水体酸性、中性药物降解途径及其代谢产物

水体酸性、中性药物降解途径及其代谢产物

蔡红波,邱建贺,陈淼银,何广朝

佛山市玉凰生态环境科技有限公司 广东、佛山

摘要：药物的大量使用及其排放使得天然水体中检测出药物及其代谢产物，并且已经证明会对水体中的生物造成毒害作用。卡马西平、咖啡因、布洛芬、双氯酚酸、萘普生等酸性、中性药物是国际上公认的优先控制污染物。本文对酸性、中性药物的来源、归趋以及在环境中的降解途径及其代谢产物进行总结，以期对水体中酸性、中性药物的去除奠定基础。

关键词：水环境 酸性药物 中性药物 降解 代谢

1.引言

近年来药物大量频繁的使用，人或动物的排泄、废弃药物的不合理处置，污水处理技术的不完善等导致水环境出现了药物污染现象。环境中的药品和个人护理产品（Pharmaceutical and Personal Care Products，PPCPs）已经引起了国际上的广泛关注，且已被许多国家视为一个环境问题，随着药物使用量和使用年限的增加，其残留在环境中的含量也逐渐加重，对生态环境系统的破坏也越来越严重。已有许多文献研究证明水环境中存在许多种药物残留。Deo通过对美国地表水的调查，发现了93种药品。包括：27种抗生素、15种抗抑郁药、9种降压药、7种镇痛药、7种抗癫痫药、6种抗血脂药、3种避孕药、3种兴奋剂等。其中所检测到的多种药物被评估为高风险（风险熵（Risk Quotient），RQ≥1.0），包括对乙酰氨基酚（镇痛药），咖啡因（兴奋剂），磺胺二甲氧嘧啶（抗生素），以及三氯卡班和三氯生（均为用于消毒剂）等酸性药物和中性药物[1]。Lin等对太湖某先进污水处理厂原水的39种PPCPs进行调查，检测出对乙酰氨基酚、卡马西平、咖啡因、克拉霉素、磺胺甲恶唑、罗红霉素等14种[2]。

Comeau在新斯科舍省米尔科夫(Halifax分水岭)和特伦顿(Pictou分水岭)的污水处理设施的尾水中检测到咖啡因和10种酸性药物，也检测到了低浓度的萘普生、布洛芬、水杨酸、双氯芬酸和吉非罗齐[3]。表1列举出了环境中常见的酸性和中性药物[3，4]。

虽然这些药物并不是持久性的，但大量滥用这些药物导致其不断释放到环境中去，使它们具有“伪持久性”的特点，即使有生物降解，光降解和颗粒吸附等过程，但由于其源源不断的向环境中释放，使得它们能够在水环境中持续存在，可降解的药物最终也会表现为持久性化合物，一旦药物进入环境，它们就有可能发生生物累积，从而对环境和生物体产生慢性影响。目前的研究提出卡马西平，萘普生，双氯芬酸、咖啡因和布洛芬等酸性和中性药物是国际上公认的环境监测的优先控制污染物[5]。

Jian等对11种典型PPCPs进行生态风险评估，发现布洛芬、双氯芬酸的RQ值均大于0.1，表明其对水体的生态环境具有中等风险[6]。长期低浓度的药物暴露对鱼类及其他水生生物产生了潜在的毒性效应。Ding等研究发现低浓度（0.1~1.0mg L-1）的布洛芬能够抑制硅藻的生长速率，较高浓度的布洛芬（> 1 mg L-1）可以抑制硅藻的光合作用速率，并且天然水体中布洛芬的连续输入会导致布洛芬在藻类细胞中的高度积累进而对水生生物构成潜在的风险[7]。Raquel等对西班牙西北部海域的咖啡因进行研究发现，在所分析的23个样本中，有15个样本中咖啡因的浓度高于定量限（LOQ = 3.07 ng L-1），最高浓度为857 ng L-1[8]。

通过了解水体中药物的发生、代谢及降解途径，有助于进一步了解酸性药物和中性药物的转化机制，对研究水体中酸性、中性药物的去除奠定基础。本文将对水体中几种典型的酸性和中性药物的来源、分布、迁移、转化等进行探讨，重点描述其在水体中的代谢产物及降解途径，进而探讨可能的去除这些药物的机制。

2、水体中酸性、中性药物的来源与分布

环境中酸性、中性药物的存在主要归因于从污水处理厂（Waste Water Treatment Plant，WWTPs）排放出的尾水。传统的污水处理厂的二次加工（活性污泥和滴滤池）并不能去除废水中的新兴污染物（Emerging Contaminants，ECs），导致它们排放到地表水，包括河流，湖泊和沿海水域。日常生活中随垃圾丢弃的药物最终进入垃圾填埋场，而这些药物随垃圾渗滤液下渗到地下水或随地表径流进入地表水[9]。药物通过人体排泄，农业径流以及来自污水处理厂和制药厂商的废水释放到环境中。研究表明，药物剂量的30％至90％通过尿液或粪便作为活性物质排出[10]。图1为环境中药物的来源与途径[11]。

