1、书书书四环素类抗生素降解途径及其主要降解产物研究进展*李伟明 鲍艳宇周启星( 南开大学环境科学与工程学院教育部环境污染过程与基准重点实验室 /天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室 ，天津 300071)摘 要 四环素类抗生素在生产和贮存过程中会发生一系列非生物降解反应 ， 其中某些代谢及降解产物 ， 与母体相比 ， 虽然其活性降低 ， 但毒性却大大增强 此类抗生素随着畜禽废弃物等途径进入到环境中 ， 随环境条件的不同将发生一种或多种降解反应 ， 其降解方式除了非生物降解外 ， 还包括生物降解 本文综述了四环素类抗生素在不同生态环境中的降解途径以及降解产物 ， 并对今后的研究方向进行了探计
2、 ， 旨在为其生态风险评价提供有价值的参考 关键词 四环素类抗生素 降解途径 降解产物 生态毒性文章编号 1001 9332( 2012) 08 2300 09 中图分类号 X53， X1715 文献标识码 ADegradation pathways and main degradation products of tetracycline antibiotics: Researchprogress LI Wei-ming， BAO Yan-yu， ZHOU Qi-xing ( Ministry of Education Key Laboratory ofPollution Process a
3、nd Environmental Criteria/Remediation and Pollution Control for Urban Ecologi-cal Environment， College of Environmental Science Engineering， Nankai University， Tianjin300071， China) -Chin J Appl Ecol ， 2012， 23( 8) : 2300 2308Abstract: Tetracycline antibiotics ( TCs) can produce a series of abiotic
4、degradation reactions inthe process of production and storage， and some of the degradation products have lower antibacterialactivity but higher toxicity， as compared to the parent antibiotics TCs can enter the environmentvia the disposal of livestock and poultry wastes， and then degrade in one or mo
5、re ways according tothe external conditions Besides abiotic degradation， bio-degradation also happens This paper re-viewed the degradation pathways and main degradation products of TCs in different ecological envi-ronments， and discussed the future research directions， aimed to provide valuable refe
6、rence for theecological risk assessment of the antibioticsKey words: tetracycline antibiotics ( TCs) ; degradation pathway; degradation product; ecologicaltoxicity* 国家自然科学基金项目 ( 40901259) 资助 通讯作者 E-mail: baoyanyu nankai edu cn2011-09-28 收稿 ， 2012-05-02 接受 四环素类抗生素 ( tetracycline antibiotics， TCs)是一类广
