废水处理过程中氨氧化细菌对药物的生物转化外文翻译资料

 2021-11-29 22:36:17

英语原文共 10 页

废水处理过程中氨氧化细菌对药物的生物转化

徐亿丰，袁志国，倪秉杰

摘要：药物残留可能对水生生态系统和人类健康造成不利影响，废水处理是药物进入环境的主要途径之一。在废水处理过程中已广泛观察到通过氨氧化细菌增强的药物去除。本文回顾了氨氧化细菌对药物生物转化的现有知识。药物去除和硝化作用之间的关系过程被揭露。阐明了氨氧化细菌诱导的共代谢对药物生物转化及其转化产物和途径的重要作用。还回顾了描述氨氧化细菌对药物的生物转化的动力学和数学模型。结果强调了氨氧化细菌对某些耐火药物的高度降解能力，其降解明显与硝化速率及其鉴定的转化产物相关，与母体化合物相比，其可能表现出相似或更高的生态毒性影响。

关键词：氨氧化细菌；制药；生物转化；共代谢；转型产品；造型

1.介绍

近几十年来，水生环境中的一个关键问题是微污染物的出现问题，如药物，个人护理产品，激素，洗涤剂和消毒剂，因为它们对生态系统具有潜在风险。实际上，每年在人类和兽医学中使用数千吨药物防止疾病，也作为牲畜和鱼类以及农业的增长促进者。给药后，药物可以以不变形式或尿液和粪便中的代谢物排出，同时直接从制造商处理作为环境来源。据报道，药物普遍存在于废水，地表水和地下水中，浓度范围从几纳克到几百微克。由于其持久和生物活性特性，药物可能对野生生物构成潜在威胁。一些药物在河流生物群中的浓度高于其预测的无效浓度。

污水处理厂是药物进入环境的主要途径之一。对于大多数化合物，发现不完全去除，因为污水处理厂仅设计用于去除有机碳，氮和磷化合物。据报道，药物残留物的去除效率取决于化合物的物理化学性质和污水处理厂的操作参数。据报道，硝化过程可以通过负责任的氨氧化细菌的代谢生物降解来增强药物的去除效果。其非特异性酶氨单加氧酶能够转化脂肪族和芳香族化合物，在氨氧化细菌的药物清除中发挥重要作用。

废水处理中形成的生物降解产物可能比其母体化合物更具持久性和毒性，因此了解药物的生物转化途径并确定转化产物非常重要。 积累。生物降解产物的形成不仅与诸如氧气存在等操作条件有关，而且还取决于代谢类型。例如，代谢产生的中间体和产物可能与代谢形成的中间体和产物不同。更全面的图片与生物降解产品的形成相结合将有助于更好地了解废水处理过程中药物的命运。

氨氧化细菌的药物生物转化在过去几年中迅速发展，正在研究各种化合物。已经在各种条件下鉴定了相关的生物降解途径和产物。还开发了描述氨氧化细菌对药物的生物转化的数学模型。这些模型中的每一个都有其基本假设，这些假设显示出各种预测能力。尽管氨氧化细菌对药物生物降解具有明显的重要性，并且出版物数量不断增加，但在全面审查中从未尝试总结所有生物转化信息。因此，这项工作回顾了氨氧化细菌对药物生物降解的现有知识，重点关注去除性能，生物降解机制，生物降解动力学。

2.通过氨氧化细菌去除药物

虽然污水处理厂并非设计用于去除药物，但这些化合物可能主要通过生物处理过程以不显着的的不足速率去除。图1显示了14个国家/地区研究最多的药物的去除效率。不同的去除效率可能是由于不同的物理化学性质和废水处理过程的可变操作参数。根据降解常数k bio 提出了一种简单的药物分类方案:( i）k bio lt; 0.1 Lg VSS -1 d - 1的化合物未被显着去除（20％）; （ii）k bio gt;10 L g的化合物 VSS -1 d -1可以转化gt; 90％; （iii）具有适度生物降解性的化合物（0.1 lt; k bio lt; 10）显示部分去除。假定降解速率遵循伪一级动力学，基于使用来自营养物消除城市废水处理厂的活性污泥的一系列批量实验。这些间隔可以在不同的污泥类型和反应器配置之间变化。

