抗生素恩诺沙星在渔业中的研究进展

黄铢玉，方龙香，宋 超，范立民，孟顺龙,，裘丽萍，陈家长,

（1南京农业大学无锡渔业学院，江苏无锡214081；2中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，江苏无锡214081；3农业农村部水产品质量安全环境因子风险评估实验室（无锡），江苏无锡214081；4农业农村部水产品质量安全控制重点实验室，北京100000）

0 引言

中国是水产品生产和出口大国。自改革开放以来，中国的水产处于持续增长的水平，获得了举世瞩目的成就。近年来，为了获得高效益，养殖业不断向集约化方向发展。养殖密度和投饵量的增加，导致养殖水体中排泄物以及残饵的堆积，使得水质恶化，破坏了养殖水环境，进而诱发了各种鱼类疾病。鱼病的大规模发生，不但会造成养殖产量的下降，而且也会使水产品的品质受到威胁，间接对人类的健康造成潜在的危险，严重影响到了中国水产养殖业的发展[1]。因此，为了保障养殖户的利益，有效防治各种鱼类病害，使用渔药成为了防止疾病的重要措施之一[2]。为了预防和控制鱼病，渔药迅速发展起来。其中使用最多的就是抗生素类渔药，占了其中的2/3[3]。抗生素(Antibiotics)是生物体（包括细菌、真菌、放线菌、动物、植物等）在生命活动过程中产生的一种次生代谢产物或其人工衍生物，它们能在极低浓度时抑制或影响其他生物的生命活动，是一种重要的化学治疗剂[4]。抗生素的种类很多，根据化学结构的差异，可将水产养殖用抗生素分为氨基糖苷类、四环素类、酰胺醇类等[5]。人工合成的抗菌药包括磺胺类药类、喹诺酮类药物。

水产养殖过程中，抗生素作为一种有效防治细菌的药物，对畜牧业和水产养殖业以及人体健康都有一定的积极作用。虽然抗生素在防治鱼类疾病上的作用毋庸置疑，但是抗生素使用的不规范和不科学，导致其在环境中大量残留，对水生态环境造成一定程度的伤害，现已经成为环境中一种新型的污染物之一[6]。水产养殖过程中使用的抗生素只有少部分被机体吸收，大部分都是以药物原形进入水环境。抗生素极易富集在底泥中，对水环境造成长期循环的污染，并且残留在水环境中的抗生素也会进入水生动物体内从而间接进入人体内，危及人类健康[6]。

喹诺酮类抗菌药物中的恩诺沙星，是第一个动物专用的抗生素。它由于具有抗菌谱广、抗菌活性强、给药方便、与常用的抗菌药物无交叉耐药性等特点，成为水产养殖过程中病害防治使用最广泛的药物。但是近年来，养殖模式的不合理以及缺少相应的科学指导，导致养殖户们在养殖过程中常常滥用渔药，并且恩诺沙星及其它的代谢产物环丙沙星的代谢缓慢，它在水产品中的的残留、耐药性的增强、对环境的生态效应以及通过食物链影响人类健康等问题已经引起广泛的关注[7]。所以，关于恩诺沙星安全合理的使用以及它的药物残留的检测变得尤为重要。目前恩诺沙星药物残留检测的方法主要包括高效液相色谱法(HPLC)、高效液相色谱-质谱联用法(HPLC-MS)、酶联免疫吸附测定法、荧光光度法等[8-11]。祝颖[12]通过建立了UPLC-MS/MS分析方法来检测水产品中喹诺酮类药物的残留，旨在利用该分析方法高速、高灵敏度的特点，实现对水产品中该类药物多组分的快速检测。张展等[13]通过建立高效液相色谱-荧光检测法(HPLC-FLD)来检测鸡蛋中的氟喹诺酮类药物（恩诺沙星、环丙沙星等），结果发现恩诺沙星和环丙沙星的线性范围在5～500 μg/kg，定量限为10 μg/kg，回收率在85.77%～89.46%。赵秋伶等[14]通过研制适用于检测动物源性食品中恩诺沙星残留的竞争取代酶联适配体分析试剂盒，用核酸适配体来替代传统抗体检测发展方法，从而进一步提高恩诺沙星残留检测的灵敏度，为恩诺沙星的残留检测提供了一种新的思路。

近年来，有相关文献报道了恩诺沙星在斑点叉尾鮰[15]、吉富罗非鱼[16]、日本鳗鲡[17]、大菱鲆[18]等鱼类体内的药物代谢规律，研究发现，不同的鱼体内的药物代谢存在差异，因此不同的品种要做针对性的研究。美国食品药品监督管理局(FDA)已经明令禁止恩诺沙星应用于可食用动物的养殖过程中[19]，说明了恩诺沙星在生物体内的富集现象和代谢已经引起广泛的关注和研究。

