霉素g 苄基上的氢， 吸电子的氨基更耐酸，效果更好。不过，氨苄西林的缺点是不耐酶降解，因此它的口服 吸收效果较差。此外，氨苄西林对血清蛋白的结合率低，尿中浓度高，还能渗入到痰液 中达到杀菌。氨苄西林具有天然青霉素的抗菌谱性，可以用于呼吸道、泌尿道及软组织 方面感染的治疗，对肺炎有非常好的治疗效果。氨苄西林针对的感染细菌主要是化脓性 链球菌、肺炎球菌、流感嗜血杆菌、肺炎杆菌及大肠埃希菌等革兰氏阳性及阴性菌。氨 苄西林体内分布较广，可以获得较为满意的疗效，因此成为治疗感染性疾病常用的药物 哈尔滨工程大学硕士学位论文 专一【2 l 】，- -o 头孢哌酮钠：又称氧哌羟苯唑头孢菌素钠，属于半合成的第三代头孢类抗生素。头 孢哌酮钠抗菌谱广，主要针对革兰氏阴性菌、变形杆菌、克雷百氏杆菌感染、大肠杆菌 等细菌。头孢哌酮钠通过和青霉素结合蛋白相结合而发挥抗菌作用，通过抑制细菌细胞 壁合成达到杀菌目的。与其它第三代头孢菌素相比，头孢哌酮钠抗菌谱更宽圈。制各头 孢哌酮钠时以7 a c a 为原料，经过一系列复杂的合成与反应得到。头孢哌酮钠的测定除 了使用高效液相色谱法外，还有荧光分析法、分光光度法、色谱法和电化学分析法等新 近测定方法【2 3 1 。 头孢曲松钠( e e f l r i a x o n es o d i u m ) 是一种非胃肠道的、半合成的、广谱长效的第三 代头孢菌素类抗生素，对于大部分革兰氏阳性菌及阴性菌十分敏感，抗菌谱宽，抗菌作 用强，耐酶降解、毒性低、组织穿透力强、半衰期长。头孢曲松钠是一种水溶性的d 内酰胺类头孢菌素，用于病人的细菌感染处理，通常是革兰氏阳性菌。头孢曲松钠杀菌 作用是通过抑制细胞壁的再生完成的，抑制了细菌细胞壁的黏肽合成。头孢曲松的b 内酰胺结构作用于细菌细胞质膜的羧肽酶、肽链内切酶、转肽酶，这些酶均参与细胞合 成与细胞分裂，通过这些导致细胞壁缺陷及细胞死亡，达到治疗效果【2 4 】。头孢曲松钠主 要用于治疗下呼吸道感染、皮肤组织、尿道感染、骨关节等感染及细菌性败血症病症， 且已经取得了良好的治疗效果。当前测定头孢曲松钠的主要方法为h p l c 、高效薄层色 谱法、高效毛细管电泳法、分光光度法等【2 5 1 。 以上几种p 内酰胺类抗生素及中间体的结构、分子量及物理性状等见表1 1 。 1 3 抗生素的污染现状及其对环境微生态的影响 抗生素原本对人体细胞无害，然而，一旦滥用也会产生可怕后果，会使病源细菌产 生抗药性，导致抗生素不可用口6 1 。同时，抗生素化学结构较为复杂，具有较强的抑菌和 灭菌作用，属于难生物降解物质。所以，抗生素污染一旦在环境中产生，肯定会对环境 微生态造成长期的严重影响。 1 3 1 医用抗生素污染 医用抗生素污染是目前发生抗生素污染的重要途径之一。医用抗生素使用主要通过 医疗机构和家庭自备两种渠道。据世卫组织调查结果显示，我国已经成了国际上滥用抗 生素非常严重的国家之一。医用抗生素污染对生态环境会造成严重破坏，导致抗生素在 环境中普遍存在( 尤其是土壤环境中) ，给环境中存在的细菌造成很大的生存压力。除 4 第1 章绪论 i i i i i i i i 苗i i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 表1 1 研究药品的概况 分子 药品名称分子结构性状溶解情况 量 微溶于水， 6 - a p l a h 溶h 2 1 6 白色 不溶于一 ( 6 - a m i n o p e n i c i l a n i ca c i d ) 晶体般有机溶 剂 7 a c a o h - n q 2 多u 一 结晶 微溶于水， 2 7 2 性粉 不溶于一 般有机溶 ( 7 - a m i n o e e p h a l o s p r a n i ca c i d ) 州昝j 、。弋 太 末 剂 白色 阿莫西林 h 。