水体中的药物分布通常呈现季节性，冬季水环境中浓度高于夏季，主要是受温度的影响。Niina等通过调查研究发现，调查在冬季，污水处理厂对药物的消除显著减少（与春季和夏季相比平均减少25％），导致出水中药物浓度增加，进入河流中药物浓度也增加。寒冷地区的寒冷季节会严重增加药物的环境风险和饮用水污染的风险

[12]。

图1.环境中药物的来源[10]

表1：常见的酸性和中性药物结构及理化性质

3.水体中酸性、中性药物的代谢产物

药物代谢指药物在生物体内多种药物代谢酶的作用下，化学结构发生改变的过程，又称生物转化或药物代谢，药物的生物转化与排泄称为消除。药物在体内生物转化后的结果有两种: 一是失活，成为无药理活性药物；二是活化，由无药理活性成为有药理活性的代谢物或产生有毒的代谢物，或代谢后仍保持原有药理作用，故生物转化不能称为解毒过程。

药物的代谢过程由各种酶系统催化，这些酶系统可以串联发生，并且被称为I期（功能化）和II期（缀合）酶系统。 I相反应包括通过氧化，还原或水解进行羟基化（加入极性官能团）或N-去甲基化（缺失非极性烷基）。II期反应用于进一步增加药物/代谢物的水溶性，并涉及与葡糖醛酸，硫酸盐，乙酸盐，谷胱甘肽或甘氨酸的缀合。虽然代谢药物相互作用可能涉及药物代谢中涉及的众多酶中的任何一种的变化，但迄今为止最重要的是与细胞色素P450（Cytochrome P450 ，CYP450）和尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶（Uridine Diphosphate Glucuronosyl Transferases，UGT）系统相关的那些。CYP450系统特别重要，因为它不仅负责许多药物和外源性化合物的氧化代谢，还负责许多内源性化合物如前列腺素，脂肪酸和类固醇的氧化代谢。代谢过程用于将药物转化为一种或多种代谢物，其比母体药物更易溶于水，从而促进尿液排泄[13]。

布洛芬、卡马西平、咖啡因、双氯酚酸等水体中常见的酸性药物和中性药物的代谢产物如表1所示。Jaume等基于胆汁的HRMS分析，提出了卡马西平和布洛芬在中华比目鱼体内的代谢途径（图2；图3），并在鱼胆中鉴定出了13种布洛芬代谢产物和11种卡马西平代谢产物。鉴定出三种新的布洛芬代谢物形成分别为醚葡糖苷酸和二羟基化底物的牛磺酸结合物（分别为M414-A和M345），以及二羟基-布洛芬（M414-B）的酰基葡糖苷酸[14]。

图2.布洛芬在中华比目鱼体内的代谢途径。箭头说明可能与代谢反应有关的一种酶：细胞色素P450（CYP）和尿苷二磷酸葡糖基转移酶（UGT）

图3.卡马西平在中华比目鱼体内的代谢途径。箭头说明可能与代谢反应有关的酶：儿茶酚甲基转移酶（COMT）、细胞色素P450（CYP）、环氧化物水解酶（EH）和尿苷二磷酸葡糖基转移酶（UGT）。

水体中的药物本身对水环境中的生物有潜在的毒害作用，而其代谢产物可能对环境有更大的毒性潜力，它们的毒性甚至超过药物本身数倍。Marsik等在研究布洛芬在拟南芥中的代谢发现，大多数布洛芬代谢物在拟南芥细胞中积累[15]。Pietrini等通过实验鉴定布洛芬在浮萍中的代谢，发现布洛芬及其代谢产物对浮萍有一定的毒性作用[16]。因此，除了充分了解药物在生物体内的代谢物之外，我们还需要研究水体中酸性、中性药物的降解途径。

4.水体中酸性、中性药物的降解途径

药物在环境中会发生一系列降解反应,主要包括生物降解和非生物降解。其中非生物降解过程包括光降解、氧化降解、水解等；生物降解过程主要包括微生物降解和植物降解两种方式。

4.1非生物降解

光化学转化是决定有机物环境归趋的重要途径。许多药物可以吸收光直接进行光解，可以与水环境中的激发三重态溶解性有机质羟基自由基等活性物种（ROS）反应发生间接光解。

近几年，以羟基自由基(·OH)的形成和参与氧化为特征的高级氧化技术(AOPs)，对多种难降解污染物具有高效的去除能力。臭氧与药物分子中活泼结构单元发生反应，最终药物分子结构被氧化破裂，分解转化为小分子物质，再经过生化等方法被彻底去除。Zhen等臭氧与过氧单硫酸盐结合降解模拟天然水基质中中的布洛芬，发现臭氧能有效降解布洛芬，且碱性条件对布洛芬的降解更有利[17]。 

研究表明，水体中光转化被确定为湖水中双氯芬酸的主要降解过程。颗粒对布洛芬具有较高的吸附系数，可能通过沉淀消除。对于酮洛芬和萘普生，生物降解和光转化可能是主要消除过程

