試述微生物降解抗生素的研究進展

呂文明

身份證號：330182198607234317

試述微生物降解抗生素的研究進展

呂文明

身份證號：330182198607234317

有關抗生素的微生物降解研究逐漸成為熱點。本文基于近年來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、降解效果和降解機制方面的研究進行了系統的綜述，旨在為后續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，關于抗生素類污染物在水體、沉積物和土壤中被檢出的國內外相關報道層出不窮，甚至在蔬菜、奶類和肉類等產品中也發現了抗生素殘留。為了解決抗生素污染問題，除了減少抗生素的濫用，如何去除環境體系中殘留的抗生素已經成為近年來研究的熱點。

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。研究發現，真菌和細菌均有可能參與抗生素的降解。

1.2 降解機制

微生物作用下抗生素的降解比較復雜，是微生物在特定環境下通過新陳代謝產生酶等物質，直接或者間接修飾改變抗生素的結構從而使其失活的過程。微生物降解抗生素機制的研究主要包括兩個方面：一方面是測定降解過程中微生物的代謝產物，通過對微生物代謝組學、基因組學和蛋白質組學的研究來確定微生物對抗生素的降解機理；另一方面是通過對抗生素降解過程中相關降解產物的連續測定，從而推斷抗生素結構的連續性變化規律，即降解途徑的研究。

1.2.1 降解酶

對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，究其原因是因為這些耐藥菌能夠產生相應的降解酶，這些酶類進一步通過修飾或水解作用破壞抗生素的分子結構而導致抗生素降解。研究發現抗生素降解酶主要包括以下四大類：β-內酰胺酶、氨基糖苷類修飾酶、大環內酯類鈍化酶和氯霉素滅活酶。但是以上主要是針對細菌抗生素耐藥性的研究，并沒有對這些降解酶的抗生素降解條件及其降解效果進行進一步試驗。

1.2.2 降解途徑

降解途徑作為降解機制研究的重要組成部分，對降解產物的無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修飾氨基糖苷類抗生素的氨基和羥基等官能團來使抗生素失活。目前發現的氨基糖苷類修飾酶比較多，對酶的作用點了解的比較透徹，但是對具體的降解產物了解較少。

在研究影響白腐真菌降解環丙沙星(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程中發現，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，并且很快被代謝掉，這可能是發生了開哌嗪環而形成Cip-4；第3d還檢測出了Cip-5和Cip-6，這兩種產物都是CIP通過C-C共價作用形成，之后又會發生哌嗪基團的斷裂、環丙基的去除和羥基化等代謝作用。在最終的培養基中只檢測到了Cip-2、Cip-4和Cip-5，所以白腐真菌對CIP礦化可能還存在其他途徑。接種白腐真菌1d后NOR開哌嗪環，在氨基部位添加了羧酸而形成Nor-3，經2~3dNor-3哌嗪取代基上去掉了C2H2而轉化成Nor-1，之后Nor-1哌嗪取代基中的C2H4N被NH2取代形成Nor-2。

對于頭孢類抗生素的微生物降解機理研究表明，在頭孢類的β-內酰胺類抗生素的微生物降解中糠酸基團側鏈的斷裂，即雜環硫醇側鏈C3位置的消除是其降解開始時的一個主要步驟，β-內酰胺環的開環是其再降解的一個主要步驟。例如，在分析蠟樣芽胞桿菌P41對頭孢噻呋、頭孢曲松鈉和頭孢泊肟降解途徑過程中，發現這三種抗生素最主要的代謝產物都是硫代糠酸基團，該基團是β-內酰胺酶水解后從C3位置被消除所得。

利用糙皮側耳菌在實驗室條件下實現了四環素類抗生素OTC的降解，并通過質譜分析發現該菌通過菌絲吸收OTC后再進行降解，推測OTC中的酰胺基轉化為乙酰基而成為2-乙酰基-2-去酰胺土霉素(ADOTC)，該種產物比OTC的抗菌性低，具有較高的親油性，毒性相對較低。

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而被活性污泥中兩種微生物群落降解。當SMX作為共代謝基質而被異養微生物降解時，其主要產物是3-氨基-5-甲基-異惡口唑(SMX-1)和磺化4-苯胺(SMX-2)，其中前者比較穩定，而后者會繼續礦化。當SMX作為唯一的碳源和氮源時，除了以上兩種產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)。

在研究大環內酯類抗生素泰樂菌素的微生物降解機制過程中，發現泰樂菌素降解酶的作用位點不是泰樂菌素的糖苷鍵和共軛體系，且起降解作用的酶是胞內酶。總之，微生物對抗生素的降解比較復雜，尤其是不同種類抗生素由于結構不同，微生物降解途徑會差異很大，概括起來微生物對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、水解作用和基團轉移作用等。

2 展望

(1)優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)研究開發新型高效的污水和廢渣處理設備。(3)針對不同的抗生素篩選降解能力強的特異性菌株，或者通過誘導馴化，再篩選出能夠降解多種抗生素的菌株。(4)對微生物降解抗生素的機理進行深入研究，從而促進降解菌的無害化。(5)由于降解菌的篩選可能在一定程度上導致耐藥基因的擴散，降解菌的試驗要盡量在實驗室條件下進行，并且加速對降解酶制劑的研制和生產應用。(6)在抗生素降解的基礎上，進一步加強對降解產物毒性和再降解的后續研究，最終達到抗生素及其降解產物整體的無害化處理。

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