根据药物的治疗类别和用法，抗炎药的平均去除效率在23％（例如曲马多）和99％（例如对乙酰氨基酚）之间，抗生素可以在0％（例如，螺旋霉素）和98之间去除。在典型的废水处理过程中，％（例如，头孢噻肟）。氯贝酸是最常报告的脂质调节剂，去除效率分别为11-100％，57-79％和0-80％。精神药物卡马西平在废水处理过程中表现出较低的平均去除效率。由于其缀合形式的酶促切割也发现了负值。对于beta;受体阻滞剂，发现阿替洛尔的去除效率为45％至92％，索他洛尔的去除效率为59％至75％，美托洛尔的去除效率为0％至26％。

表1 显示，与没有硝化作用的废水相比，具有显着硝化作用的废水处理过程往往具有更高的药物去除率，特别是对于17alpha;乙炔雌二醇（EE2）。硝化活性与布洛芬，红霉素和罗红霉素的去除之间存在正线性关系，而异养率没有相关。还证明了出水浓度和铵的去除率显示出与总体目标药物去除的显着相关性。

关于微生物水平，已经在纯培养物和混合群落（例如活性污泥）中研究了氨氧化细菌与药物去除之间的关系。氨氧化细菌的作用可以通过硝化作用的较高去除率以及添加烯丙基硫脲（ATU）以抑制氨氧化细菌活性的显着降低来表明（图2）。当非特异性酶氨单加氧酶富含纯氨氧化细菌培养物时，EE2的去除与氨氧化活性相当。与在ATU存在下的那些相​​比，在富集的硝化培养物中获得的更高速率也证明了氨氧化细菌对去除非诺洛芬，吲哚美辛，双氯芬酸，卡马西平和丙酮苯胺的贡献。类似地，在ATU存在下观察到磺胺甲恶唑，布洛芬的去除。

3.氨氧化细菌的生物降解机制

据报道，AOB对药物的生物降解遵循代谢途径，其中氨被用作微生物生长和酶诱导的主要底物和能量来源（图3 ）。在硝化过程中，AOB起到将NH 4 转化为NO 2 - 的作用，它能够通过代谢生物降解降解多种芳香族化合物，这可能是由于其非特异性酶AMO，如碳氢化合物，苯酚和芳香族化合物。在古细菌和氨氧化速率以及氧化微 污染物生物转化反应速率之间发现了显着的关联。

提出了一种机械模型，用于AMO在EE2的代谢转换中的作用，如图4所示。AMO的活性位点含有金属离子，例如铜离子。氧气将在有氧条件下反应以将Cu -Cu 转化为Cu2 -Cu2 ，同时氧气保持作为亲电子基团结合。含氧形式的AMO将与EE2反应生成Cu2 -Cu2 和生物转化产物。然而，这个概念模型仅基于单加氧酶提出。在药物生物降解机制中也可能需要考虑双加氧酶，因为该酶在共代谢或代谢生物降解中也是有功能的，特别是在由不同细菌物种组成的混合培养物中。事实上，单加氧酶和双加氧酶的参与可以通过确定NADH / EE2的比例来区分。例如，获得的2.2比率证明单加氧酶介导的生物转化将是主要机制，因为该比例与单氧化酶的比率（即2.0）一致。

还报道了氨氧化细菌在铵饥饿条件下转化药物。当高浓度的铵竞争性抑制共代谢生物转化直至氨耗尽时，这似乎是共代谢的一般分解代谢抑制机制。因此，为了获得药物的最大共代谢降解率，药物与氨之间的浓度比应保持在一定范围内。

