2016年第1l卷 生 态 毒 理 学 报 Vo1.11.20l6 第6期,44—52 Asian Joumal of Ecotoxicology No.6.44—52 DOI:10.7524/AJE.1673—5897.20160224001 张杏艳,陈中华,邓海明,等.水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展[J].生态毒理学报,2016,11(6):44-52 Zhang X Chen Z H,Deng H M,et a1.A review on degradation and elimination of tetracycline antibiotics in water environment[J].Asina Journal of Ecotoxicology,2016,1 1(6):44—52(in Chinese) 水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展 张杏艳,陈中华,邓海明,杨楷,龚胜,卢文学,蓝海恩 广西壮族自治区畜牧研究所,南宁530001 收稿日期:2016—02—24 录用日期:2016—05—13 摘要:四环素类抗生素是治疗与预防人类和动物疾病及细菌感染的一类广谱抗菌药。在畜牧养殖中,四环素类抗生素做为疾 病治疗药物和促生长剂应用广泛,使用量巨大。本文综述了四环素类抗生素在水环境中的污染现状及其在水中的降解和去 除研究进展。 关键词:四环素;抗生素;生态毒理;污染现状;降解;去除 文章编号:1673—5897(2016)6-044—09 中图分类号:X171.5 文献标识码:A A Review on Degradation and Elimination of Tetracycline Antibiotics in Water Environment Zhang Xingyan,Chen Zhonghua,Deng Haiming,Yang Kai,Gong Sheng,Lu Wenxue,Lan Haien Guangxi Institute of Animal Husbandry,Nanning 530001,China Received 24 February 2016 accepted 13 May 2016 Abstract:Tetracycline antibiotics(TCs)are the broad-spectrum antibacterial drugs which prevent human and live- stock bacterial infection and rteat their disease.TCs are widely used in livestock and poultry culture industry as dis- ease rteatment drugs and growth promoter,and the amount of TCs consumed is enorlTlOUS.The polhtion status of TCs in water environment,and theft degradation and elimination methods are summarized in this article. Keywords:tetracycline;antibiotics;pollution status;degradation and elimination;ecotoxicology 四环素类抗生素(tetracyclnie antibiotics,TCs)是 用量就高达71 900 t,比美国整个TCs总的年使用 一类具有并四苯结构的广谱抗生素(图1),主要包括 量要高22倍[21。2013年我国TCs的使用量为 金霉素(chlotetracycline,CTC)、土霉素(oxytetracy. 12 000 t,是英国整个抗生素总使用量的11倍 。 cline,OTC)、四环素(tetracyclnie,TET)及强力霉素 抗生素摄人体内后很难被消化系统吸收,大多数抗 (doxycycline,DOC)等。TCs可抑制肠道细菌繁殖, 生素以原药形式随粪便和尿液排出体外 ,如TCs 促进牲畜生长,60年代后被作为饲料添加剂在我国 排泄率达69%~86%f5】。而将动物粪便还田在中国 广泛应用 】。我国缺乏完善的兽药抗生素使用监控 是非常普遍的做法。经测算,2011年中国排放到环 系统,TCs滥用情况普遍。2010年我国仅CTC的使 境中的畜禽粪便达21.21亿t,预计到2020年和 基金项目:广西壮族自治区畜牧总站项目(A0287 201605813) 作者简介:张杏艳(1986.),女,硕士,研究方向为畜牧养殖环境质量及生态毒理学,E—mail:zhangxingyan.06@163.com 通讯作者(Corresponding author),E—mail:Ihe.0504@1 63.tom 第6期 张杏艳等:水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展 45 2030年中国畜禽粪便的排放量将分别达到28.75亿 t和37.43亿t[6]。