试述微生物降解抗生素的研究进展

吕文明

身份证号：330182198607234317

试述微生物降解抗生素的研究进展

吕文明

身份证号：330182198607234317

有关抗生素的微生物降解研究逐渐成为热点。本文基于近年来抗生素污染微生物处理方法、抗生素降解功能菌的筛选、降解条件、降解效果和降解机制方面的研究进行了系统的综述，旨在为后续抗生素微生物降解研究提供参考。

微生物；抗生素；降解

近年来，关于抗生素类污染物在水体、沉积物和土壤中被检出的国内外相关报道层出不穷，甚至在蔬菜、奶类和肉类等产品中也发现了抗生素残留。为了解决抗生素污染问题，除了减少抗生素的滥用，如何去除环境体系中残留的抗生素已经成为近年来研究的热点。

1 抗生素的微生物降解

1.1 降解条件和效果

抗生素特异性降解菌的筛选是利用微生物法降解抗生素最重要的部分。研究发现，真菌和细菌均有可能参与抗生素的降解。

1.2 降解机制

微生物作用下抗生素的降解比较复杂，是微生物在特定环境下通过新陈代谢产生酶等物质，直接或者间接修饰改变抗生素的结构从而使其失活的过程。微生物降解抗生素机制的研究主要包括两个方面：一方面是测定降解过程中微生物的代谢产物，通过对微生物代谢组学、基因组学和蛋白质组学的研究来确定微生物对抗生素的降解机理；另一方面是通过对抗生素降解过程中相关降解产物的连续测定，从而推断抗生素结构的连续性变化规律，即降解途径的研究。

1.2.1 降解酶

对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药菌，究其原因是因为这些耐药菌能够产生相应的降解酶，这些酶类进一步通过修饰或水解作用破坏抗生素的分子结构而导致抗生素降解。研究发现抗生素降解酶主要包括以下四大类：β-内酰胺酶、氨基糖苷类修饰酶、大环内酯类钝化酶和氯霉素灭活酶。但是以上主要是针对细菌抗生素耐药性的研究，并没有对这些降解酶的抗生素降解条件及其降解效果进行进一步试验。

1.2.2 降解途径

降解途径作为降解机制研究的重要组成部分，对降解产物的无害化处理起着非常重要的作用。氨基糖苷类修饰酶主要通过修饰氨基糖苷类抗生素的氨基和羟基等官能团来使抗生素失活。目前发现的氨基糖苷类修饰酶比较多，对酶的作用点了解的比较透彻，但是对具体的降解产物了解较少。

在研究影响白腐真菌降解环丙沙星(CIP)和诺氟沙星(NOR)的酶类以及这两种氟喹诺酮类抗生素的降解途径的过程中发现，氟喹诺酮类抗生素在微生物降解酶作用下主要存在三种降解途径：(Ⅰ)哌嗪取代基的氧化；(Ⅱ)单羟基化；(Ⅲ)形成二聚体。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在接种白腐真菌3d后出现，并且很快被代谢掉，这可能是发生了开哌嗪环而形成Cip-4；第3d还检测出了Cip-5和Cip-6，这两种产物都是CIP通过C-C共价作用形成，之后又会发生哌嗪基团的断裂、环丙基的去除和羟基化等代谢作用。在最终的培养基中只检测到了Cip-2、Cip-4和Cip-5，所以白腐真菌对CIP矿化可能还存在其他途径。接种白腐真菌1d后NOR开哌嗪环，在氨基部位添加了羧酸而形成Nor-3，经2~3dNor-3哌嗪取代基上去掉了C2H2而转化成Nor-1，之后Nor-1哌嗪取代基中的C2H4N被NH2取代形成Nor-2。

对于头孢类抗生素的微生物降解机理研究表明，在头孢类的β-内酰胺类抗生素的微生物降解中糠酸基团侧链的断裂，即杂环硫醇侧链C3位置的消除是其降解开始时的一个主要步骤，β-内酰胺环的开环是其再降解的一个主要步骤。例如，在分析蜡样芽胞杆菌P41对头孢噻呋、头孢曲松钠和头孢泊肟降解途径过程中，发现这三种抗生素最主要的代谢产物都是硫代糠酸基团，该基团是β-内酰胺酶水解后从C3位置被消除所得。

利用糙皮侧耳菌在实验室条件下实现了四环素类抗生素OTC的降解，并通过质谱分析发现该菌通过菌丝吸收OTC后再进行降解，推测OTC中的酰胺基转化为乙酰基而成为2-乙酰基-2-去酰胺土霉素(ADOTC)，该种产物比OTC的抗菌性低，具有较高的亲油性，毒性相对较低。

磺胺类抗生素SMX在常温好氧避光条件下可以作为唯一碳源和氮源或者共代谢基质而被活性污泥中两种微生物群落降解。当SMX作为共代谢基质而被异养微生物降解时，其主要产物是3-氨基-5-甲基-异恶口唑(SMX-1)和磺化4-苯胺(SMX-2)，其中前者比较稳定，而后者会继续矿化。当SMX作为唯一的碳源和氮源时，除了以上两种产物外还因氨基被羟基取代而生成羟基-N-(5-甲基-1，2-恶口唑-2-yl)苯-1-磺胺(SMX-3)。

在研究大环内酯类抗生素泰乐菌素的微生物降解机制过程中，发现泰乐菌素降解酶的作用位点不是泰乐菌素的糖苷键和共轭体系，且起降解作用的酶是胞内酶。总之，微生物对抗生素的降解比较复杂，尤其是不同种类抗生素由于结构不同，微生物降解途径会差异很大，概括起来微生物对抗生素的降解途径主要包括羟基化/去羟基化作用、取代基的氧化作用、裂合作用、取代作用、水解作用和基团转移作用等。

2 展望

(1)优化微生物降解抗生素组合工艺，有效利用污泥中的微生物种群资源，提高堆肥效率。(2)研究开发新型高效的污水和废渣处理设备。(3)针对不同的抗生素筛选降解能力强的特异性菌株，或者通过诱导驯化，再筛选出能够降解多种抗生素的菌株。(4)对微生物降解抗生素的机理进行深入研究，从而促进降解菌的无害化。(5)由于降解菌的筛选可能在一定程度上导致耐药基因的扩散，降解菌的试验要尽量在实验室条件下进行，并且加速对降解酶制剂的研制和生产应用。(6)在抗生素降解的基础上，进一步加强对降解产物毒性和再降解的后续研究，最终达到抗生素及其降解产物整体的无害化处理。

[1]世界卫生组织.2014年全球抗生素耐药性评估报告[R].世界卫生组织.2015：103-108.

[2]范卫红.纳滤处理水中抗生素的研究[D].北京：北京化工大学，2012.

[3]陈建发，刘福权.微电解-生物滤池等耦合处理抗生素类混合工业废水[J].现代化工，2014，34(2)：120-125.