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环境中抗微生物药物污染(一)
【来源/作者】周世红 【更新日期】2017-10-08

20世纪40年代以来,随着畜牧业生产由粗放型转变为工厂化集约化的高密度饲养方式,使其面对极高发病率和死亡率的压力,而一些抗微生物药物极高的疗效,诱使畜牧生产者不但将其用于动物疾病的治疗,而且将其添加到饲料或饮水中用于非治疗性的防病和促生长目的。到20世纪50年代,亚治疗剂量的抗微生物药物已成为动物日粮或饮水的常规成分。由于需求的快速增长,使抗微生物药物的生产也产生了快速的增长,在其生产过程产生的“三废”和畜牧生产中产生的废弃物,导致了大量的抗微生物药物排放进入环境中,污染水源和土壤,并已导致了严重的健康和生态问题;残留于动物体内的抗微生物药物通过食物链,可以产生对人类的毒性作用,包括变态反应,甚至危及人的生命。长期低剂量的抗微生物药物可以诱导抗药质粒的产生,在污泥中,细菌可长期保持耐药性。动物及周围环境已成为一个潜在的耐药质粒库。

一、抗生素类

(一)污染来源及种类

抗生素是微生物在代谢过程产生的一种对其他微生物具有杀灭或抑制作用的次级代谢产物。在临床上主要用于治疗呼吸系统、消化系统和生殖系统的感染,如肺炎、肠炎、乳房炎及子宫内膜炎等。随着畜牧业的快速发展,抗生素已被广泛用于动物疾病的预防和治疗。另外,还有用于促生长目的的。

天然的抗生素主要是由自然界中存在的一些微生物代谢所产生,在自然界中分布较广。

由于临床用药和畜牧生产需求的大量增长,抗生素的工业化生产也产生了很快增长。1996年,用于畜牧生产的抗生素销售量达9.7亿美元,在这些抗生素工业化生产过程中所产生的废水、废渣及废气中含有较多的抗生素物质,是造成环境污染的主要原因。用于渔业生产的抗生素,被投放进入水体中是造成环境污染的另一重要因素。畜牧生产企业使用的抗生素,随畜禽的粪便、尿液排出,或通过畜牧场排放的污水,污染环境。另外,还有部分残留于动物机体内,造成食品污染,这一部分也是对人类健康威胁最为直接且最为严重的抗生素污染。

抗生素的种类主要包括:①β内酰胺类,其代表物主要有苄青霉素、氨苄青霉素、羟氨苄青霉素、头孢氨苄、头孢噻肟等;②氨基糖苷类和氨基环多醇类,代表物主要有链霉素、双氢链霉素、卡那霉素、庆大霉素、壮观霉素等;③四环素类,代表物有四环素、金霉素(氯四环素)、土霉素(氧四环素)、强力霉素(脱氧土霉素)等;④氯霉素类,代表物有氯霉素、甲砜霉素、氟甲砜霉素等;⑤大环内酯类,代表物有红霉素、螺旋霉素、泰乐菌素、替米卡星、北里霉素等;⑥多肽类,代表物有杆菌肽、黏杆菌素、维吉尼霉素等;⑦林可胺类,代表物有林可霉素(洁霉素)、氯洁霉素;⑧多烯类,代表物有制霉菌素、两性霉素B。

(二)理化性质

(1) β-内酰胺类β-内酰胺类抗生素是一类历史最悠久,而且是一类最大和最重要的抗生素,以青霉素类和头孢菌素类为代表。其结构特点是含有自然界极为少见的β-内酰氨基母核。这类抗生素多为有机酸性物质,难溶于水。青霉素和头孢菌素的游离羧基的酸性较强(pKa2.5~2.8),易与有机碱及无机碱成盐。常用其钾盐或钠盐,易溶于水,难溶于有机溶剂,有机碱的溶解性相反。β-内酰胺环是该类药物化学结构中最不稳定的部分,在中性或生理条件下即可发生水解或分子重排而失去药效,酸、碱、重金属离子(氧化剂)或青霉素酶能加速降解。青霉素在干燥状况下相当稳定,但其在水溶液状态下,β-内酰胺易发生断链,并逐步生成青霉二酸、青霉烯酸、D-青霉胺、青霉醛等。青霉噻唑酸与含游离氨基的物质(如蛋白质、多肽、羟胺等)结合或自身聚合,形成青霉噻唑蛋白、青霉噻唑多肽、a-青霉噻唑酰基羟氨酸、青霉噻唑聚合物等,即青霉素化反应。