为了减少药物残留对水环境、水生生物以及对人类健康的影响，本综述通过研究恩诺沙星及其代谢产物环丙沙星的相关性质，以及它们在渔业水体中的迁移转化的规律，为减少它的药物残留提供一定的理论依据。为了响应国家提倡的“高效、优质、生态、健康、安全”的渔业绿色可持续发展的目标，必须科学合理的指导养殖户使用抗生素，从而促进渔业的绿色可持续发展，保护生态环境。

1 恩诺沙星的研究概况

1.1 结构和性质

恩诺沙星(Enrofloxacin，ENR)是第三代喹诺酮类抗菌药物，又名乙基环丙沙星、恩氟沙星。它的化学式是1-环丙基-7-（4-乙基-1-哌嗪基）-6-氟-1，4-二氢-4-氧代-3-喹啉羧酸，分子式是C19H22FN3O3，其分子结构如图1。它是一种微黄色或者类白色结晶性粉状物体，无臭，味微苦，易溶于碱性溶液如氢氧化钠、盐酸以及甲醇等有机溶剂中，在甲醇和水中微溶，在乙醇中不溶，遇光色渐变成橙红色[20]。它能和细菌DNA回旋酶亚基A结合，对酶的切割和连接功能产生抑制作用，从而阻止了细菌DNA 的复制，达到抗菌的目的[21-22]。对革兰氏阴性菌有很强的杀灭作用，对革兰氏阳性菌也有良好的抑制作用。目前恩诺沙星已被广泛应用于水产养殖业，主要用于水产养殖过程中细菌性疾病和支原体感染的治疗。喹诺酮结构的第6位引入了一个氟原子就形成了恩诺沙星，从而增强了细菌靶位和药物的亲和力，并扩大了抗菌谱；1位上的环丙基能促进药物的组织渗透性[23-24]。恩诺沙星通过在动物体内代谢转化为环丙沙星来发挥抗菌活性。大量实验证实，恩诺沙星对细菌、支原体等引起的疾病疗效一般要优于环丙沙星、诺氟沙星及抗生素类药[25]。

图1 恩诺沙星的化学结构式

环丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)是恩诺沙星在机体内起作用的主要活性成分（恩诺沙星在代谢过程中脱去一个乙基形成环丙沙星）。它的分子结构如图2，化学式为1-环丙烷基-6-氟-1,4-二氢-4-氧代-7-（1-哌嗪基）-3-喹啉羧酸，分子式为C17H18FN3O3，分子量为331.35。它是白色或类白色结晶性粉末，熔点为255℃～257℃。

图2 环丙沙星的化学结构式

环丙沙星是一个典型的两性化合物，因其结构的特殊性，它的C-3位为羧基，C-7位为哌嗪基。因此，环丙沙星的酸碱度极易受到溶液浓度变化的影响。在加热的情况下，CIP 的C-3 的羧基极易脱落；在光照条件下也会降解[26-27]；它还能和许多金属离子形成络合物。

就目前的研究来看，恩诺沙星的主要代谢产物是环丙沙星，后者具有抑菌活性[28]。在水产养殖过程中环丙沙星曾常被用来防治水生动物细菌性感染疾病，由于环丙沙星易在水产动物组织、器官及可食性产品中蓄积，且能随食物链进行传递，威胁消费者的身体健康，甚至诱导人类致病菌对其产生耐药性；同时在水产养殖的用药过程中，相当一部分药物以原形或是代谢物的形式经排泄物进入环境，威胁公共卫生安全。2002年中国将环丙沙星列为水产养殖禁用药物[29]。

1.2 恩诺沙星在水产动物体内的药物动力代谢研究

相较于畜禽动物，恩诺沙星在水产动物体内的药物学研究还不够完整，关于水产动物机体的代谢种类和途径仍需要继续研究，药物在其机体内的吸收、分布、代谢和消除过程相对复杂。

梁俊平等[30]通过肌肉注射和口灌给药这两种方式，发现恩诺沙星在大菱鲆(Scophthalmus maximus)体内的药物动力学特征相同，均符合一级吸收二室开发模型。肌肉注射后的吸收半衰期为t1/2ka=0.027 h，达峰时间为Tmax=0.5 h，分布半衰期t1/2a=0.987 h，消除半衰期t1/2β=68.003 h，均小于口灌给药，然而Cmax=21.7172 μg/mL和F=88.57%大于口灌。由此可以推断出，给大菱鲆肌肉注射药物时，恩诺沙星的吸收和分布均快于口灌，并且吸收更完全。