研酶 4 1 9 结晶 水中微溶， ( a r n o x i c i l l i n )性粉 在乙醇中 几乎不溶 h 户o 末 水中易溶， 氨苄西林钠 哜凇 3 7 1 白色在乙醇中 ( a m p i c i l l i ns o d i u m ) 粉末略溶，在乙 醚中不溶 0 白色 头孢哌酮钠 禽镦n a * u 村电 6 6 7 结晶 水中易溶 ( c e f o p e r a z o n es o d i u m ) 性粉 末 白色 头孢曲松钠 。誊_ 靖做s n h 2 5 5 4 结晶 水中易溶 ( c e f t r i a x o n es 0 d i u m ) 性粉 末 5 哈尔浜工程大学硕士学位论文 此之外，滥用抗生素类药物还可能会产生过敏反应以及副作用。国家药品不良反应监测 中心的报告结果显示，在我国每年由于药品不良反应死亡的人数高达1 9 2 万人，有2 3 以上有抗生素滥用引起【2 7 1 。 1 3 2 饲用抗生素污染 厂家在饲养过程中会向畜禽饲料中添加大量的饲用类抗生素，用作饲料添加剂，被 称为抗菌生长促进剂( a n t i m i c r o b i a lg r o w t h p r o m o t e r , a g p ) 。a g p 在使用时，只要目的并 不是医治动物的某些病症，而是为了促进其生长，不断提高家畜家禽的生产效率。a g p 促生长作用效果十分明显，可以有效保持畜禽的健康状态，并且可以限制畜禽排泄物中 病原菌的传播【2 引。但是长期使用抗生素会造成大量药物残留，并产生耐药基因，大规模 饲养动物时会造成不同动物个体间的粪便接触，耐药基因的扩散加剧，进而对影响人类 病情的治疗，并对生态环境构成潜在威胁。a g p 可以通过很多路径进入生态环境中，假 如其进入到土壤或是鱼塘载体中则可能产生和传导耐药细菌。比如，在水产养殖区域， 药物在渔场中的使用会使渔场变成耐药基因繁衍传播的媒介【2 9 】。此外，吸收进动物体内 的抗生素会残留在各个机体组织上，而烹饪并不能完全分解附着的抗生素，一旦食用后 会对人体产生毒副作用。大量a g p 使用使得抗生素通过食物等渠道进入人类的食物链 中，并且还可能通过畜禽的排泄物进入到农田中，被农作物富集后，更为广泛的向环境 中扩散，会对生态环境和人类健康造成深远的、不可逆的影响【3 0 1 。 1 3 3 农用抗生素污染 在很早以前就有研究人员研究使用抗生素类药物防治植物病虫害。近年来，该研究 已有了较大进展，开发出了许多效率高、毒性低、残留少的农用类抗生素，主要应用于 抗病毒病菌、抗作物衰老、杀虫、除草，在防治作物病、虫、草害等多方面发挥了重大 作用。但是，由于人类对农业用抗生素认识不足，盲目迷信夸大其作用，导致在抗生素 种类选择、施药量和施药周期等环节上存在很多问题。其中，比较突出的是使用的抗生 素种类过多、剂量过高，导致各种农用抗生素在环境中大量残留( 尤其是土壤中) ，给 人类生活健康及生态稳定造成隐剧3 1 1 。 1 3 4 工业抗生素污染 工业抗生素污染主要是指制药废水、废气、废渣内药物残留造成的生态环境污染。 抗生素生产工艺流程中可能产生大量高毒性、难降解的有机高浓度废水，该类废水在生 6 第1 掌绪论 置i i i i 宣置i 宣i i i i i i i i i 盲i i i 置i i i i i i i i i i i i i i i i 勇i i 宣勇i 声勇晕勇胃晕晕景萱勇勇晕兽勇勇晕勇毫 化处理过程中会强烈抑制微生物的生存生长，所以，生化处理并不能完全降解废水中的 有毒有害物质，将其排放至环境中会产生一定的环境压力【3 2 1 。剩余污泥是抗生素类废水 处理后的废弃物，由于具有吸附作用，剩余污泥内部会残留部分抗生素，是十分重要的污 染源【3 3 j 。抗生素生产工艺流程中还会有大量废渣产生，这些废渣内含有许多营养物质及 少量抗生素，假如不对这些废渣进行处理，不但造成环境污染，还会浪费大量资源。目 前，除了在制药厂内工业抗生素污染除比较集中外，许多日化企业，为了增强产品的杀菌 效能，也会在其生产的工业用或家庭用的清洁产品( 香皂、洗衣粉、洗涤剂等) 中加入 一定量的抗生素，进一步扩大了工业抗生素污染范围【3 4 】。 