7、谱抗生素 ， 包括四环素 ( tetracycline) 、土霉素 ( oxytetracycline) 、金霉素 ( chlotetracycline) 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 其价格低廉 ， 在世界范围得到广泛应用 我国是四环素类抗生素生产 、使用和销售大国 ， 2008 年四环素类抗生素药物仅出口量就达 1. 34 107kg， 四环素类抗生素在我国畜禽业抗生素中使用量也是最大 1 抗生素的环境污染及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一 许多用于畜禽业生产的抗生素难以被动物肠胃吸收 ， 约 30% 90%
8、 以母体化合物的形式排出 2 进入到环境中的抗生素会发生降解反应 ， 其代谢及降解产物相比母体抗生素 ， 往往活性降低 ， 毒性却大大增强 作为近年来日益受到关注的潜在环境生态危险源 ， 四环素类抗生素的生态毒性研究日益增多 然而 ， 目前人们对其生态毒性研究主要集中在母体对环境生态的影响方面 ， 而对于其降解作用的研究 ， 基本上还只停留在实验室水平且研究方式比较单一 ， 不能综合考虑各种环境因素 ， 并且有关降解过程以及有毒降解产物的研究报道甚少 本文在总结国内外相关研究的基础上 ， 阐述了四环应 用 生 态 学 报 2012 年 8 月 第 23 卷 第 8 期Chinese Journ
9、al of Applied Ecology， Aug 2012， 23( 8) : 2300 2308DOI:10.13287/j.1001-9332.2012.0312素类抗生素在环境中的降解方式 ， 介绍了有毒降解产物的形成途径及毒性研究 ， 揭示抗生素对环境生物的影响 ， 并对今后的研究方向进行了探计 ， 为四环素类抗生素生态风险的评价提供参考 1 四环素类抗生素在环境中的降解抗生素的降解是指抗生素通过生物或非生物的过程使其从大分子化合物转化为小分子化合物 ， 并最终转化为水和二氧化碳的过程 然而进入环境中的抗生素很难得到完全降解 ， 而是产生一系列代谢及降解产物 ， 这些产物往往具有更
10、大的毒性 3， 甚至造成比母体化合物更为严重的二次污染 抗生素在环境中会发生一系列降解反应 ， 主要包括生物降解和非生物降解 4 其中 ， 非生物降解过程包括光降解 、氧化降解 、水解等 ; 生物降解过程主要包括微生物降解和植物降解两种方式 1. 1 四环素类抗生素的非生物降解1. 1. 1 光降解 光降解是四环素类抗生素在环境中降解的重要途径之一 土霉素和金霉素均具有光解特性 5 一般认为 ， 光化学降解反应机理在于分子吸收光能变成激发态从而引发各种反应 6 抗生素分子直接吸收光子进行光化学反应 ， 称为直接光解 ;环境中的吸光物质 ( 光敏剂 ) 吸收光能后 ， 把能量传递给抗生素分子从而
11、进行光化学反应 ， 称为间接光解 光敏剂作为光能的载体或受体 ， 在自然界中广泛存在 ， 它们可改变药物的光稳定性 ， 加速或延缓光解 有机物质如自然界广泛存在的腐殖质 、核黄素( riboflavin， RF， 即维生素 B2) 等 ， 无机物质如 NO3、NO2、Fe3 +、Fe2 +、NaCl 、TiO2等 ， 它们都是强的光敏剂 ， 可以加速抗生素在环境中的降解 7 Reyes 等 8使用不同光源 ( 紫外光 、可见光 、长波紫外光 ) 照射四环素水溶液 ， 几乎观察不到四环素的降解 ， 而加入TiO2后 ， 则观察到四环素迅速发生降解 高俊敏等 9以太阳光和汞灯为光源 ， 研究了 T
12、iO2/ZnO 对废水中四环素光解的催化作用 ， 结果表明 ， 在 TiO2/ZnO 的催化下 ， 四环素去除率可达 80% 以上 此外 ，pH、光照情况 、水分等因素也会影响四环素类抗生素的光降解 崔馨 10研究发现 ， pH 为 7. 0 时 ， 加入Ca2 +、Mg2 +、Zn2 +和 Cu2 +能加快土霉素的光降解速率 ， 而且离子的含量越多 ， 土霉素的光解速率越大 ;在 pH =8. 5 时 ， 加入 Ca2 +、Mg2 +， 其结果与 pH =7. 0时相反 Bautitz 等 11研究了日光灯照射 ( solar irra-diation) 和黑光灯照射 ( black-lig
