14章3-抗生素环境毒理学

1 第五章抗生素环境毒理学 2 2 纲要 抗生素简介环境中抗生素污染不同介质抗生素毒性研究抗生素的分子生态毒理研究进展环境中抗生素的检测技术水中微量抗生素的去除问题与建议 3 一 抗生素简介 抗生素 antibiotics 是由微生物 包括细菌 真菌 放线菌属 或高等动植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次级代谢产物 能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质 抗生素的分类 5 二 环境中抗生素污染 1 医用抗生素污染医用抗生素被认为是目前环境中抗生素污染的主要来源之一 医用抗生素通过以下途径进入环境 医院丢弃的过期抗生素 残留在药瓶和器械上的生素 经由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的抗生素等 6 2 兽用抗生素污染大量的饲用抗生素作为饲料添加剂使用 称之为抗菌生长促进剂 AGP AGP能促进动物的生长 提高畜禽生产效率 1 长期使用造成药物残留和耐药基因的产生 包括动物致病菌和内在微生物菌群 动物间的粪便接触 特别是大规模圈养动物间加速了这种耐药基因的扩散 进而对人类染病的医治和微生态环境构成潜在威胁 二 环境中抗生素污染 7 2 抗生素被动物吸收后 可分布于体内各个部分 也可通过泌乳 产蛋而进入乳 蛋中 而在肉 蛋 乳等动物产品中残留 残留的抗生素通过一般的食品烹饪方法不能完全使其分解 从而对人产生毒副作用 以下为土壤和水环境中兽药的主要预期暴露途径 转归及其生物效应图 二 环境中抗生素污染 暴露 兽药 水产业 牧场牲畜 转归 畜禽粪便 农田或牧场土壤 水环境 化粪池 家畜促生长剂和家畜抗球虫剂 地表水地下水 食物链 底泥 饮用水 生物效应 水生生物 人体健康 土壤微生物 动物 不同营养级生物 9 3 农用抗生素污染最早在农业上大面积应用的抗生素是链霉素 土霉素及其混合液 农霉素 现在世界己开发高效 低毒 低残留抗生素 在农业防治病 虫 草害方面发挥了巨大作用 但人们在选用抗生素种类 施用剂量及用药时间等环节上存在着很多问题 其中最突出的问题是施用抗生素种类多 剂量大 引起药害 是加快了农作物致病菌耐药性的产生 给作物病害的防治带来困难 其药物残留也构成潜在的危害 二 环境中抗生素污染 10 4 工业抗生素污染工业抗生素污染主要包括制药厂废水 废渣内抗生素残留对环境的污染 抗生素生产过程中产生大量废水 废水中不仅COD SS高 且含生产工艺产生的剩余中间产物 残留抗生素及有机溶剂等 废水在生化处理中对微生物的生长有强烈的用 处理后 残留的抗生素不能被完全降解 对环境造成一定污染 另外工业或家庭用清洁卫生洗涤剂 肥皂 洗澡液 清洁剂等中加入了一定量的抗生素 使得工业抗生素污染的范围进一步扩大 二 环境中抗生素污染 11 一 土壤介质抗生素毒性1 土壤中的抗生素对环境的影响主要涉及二个方面 1 积累在土壤中的抗生素的转移 扩散 降解及对水环境和动植物的影响 2 对土壤生态系统的影响 三 不同介质抗生素毒性 12 一 土壤介质抗生素毒性 2 对土壤微生物生态毒性表现在 通过影响环境中各种微生物的种群数量及其他生物如水生生物 植物 动物的种群结构和营养转移方式 破坏环境中固有的以食物链为联系的生态系统的平衡 在环境中诱发大量耐药菌的产生 并大量繁殖和传播 最终影响人类健康 13 抗生素多为抗微生物药物 能直接杀死环境中某些微生物或抑制其生长 影响环境中微生物群落的组成 并通过影响土壤中有机质的腐烂和分解而影响土壤肥力 抗生素还可通过影响环境微生物的种类和数量 而降低土壤微生物对农药 重金属等其他污染物的固定或降解能力 一 土壤介质抗生素毒性 14 2 对植物生态毒性表现 与大多数污染物相似 低浓度兽药抗生素可促进植物生长 高浓度的抑制植物生长 不同土壤或生长基质上 兽药对不同植物的影响差异非常大 抗生素对植物生长发育的影响与其化学性质 使用剂量 与土壤吸附能力及植物的品种有关 一 土壤介质抗生素毒性 15 例如研究发现 四环素对猩猩木的液体培养物产生毒害 磺胺地索辛能明显抑制车前草 玉米等作物的生长 并在植物的根部和树叶富集 土霉素和氯四环素减少杂色豆植株的生节 鲜重 并影响其对钙 钾和镁的吸收 对不同植物的实验室和田间研究表明 兽药抗生素对植物出芽后的正常发育及根系 胚轴和叶子的生长造成影响 一 土壤介质抗生素毒性 16 除具有土壤介质中毒性外 水环境抗生素的存在还会影响1 水体微生物的组成和活性 