这些畜禽粪便多有TCs残留,如猪 粪中,OTC、TET、CTC平均含量分别为9.09、5.22、 3.57 mg・kg [7】。TCs水溶性较好,易随畜禽粪便还 0 田进人土壤并最终进入地表水体。在一些养殖场的 周围水体中,TCs含量可达到异常高的水平[8 ]。目 前,我国尚无抗生素环境标准,而抗生素可能导致生 物毒性和致病菌产生抗药性基因等环境风险【m】,抗 生素环境污染已引起人们的高度关注。本文综述了 TCs在水体中的污染现状,降解及去除的研究进展。 图1四环素类抗生素(TCs)的分子结构 Fig.1 The molecular structure ofthe tetracycline antibiotics frcs) 表1水体中TCs的浓度 lble 1 The concen ̄mions of TCs in water environment 注:OTC、TET、DOC、CTC表示土霉素、四环素、强力霉素和金霉素。 Note:OTC,TEL DOC and CTC mean oxytetracycline,tetracycline,doxycycline,and chlotetracycline 生 态 毒 理 学 报 第11卷 点中,CTC、OTC、TET、DOC的检出率已达到91%、 1水体中TCs的污染(The pollution status of TCs in water environment) 91%、93%、64%[1 。2015年TCs在全国58个流域 的预测平均浓度在几到几十ng・L。之间,全国超一 TCs为酸碱两性物质。且其盐酸盐性质较稳 定 “】。TCs盐酸盐在水溶液中溶解度较大【 ],因此, 随粪便施用进入到环境的中TCs很容易随雨水进 入到水体.水体也最先受到TCs的污染。 TCs在不同水体中的浓度与其特性和来源有关, 猪场等养殖废水中TCs残留量最高,可达mg・L 级 别,畜禽养殖排污口及周边水体次之,在几到几十 g ・半的水域受抗生素的污染,东部流域抗生素污染比 西部流域严重,北方流域和南方流域抗生素污染最 严重的是海河和珠江,其抗生素环境预测浓度比雅 鲁藏布江等西部流域高出几十倍p]。 2 TCs在环境中的降解(The degradation of TCs in environment) L。级别,而地表水多在l0 g・L。以下(表1)。而地 TCs在不同环境介质和条件下降解的半衰期差 下水和饮用水源也已检测到OTC和TET的存在,浓 度分别为0.0086 Ixg・L。和0.0036 Ixg・L [13]。 TCs除浓度不断增长之外.影响范围也在不断 扩大。2010年江苏27个规模化养殖场排水口和周 围环境53个水体样品中,OTC、CTC、TET和DOC 别很大(表2),短则几小时,长可超过160 d。TCs在 环境中主要发生非生物降解和生物降解,其中,非生 物降解包括光降解、氧化降解、水解,生物降解包括 微生物降解和植物降解。 2.1光降解 的检出率分别为60.4%、60.4%、34.0%和17.0%【14】。 2014年北京温榆河2 478 km。流域面积62个采样 光降解反应是指分子吸收光能变成激发态从而 引发各种反应,抗生素直接吸收光子而引发的光反应 表2 TCs在不同环境介质及条件下降解的半衰期 Tlable 2 Half-life of TCs in di虢rent environmental media and condition 第6期 张杏艳等:水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展 47 称为直接光降解,在吸光物质(光敏剂1的诱导下发 生的反应称为间接光降解【24】。抗生素能否发生光降 解决定于其分子结构,TCs分子中含有酰氨基 (CONH,).c—N键在光降解反应中易断裂生成脱氨 中引人亚铁离子,在光照产生的超氧自由基作用下 CTC与亚铁络合脱除2个氢生成产物(532=479+ 56-2),亚铁离子的引人使得CTC的氧化降解达到 60%~94%【40】。而强氧化剂臭氧的氧化能力极强. 基类物质 】。TCs直接光降解效率较低。1 h自然光 和紫外光照射下OTC降解率仅为27.2%和 73.2%[26】而强光敏剂则能加速TCs发生光降解 , ,可对双键、芳香族化合物、杂环化合物、胺等化合物 直接氧化或分解生成羟基自由基 ] 臭氧对TCs 的氧化机理为先对C1 la.C12和C2.C3两个双键、 TCs在环境中也以间接光降解为主。光敏剂在自然 芳香环和氨基进行氧化,产生质核比为461、477、 界中广泛存在,如腐殖质、维生素B,、NO;、Fe抖、 Fe 、NaCI、TiO,等都是强光敏物质。光敏剂作为光 能的载体,可以改变化合物的光稳定性,加速光解。 