13、ht irradiation) 对不同水体环境 ( 纯净水 、地表水 、污水 ) 中四环素降解的影响情况 ， 发现相比黑光灯 ， 日光灯照射更有利于地表水 、污水等复杂水体环境中四环素的降解 土壤中含有一定的水分有利于光解 当表层的土壤受到光照时 ， 就会形成大量的自由基 、过氧化物和单重态氧 ， 这些物质能够加速药物的降解 ; 土壤中水分的增加能够增加土壤中药物的移动性 ， 也有利于光解 7 土霉素在土壤间隙水中光解 ， 可以检测到多种降解产物 12 试验证明 ， 光解反应在溶液中更易发生 13 Dimou 等 14发现抗生素中的喹恶啉类 、呋喃类等对光敏感 ， 在光存在下 ， 尤其在水体中
14、容易被降解 四环素类抗生素在水溶液中的光解也有研究 最近的一些研究发现 ， 四环素类抗生素在水中还可通过与1O2和 O2发生反应进行光解 12， 15 Castillo等 16研究发现 ， 在可见光照射下 ， 四环素类抗生素可通过基态电子转移产生阴离子自由基 ( RF) ， 并且进一步产生超氧阴离子自由基 O2， 同时激发三重态3RF*可将能量传递给溶解氧产生1O2， 并通过试验证明 ， 强力霉素 、甲稀土霉素 、去甲金霉素和土霉素都可与1O2和 O2发生反应进行光解 1. 1. 2 水解 水解也是抗生素在水环境和土壤中的一种重要的降解途径 6 人们研究抗生素水解时主要考虑 pH 的影响 各类
15、抗生素中的 -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 条件下水解较慢 ， 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 17 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 18 青霉素类药物易受亲核及亲电试剂进攻 ， 容易水解并引起分子重排 ，某些金属离子 、氧化剂及加热等能对青霉素类药物的分解和分子重排起催化作用 在碱性条件下 ， 青霉素类药物的 -内酰胺环首先被破坏 ， 分解为青霉酸 ; 有金属离子作用时青霉酸能进一步分解为青霉醛和青霉胺 19 Paeson 等 20发现泰乐菌素 A( tylo-sin A) 在酸
16、性条件下可水解成泰乐菌素 B， 而在中性和碱性条件下 ， 则可产生泰乐菌素 A 丁间醇醛( tylosin A aldol) 和一些极性的分解产物 泰乐菌素A 的分解速率不仅与 pH 有关 ， 还受缓冲液类型 、浓度及离子强度的影响 四环素类抗生素的水解也受到 pH、离子强度和温度等条件的影响 Huang 等 21认为四环素的水解是四环素一种重要的转化方式 Loftin 等 22研究发现 ， 四环素 、土霉素和金霉素在不同温度和 pH 条件下降解速率差异显著 ， 离子强度对其降解无明显影响 郑丽英 23研究了金霉素在不同温度 ， 不同 pH 及不同水生环境中的降解情况 ， 结10328 期 李
17、伟明等 : 四环素类抗生素降解途径及其主要降解产物研究进展果表明 ， 金霉素较易水解 ， 其水解速率受 pH 和温度的影响较大 ; 在碱性及中性条件下的水解速率明显大于酸性条件 ， 而高温 ( 70 ) 条件下的水解速率远大于室温 ( 20 ) ; 此外 ， 金霉素进入环境水体后 ， 由于各种降解过程综合作用的结果 ， 比用水解试验得出的降解速率要快很多 1. 1. 3 氧化降解 四环素类抗生素在强氧化剂的作用下也会发生降解 臭氧的强氧化作用对四环素类抗生素的降解效率非常高 ， 目前国外对此方面的报道较多 Khan 等 24对四环素水溶液进行臭氧处理 ，检测到了 15 种臭氧化产物 ， 并提出
18、四环素臭氧化的降解途径 ; 对 C11a-C12 和 C2-C3 两个双键 、芳香环和氨基进行臭氧化会分别产生产物 m/z 461、477、509 和 416， 对以上位置进一步臭氧化会产生 m/z432、480、448、525 和 496; 四环素进行臭氧化处理4 6 min 可以完全去除 Wu 等 25的研究发现 ，20 mgL1的四环素经过 5 min 臭氧处理就可以完全降解 Wang 等 26在一个环流反应器内研究了多种因素对四环素降解速率的影响 ， 结果表明 ， 四环素的降解速率受 pH 和气态臭氧浓度的影响显著 ; 而H2O2和羟基自由基清除剂对四环素的降解几乎没有影响 ， 表明臭