从而改变微生物区系的生态结构 2 池塘底泥中的抗生素的聚积导致底泥微生物活性的下降或抑制 这将导致一个相对厌氧的环境 底泥中的有机物的降解与氧气的浓度有着密切的联系 厌氧 二 水环境介质抗生素毒性 17 降解会导致比有氧降解产生出毒性更大的副产物如硫化物和氨气 导致底泥有机物的降解率的下降 3 水产养殖中使用的抗生素可对水生生物和昆虫的生长产生强大的抑制或杀灭作用 另外 抗生素还可随动物的粪尿和城市污水施入农田 对农田造成污染 二 水环境介质抗生素毒性 18 4 抗生素可诱导菌体内产生耐药基因 又由于耐药基因的易传播性 将极易产生高度耐药的多重耐药菌 使环境变成一个极大的耐药基因库 如果耐药基因从非致病菌转入致病菌 则可对人类造成相当大的危害 二 水环境介质抗生素毒性 19 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 国内外大部分环境污染物的毒理效应研究都还处在个体水平 利用急性毒性试验的生物检测指标判断污染物的毒性效应 急性毒性实验更适用于高污染介质的毒性评价 而对于低水平的环境污染的评价则显得无能为力 例如 一些致畸作用的发生就没有临界值 在远低于可测生态效应产生的剂量条件下 就可能出现不可接受的风险 因此 建立更为精确和敏感的生态毒理指标和方法 进行环境亚致死含量抗生素的生态毒性效应及危害的诊断十分必要 20 生物标记物指通过测定体液 组织或整个生物体 来表征对一种或多种化学污染物的暴露和其生化 细胞 生理 行为以及能量上的效应变化 优点是可以灵敏地检测到环境中低剂量的潜在污染物 其能够在不同水平上指示暴露 效应关系 并可通过多项反应指标提供有关生态毒性的综合信息 可用作污染的早期预警 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 21 分子标记物把可遗传的并可检测的蛋白质和核酸水平的标记物称为分子标记物 分子标记物具有生物标志物的一般特征 但是更加敏感 可探讨并预测更低剂量环境污染物对机体的长期影响及可能的潜在危害 从而防止慢性毒作用的发生 研究从以下几个方面展开 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 22 1 机体生理生化水平生物机体的生化过程酶起着重要的作用 污染物进入机体后 一方面在酶的催化作用下进行代谢转化 另一方面也导致酶活性改变 许多污染物的毒作用就是与酶分子相互作用 影响其表达量和活性 引发体内一系列生化变化 从而引起毒性效应 例如 细胞色素P450酶系 生物转化酶如谷胱甘肽硫转移酶 GST 小分子抗氧化防御系统等各种酶活性的变化 都对污染物的毒理过程发挥重要作用 因此 可以将这些生物分子的响应作为污染物暴露的生物标志物 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 23 2 机体细胞基因表达产物水平基因表达产物水平包括酶和一些蛋白质 除了上述的几种代表性酶 目前蛋白质分子标记物的研究热点主要有热休克蛋白和金属硫蛋白等 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 24 3 机体细胞基因表达水平信使RNA mRNA 是携带遗传信息 在蛋白质合成时充当模板的RNA 是从脱氧核糖核酸 DNA 转录合成的一类单链核糖核酸 它在核糖体上作为蛋白质合成的模板 决定肽链的氨基酸排列顺序 是转录过程的重要载体 基因表达水平的分子标记物是指转录过程中mRNA的表达变化 表达的诱导或抑制以及上调或下调 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 25 4 机体细胞基因水平脱氧核糖核酸 DNA 是生物体内重要的大分子和遗传物质 在正常条件下 生物细胞内的基因组是稳定的 在细胞核内 DNA分子保持着一种稳态的动态平衡 DNA在细胞分裂过程中通过复制 把所有的遗传物质传递给子代 这对确保生物的正常新陈代谢和繁殖非常重要 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 26 由于DNA结构特点及半保留复制特性 在环境污染条件下可直接或间接地导致生物细胞内的DNA分子损伤 DNA分子的异常变化会导致严重的遗传效应 一旦损伤发生 修复能力即被诱导 各种修复酶增加并被活化 如果损伤不能被修复 则产生DNA结构和功能损伤 导致细胞死亡或突变 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 