如TiO,能够快速提高TCs的光降解速率,在仅用紫 外光、可见光、长波紫外光照射下,TET水溶液几乎 观察不到TET的降解.而加入0.5 g・L 的TiO,后, 在这3种光照下TET分别在10、2O和120 min后降 解了50%[28]。若同时加入TiO,和ZnO,在太阳光和 汞灯的照射下,30 min后TET的去除率可达到 80%f29】。TCs主要吸附在TiO,表面发生光催化氧 化反应,该光降解反应符合一级反应动力学方程,吸 附过程为整个光降解的控制步骤p。】。环境中TCs 的光降解受pH的影响很大。TCs的分子结构具有 多个可离解的官能团,在不同pH条件下形态不同, 且其负离子形态稳定性较差,更易吸收光子而发生 光降解反应.TCs的光降解随pH的增大而增强,碱 性条件更有利于TCs的光降解【3】l。氧自由基是影 响TCs光降解的另外一个重要因素,TCs通过基态 电子转移产生阴离子自由基(I ・)及超阴离子自由 基O;・,同时激发三重态3RF・将能量传递给溶解氧 产生 O,,多个研究证明.几乎所有的TCs都可以与 水体中 O,和O;・发生光降解反应『3 。此外,TCs的 光降解还受光照强度、光照时间、初始浓度、离子强 度的影响口 。光降解反应迅速,去除效率高,但在实 际应用中,制作大面积的紫外光等光源难度较大,添 加的光敏剂也有可能带来副作用。光源的制作及控 制,无副作用的光敏剂及多组分组合以应对复杂的 废水条件是未来研究的重点。 2.2氧化降解 TCs在电、强氧化剂的作用下会发生氧化降解。 电化学氧化降解对CTC的去除效率为40%~50%, 其降解机理在于在酸性体系中,CTC分子结构中的 苯环受到羟基自由基的进攻而活化并逐步降解,而 在中性和碱性体系中,CTC则在羟基自由基和超氧 自由基的共同作用下降解;若在pH=3的电解体系 509和416的化合物,再进一步氧化至产生质核比 为432、480、448、525和496的化合物,臭氧的强氧 化作用对TCs的降解效率非常高.只需臭氧处理4 ~6 min,TET就可以完全去除『42],如,20 mg・L 的 TET经过5 min臭氧处理就可以完全降解 。水中 TET的氧化降解受pH、臭氧浓度、臭氧流速的影响 显著,且TET的降解随pH、臭氧浓度、臭氧流速的 升高而增强 。臭氧在增大OTC生物可降解性的 同时,还能减少其对活性污泥细菌的毒性 】。高铁 酸钾(Fe(VI))对TET的氧化降解受pH和Fe(VI)浓 度的影响较大,其降解效率取决于pH和初始Fe(VI) 浓度 ]。氧化降解法处理的效率高。反应速度快,使 用范围广泛,但处理费用比较高,反应器复杂,反应 条件严格还有会副产物产生。 2.3水解 水解是TCs在水环境中降解的主要途径 。 TCs分子中含有酚羟基、烯醇和二甲氨基等多个功 能团,在酸性条件下C.6羟基和C.5上的氢正好处 于反式构型,易发生消除反应,生成无活性橙黄色脱 水物,而C.4二甲氨基易发生可逆的差向异构化反 应,在碱性条件下TCs可生成具有内酯结构的异构 体。此外,OTC由于存在c.5羟基与C.4二甲氨基 之问形成的氢键,4位的差向异构化比TET难,而 CTC由于C.7氯原子的空间排斥作用.使4位异构 化反应比TET更容易发生。TCs在水体中降解途 径主要为差向异构化,不过差向化还不是TCs在水 体中的降解终点,如CTC水解产物就有de.CTC、 iso-CTC以及它们的差向异构体。TCs的水解受pH 和温度的影响较大,在TCs降解速率随pH和温度 的升高而升高,而离子强度对TCs的水解则无明显 影响_3 ]。水解的过程比较长且效果有限,在实际 应用中多作为辅助手段使用。 2.4微生物降解 微生物可以改变抗生素的结构和理化性质,将 抗生素从大分子化合物降解成小分子化合物,直至 生 态 毒 理 学 报 第11卷 转变成H,O和CO,。在抗生素的生物降解中,耐药 效率分别为65%~75%和62%【5 。大漂和风眼莲 对水中TCs也具有清除作用,凤眼莲在抗生素浓度 <2.5 mg・L 的污水中对TCs的去除效率可达 细菌的作用最大,耐药菌可直接破坏和修饰抗生素 而使其失活,光合菌、发酵丝状菌、芽孢杆菌、枯草杆 菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌、硝化细菌、酵母均具有 抗生素降解功能 】。耐药菌对TCs的降解机制大 80%.且凤眼莲去除水中盐酸金霉素与盐酸土霉素 的效果优于大漂[56】。水生蔬菜也可去除水环境中的 TCs,且受季节变化影响比较大,在夏季,水芹过滤 床系统对TCs的去除效率明显高于空心菜滤床系 统,其对TCs的去除效率分别为71.83%和33.28%, 但在冬季.2组水生植物滤床系统对TCs的去除效 率差异不显著 。植物降解法无需添加化学试剂, 也不会造成二次污染,且成本低,处理效果好,不足 概有3种:①水解.TCs含有酰胺键等易水解的敏感 化学键,耐药菌通过酶消除这些化学键而使TCs失 去活性:②乙酰转移,耐药菌通过对TCs羟基或酰 胺基等活泼基团的共价修饰导致其失去靶点结合能 力而使其失活,乙酰转移是细菌使抗生素失活的常 用机制:③氧化还原机制,TET可被耐药性酶TetX 氧化。