19、氧的直接氧化是该降解过程的主导因素 Uslu 等 27研究发现 ， 使用臭氧处理含有土霉素的饲料废水 ， 可以增大土霉素的生物可降解性 ， 减小了其对活性污泥细菌的毒性 ， 其降解速率取决于pH 和臭氧剂量 其他强氧化物质对四环素类抗生素的降解研究也有报道 Yang 等 28研究了高铁酸钾 Fe( VI) 对四环素的氧化降解 ， 发现 pH 对其影响较大 ， 降解效率取决于 pH 和初始 Fe( VI) 浓度 可以看出 ， 四环素类抗生素的强氧化降解往往受 pH和强氧化剂浓度的显著影响 1. 2 四环素类抗生素的生物降解抗生素的微生物降解是指在微生物作用下 ， 抗生素残留物的结构和理化性质发生
20、改变 ， 从大分子化合物降解为小分子化合物 ， 最终转变为 H2O 和CO2 其中耐药细菌起最重要的作用 光合菌 、乳酸菌 、放线菌 、酵母菌 、发酵丝状菌 、芽孢杆菌 、枯草杆菌 、硝化细菌 、酵母等都具有抗生素的降解功能 7鲍艳宇 29研究了四环素和土霉素在褐土 ( 天津泰达开发区 ) 和红壤 ( 广西桂林郊区 ) 中的降解动力学 ，发现褐土和红壤中的土著微生物对四环素和土霉素的降解均无显著影响 而向堆肥中外源添加抗生素有益降解菌有助于堆肥中四环素类抗生素残留物的降解 30 秦莉等 31研究了外源复合菌系 ( 具有降解纤维素和金霉素的双重功能 ) 对堆肥中金霉素的降解效果 ， 结果发现 ，
21、 堆肥过程中未接种复合菌系 ， 金霉素的降解率在 60% 左右 ; 接种复合菌系后 ， 金霉素的降解率达到 82. 23% Maki 等 32在一个养鱼场底泥中分离得到了土霉素 、强力霉素的抗性菌 ， 并且二者在其抗性菌作用下明显发生降解 从环境中分离得到的单株菌往往具有很好的降解效果 ， 然而加入到土壤或水体等复杂环境中 ， 其降解能力一般会降低 分析原因可能为环境中存在的其他抗生素可能会对该菌株产生抑制作用 ， 同时 ， 氧气 、pH、温度和水分等因素也会影响菌株的生长代谢 ， 从而影响其对抗生素的降解能力 因此 ， 复杂环境中抗生素的微生物降解需要开发筛选出抗性较强的微生物 ， 并注意控
22、制环境条件 ， 以达到最好的降解效果 近年来 ， 体外酶对抗生素的降解研究也多见报道 Wen 等 33 34发现 ， 一种白腐菌产生的天然木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶在体外对四环素和土霉素有很强的降解能力 Park 等 35研究了谷胱甘肽硫转移酶 ( GSTs) 体外降解抗生素 ( 四环素 、磺胺塞唑 、氨苄青霉素 ) 的可行性 ， 结果发现 ， 降解反应结束后 ， 60% 70% 的抗生素转变为对微生物没有毒性的成分 ， 大大降低了其对微生物的毒性 抗生素在土壤中光解和水解的作用效果相对有限且过程漫长 ， 相比于植物降解和微生物降解存在明显的弱势 植物降解是一种非常有前景的去除环境中有毒污
23、染物的绿色技术 它通过绿色植物对污染物的降解 、转化 、吸收 、代谢和去毒来修复受污染的土壤 、水体和大气环境 36 植物修复主要包括植物对抗生素的直接吸收和降解 、根系分泌物以及土壤微生物对抗生素的降解等因素的综合作用 37 植物修复受污染的水体和土壤环境主要有 3 种机制 :1) 植物直接吸收有机污染物后转移或分解 ; 2) 植物释放分泌物和特定酶降解土壤环境中的有机污染物 ; 3) 植物促进根际微生物对土壤环境中有机污染物的吸收或利用转化 有文献指出金霉素可直接被植物吸收 7， 其他四环素类抗生素的植物降解鲜有报道 ， 此方面的研究值得关注 抗生素的植物修复降解是一个比较新的研究领域 ，
24、 目前的研究多集中在用某一植物来修复特定污染的土壤 而受到污染的土壤中并非只有一种抗生素 ， 往往多种抗生素共同存在而造成复合污染 将转基因技术应用于植物培养中筛选出能同时降解多种抗生素的植物是一种不错的尝试 38， 今后可多关注此方面的研究 四环素类抗生素在不同的环境介质中因环境条2032 应 用 生 态 学 报 23 卷件的不同而发生一系列非生物或生物降解反应 ， 研究其在不同介质中的降解方式 、降解机理和各种影响降解的因素对于探索降低抗生素污染和减少残留的最佳途径具有相当重要的意义 2 四环素类抗生素降解产物的形成途径从上述研究可以看出 ， 研究者们对于四环素类抗生素降解行为的研究已经引