1 4 国内外抗生素废水处理技术研究现状 到目前为止国际上应用的抗生素废水处理技术种类较少且不够成熟，已建成韵多为 好氧处理工艺，缺点是基建投资高、运行成本、处理效率低。欧洲、美国、日本等国家 2 0 世纪4 0 年代开始处理青霉素生产废水，但是处理技术却一直没有大的进步，至2 0 世纪7 0 年代仍多沿用传统活性污泥法、生物滤池等。由于抗生素废水污染严重且难于 治理，使得从7 0 年代开始，欧美等国家就逐渐将污染较大的常规原料药生产转向发展 中国家，本国内主要进行开发高新技术、高附加值药品的工作【3 5 】。 1 4 1 国外抗生素废水处理技术的研究现状 抗生素废水处理发展至今已有许多年，初期( 2 0 世纪4 0 年代) 主要采用中和、混凝、 沉淀、氯化等物化方法简单处理抗生素废水，而抗生素生产工艺中产生的废菌体经焚烧 去除。随着现代工业的不断发展，环境污染的日益严重，使得环保部门不得不进一步提 高排放标准来保护环境，由此一来，传统的初期处理方法不能达到去除标准，抗生素废 水处理中逐步引入了生化处理工艺，且由于其处理效果良好得到了广泛应用。生物处理 方法主要利用活性污泥中微生物的生存生长对废水中的污染物进行转移和转化，已达到 去除污染物、净化水质的目的。废水生物处理工艺条件简单，不需要高温、高压等严苛 条件，在相对温和的条件下即可完成酶催化过程，因此，处理运行费用低廉，活性微生 物来源广，容易培养，生长繁殖快，容易适应环境，可实现有利变异。此外，生物处理 可达到良好的效果，不仅能够有效去除有机物、病菌、有毒有害物质，还能去除浊度、 色度、臭味等，因此，生物处理法能够广泛应用【3 6 】。 e s e l m o u a 等采用光f e n t o n - s b r 组合工艺处理含阿莫西林和氯唑西林的抗生素废 水，优化了光助f e n t o n 预处理的h 2 0 2 c o d 和h 2 0 2 f e 2 + 的摩尔比率，分别为2 5 和2 0 。l m i n 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内抗生素全部降解，s b r 在不同的停留时间下运行，同时废水也在不同光f c n t o n 条件下 ( h 2 0 2 c o d 和h 2 0 2 f e 2 + 的摩尔比率不同) 被处理。研究表明，s b r 的运行效能与经光 f e n t o n 处理后废水的b o d 5 c o d 有关，可以减少f e 2 + 的剂量，增加反应的光照时间。最 终得到组合工艺的最佳运行条件为h 2 0 # c o d 摩尔比为2 ，h 2 0 掣r f e 2 + 的摩尔比为1 5 0 ，光 照时间9 0 m i n ，h r t 为1 2 h ，在该条件下c o d 去除率达到8 9 ，氨氮完全去除，s b r 出水 可以达到排放标准【3 7 】。 i a k m e h m e tb a l c l o g l u 等为了增强化学合成类药物的生物降解性研究了两种人用抗 生素和一种兽药抗生素的臭氧化。试验考察t p h 值、初始c o d 值和过氧化氢的加入对 臭氧化过程的影响，t o c 、c o d 、b o d 、芳烃含量( u v2 5 4 n m 条件下) 作为参数评估 臭氧化工艺的效能。不同种类抗生素的可生化性有多不同证明生物降解性能的变化与目 标化合物有关，当添加的臭氧剂量为2 9 6 9 l 时，兽药抗生素的b o d s c o d 比从0 0 7 7 增加 到o 3 8 ；而人用抗生素则由0 分别增长到0 1 和0 2 7 。此外，研究结果表明，在p l - i 值近中 性时臭氧化可以高效去除c o d 和芳香烃【3 8 】。 s c h e l l i a p a n 笔j ；对采用u a s b 处理含大环内脂类抗生素制药废水进行了研究，u a s b 有效体积为1 1 l ，被划为4 个体积为2 7 5 l 的反应段。