Determination of minimum inhibitory concentration and half maximal inhibitory concentration of antibiotics and their degradation products to assess the eco-toxicological potential

Abstract

Numerous studies have been reported on today’s ubiquitous presence of antibiotics in surface waters causing the emergence of multidrug-resistant bacteria. Advanced water treatment procedures aim at the complete prevention and elimination of antibiotics from entering natural water bodies. In this study, photoinduced degradation processes using UVC-irradiation were applied toward selected fluoroquinolone, tetracycline, macrolide, and sulfonamide antibiotics. Photodegradation products were elucidated using high-performance liquid chromatography coupled with mass spectrometry (HPLC-MS). Rate constants and quantum efficiencies were determined for the active substances and their photo-transformation products. As a measure of ecotoxicity, minimum inhibitory and half-maximal inhibitory concentrations were determined against the Gram-negative bacterium Pseudomonas fluorescens and the Gram-positive Bacillus subtilis in a standard assay format. These values were further recorded as a function of UV exposure time. The irradiation time-dependent increase of minimum inhibitory concentration (MIC) values agreed well with the kinetic models. After 10?min of irradiation, the compound solutions ceased to inhibit bacterial cell growth, indicating removal of the pharmaceutical activity. These findings were found in agreement with quantitative structure–activity relationship analysis. The combination of microbiological activity testing, molecular structure analysis, chemical kinetic investigation, and quantitative structure–activity relationship models proved to be able to predict irradiation times and evaluate potential ecotoxicological hazard of the irradiated drugs.     

3种氨基糖苷类抗生素对水生生物的时间依赖联合毒性作用比较

以3种氨基糖苷类(AG)抗生素:硫酸安普霉素(APR)、双氢链霉素(DIH)和硫酸链霉素(STS)为研究对象,以生态系统中2类重要的水生生物分解者如青海弧菌(Vibrio qinghaiensis sp.-Q67,Q67)和生产者蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa,CP)为受试生物,运用均匀设计射线法设计抗生素三元混合物体系,共5条具有不同浓度配比的射线,应用已建立的分别基于Q67和CP的时间毒性微板分析法系统测试抗生素及其三元混合物射线对Q67和CP在不同暴露时间的毒性。对于Q67和CP,暴露时间分别为0.25、2、4、8、12 h和12、24、48、72、96 h。应用浓度加和(CA)模型分析混合物在不同暴露时间的毒性相互作用。结果表明:APR、DIH和STS及其5条混合物射线对2种指示生物的毒性均具有明显的时间依赖性,且Q67对AG抗生素及其混合物射线的响应比CP的灵敏;以半数效应浓度的负对数p EC50值为毒性大小指标,3种抗生素对2种指示生物的毒性大小顺序随暴露时间的变化而变化,3种AG抗生素对Q67和CP分别在12 h和96 h的毒性大小顺序均为STSDIHAPR;5条具有不同浓度配比的混合物射线对Q67在不同暴露时间的毒性均呈加和作用,但对CP的毒性既有加和作用也有拮抗作用,且拮抗作用随暴露时间和组分浓度配比的变化而变化,表明AG抗生素毒性的联合毒性作用与暴露生物、暴露时间以及混合物组分的浓度配比等有关。     

加速溶剂萃取-固相萃取-高效液相色谱/三重四级杆质谱法测定土壤中6种喹诺酮类抗生素残留

为测定污染土壤中的6种低残留喹诺酮类抗生素(氧氟沙星、培氟沙星、恩诺沙星、环丙沙星、诺氟沙星、恶喹酸),全面优化了一种联合加速溶剂萃取(ASE)、固相萃取(SPE)和高效液相色谱/三重四级杆质谱(HPLC/MSMS) 3种检测技术的分析方法。样品采用甲醇和0.1 mol/L EDTA-McIlvaine缓冲液(1∶1)进行加速溶剂萃取,经Bond Elut Plexa型HLB固相萃取小柱富集纯化,土壤中6种喹诺酮类抗生素的基质效应因子控制在0.84～1.04。在0.2～100.0μg/L(以恶喹酸计)质量浓度范围内,目标化合物的线性关系良好(r0.999),6种目标化合物的检出限为0.09～0.75μg/kg,加标回收率为60.9%～89.9%。该方法自动化程度和准确度较高,可极大程度地降低基质效应,提高测定方法的灵敏度,适用于土壤中喹诺酮类抗生素残留的检测。     

