呂文明

身份證號(hào)：330182198607234317

試述微生物降解抗生素的研究進(jìn)展

呂文明

身份證號(hào)：330182198607234317

有關(guān)抗生素的微生物降解研究逐漸成為熱點(diǎn)。本文基于近年來(lái)抗生素污染微生物處理方法、抗生素降解功能菌的篩選、降解條件、降解效果和降解機(jī)制方面的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，旨在為后續(xù)抗生素微生物降解研究提供參考。

微生物；抗生素；降解

近年來(lái)，關(guān)于抗生素類污染物在水體、沉積物和土壤中被檢出的國(guó)內(nèi)外相關(guān)報(bào)道層出不窮，甚至在蔬菜、奶類和肉類等產(chǎn)品中也發(fā)現(xiàn)了抗生素殘留。為了解決抗生素污染問(wèn)題，除了減少抗生素的濫用，如何去除環(huán)境體系中殘留的抗生素已經(jīng)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

1 抗生素的微生物降解

1.1 降解條件和效果

抗生素特異性降解菌的篩選是利用微生物法降解抗生素最重要的部分。研究發(fā)現(xiàn)，真菌和細(xì)菌均有可能參與抗生素的降解。

1.2 降解機(jī)制

微生物作用下抗生素的降解比較復(fù)雜，是微生物在特定環(huán)境下通過(guò)新陳代謝產(chǎn)生酶等物質(zhì)，直接或者間接修飾改變抗生素的結(jié)構(gòu)從而使其失活的過(guò)程。微生物降解抗生素機(jī)制的研究主要包括兩個(gè)方面：一方面是測(cè)定降解過(guò)程中微生物的代謝產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)微生物代謝組學(xué)、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的研究來(lái)確定微生物對(duì)抗生素的降解機(jī)理；另一方面是通過(guò)對(duì)抗生素降解過(guò)程中相關(guān)降解產(chǎn)物的連續(xù)測(cè)定，從而推斷抗生素結(jié)構(gòu)的連續(xù)性變化規(guī)律，即降解途徑的研究。

1.2.1 降解酶

對(duì)于抗生素的微生物降解，其中具有降解功能的主要是抗生素的耐藥菌，究其原因是因?yàn)檫@些耐藥菌能夠產(chǎn)生相應(yīng)的降解酶，這些酶類進(jìn)一步通過(guò)修飾或水解作用破壞抗生素的分子結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致抗生素降解。研究發(fā)現(xiàn)抗生素降解酶主要包括以下四大類：β-內(nèi)酰胺酶、氨基糖苷類修飾酶、大環(huán)內(nèi)酯類鈍化酶和氯霉素滅活酶。但是以上主要是針對(duì)細(xì)菌抗生素耐藥性的研究，并沒(méi)有對(duì)這些降解酶的抗生素降解條件及其降解效果進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

1.2.2 降解途徑

降解途徑作為降解機(jī)制研究的重要組成部分，對(duì)降解產(chǎn)物的無(wú)害化處理起著非常重要的作用。氨基糖苷類修飾酶主要通過(guò)修飾氨基糖苷類抗生素的氨基和羥基等官能團(tuán)來(lái)使抗生素失活。目前發(fā)現(xiàn)的氨基糖苷類修飾酶比較多，對(duì)酶的作用點(diǎn)了解的比較透徹，但是對(duì)具體的降解產(chǎn)物了解較少。

在研究影響白腐真菌降解環(huán)丙沙星(CIP)和諾氟沙星(NOR)的酶類以及這兩種氟喹諾酮類抗生素的降解途徑的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，氟喹諾酮類抗生素在微生物降解酶作用下主要存在三種降解途徑：(Ⅰ)哌嗪取代基的氧化；(Ⅱ)單羥基化；(Ⅲ)形成二聚體。CIP哌嗪取代基上去掉了C2H2而形成了Cip-1；Cip-1哌嗪取代基中的C2H4N被CH4N取代，形成Cip-2；Cip-3在接種白腐真菌3d后出現(xiàn)，并且很快被代謝掉，這可能是發(fā)生了開(kāi)哌嗪環(huán)而形成Cip-4；第3d還檢測(cè)出了Cip-5和Cip-6，這兩種產(chǎn)物都是CIP通過(guò)C-C共價(jià)作用形成，之后又會(huì)發(fā)生哌嗪基團(tuán)的斷裂、環(huán)丙基的去除和羥基化等代謝作用。在最終的培養(yǎng)基中只檢測(cè)到了Cip-2、Cip-4和Cip-5，所以白腐真菌對(duì)CIP礦化可能還存在其他途徑。接種白腐真菌1d后NOR開(kāi)哌嗪環(huán)，在氨基部位添加了羧酸而形成Nor-3，經(jīng)2~3dNor-3哌嗪取代基上去掉了C2H2而轉(zhuǎn)化成Nor-1，之后Nor-1哌嗪取代基中的C2H4N被NH2取代形成Nor-2。