每一段均为升流式污泥床和三相分 离截留生物质的结构，进水为含有泰乐菌素的实际制药废水，运行过程中有机负荷逐步 从o 4 3 k g c o d ( m 3 d 3 ) 增加到3 7 3 k g c o d ( m 3 d 3 ) ，然后降低至1 8 6 k g c o d ( m 3 d 3 ) 。反应器 运行效能用c o d 去除率、泰乐菌素去除率、p h 值、v f a 产率、甲烷产率和污泥浓度表示。 停留时间为4 d ，有机负荷为1 8 6 k g c o d ( m 3 d 3 ) 时，c o d 去除率约为7 0 7 5 ，泰乐菌素 平均去除率高达9 5 ，表明厌氧反应系统可以有效降解该抗生素【3 9 】。 1 4 2 国内抗生素废水处理技术研究现状 我国抗生素废水处理研究开始于2 0 世纪7 0 年代，初期主要采用传统活性污泥法和厌 氧生物处理法，这个时期有小部分制药厂建成了制药废水处理工艺，且已经运行。从8 0 年代开始，我国开始加大抗生素制药废水处理的普及力度，在这个时期抗生素废水处理 技术发展迅速，很多当时较先进的技术也在制药废水处理领域应用，如u a s b 、深水曝 气法、生物流化床等等，陆续有很多家大、中型药厂开始了制药废水处理并回收利用的 工作。在2 0 世纪8 0 年代，我国多采用好氧生物处理技术处理抗生素废水，如：活性污泥 法、生物转盘法、接触氧化法、生物流化床等。u a s b 问世后，研究者将其成功的用在 了实际庆大霉素和链霉素等制药废水处理中，并取得了较为理想的效果【4 0 】。 白春节采用a a d r ( a n t i b i o t i ca c t i v i t yd e g r a d a t i o nr e a c t o r ) a o 工艺处理头孢唑林制 8 第1 章绪论 i 晕勇勇晕勇勇勇勇勇乒号勇勇葶阜i i i 毒草勇i 篁i 审i 勇i i i i i i i i i i i i i i i 赢i 青i i 蔫一 药废水，进水c o d c ，为2 2 3 3 0 m g l ，b o d s 为9 5 4 0 m g l ，处理后出水c o d c r 1 5 0 m g l ， b o d 5 _ 6 0 m g l ，s s _ 1 0 0 m g l ，n h 4 - n _ 10 时，2 h 后即无头孢泊肟酯检出【4 。7 1 。 k e i t ha l o f t i n 等研究者考察了离子浓度、p h 值和温度等影响因素对金霉素( c t c ) 、 氧四环素( o t c ) 、四环素( t e t ) 、洁霉素( l n c ) 、磺胺氯哒嗪( s c p ) 、磺胺二 甲氧哒嗪( s d m ) 、磺胺噻唑( s t z ) 、甲氧胺苄嘧啶( t r m ) 、泰乐菌素( t y l ) 几 种抗生素降解效果的影响，多元线性回归结果表明，离子浓度对以上物质水解无显著影 响，而温度和p h 值则明显影响t c t c 、o t c 和t e t 的降解速率，泰乐菌素在p h 值为2 和 11 时仍有降解，在p h = 5 、7 、9 的条件下l n c 、s c p 、s d m 、s t z 、t r m 和t y l 几乎没有 降解。随着温度和p h 值的上升，c t c 、o t c 和t e t 的水解速率加快，符合阿伦尼乌斯方 程【4 引。 l i n d b e r g 等人发现初始浓度为8 0 m g l 以去离子水配制而成的阿莫西林溶液和氨苄 青霉素溶液可以在4 。c 条件下保存一个月，测定后溶液浓度几乎不变【4 9 】。 y a m a h at s u k i n a k a 等人用高效液相色谱和分光光光度分析监测哌拉西林在酸性、中 性和碱性溶液中的降解过程，测定了哌拉西林在各种缓冲溶液中的准一级速率常数。确 定了在3 5 。c 时整体的p h 值一速率分布和离子强度为0 5 的p 内酰胺基团在酸性介质中降 解生成的水解产物。在碱性介质中，哌拉西林的哌嗪环水解比p 内酰胺基团快约2 0 倍 5 0 l 。 