河水-地下水交互带沉积物中抗生素和代谢产物提取方法优化及其分布特征

河水-地下水交互带是污染物发生富集、降解和转化等生物地球化学过程的重要场所.抗生素作为一类广泛关注的有机污染物,探索其在交互带中的分布特征对认识特殊生境下污染物迁移转化过程具有重要意义.由于交互带氧化还原条件变化敏感,沉积物组成特殊,建立了一种有效提取交互带中22种抗生素及4种磺胺类代谢产物的前处理方法,并对样品初始状态、提取温度、提取液pH值以及有机提取溶剂进行了优化.同时对汉江下游河水-地下水交互带沉积物中的抗生素含量进行分析,结果表明,采用pH=3的乙腈/乙二胺四乙酸二钠（Na₂EDTA）-Mcllvaine缓冲液（1 ：1,体积比）对未经氧化的沉积物原样在40℃条件下进行3次微波提取,目标抗生素的回收效果最好.汉江下游交互带沉积物中共检出11种抗生素,其中以土霉素（OTC）和氧氟沙星（OFL）为主,最高检出含量分别为6.77 ng ·g^-1和5.81 ng ·g^-1.不同交互剖面中抗生素含量的垂向分布差异较大,主要与沉积物岩性、抗生素理化性质和地表水-地下水交互作用等影响因素有关.     

抗生素对微生物的联合与低剂量毒性研究进展

目前抗生素已成为一类不可忽视的环境污染物,它在环境中呈"混合-持久-低剂量"的暴露特征。因此,研究抗生素毒性效应,特别是它的联合毒性以及低剂量下毒性兴奋效应,对抗生素污染物生态风险的评价极其重要。以抗生素联合毒性的研究进展为主线,重点概述了抗生素二元混合物的急性和慢性联合毒性研究,指出了抗生素混合物间存在相互作用,它们的联合毒性并非表现为简单的加和或独立效应,且抗生素急性-慢性联合表现出的毒性效应也存在差异;发现了不仅单一抗生素具有Hormesis效应,低剂量抗生素二元混合物也具有Hormesis作用。但目前低剂量抗生素二元混合物对微生物的毒性兴奋效应研究较少,其毒性兴奋效应的预测和评价还有待进一步完善,以期为环境中抗生素的联合生态研究和风险评价提供理论依据。     

抗生素抗性基因(ARGs)——一种新型环境污染物

抗生素的环境污染与生态毒性近年来引起了日益广泛的关注.水产养殖和畜牧业抗生素长期滥用的直接后果,很可能诱导动物体内抗生素抗性基因,经排泄后将对养殖区域及其周边环境造成潜在基因污染.抗性基因还极有可能在环境中传播、扩散.对公共健康和食品、饮用水安全构成威胁.为此,提出了将抗生素抗性基因作为一类新型环境污染物,对该类污染物在环境中的来源、潜在的传播途径以及国内外相关研究进展进行综述,指出了当前形势下我国开展环境中抗生素抗性基因污染研究的必要性,建议尽快从国家层面上系统进行抗生素抗性基因的环境污染机理与控制对策研究.     

高效液相色谱法测定畜禽废物中磺胺类、喹诺酮类抗生素

建立了一种荧光和紫外检测器串联同时测定磺胺类（磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺对甲氧嘧啶、磺胺甲嗯唑）和喹诺酮类（诺氟沙星、环丙沙星、恩诺沙星）抗生素的高效液相色谱法．4种磺胺类、3种喹诺酮类抗生素分别在0．50—10．0μg·mL一、0．01—0．50μg·mL。范围内线性良好,相关系数R^2〉0．99．确定了最佳提...     