對(duì)于頭孢類抗生素的微生物降解機(jī)理研究表明，在頭孢類的β-內(nèi)酰胺類抗生素的微生物降解中糠酸基團(tuán)側(cè)鏈的斷裂，即雜環(huán)硫醇側(cè)鏈C3位置的消除是其降解開(kāi)始時(shí)的一個(gè)主要步驟，β-內(nèi)酰胺環(huán)的開(kāi)環(huán)是其再降解的一個(gè)主要步驟。例如，在分析蠟樣芽胞桿菌P41對(duì)頭孢噻呋、頭孢曲松鈉和頭孢泊肟降解途徑過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)這三種抗生素最主要的代謝產(chǎn)物都是硫代糠酸基團(tuán)，該基團(tuán)是β-內(nèi)酰胺酶水解后從C3位置被消除所得。

利用糙皮側(cè)耳菌在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了四環(huán)素類抗生素OTC的降解，并通過(guò)質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)該菌通過(guò)菌絲吸收OTC后再進(jìn)行降解，推測(cè)OTC中的酰胺基轉(zhuǎn)化為乙?；蔀?-乙?；?2-去酰胺土霉素(ADOTC)，該種產(chǎn)物比OTC的抗菌性低，具有較高的親油性，毒性相對(duì)較低。

磺胺類抗生素SMX在常溫好氧避光條件下可以作為唯一碳源和氮源或者共代謝基質(zhì)而被活性污泥中兩種微生物群落降解。當(dāng)SMX作為共代謝基質(zhì)而被異養(yǎng)微生物降解時(shí)，其主要產(chǎn)物是3-氨基-5-甲基-異惡口唑(SMX-1)和磺化4-苯胺(SMX-2)，其中前者比較穩(wěn)定，而后者會(huì)繼續(xù)礦化。當(dāng)SMX作為唯一的碳源和氮源時(shí)，除了以上兩種產(chǎn)物外還因氨基被羥基取代而生成羥基-N-(5-甲基-1，2-惡口唑-2-yl)苯-1-磺胺(SMX-3)。

在研究大環(huán)內(nèi)酯類抗生素泰樂(lè)菌素的微生物降解機(jī)制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)泰樂(lè)菌素降解酶的作用位點(diǎn)不是泰樂(lè)菌素的糖苷鍵和共軛體系，且起降解作用的酶是胞內(nèi)酶?？傊?，微生物對(duì)抗生素的降解比較復(fù)雜，尤其是不同種類抗生素由于結(jié)構(gòu)不同，微生物降解途徑會(huì)差異很大，概括起來(lái)微生物對(duì)抗生素的降解途徑主要包括羥基化/去羥基化作用、取代基的氧化作用、裂合作用、取代作用、水解作用和基團(tuán)轉(zhuǎn)移作用等。

2 展望

(1)優(yōu)化微生物降解抗生素組合工藝，有效利用污泥中的微生物種群資源，提高堆肥效率。(2)研究開(kāi)發(fā)新型高效的污水和廢渣處理設(shè)備。(3)針對(duì)不同的抗生素篩選降解能力強(qiáng)的特異性菌株，或者通過(guò)誘導(dǎo)馴化，再篩選出能夠降解多種抗生素的菌株。(4)對(duì)微生物降解抗生素的機(jī)理進(jìn)行深入研究，從而促進(jìn)降解菌的無(wú)害化。(5)由于降解菌的篩選可能在一定程度上導(dǎo)致耐藥基因的擴(kuò)散，降解菌的試驗(yàn)要盡量在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，并且加速對(duì)降解酶制劑的研制和生產(chǎn)應(yīng)用。(6)在抗生素降解的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)降解產(chǎn)物毒性和再降解的后續(xù)研究，最終達(dá)到抗生素及其降解產(chǎn)物整體的無(wú)害化處理。

[1]世界衛(wèi)生組織.2014年全球抗生素耐藥性評(píng)估報(bào)告[R].世界衛(wèi)生組織.2015：103-108.

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[3]陳建發(fā)，劉福權(quán).微電解-生物濾池等耦合處理抗生素類混合工業(yè)廢水[J].現(xiàn)代化工，2014，34(2)：120-125.