27 也有污染物通过体内的酶活化作用产生高亲电性的中间产物 与高电子密度的脂类 蛋白 RNA或DNA的亲核中心反应 形成加合物 污染物及其活性代谢产物与DNA作用形成DNA加合物是产生DNA损伤的最早期作用 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 28 DNA加合物为诊断 分析为污染物的暴露提供了有效的信息 一些数据可提供化学物代谢及加合物修复方面的信息 抗生素类污染物能干扰DNA的复制 修复等正常活动 可能会导致遗传变化 如DNA甲基化 许多事实证明 DNA甲基化是遗传学变化的指示器 其可能是引起体细胞突变的基本作用 基于这一点 它很可能会引起从单一点突变到染色体断裂或多倍体这样的染多倍体这样的染色体组突变 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 29 DNA链断裂也属DNA损伤 很多物质能够引起DNA链直接断裂 比如污染物代谢生成的自由基和去碱基位点 能够引起DNA分子内磷酸二酯键的断裂 当动物细胞遭受持续的氧化应激 脱嘌呤作用和内源亲电子受体如环氧乙烷的作用 就会产生DNA损伤 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 30 DNA链断裂的经典研究方法主要有单细胞微凝胶电泳技术 微核测定法等 随着分子生物学技术的飞速发展 出现了一系列以聚合酶链式反应为基础的 在分子水平上检测污染物质导致生物体DNA损伤的DNA指纹技术 如功能基因组学 转录组 蛋白质组学和代谢组学等 这些技术与检测基因突变 染色体畸变和损伤为主的经典研究方法如彗星分析 微核实验等相比 简便 快速 灵敏 四 抗生素的分子生态毒理研究进展 31 五 环境中抗生素的检测技术 样品的检测技术主要有微生物法 薄层色谱法 TLC 高效液相色谱法 HPLC 液相色谱 质谱联用法 HPLC MS 酶联免疫法 ELISA 毛细管电泳 CE 32 1 微生物法微生物检测法是抗生素残留检测的传统方法 在过去大部分时间内在抗生素的检测中占主导地位 微生物检测方法的主要原理是根据抗微生物药对特异微生物的抑制作用来对环境中残留的抗微生物药进行定性或定量的检测 微生物法具有前处理简单 经济 批量大等优点 但灵敏度较低 耗时较长 操作较复杂 易受到其他抗生素的干扰 缺乏专一性和精确度 此方法并不常用 五 环境中抗生素的检测技术 33 2 薄层色谱法薄层色谱法是Kirchner等在20世纪50年代从经典柱色谱法及纸色谱法基础上发展起来的一种色谱技术 按涂布薄层固定相的性质可分为吸附薄层色谱 表面分配薄层色谱 离子交换薄层色谱和薄层电泳 薄层色谱法常作为样品筛选方法 不需要特殊设备 方法简单 快速 直观 有利于现场应用 但其前处理复杂 灵敏度低 重复性差 五 环境中抗生素的检测技术 34 3 液相色谱法高效液相色谱HPLC是目前广泛应用的一种理化检测方法 它引入了气相色谱理论 在技术上采用了高压泵 高效固定相和高灵敏度检测器 实现了分离速度快 效率高和操作自动化 五 环境中抗生素的检测技术 35 几乎所有的化合物包括高极性 离子型待测物和大分子物质 均可用HPLC进行测定 HPLC的分离机制与常规柱色谱相同 但填料更加精细 需高压泵推动 柱效高 105塔板 m 速度快 灵敏度与GC相近 最常用的检测方式为浓度型的紫外检测器和荧光检测器 五 环境中抗生素的检测技术 36 4 液相 质谱联用技术液相色谱 质谱联用技术兼具HPLC的强分离能力 同时又具有MS的高灵敏度和极强的定性鉴定能力 是目前检测复杂基体组织中痕量抗生素发展最迅速的分析手段之一 HPLC MS的接口部件为电喷雾离子源 正电荷模式 产生的主要质谱离子峰为 M H 或 M Na 可用此峰进行定量分析 以其他碎片峰定性确定残留物的结构 五 环境中抗生素的检测技术 37 另外在液相色谱 质谱联用技术已经发展高效液相色谱 串联质谱法 国内外利用此技术同时检测土壤中氟喹诺酮类 四环素类和磺胺类18种抗生素 土样经SAX HLB串联小柱净化集 在HPLC MS MS多反应监测模式下进行定性及定量分析 五 环境中抗生素的检测技术 38 5 酶联免疫法酶联免疫法是20世纪70年代发展起来的一项新的免疫学技术 它将酶促反应的高效率和免疫反应的高效专一性有机地结合起来 可对各种微量有机物进行测定 具有灵敏度高 特异性强 方便快速 对仪器设备要求不高的优点 五 环境中抗生素的检测技术 39 6 毛细管电泳法毛细管电泳是20世纪80年代中后期迅速发展起来的一类以毛细管为分离通道 