抗生素与微藻相互作用的研究进展_朱红娟.pdf

第12期朱红娟，王亚娥，李杰，等.抗生素与微藻相互作用的研究进展J.环境科学与技术，2022，45（12）：117-125.Zhu Hongjuan，Wang Ya e，Li Jie，et al.Research progress on the interaction between antibiotics and microalgaeJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：117-125.环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-06-08；修回2022-09-06基金项目：国家自然科学基金项目（51768032）作者简介：朱红娟（1997-），女，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制，（电子信箱）；*通讯作者，（电子信箱）。抗生素与微藻相互作用的研究进展朱红娟1，王亚娥1*，李杰1，2，毛飞剑3，慕浩1，胡凯耀1，任爽1（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省膜科学技术研究院有限公司，甘肃兰州730020；3.南京水利科学研究院，江苏南京210029）摘要：抗生素是一类典型的药物，采用传统的方法无法将其有效去除，具有较高的环境风险。而微藻已被证明具有去除抗生素的潜力。因此，抗生素与微藻方面的研究已经成为热点。文章首先综述了环境中常见抗生素种类及其理化性质，其次分析了抗生素对原核生物（蓝藻）和真核生物（绿藻）在生长过程中的影响及机理，并对抗生素对微藻的复合毒性进行了阐述，最后总结了微藻去除抗生素的主要机制(生物吸附、生物累积、生物降解、光降解、水解和挥发)，对未来抗生素与微藻的相关研究方向进行了展望。关键词：抗生素；蓝藻；绿藻；去除机制中图分类号：X52文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1355.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0117-09Research Progress on the Interaction Between Antibiotics and MicroalgaeZHU Hongjuan1，WANG Ya e1*，LI Jie1，2，MAO Feijian3，MU Hao1，HU Kaiyao1，REN Shuang1（1.School of Environmental and Municipal Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Gansu Membrane Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Lanzhou 730020,China;3.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China）Abstract：Antibiotics are a kind of typical drugs,which can not be effectively removed by traditional methods,and havehigh environmental risk.Microalgae has been shown to have the potential to remove antibiotics.Therefore,the research onantibiotics and microalgae has become a hot spot.Firstly,the types and physicochemical properties of common antibiotics inthe environment were reviewed.Then the effects and mechanism of antibiotics on prokaryotes(cyanobacteria)and eukaryotes(green algae)in the growth process were analyzed,and the compound toxicity of antibiotics to microalgae was described.Finally,the main mechanisms of antibiotic removal by microalgae(biosorption,bioaccumulation,biodegradation,photodegradation,hydrolysis and volatilization)were summarized,and the future research directions of antibiotics and microalgae areprospected.Key words：antibiotics;cyanobacteria;green algae;removal mechanism尽管抗生素已经被大量使用，但直到近些年，其环境危害才受到国内外学者的关注。抗生素的种类繁多，根据来源可将其分为自然来源和人工合成1。抗生素的大量使用会导致环境中含有更多的抗生素残留物，促进生物产生抗药性，导致水生生物的内分泌紊乱，影响其生长和繁殖，还会改变自然界生物的遗传物质，并影响环境生物群落结构和活性2，3。因此，研究绿色且高效去除水中抗生素的方法是很有必要的。微藻一般指以营浮游方式生活在水中的微小植物，主要是由真核藻类和原核藻类组成4。它们是浮游植物的重要组成部分，是水生环境中最丰富的植物生物量，几乎在任何水环境中都能找到，具有重要的生物学和生态学意义。