25、起广泛的关注 ， 然而研究大多停留在抗生素母体是否发生降解方面 ， 并未关注其是否完全降解为水和二氧化碳 而四环素类抗生素发生降解可能会产生对环境毒性更大的代谢及降解产物 此类代谢及降解产物非常值得关注和研究 四环素类抗生素的结构见图 1四环素类抗生素在生产和贮存过程中以及进入环境后发生降解会产生一些代谢和降解产物 早在20 世纪 50 年代 ， 就有报告指出四环素在适当条件下可以转化成可逆异构物 ， 并且发现脱水四环素( anhydrotetracycline， ATC) 可以形成差向脱水四环素 ( epianhydrotetracycline， EATC) 同样 ， 差向四环素( epit
26、etracycline， ETC) 也可以脱水形成差向脱水四图 1 四环素类抗生素的分子结构图Fig1 Molecular structure of TCs.四环素 Tetracycline: R =R=H， R =CH3; 土霉素 Oxytetracycline: R =H，R =CH3， R=OH; 金霉素 Chlorotetracycline: R =Cl， R =R=H.环素 土霉素和金霉素也可以形成相应的差向异构体和脱水产物 四环素类抗生素在环境中的主要降解产物为其差向异构体和脱水产物 ， 此外 ， 还会产生许多痕量衍生物 例如 ， 土霉素的降解产物除了其差向异构体和脱水产物外 ，
27、还有痕量的 -apo-OTC、-apo-OTC、N-DM-OTC、N-DDM-OTC 和 E-N-DM-OTC 等 12四环素类抗生素的降解产物的形成与 pH 有关 在酸性较强的溶液 ( pH 2) 中 ， 四环素因 6 位上的叔羟基易脱落 ， 在 5a-6 位上形成双键 ， 由于这个新双键的影响 ， C11、C11a、C12 上双键发生转移 ， 而C 环芳构化 39 42( 图 2) 图 2 四环素类抗生素形成脱水化合物的反应Fig2 Formation of anhydration compounds of TCs.: 脱水四环素 Anhydrotetracycline， R = H; :
28、 脱水金霉素 Anhydrochlortetracycline， R = Cl.新形成的物质称为脱水四环素 ( ) 同样 ， 金霉素也能形成脱水金霉素 ( anhydrochlortetracycline，ACTC) ( ) 脱水产物的抗菌活性很低 ， 但在酸性或碱性溶液中很稳定 41 地美环素在 6 位上不含有叔羟基而含有仲羟基 ， 因此在酸性溶液中稳定 ， 其脱水反应要在较激烈的条件下才能发生 39 40 土霉素在酸性溶液中的降解反应并不终止于脱水土霉素 ，图 3 四环素类抗生素在酸性溶液中的异构化Fig3 Epimerization of TCs in acid solution.后者还
29、要继续降解为阿卜土霉素 41 42四环素 、金霉素和地美环素很容易差向化 ， 而土霉素由于 C-5 上的羟基和二甲氨基形成氢键 ， 因而较稳定 在弱酸性溶液 ( pH =2 6) 中 ， 不对称碳原子 C-4 可逆地发生异构化 ， 形成差向四环素 ( 图3) 39 40， 生物活性大大降低 当 pH 2 或 pH 9时 ， 差向化速度很小 41 42 差向异构化速度和很多因素有关 溶液中阴离子的性质影响很大 当有高价有机酸根存在时 ， 差向异构化速度增加很快 ， 例如2%的四环素在 0. 01 molL1盐酸溶液中 ， 在 25 下经过 20 h 后 ， 差向四环素的含量从 1% 增加到3%，
30、 而在 0. 05 molL1的草酸溶液中 ， 相同条件下 ， 差向四环素的含量增加到 9% ( 相对于溶液中四环素的含量 ) 醋酸盐 43、柠檬酸盐 41存在时也会加速其差向化 阴离子的浓度也有很大影响 例如在30328 期 李伟明等 : 四环素类抗生素降解途径及其主要降解产物研究进展pH =4. 0 柠檬酸盐溶液中 ， 当浓度从 0. 01 molL1增加到 0. 1 和 1 molL1时 ， 差向异构化速度常数相应增加 6 和 32 倍 41 某些高价无机酸 ， 如磷酸( 但硫酸不会 ) 也会使差向异构化速度增大 39 在四环素制剂中加入某些辅料如盐酸葡糖胺对差向异构化也有促进作用 ，