方星星等[31]通过对中国对虾(Fenneropenaeus chinensis)体内的药物学研究发现，(22.5±1)℃的温度下，用10 mg/kg 的恩诺沙星剂量注射对虾的肌肉，检测到血液中的恩诺沙星浓度即刻到达峰值，向组织内迅速扩散分布，符合一级吸收二室模型。

大量研究表明，进入水产动物体内的恩诺沙星大都以原药排出体外，主要代谢产物仍然是环丙沙星，含量仅2%～5%[32-34]。房文红等[35]给锯缘青蟹一次性口灌药物后，利用电喷雾离子阱质谱法发现，恩诺沙星98.56%，恩诺沙星羟基化代谢产物0.18%，加氧恩诺沙星0.09%，环丙沙星1.17%。

2 恩诺沙星在养殖环境中对水生生物的影响

抗生素在水产养殖过程中被用于病害的防治。但是投放到水体中的抗生素只有少部分被机体利用，大部分未被吸收和残留在水体中的抗生素最后都会作用于水生环境，对生态环境造成影响。水生生态环境遭到破坏必然会影响到整个生态系统[36]。恩诺沙星有一定的亲脂性，极易在生物体内富集，最终影响人类健康。

2.1 恩诺沙星对浮游植物的影响

藻类是水生生态环境的初级生产者，它的种类和初级生产量都会直接影响到整个水生态环境的结构和功能，所以成为评价水环境质量的重要指标[37]。但是目前关于喹诺酮类药物对藻类毒性这方面的研究不多。Migilore[38]及杨弯弯等[39]发现水草不仅能吸附喹诺酮类抗生素，而且它的生长也受到了药物的影响，浓度越高作用越明显，对水草的毒性越强，水草的吸附能力也越强。随着药物的投入，金鱼藻可以快速吸附药物饲料、排泄物以及喹诺酮类药物。杨弯弯等[39]研究发现恩诺沙星能阻碍铜绿微囊藻进行光合作用，从而抑制可溶性蛋白合成，影响铜绿微囊藻的正常生长。

2.2 恩诺沙星对微生物的影响

恩诺沙星在较低浓度的条件下可以在水体中持续一段时间，虽然对水体微生物的数量没有显著的影响，但是长时间的接触，也会对微生物产生影响。王加龙等[40]将不同浓度的恩诺沙星作用土壤后，对其中的细菌、放线菌和真菌的群落结果进行研究分析发现，细菌受恩诺沙星的影响最大，影响最小的是真菌；这种影响效果会随着药物浓度的增加而增强。他还发现，高浓度的恩诺沙星会对土壤的硝化作用、呼吸作用和氨化作用产生不同程度的抑制作用，可能会影响到土壤的某些特性和一些生态过程[40]。马驿等[41]利用BIOLOG检测法来分析不同浓度条件下的恩诺沙星对微生物群落特征的影响，发现恩诺沙星的浓度≥0.1 μg/g可以降低土壤微生物群落的多样性和丰富度，并且浓度越高，微生物受到的影响越大。

3 恩诺沙星及其代谢产物的消除途径

由于恩诺沙星在水产动物防治病害上的作用，使得它大量的应用于水产养殖业。给养殖动物用药后，只有少部分的恩诺沙星会被机体利用，大部分的恩诺沙星会以各种形式被排出体外，经过各种途径，最终进入生态环境。进入水体的恩诺沙星，会在光照、酸碱度、有机物、无机物等各种条件下发生各种反应，有些会进入底泥。恩诺沙星的消除途径有水解、水体颗粒物吸附沉降、底泥吸附、生物降解、生物富集等多种。其中，恩诺沙星降解的主要途径是光降解[42]。

不同的抗生素的吸附能力也不同，吸附能力与土壤沉积物的类型、pH值和抗生素物化性质有关。抗生素脂溶性越强，水溶性越弱，越易被吸附，即四环素类＞大环内酯类＞氟喹诺酮类＞磺胺类。Toll等[43]通过对不同抗生素的吸附作用进行研究发现，它们的分配系数不同，磺胺类0.6～4.9，四环素类290～1620，氟喹诺酮类与四环素范围一样。王冉等[44]发现恩诺沙星在土壤中的吸附能力很强，在检测抗生素在土壤中的吸附能力里最高。因为喹诺酮类药物在水中的含量不多，大多被沉积物和底泥吸附。Kummerer 等[45]发现环丙沙星进入环境中有大约65%被底泥吸附。