北京蔬菜地土壤中抗生素抗性基因与可移动元件的分布特征

为揭示北京地区蔬菜土壤中抗生素抗性基因与可移动元件的分布特征应用高通量荧光定量PCR方法(HT-qPCR),选取北京3个区5个蔬菜基地进行调查研究.在蔬菜基地土壤中共检测到92～121种抗生素抗性基因,4～6种可移动元件,抗生素抗性基因及可移动元件按区分开.各蔬菜基地中共有且丰度较高的抗生素抗性基因型为:多重耐药类oprD、acrA-04和acrA-05,大环内酯类-林肯酰胺类-链阳性菌素B类抗生素抗性基因(MLSB)酰胺酶类fox5,万古霉素类vanC-03;共有可移动元件为intI1.蔬菜基地土壤中共检测到7种抗生素,含量较高的抗生素种类为恩诺沙星(ENR)、诺氟沙星(NOR)、土霉素(OTC)、磺胺甲噁唑(SMX).顺义区S1与S2蔬菜基地土壤中抗生素的种类与丰度均最高,依次是通州区T蔬菜基地、昌平区C2与C1蔬菜基地.相关性分析表明,蔬菜基地土壤中抗生素抗性基因丰度与抗生素丰度存在显著正相关(P 0.05).研究结果可为后续控制抗生素抗性基因的传播提供基础理论数据.     

我国典型区域地表水环境中抗生素污染现状及其生态风险评价

为了解我国典型地表水环境中抗生素污染现状与生态风险,本文通过历史数据收集,利用风险商评价模型(RQ)与风险简单叠加模型(RQSUM)对我国5个典型地表水环境中丰水期的抗生素污染进行生态风险评价.结果表明:①5个区域内地表水在丰水期(4～9月)主要受到8种抗生素污染的生态风险,分别是磺胺甲基异噁唑(SMX)、磺胺甲基嘧啶(SM)、红霉素(ETM)、罗红霉素(RTM)、四环素(TC)、氧土霉素(OTC)、诺氟沙星(NOR)和氧氟沙星(OFL);②5个区域内首要的抗生素污染类型为SMX和ETM,SMX对长江三角洲和巢湖流域的RQ_(SUM)贡献率分别为91. 1%和98. 5%,ETM对江汉平原、珠江三角洲和黄河三角洲的RQ_(SUM)贡献率分别为94. 4%、81. 8%和60%;③根据RQSUM值大小对5个区域内受到抗生素污染的生态风险由高到低排序为:江汉平原(20. 204)长江三角洲(8. 769)巢湖流域(2. 692)黄河三角洲(1. 943)珠江三角洲(1. 222).     

生物炭施用及老化对紫色土中抗生素吸附特征的影响

以长江上游低山丘陵区典型坡耕地石灰性紫色土为研究对象,采用更接近实际田间土壤含水量条件的土水比(1 g∶1 mL,并对比1 g∶10 mL),通过批量平衡吸附实验,系统研究了施用新鲜生物炭(0%、1%和5%,质量分数)及田间老化作用(1 a)对3种抗生素(磺胺嘧啶、磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考)在低浓度条件下(0～5 mg·L~(-1))吸附特征的影响规律.结果表明,5种供试土壤中3种抗生素的吸附等温线均能被线性方程和Freundlich模型较好地拟合,且吸附过程中吸附自由能ΔG~θ在-0. 39～11. 53 kJ·mol~(-1)之间,表明对照土及施炭土对3种抗生素的吸附都以物理吸附为主;生物炭的施用能显著增加紫色土对3种抗生素的吸附,其中对K_(ow)值较小的磺胺二甲基嘧啶和氟苯尼考的增加幅度更大,生物炭施用比例越高则提高幅度越大;生物炭新鲜施用时效果更好,而老化后这种增强作用明显减弱.老化施炭土吸附平衡溶液的荧光峰响应强度均低于新鲜施炭土,故新鲜施炭土和老化施炭土的吸附性能差异可能是由于后者的生物炭所含不稳定、可溶解的有机质组分经老化后减少所致.