(2)氨基糖苷类 氨基糖苷类抗生素(aminoglycoside antibiotics,AGs)是由氨基糖与氨基环醇形成的苷。因其结构中含多个氨基和羟基而呈碱性,水溶性与极性均较高,能与无机酸(硫酸、盐酸等)或有机酸成盐。该类药物主要包括由链霉菌产生的链霉素、卡那霉素族和新霉素族以及由小单孢菌产生的庆大霉素族。该类药物分子结构中常含有1个1,3-或1,4-二氨基环多醇和1或2个氨基糖(单糖或双糖)。其分子结构中具有羟胺和氨基酸的性质,能发生茚三酮反应。

临床常用的氨基糖苷类抗生素多为其硫酸盐,白色或乳白色结晶性粉末,易溶于水,具吸湿性,在多数有机溶剂中难溶,其中庆大霉素的pKa≈8,卡那霉素pKa≈7,新霉素pKa≈8.8,链霉素pKa≈11.5。该类抗生素在酸、碱或加热条件下较稳定,但在强酸或强碱条件下,也可发生水解。除由微生物产生的AGs类抗生素外,还有半合成的双脱氧卡那霉素、丁胺卡那霉素和萘替米星等。

(3)四环素类 四环素类是由放线菌属产生的一类抗生素,因其结构属于氢化并四苯环衍生物,故称其为四环素类(tetracyclines,TCs)。其分子结构中含有苯环、酮基和烯醇组成的共轭体系,在近可见区(350nm)附近,具有强的紫外吸光特性和荧光性。

TCs均为黄色结晶粉末,难溶于水,味苦,因其分子中含有酚羟基、烯醇和二甲氨基,故为酸碱两性物质,易溶于酸性和碱性溶液。临床多用其盐酸盐,具有良好的水溶性和稳定性。在弱酸性溶液中相对稳定,在pH<2的酸性溶液、中性或碱性溶液中,均易降解而失效。干燥状态下稳定,但易吸水。

TCs在pH值2~6的弱酸性溶液中,可发生差向异构化,其差向异构体的药效极低或消失。一些阴离子(磷酸根、枸橼酸根、醋酸根等)能加速这一反应。在酸性溶液中,还可发生芳构化,生成脱水四环素或脱水金霉素。在碱性溶液中,可使C环开裂,生成无活性的内酯异构体,即异四环素类。TCs还可与Ca2+、Mg2+等离子形成难溶的有色络合物,其与Ca2+、Al3+的络合物呈黄色,与Fe3+的络合物呈红色。

(4)氯霉素类 氯霉素类(chloramphenicols,CAPs)抗生素是由委内瑞拉链霉菌产生的一种广谱抗生素,也是第一种由化学合成法生产的抗生素,属酰胺醇类,其系统命名为D(一)-苏阿型-1-对硝基苯基-2-二氯乙酰氨基-1,3-丙二醇,简称氯胺丙醇。该类抗生素包括氯霉素(CAP)及其衍生物。

CAP为白色针状或长片状的结晶,熔点为150.5~151.5℃,紫外吸光特性为Amax≈278nm,在水中溶解度(250C)为2.5mg/mL,易溶于醇类、丙酮、乙酸乙酯等大多数有机溶剂,难溶于苯、石油醚及植物油。CAP在沸水中煮沸5h活力不降低,pH值2~9和室温条件下,活性可维持25h,干燥晶体可储藏2年以上,在酸、碱及加热条件下可发生水解。化学合成的CAP为白色或微黄色针状结晶,无旋光性。

(5)大环内酯类绝大多数大环内酯类抗生素(macrolide antibiotics,MALs)由链霉菌属产生,少数为小单孢菌属产生,其主要代表为红霉素,动物专用的有泰乐菌素、替米卡星、北里霉素等。MALs的分子结构中含有一个被高度取代的十四元或十六元内酯环配糖体,配糖体结构中含有烷基、羟基、氧烷基、环氧基、酮基或醛基,多数还含有共轭二烯或a、β不饱和酮。

MALs类抗生素为无色弱碱性化合物,相对分子质量500~900,多呈负旋光性,易溶于酸性水溶液(成盐)和极性溶液,在水中微溶。其水溶液稳定性较差,在pH<4的酸性溶液中,容易水解;pH>9的碱性条件下,能使内酯环开裂;在pH值6~8的水溶液中相对稳定,但其水溶性下降,而抗菌活性最高。

MALs可与酸成盐,其盐溶于水,还可成酯。多数MALs的紫外吸光峰值在200~300nm之间。

参考资料:环境中有毒有害物质与分析检测


【关键词】亚治疗剂量,抗微生物药物,环境污染,药物污染,国家标准物质网 

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