研究表明,在猪粪中添加外源微生物可以提 高猪粪中TCs的降解,且外源微生物对TCs的降解 率为:CTC>OTC>TET[501。在堆肥中添加外源复 合菌系之后,CTC的降解率可提高20%【5l】。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TET和OTC有很强的降解能力[5 .53].谷胱甘肽 硫转移酶可将60%~70%的抗生素转变为对微生物 之处在于植物降解法占用的土地面积比较大,人工 湿地多为地表潜流,在处理过程中偶尔会产生臭味。 植物降解法更适用于处理城镇周边及规模化养殖场 氧化塘废水中的抗生素。 3水环境中TCs的去除(The elimination of TCs in environment) 没有毒性的成分 】。微生物降解法高效无污染,其 难点在于微生物菌株的筛选及复合菌种组合条件的 控制.微生物降解法在堆肥及废水处理过程中应用 广泛。 2.5植物降解 综上所述,TCs在环境中可通过多种降解反应 去除,污水处理厂处理工艺综合了多种降解反应,是 目前去除环境中TCs的最主要的方式。 污水处理厂对TCs总的去除效率为18%~ 100%,其中对CTC的去除效率为18%~47%,对 TET和OTC的去除效率为100%,污水处理厂对 TCs的去除主要发生在初级阶段(格栅、曝气、初级 植物可通过直接吸收或根系分泌物以及根系微 生物转化对抗生素进行降解。研究表明,CTC可被 植物直接吸收 ]。植物修复可能是实际修复抗生素 污染的水体的最可行的方法。植物修复最常见的做 法就是人工湿地修复系统和水生植物浮床。水烛和 芦苇是常见的水生植物,对TCs具有很好的去除效 果,在以水烛、芦苇构建的人工湿地对DOC的去除 沉淀),初级阶段对OTC的去除率超过60%【58]。不 同的污水处理工艺对TCs的去除效率差别很大.见表 3。活性污泥工艺是废水中TCs去除的主要途径[59]。 活性污泥对TCs的去除机制以吸附作用为主,除对 CTC产生少量的生物降解外.对OTC和TET则几 表3不同污水处理工艺对TCs的去除效率 Table 3 Removal eficiency of TCs by diffferent wastewater treatment process 第6期 张杏艳等:水环境中四环素类抗生素降解及去除研究进展 49 乎不产生生物降解,活性污泥对TCs去除率的大小 顺序为:OTC>TET>CTC:并随着pH值的增大, 活性污泥对3种抗生素的吸附量均逐渐减小,且在 同一pH值条件下的去除率大小始终为:OTC> TET>CTCt6O ̄。A /0工艺主要通过生物降解和吸 附作用去除TCs,其吸附作用对TET、OTC、CTC的 去除贡献分别为29%、38%、39%,生物降解为 21%、22%、47%[61J,A /0工艺对TCs的去除能力高 于活性污泥工艺。反渗透、活性炭、臭氧等这些污水 处理技术对抗生素有明显的降低和消除作用 ,然 而这些技术在污水处理厂却很少配备。污水处理工 艺对TCs的去除效率受污泥停留时间、水力停留时 间、温度、pH值、钙镁离子浓度、微生物总量和细菌 耐受性的影响。 活性污泥法处理能力高.出水水质好.但运行成 本高,能量消耗大,管理复杂且有污泥膨胀问题;膜 生物反应器运行稳定,可封闭运转,无臭,能耗低,但 成本高,生物膜片容易脱落,影响出水水质;氧化法 反应速度快,适用范围广,效率高,但处理费用较高, 反应条件复杂。 4展望f Prospect) 综上所述.我国TCs的使用量巨大,TCs的污染 有越演愈烈的趋势。虽然人们对TCs的污染和降 解途径做了大量的研究,但仍然有许多问题尚待解 决,如: (1)TCs在局部和较短时间内的环境浓度比较 容易测定,但其在环境中的迁移转化过程复杂,目前 缺乏精准的可大范围长时间预测TCs环境浓度的 模型,TCs剩余的环境容量需进一步确定,我国也还 没有TCs的环境质量标准和排放标准。 (2)TCs的降解途径多样,但在实际应用中对 TCs的去除有限或成本较高。微生物去除法受限于 微生物对TCs的耐受性。高效、简便、安全、经济的 多组合方式去除TCs有待进一步研究。 (3)TCs畜牧养殖来源量最大,然而我国普遍 缺乏处理TCs的基础设施,各种小型的,适用于规 模化养殖厂和小养殖户的TCs去除方法和设备亟 待开发和研究。 致谢:感谢海南大学环境科学系副教授葛成军在文章修改中 给予的帮助。 通讯作者简介:蓝海, ̄(1969-),男,高级畜牧师,主要从事养 猪及养殖技术研究工作,共发表论文20余篇。 参考文献(References): [1]池振兴.四环素类污染物毒性的微观机制研究[D].济 南:山东大学,2012:1.4 Chi Z X.Investigation on the 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