以高压直流电场为驱动力的新型液相分离分析技术 毛细管电泳具有高效 快速等优点 五 环境中抗生素的检测技术 40 六 水中微量抗生素的去除 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除离子交换 消毒生物处理砂滤 二 微量抗生素的深度处理活性炭吸附膜过滤及膜生物反应器化学氧化及高级氧化技术 41 1 离子交换 消毒ClO2和Cl2除了杀灭细菌外 自身的强氧化性也可以去除水中的残留抗生素 采用Cl2处理40min 能够去除河水中90 的甲氧苄氨嘧啶和磺胺类抗生素 ClO2可以去除与它有较高反应活性的磺胺类和大环内酯类抗生素 且处理效果及反应速率比Cl2好 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除 42 但是 这些消毒过程中的氯氧化反应会产生毒性很强的亚氯酸盐副产物 根据USEPA规定的水体中亚氯酸盐含量 1 0mg L的安全标准进行换算 ClO2的安全使用剂量 1 4mg L 这种安全浓度的限制使得ClO2在实际应用中无法发挥出色的处理效果 通常的水处理条件下 上述处理方法对抗生素的去除效率不理想 要充分发挥作用 需要对水体进行pH调节等预处理 或建立在副产物的毒性研究之上 因此 它们多作为预处理或后处理工序 一般不单独使用 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除 43 2 生物处理生物处理法是去除有机污染物最常用的方法 包括好氧 厌氧 厌氧 好氧组合处理等方法 在好氧生物处理中 活性污泥法是比较成熟的技术之一 有研究报道 传统活性污泥法 CAS 对污水中ng L水平的微量氟喹诺酮类抗生素的去除率为88 91 对磺胺类的去除率为67 94 对大环内酯类的去除率为30 61 但是对甲氧苄氨嘧啶的去除率仅为2 32 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除 44 厌氧生物处理在污水抗生素处理上也有一定优势 两相厌氧污泥法可以去除污水中95 100 的残留磺胺甲恶唑和罗红霉素 且处理效果不受温度等的影响 好氧生物处理负荷低 厌氧处理出水水质较差 通过好氧 厌氧 物化法的结合可以解决这些问题 提高整体处理效果 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除 45 3 砂滤砂滤介质上生成的生物膜对抗生素具有一定的降解效果 一 常规处理工艺对微量抗生素的去除 46 1 活性炭吸附活性炭具有很高的物理吸附和化学吸附功能 广泛应用在污水处理中 其中包括颗粒活性炭 GAC 和粉末活性炭 PAC GAC过滤和PAC吸附对微量抗生素都有很好的去除作用 通常活性炭颗粒越小 用量越多 接触时间越长 水中有机物越少则去除效果越好 二 微量抗生素的深度处理 47 2 膜过滤及膜生物反应器基于分子筛机制的膜过滤技术对大分子抗生素的去除效果最好 而小分子抗生素需要较小的膜孔径 容易造成膜通量的下降和堵塞 耗能较高 这是需要解决的问题 因此 在选择膜的类型时 需要综合考虑膜 污染物和废水性质等因素 目前影响膜处理的主要因素是膜垢 此外Ca2 Mg2 等离子对膜处理效果和寿命也有一定影响 二 微量抗生素的深度处理 48 3 化学氧化及高级氧化技术高级氧化技术 AOPs 通过化学氧化剂 O3 H2O2过渡态金属等 和辅助能量 紫外线 电流 射线等 结合 形成大量自由基氧化分解有机污染物 由于自由基的活性强 选择性小 因此AOPs的处理范围和效果比单独的化学氧化技术好 在抗生素处理中经常采用的AOPs有O3 H2O2 O3 UV H2O2 UV 光化学氧化 TiO2 h 等 二 微量抗生素的深度处理 49 电化学氧化相关技术是AOPs研究领域的一个热点 难生物降解有机物在电极上可以直接降解或与 OH自由基间接发生反应 相比于化学氧化 该技术反应条件易于控制 无需氧化剂 出水无需额外处理 二 微量抗生素的深度处理 50 1 需要加强研究的科学问题1990年欧盟各国已经开始了对环境中抗生素的风险评估研究 并对人用抗生素和兽用抗生素做了严格的限定 美国于2001年也开始了水体中抗生素残留的大范围调查和研究 我国人口众多且高度密集 污水处理系统很不完善 在某些地区生活污水未经处理直接排入环境中 七 问题与建议 51 目前 需要加强研究的几个科学问题大致如下 1 我国环境中抗生素的来源及其区域分布特征对我国地表水 地下水和土壤等进行调查采样分析 建立我国