光解主要是发生在清澈的水体中，且随着水深的增加光解作用显著下降。光解对于存在在底泥、土壤中的抗生素的去除作用不明显。药物的光降解途径包括直接光降解和间接光降解，以及自敏式光降解，恩诺沙星主要是参与直接光降解和自敏式光降解。在光照条件下，恩诺沙星的降解速率比较快，降解速度会随着时间的推移而减慢，并在低浓度状态下维持一段时间。初始浓度越高，恩诺沙星在低浓度阶段持续的越久[46]。吴宝银等[47]研究发现恩诺沙星的降解与光照有关，在自然光照的条件下，降解速率较快，3 天就已经检测不到恩诺沙星，并且降解速度会随着环境因素的不同而存在差异。在室内自然光照下，它的降解速度较慢；避光条件下，由于恩诺沙星很稳定，基本不降解。光降解和光转化条件下，容易导致抗生素形成更加稳定并具有毒性的物质[47]。Knapp 等[48]研究了在水体中不同光照条件下恩诺沙星的降解速度以及产物，发现它在水中光照条件下的半衰期很短，且极易转化成环丙沙星。Tornianen等[49]发现环丙沙星存在二次降解。Hudrea等[50]发现环丙沙星的主要光降解产物是乙二胺基化合物。喹诺酮类抗生素的光降解也会受到水体中溶解物的性质、pH 值和光敏剂等多种因素的影响，降解速度受pH值的影响较大。尉小旋等[51]发现在pH 2.0～12.0 的范围内，环丙沙星的降解速度先快后慢，在pH 8时，降解速率最快。

水解是另外一种抗生素转化的重要非生物途径。大环内酯类、磺胺类等易溶于水发生水解。Paul 等[52]发现氟喹诺酮类抗生素在水中基本不水解，但对紫外线敏感。吴宝银等[53]设计了恩诺沙星在不同酸碱度、不同光照、不同微生物条件下的水解，结果发现，恩诺沙星的水解产物没有环丙沙星，50℃、避光5天后的恩诺沙星在pH 1～10 的缓冲液中水解小于10%，说明它在恒温避光条件下的半衰期超过1 年，酸碱度的变化对于恩诺沙星的水解速度无显著影响。在环境中，抗生素还可以通过微生物发生生物降解。段丽丽等[54]发现磺胺二甲嘧啶以及它的降解产物在土壤中很快降解，微生物的降解半衰期为3.44天和1.58天。吴宝银等[53]发现不同浓度条件下，微生物对恩诺沙星降解无显著影响。

喹诺酮类抗生素降解的主要选择还是生物降解。生物降解主要是利用微生物的酶催化反应来降解有机物[46]。主要的处理方法有好氧处理、厌氧处理和厌氧-好氧处理等。相关研究发现，复合微氧水解-好氧工艺对于喹诺酮类抗生素有很好的消除效果[55]。生物降解的方法会受到环境因素的影响，Girardi 等[56]发现环丙沙星在液体环境中基本不降解，但在具有生物活性和非生物活性的土壤里都可以发生降解。

4 展望

国家相关管理部门对水产品中恩诺沙星以及环丙沙星的非法滥用有严格的把控，但是恩诺沙星滥用的情况仍然存在。养殖户们对于恩诺沙星过度使用的危害并不清晰，只考虑到经济效益没有考虑到生态效益。恩诺沙星在水产动物体内的半衰期很长，而且它的代谢产物——环丙沙星已经是明令禁止的渔药，对人体危害较大。所以，为了更加科学合理地指导养殖户使用抗生素，减少其对生态环境、水生生物甚至人体的危害，必须加强对恩诺沙星及其代谢产物迁移转化、代谢规律的研究，可以研究不同的养殖环境和养殖活动对其降解的影响，通过比较得出在何种条件下抗生素的残留较少。为了响应国家绿色、低碳为发展理念，以“高效、优质、生态、健康、安全”为发展目标，建设绿色的生态渔业，可以加强关于残留抗生素消除技术的研究，如可以采用生物修复技术、生物质炭等生物方法。药物残留而导致的细菌耐药性的问题，也是抗生素污染的一个重要的亟待解决的问题，可以加强对细菌耐药的机制以及对相关抗性基因的研究。

总而言之，为了减少由于滥用抗生素而导致的一系列问题，必须制定出一套关于恩诺沙星使用的原则，并加强对养殖户安全合理正确使用抗生素的相关方面的培训，只有科学合理的使用，才能最大程度上减少其对生态环境的破坏，为绿色可持续发展渔业提供一定的帮助。