前人研究表明，微藻对抗生素Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022第45卷较为敏感，半最大效应浓度（EC50）一般在微克每升到几百毫克每升之间5，6。抗生素可通过光合作用、细胞膜、抗氧化系统、基因表达等方面影响微藻的生长。由于不同藻类对不同化学物质敏感性不同，导致化学物质对其产生的毒性和影响存在一些差异7。同时，微藻可利用自身体积较小、适应能力强、繁殖速度快、对污染物具有较高的敏感性等特点，通过分泌细胞外有机物（EOM）和诱导活性物种的产生促进抗生素的降解7。因此，研究抗生素与微藻的相互作用，对保护水生生态系统有着重要意义。本文通过对近年来相关文献的研究，论述了不同种类抗生素的特性、抗生素对原核和真核微藻的影响以及微藻对抗生素的去除机制，对未来抗生素和微藻相关研究的进一步发展进行了思考。1抗生素的常见种类及其性质抗生素在医学上又被称为“抗细菌药物”，其中常见的抗生素种类有四环素类抗生素（TCs）、磺胺类抗生素（SAs）、大环内酯类抗生素（MCs）、氨基糖苷类抗生素（AAs）和喹诺酮类抗生素（QNs），其理化性质如表1所示。表1常见抗生素种类及理化性质Table 1Types and physicochemical properties of common antibiotics磺胺类喹诺酮类甲氧苄啶（TMP）磺胺甲恶唑（SMX）磺胺嘧啶（SD）磺胺二甲嘧啶（SMZ）恩诺沙星（ENR）诺氟沙星（NOR）环丙沙星（CIP）洛美沙星（LOM）C14H18N4O3C10H11N3O3SC10H10N4O2SC12H14N4O2SC19H22FN3O3C16H18FN3O3C17H18FN3O3C17H19F2N3O3290.3253.3250.28278.33359.40319.33331.34351.31992031662531972252202552572392407.11.6;5.76.52.1;7.55.9;8.06.3;8.45.90;8.89-0.3083910991112抗生素种类名称分子式分子结构分子量熔点/pKa参考文献118第12期四环素类大环内酯类氨基糖苷类莫西沙星（MOX）氧氟沙星（OFL）沙拉沙星（SAR）土霉素（OTC）金霉素（CTC）克拉霉素（CLA）红霉素（ERY）庆大霉素（GM）阿米卡星（AMK）C21H24FN3O4C18H20FN3O4C20H17F2N3O3C22H24N2O9C22H23ClN2O8C38H69NO13C37H67NO13C60H123N15O2C22H43N5O13401.4361.4385.4460.44478.89747.95733.931 390.7585.62032082702752822851831681692172201331021082030.95-0.391.073.27;7.32;9.113.3;7.4;9.38.998.88.2；7.98.1131415161617181920续表抗生素种类名称分子式分子结构分子量熔点/pKa参考文献朱红娟，等抗生素与微藻相互作用的研究进展119第45卷四环素类抗生素作为人用药和兽用药，是抗生素的重要组成部分，在高浓度状态下能够杀菌，有价格便宜，治疗范围广等优点21。由于含有酚羟基、烯醇羟基和二甲氨基，显碱性和酸性，四环素类抗生素属于酸碱两性化合物16，22。四环素类抗生素在土壤、沉积物、污泥和粪便具有良好的吸附能力，因此传统水处理厂不足以依靠吸附将其去除。如今，吸附法、光催化法、电化学法和生物降解法等是四环素类抗生素常用的降解方法23。磺胺类抗生素发现于20世纪30年代，主要为人工合成，是能够用于全身性细菌感染治疗的最早化学药品之一24。其可用于畜牧业，以提高畜禽的生长效率，还可以用作模型化合物，以评估新开发的高级水处理工艺的性能25。Wang等26通过对5类20种抗生素的研究发现，磺胺类抗生素在水样中的浓度最高，可以达到34859 ng/L，且通过环境风险评估显示，其对水生生态系统中的水蚤可造成中度损害。大环内酯类抗生素是亲脂性的碱性抗生素，由一个含有1216个碳原子的大中心环和一个或多个通过糖苷键形成的糖分子组成27。由于大环内酯类抗生素能诱导人体内与肝脏疾病密切相关原癌基因c-Fos的高转录，其使用会让人们有患肝毒性疾病的风险28。有研究表明，常用的大环内酯类抗生素，如红霉素（ERY）、阿奇霉素（AZI）和泰利霉素（TEL）是氯化消毒过程中易形成的消毒副产物，会导致人体心电图QT间期的延长，进而引起心律失常等疾病29。氨基糖苷类抗生素是医学和农业中广泛使用的抗生素之一，是假低聚糖，在环醇核心附着有少量的氨基糖，其中环醇和糖部分的修饰（C-甲基化、N-甲基化和差向异构化），可以扩大氨基糖苷类抗生素的结构多样性。氨基糖苷类抗生素的治疗用途包括泌尿系统感染、呼吸道感染、骨骼、关节和皮肤感染等30。环境中过量的氨基糖苷类抗生素对生态系统有耐药性的潜在风险，并且随着食物链，它会在人体内积累并造成肾毒性、耳毒性和神经肌肉阻滞等疾病30。喹诺酮类抗生素是一类合成抗生素，广泛出现在沿海地区，具有广谱抗菌、良好的药理特性、独特的作用机制和高效性。但是也有一些喹诺酮类抗生素，例如格帕沙星、环丙沙星和司帕沙星等，会使人产生溶血性尿毒症、肝效应及低血糖和高血糖等药物不良反应31。喹诺酮类抗生素在地表水中普遍存在且可电离，Ge 等通过研究加替沙星（GAT）和巴洛沙星（BAL）主要的解离形式和光降解特征，发现这些物质对水生系统中微生物群落有潜在影响32。2抗生素对微藻的影响2.1单一抗生素对微藻的影响及机理2.1.1单一抗生素对原核微藻的影响及机理原核型微藻种类繁多，但主要包括蓝藻门。因此，本研究以蓝藻为代表探究了抗生素对原核微藻的影响。已知蓝藻门又名蓝细菌，能在淡水和海水中生长，细胞直径为0.560 m。蓝藻门主要包含色球藻目（Chroococcales）、颤藻目（Oscillatoriales）、念珠藻目（Nostocales）和真枝藻目（Stigonema