31、而钙离子能阻滞此种反应 在弱碱性 ( pH =8) 溶液中 ， 四环素和金霉素的C 环打开 ， 转变成无活性的异构化合物 土霉素在碱性条件水解生成异土霉素 ， 进一步水解成土霉酸 39 用碱降解四环素类抗生素时 ， 可得到二甲胺 、氨和水杨酸的衍生物 如四环素的碱性降解产物为二甲胺 、氨和水杨酸 ， 而金霉素的碱性降解产物为二甲胺 、氨和氯代水杨酸 42高温也会影响四环素类抗生素的降解产物的形成 Kuhnea 等 44研究了高温条件下四环素脱水产物的形成 ， 他们对残留四环素的猪骨进行加热 ， 在未进行加热处理前 ， 就能检测到少量的 ATC 和 EATC;在 133 条件下加热 45 min
32、 后 ， TC 和 ETC 的含量相对加热前平均减少了 50%， ATC 和 EATC 相对加热前则平均增加了 533% Gratacos-Cubarsi 等 45对残留四环素的鸡胸肉和猪肉进行加热处理 ， 同样可以检测到 TC、ETC 的减少以及 ATC、EATC 的增加 ，甚至检测到两种未知化合物 可见 ， 高温条件下四环素类抗生素易发生降解 ， 且主要为脱水反应 3 四环素类抗生素在不同环境介质中的降解3. 1 在堆肥中的降解堆肥广泛应用于农业和养殖业 ， 是一种灵活 、有效的去除动物粪便中抗生素的方法 46 48 例如 ，Arikan 等 48发现牛粪堆肥仅 6 d， 土霉素的去除率就
33、可达到 95% Dolliver 等 49的研究表明 ， 金霉素在动物粪便堆肥中降解迅速 ， 10 d 之内其浓度降低超过 99% Bao 等 47的研究也发现金霉素在动物粪便堆肥中的降解率达到 90% 以上 四环素在好氧条件下的猪粪中的降解速率高于厌氧环境 50 土霉素在牛粪中厌氧消化 64 d， 降解率为 59%， 并检测到差向土霉素 ( epioxytetracycline， EOTC) 及 -apo-OTC和 -apo-OTC 等产物 51 Wu 等 52研究发现四环素 、土霉素和金霉素在猪粪堆肥结束后的降解率分别为 70%、92%和 74%， 其降解产物有 ETC、EOTC、ECTC
34、、DMCTC( demethylchlortetracycline， 脱甲基金霉素 ) 和 ATC 等 ; 对一级动力学方程进行修正后能很好地描述 3 种抗生素的降解过程 ， 相关系数为0. 8567 0. 9969 此外 ， 不同的堆肥条件也会影响抗生素的降解 粪肥经一定强度的处理 ( 翻动和调节水分 ) 能加速金霉素的降解 53 向堆肥中加入秸秆或菌剂后 ， 四环素 、土霉素和金霉素的降解速率明显加快 30 每天清理并摊晒畜禽粪便 ， 也有利于降低粪便中的抗生素浓度 匡光伟等 5研究表明 ， 避光条件下 ， 鸡粪中不同浓度的土霉素和金霉素在 15 d内降解幅度都在 10% 以下 ， 而在自
35、然光照条件下 ，降解幅度达到 90%以上 3. 2 在土壤中的降解大量抗生素随着动物粪肥施入土壤而进入到土壤环境中 抗生素在土壤中的降解途径一般为微生物降解 、光降解 、氧化降解等 ， 且主要与它们的化学结构 、土壤温度 、湿度 、通气状况和土壤性质等因素有关 土壤中的抗生素也极易向植物体内富集 ， 富集率可高达万倍以上 54 Halling-Sorensen 等 12研究发现 ， 土霉素在土壤间隙水中发生光解 ， 产生一系列土霉素降解产物 ， 但在降解过程中并非所有的土霉素降解产物都会产生 ， 其中 ， 母体土霉素和差向土霉素含量明显高于其他降解产物 ， 降解产物的半衰期由 2 d( EOT
36、C) 到 270 d( -apo-OTC) 不等 Wang等 55研究表明 ， 土霉素随着土壤环境中的湿度和温度的增加而降解加快 ， 尤其在温度高于 35 时 ， 土霉素降解速率显著加快 ; 在湿度为 20% 时 ， 土霉素在添加粪肥的土壤中的半衰期为 33 d， 而在不添加粪肥的土壤中的半衰期为 56 d， 表明土霉素由动物粪便转移到土壤中 ， 其环境持久性增加 3. 3 在水体中的降解水体上层阳光充足 ， 微生物量丰富 ， 抗生素的各种降解方式都比较容易发生 Loftin 等 22研究了土霉素 、金霉素和四环素在地表水 、地下水和厌氧污水塘等水体中的降解 ， 发现温度和 pH 对其影响显著