1 0 第1 犟绪论 i i i i i i 暑宣i i i 置i i i i i 宣i i 置萱i i i 暑i i i i i i i 昌i i i i 宣宣i i i i i i 萱i i i 萱宣i i i i i i i i i i 置i i i i 宣嗣萱i i c 。 1 5 2 光解 光降解反应可分为直接光降解、敏化光解和氧化反应，是十分重要的降解途径，光 解对于污染物的改变是不可逆的，直接影响到其归趋。抗生素发生光解反应后，分子结 构会发生变化，毒性也可能改变 5 1 - 5 3 l 。在水环境中，污染物受到阳光照射，或者受到水 体中存在的其他物质的影响发生光解反应。前人的研究说明，抗生素发生光解反应的可 能方式有光致均异裂、光致氯化、光致水解、光氧化和光致环化等【5 4 1 。 t u s n e l d ae d 等人对研究了地表水中双氯酚酸和卡巴咪嗪的光解性质。结果表明， 抗生素的光解受到溶液中组成物质的强烈影响，此外，抗生素的初始浓度、共存的药物 和自然有机质均会对光解产生不同浓度的影响【5 5 1 。 e d h l u n d 等人对硝基呋喃类药物的光解反应进行了详尽的研究，推断出其可能的产 物和光解路径。研究发现，该类药物容易发生光致异构反应，进而生成硝基糠醛，最终 氧化成h n 0 2 t 5 6 1 。 葛林科在研究加替沙星光降解时发现其光解符合准一级反应动力学，加替沙星在纯 水中的光解速率最快，远高于淡水及海水中。当p h 值达到加替沙星等电点时最易光解。 加替沙星在光降解过程中生成的中间产物风险高【5 7 1 。 k n a p p 等研究者人工模拟日光照射恩诺沙星，结果表明恩诺沙星会发生强烈光解， 产物为环丙沙星，恩诺沙星光解符合一级动力学【5 8 】。 在黄丽萍的研究中，初始浓度为5 0 m g l 的土霉素和磺胺甲嗯唑溶液经人工模拟的太 阳光照射6 0 m i n 后，两者的去除率分别达到2 7 2 和3 6 4 。磺胺甲嗯唑更容易发生光降 解反应【5 9 】。 1 5 3 吸附 吸附是抗生素在迁移转化过程中经常发生的反应过程，通常可分为物理吸附和化学 吸附。抗生素可以通过分子间作用力吸附在水体或土壤中的颗粒物上，为物理吸附；若 抗生素中的某些官能团与环境中物质络合或者螯合，则为化学吸附。吸附能力高的药物 一般容易存在于土壤或者沉积物中，而吸附能力差的药物则多存在于河流中，影响水环 境中的生态删。 根据张从良等人的研究发现，随着温度的升高，磺胺嘧啶的吸附量降低，p h 值近中 性时磺胺嘧啶吸附最强烈【6 l 】。 k w o n 等人做了一项研究，通过模型确定污水处理厂中双氯芬酸的去除效率只有1 3 哈尔溟工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i 宣i i 宣i i i i i 宣i i i i i 宣i i i i i 羞置i i i i i i i i i 宣i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 。 ( 该化合物生物降解能力差和吸附能力低) 。另一方面，氟西汀( 被称为百忧解的抗抑 郁剂) 与双氯芬酸有相近的l o gk o w f l 呈，其1 0 9k o 、枷苴为4 0 5 ，但吸附性质却不同。这是 由于氟西h p k a 值为1 0 1 ，较高，使得在大多数废水处理条件下这种化合物都处于未电 离状态，因此增加了其吸附的可能性。结合这种化合物高的吸附能力和中间范围的生物 降解能力，可以得出污水处理厂中这种化合物的去除率在9 0 6 2 1 。 p b d e s ，一种溴化的阻燃剂，具有高的l o g k o w 值，为7 6 6 。这种化合物具有非常高 的吸附潜能，因此更有可能从污水处理厂的澄清池中去除。文献中给出它在污水处理厂 中的去除效率高于9 0 1 6 3 】。 1 5 4 生物降解 一般而言，生物降解是有机污染物被微生物有机体分泌的酶分解为更小的化合物。 微生物有机体通过新陈代谢或酶催化过程分解污染物。生物降解