[18]。

4.2生物降解

4.2.1植物降解

植物降解是一种非常有前景的去除环境中有毒污染物的绿色技术。已有许多研究证明植物可以对环境中的酸性和中性药物吸收和转化，在植物细胞中通过复杂的基于酶的解毒系统进行广泛代谢[19]。He等研究了IBP在湿地植物芦苇（Phragmites australis，PA）中的吸收和转化及其潜在机制。研究发现芦苇可以吸收，转移和降解人工湿地中的布洛芬。 21天后IBP从基质中完全除去，半衰期为2.1天。 布洛芬的在根茎中累积并且部分转移到茎和叶，从而没有显著的毒害作用。同时，在植物组织中检测到四种中间体：2-羟基-IBP，1，2-二羟基-IBP，羧基-IBP和吡喃葡萄糖基-羟基-IBP。CYP450单加氧酶参与两种羟基中间体的产生。布洛芬在植物体内的转化途径为：IBP由内质网中的P450催化，然后由高尔基体中的糖基转移酶（glycosyltransferase，GT）催化，然后进一步代谢或储存在液泡或细胞壁中[20]。这个研究证明了芦苇具有吸收和降解药物的潜力，因此在人工湿地构建中，可以选用芦苇进行污染物的降解与去除。

图5.IBP在植物组织中的转化途径

Christina等提出了卡马西平在完整番茄植物中的转化途径，包括环氧化、水解、羟基化、环收缩或氨甲酰基团的损失，然后与葡萄糖或半胱氨酸结合，同时也还原CBZ。CBZ的主要转化途径是EP-CBZ的形成，其进一步转化为DiOH-CBZ（主要是反式-DiOH-CBZ），番茄中CBZ的第二转化途径为卡马西平的羟基化，包括2-OH-CBZ和3-OH-CBZ，并且在很低程度上是4-OH-CBZ的羟基化；第三种途径是以EP-CBZ为前体，是通过9-吖啶-羧基醛（拟作为中间体）、吖啶-9-羧酸和吖啶形成吖啶酮。番茄植株可以将吸收的至少33％的CBZ转化为多种多样的TP[21]。

植物修复主要包括植物对药物的直接吸收和降解、根系分泌物以及土壤微生物对药物的降解等因素的综合作用，水生植物则是通过根际微生物的降解作用。He等在人工湿地（Constructed Wetlands，CWs）中研究咖啡因、萘普生、布洛芬、卡马西平、双氯芬酸等药物去除过程的复杂相互作用，研究发现，预光催化增加了这几种药物的去除效果，说明药物可以通过光照进行降解。微生物降解和植物降解是人工湿地中药物降解的主要途径[22]。

4.2.2微生物降解

微生物是一个复杂的群落结构，已有研究证明微生物能够降解环境中的污染物。微生物对环境中药物的降解包括生长代谢和共代谢两种途径。生长代谢是指微生物利用药物等有机物作为碳源以维持其生物量，同时产生有关的酶或辅酶进行氧化/还原（图6）。药物等有机物必须在生长基质或其他可利用的共同作用下才能降解，共代谢（图7）能将一些难降解的化合物转化为易降解的中间产物，但最终代谢产物可能比母体化合物的毒性更强[13]。Groning等研究发现，双氯酚酸很容易被河流中的微生物进行降解，形成具有生物毒性且难降解的对苯醌亚胺[23]。

图6.生长代谢模型

图7.共代谢模型

自然环境中的含氮药物主要是通过硝化作用进行降解，通过硝化作用将氨转化为硝酸盐或亚硝酸盐，因此，水体中的卡马西平、萘普生、咖啡因、双氯酚酸、布洛芬等酸性和中性药物主要通过微生物的硝化作用进行降解[24]。Isabel等调查研究了传统活性污泥（CAS）污水处理厂对卡马西平，双氯芬酸，布洛芬，酮洛芬和萘普生的生物降解过程，结果显示所有药物中由于二级处理中微生物降解导致的消除百分比大于80%（卡马西平除外）[25]。Fontaina等通过选择性活化氨氧化细菌（AOB），亚硝酸盐氧化细菌（NOB）和异养细菌，评价了硝化，硝化和异养条件对高浓缩硝化活性污泥对布洛芬、卡马西平、双氯酚酸等药物的生物转化的影响,硝化活性能够增强布洛芬（IBP）和萘普生（NPX）的微生物降解[26]。

5.结论

水体中酸性、中性药物的主要来源是人类使用以及畜牧养殖业生产，污水处理厂的不完全去除及垃圾渗滤液的下渗使得药物进入地表水和地下水，从而导致对水生生物及人类带来危害。环境中药物的降解途径主要包括生物降解和非生物降解。植物除了自身的吸收转化作用进行降解，根际微生物也是其主要的降解途径。人工湿地中除了植物以及微生物对药物进行降解，还可以增加非生物降解途径，如：光照增强药物的去除效果。关于药物的代谢途径的研究已经比较充分，然后关于药物的具体代谢产物的毒害作用以及毒害机理还较少，需要进一步研究讨论。

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