37、 ;四环素和金霉素在水体中降解途径主要为差向异构化 ， 该过程为可逆反应 ， 但在试验过程中观察到母体抗生素不断减少 ， 说明差向化不是四环素类抗生素在水体中的降解终点 ; 以金霉素为例 ， 降解产物还有脱水金霉素 、iso-CTC 以及它们的差向异构体 不同抗生素在不同水环境中的降解速率不一 Pouliquen等 56报道了土霉素在 8 、中性 pH 条件下的去离子水 、河流水和海水中的半衰期分别为 59、51 和51 d 郑丽英 23研究发现 ， 金霉素在池塘水中的降解速率远大于井水中的降解速率 ， 温度和 pH 对其影响显著 Doi 等 57研究发现 ， 土霉素在水中的降解速率随温度和光
38、照强度增加而加快 ， 在酸性条件比碱性条件下稳定 抗生素在水体中的浓度往往受4032 应 用 生 态 学 报 23 卷到沉积物的影响 Pouliquen 等 58发现 ， 土霉素在海水养鱼场和养贝场中的降解动力学不同 ， 其平均半衰期分别为 30. 27 和 318. 57 h， 推测土霉素受沉积物与水的交换作用影响较大 4 四环素类抗生素降解产物的毒性效应2001 年 ， 我国湖南省株洲市的一些消费者在服用了 “梅花 K”黄柏胶囊以后 ， 出现恶心 、呕吐和肝肾受损等中毒症状 ， 多人生命垂危 纠其原因为制药厂在生产过程中擅自添加了盐酸四环素 ， 四环素本身就有毒性 ， 过量服用会对人的肝脏
39、和肾脏造成损坏 ， 更为严重的是四环素被加入到黄柏胶囊后发生了降解 ， 产生了差向四环素和差向脱水四环素 ， 它们的毒性远远大于四环素的毒性 其实 ， 早在 1963 年 ， 就有学者发现服用变质的四环素制剂 ( 其中含有 ETC 及 EATC 等降解产物 )能引起范康尼 ( Fanconi) 综合征 ， 即患者出现严重恶心 、呕吐 、糖尿 、蛋白尿及由酸中毒引起的肾水肿等 ，特别是 EATC 的毒性最大 Benitz 等 59研究了 TC、ETC、ATC 和 EATC 对大鼠和狗的毒性效应 ， 结果发现 ， 大鼠口服 EATC 后 24、48、72 h 均观察到明显的肾功能变化 ， 即尿液中
40、出现尿蛋白 、尿糖和细胞残骸 ， 尿液谷丙转氨酶活性明显增大 ， 而服用 TC、ETC、ATC 的大鼠均未观察到上述变化 ; 狗在静脉注射 EATC 后连续呕吐 ， 并且尿液颜色加深 ， 潜隐血呈阳性 ， 注射 4 d 后 ， 这只狗奄奄一息 ， 病理切片观察到肾曲小管病变严重 ， 同样地 ， 静脉注射 TC、ETC、ATC 的狗未观察到上述现象 该研究证明 ， EATC 是唯一能引起与范康尼综合征类似的泌尿症状的物质 孔令如等 60也做过类似的研究 ， 他们对四环素及其脱水物和差向异构体进行了毒性探讨 ， 结果显示 ， 从小白鼠的急性毒性 ( 静脉注射半数致死量 ) 来看 ， 以 ETC 铵
41、盐毒性最大 ; 从小白鼠的亚急性毒性来看 ， 以 EATC 毒性最大 ; 在亚急性试验中 ， 小白鼠尿中出现较多的糖及蛋白质 ， 肾曲小管病变严重 ， 与口服变质四环素后引起的范康尼综合征病症相似 ，故认为 EATC 可能是引起范康尼综合征的主要物质 ; 另外 ， 对小白鼠静脉注射 ETC， 病理切片观察到肾曲小管上皮细胞浆内有蛋白颗粒 ， 但口服给药时却无此现象 ， 推测可能 ETC 在小白鼠体内部分转变为四环素 ， 故不易表现毒性 可以看出 ， 四环素类抗生素的差向异构物在临床上能对动物和人引起强烈的毒性反应 张劲强等 61采用发光菌 ( 费氏弧菌 Vibrio fisch-eri) 的
42、Microtox 急性毒性测试方法 ( 30 min) 比较四环素 、土霉素和金霉素及其相应差向异构体的急性毒性差异 ， 结果显示 ， 与母体药物相比 ， 相应的差向异构体毒性较低 ( EC50值较高 ) ， 其原因在于差向异构化反应后 4 位碳上的二甲胺基形成空间位阻 ， 从而在很大程度上抑制了药物与 30S 核糖体亚基末端的结合 Halling-Sorensen 等 62的研究发现 ， 某些四环素类抗生素的降解产物 ， 尤其是 ATC 和 EATC， 相比母体抗生素 ， 虽然活性有所降低 ， 但对环境中耐药菌和土壤细菌具有一定的杀菌作用 ， 其毒性大于母体抗生素 Jiao 等 63研究了土
43、霉素经光辐射的产物对一种发光细菌 Photobacterium phosphoreum 的毒性效应 ， 发现土霉素经光辐射 240 min 后对该发光细菌的发光抑制率为 47%， 明显高于未经辐射的21% Wu 等 25研究发现 ， 四环素溶液经过臭氧处理后对细菌的毒性发生改变 ， 臭氧处理时间小于20 min， 四环素溶液毒性比臭氧处理前增强 ; 臭氧处理 20 min 后 ， 其毒性与臭氧处理前的溶液相差不大 Khan 等 24发现四环素溶液臭氧化处理 30 min后 ， 其急性毒性降低 分析原因可能为长时间的臭氧处理将四环素完全降解为活性差甚至无活性的产物 ， 导致其毒性降低 李志裕 4
44、3在其专著中提到四环素类抗生素的差向异构体和脱水产物的抗菌活性均减弱或消失 以上研究表明 ， 四环素类抗生素的代谢及降解产物相比母体具有更小的抗菌活性和对动植物更大的细胞毒性 ， 它们对环境生态产生的影响不容忽视 例如 ， 俞文和 42在其专著中提到 ETC 和 EATC 的抗菌活性比 TC 分别低 6 倍以上和 8 倍 ， 而其细胞毒性比 TC 分别大 70 和 200 倍 目前 ， 进入到环境中的四环素类抗生素的有毒降解产物的环境行为和生态风险鲜有报道 ， 此方面内容值得深入研究 5 研究展望综上所述 ， 四环素类抗生素对环境的高污染造成高的生态风险性 ， 已经引起了环境研究者们的广泛关注
45、 64， 其环境行为的研究已经比较深入 ， 然而环境领域对于毒性更大的降解产物的研究尚属空白 我国抗生素的使用量远远高于西方发达国家 ， 因此有必要开展抗生素降解途径以及有毒有害降解产物的环境效应的相关研究 可以从以下几个方面开展相关研究工作 :1) 环境中四环素类抗生素有毒代谢及降解产物的环境行为研究 ， 如吸附 、解吸 、生物有效性等 ， 根50328 期 李伟明等 : 四环素类抗生素降解途径及其主要降解产物研究进展据上述研究结果评价其与母体抗生素环境行为的差异性 2) 环境中四环素类抗生素有毒代谢及降解产物的生态毒理效应研究 ， 并与母体进行比较 ， 评估其生态风险性的强弱 3) 研究四
46、环素类抗生素与有毒代谢及降解产物之间的代谢途径 ， 掌握其主要影响因素 ， 建立相应调控措施 开展抗生素有毒代谢及降解产物的环境行为和生态毒理效应的研究 ， 将更加有利于了解抗生素的生态环境风险性 ， 对于预防抗生素在环境中的进一步污染以及建立安全评价和预警体系 ， 进而保障人民健康 、保护生态环境具有重要的理论和现实意义 同时 ， 通过探讨抗生素在环境中的降解作用来寻求降低环境中抗生素污染的方法 ， 必将成为未来的一个重要研究方向 参考文献 1 He D-C ( 贺德春 ) ， Xu Z-C ( 许振成 ) ， Wu G-Y ( 吴根义 ) ， et al Research on envir
47、onmental behavior oftetracycline antibiotics Progress in Veterinary Medicine( 动物医学进展 ) ， 2011， 32( 4) : 98 102 ( in Chi-nese) 2 Chee-Sanford JC， Mackie RI， Koike S， et al Fate andtransport of antibiotic residues and antibiotic resistancegenes following land application of manure waste Jour-nal of En
48、vironmental Quality， 2009， 38: 1086 1108 3 Wu Q-F ( 吴青峰 ) ， Hong H-L ( 洪汉烈 ) ， Li ZHProgress of research on antibiotic contamination Safetyand Environmental Engineering ( 安全与环境工程 ) ，2010， 17( 2) : 68 72 ( in Chinese) 4 Liu F ( 刘 锋 ) ， Tao R ( 陶 然 ) ， Ying G-G ( 应光国 ) ， et al Advance in environmental fate and ecologi-cal effects of antibiotics Acta