一些纯培养研究揭示了氨氧化细菌在药物生物降解中的重要作用。已经观察到一些微污染物的生物转化与氨氧化活性和古菌氨单加氧酶基因在硝化培养物中的转录物丰度正相关。油橄榄已被用作纯氨氧化细菌培养物以研究其降解典型微污染物的能力，包括三氯生，双酚，布洛芬，EE2和甲氧苄啶。虽然负责的酶非特异性酶氨单加氧酶不是底物特异性的，但纯氨氧化细菌培养物对不同化合物显示出不同的降解性能。最近，还评估了氨氧化古细菌纯培养物的生物转化微污染物的能力。油橄榄显示能够生物转化米安色林和雷尼替丁，表现出与两种氨氧化细菌菌株相似的化合物特异性，这两种菌株进行了比较测试。通过AOA和氨氧化细菌菌株进行相同的生物转化反应并且仅在氨氧化活化时发生生物转化，强烈表明非特异性酶氨单加氧酶在药物的代谢转化中的关键作用。此外，混合培养硝化污泥还显示出转化这些化合物的强大能力。

4.药物的生物降解动力学

药物的生物降解通常遵循一级动力学。图5 显示了来自10个不同废水处理厂的活性污泥对药物的生物降解，其中5个采用硝化过程。根据基于一级动力学的参数估计，大多数硝化药物的计算生物降解率明显高于未经硝化的药物。与在ATU存在下的动力学相比，在富氮硝化培养物中观察到的阿替洛尔，甲氧苄啶和磺胺嘧啶的较高动力学进一步证实了氨氧化细菌在药物生物转化中的重要作用，主要是由于共代谢生物降解。

表2列出了从文献中获得和或计算的生物降解速率常数，以突出氨氧化细菌对共代谢的影响。尽管这些文献中接种物/活性污泥和实验条件各不相同，但可以粗略地得出结论，对于大多数所研究的药物，共代谢生物降解速率常数显着高于代谢生物降解速率常数。随着氮负荷率的增加，布洛芬，萘普生和甲氧苄氨嘧啶的共代谢生物降解速率增加，这增加了产生更多非特异性酶氨单加氧酶的氨氧化细菌的生物活性。共代谢生物降解速率常数还取决于生长基质（例如铵）的消耗速率，其为氨氧化细菌提供能量来源。

5.生物转化产物和途径

在废水处理过程中药物的不完全生物转化可能导致更多有毒产物进入接收水。药物的代谢物或生物转化产物的形成与具体的操作条件有关。氨氧化细菌的共代谢可能诱导药物的不同生物降解途径。例如，碘普罗胺可以转化为含有和不含硝化作用的不同产物。如图6所示在常规活性污泥中鉴定出碘普罗胺侧链上的伯醇（形成羧酸盐）的氧化，而在硝化活性污泥中发生两个侧链的脱羟基化，这可能是共代谢的结果。

在通过硝化活性污泥生物转化甲氧苄氨嘧啶期间，它被氧化成alpha;羟基三甲氧嘧啶，而据报道甲氧苄氨嘧啶在活性污泥处理过程中持久存在。通过硝化活性污泥氧化阿昔洛韦中的伯羟基导致羧基 - 阿昔洛韦的形成，鸟嘌呤基团不变。喷昔洛韦的生物降解产物被证实是酶反应的结果，例如末端羟基的氧化和beta;氧化，然后是乙酸盐裂解。

羟基化是氨氧化细菌用于药物的另一种生物降解途径，包括布洛芬等，甲氧苄啶，阿替洛尔和苯扎贝特。 与氨氧化细菌中的氨一样，非特异性酶氨单加氧酶酶可能能够使药物羟基化。此外，非生物硝化可能是EE2的一个小转化机制，双氯芬酸和对乙酰氨基酚。确认对乙酰氨基酚在真正的废水处理厂中通过氮气去除除氮以及用硝化活性污泥进行批量实验。还证实了EE2可以通过氨氧化细菌的共代谢和硝化作用降解。然而，EE2 的相关羧化作用仍不清楚。

几种药物的生物降解产物和途径也受其各自结构的影响。基于规则的生物转化途径预测系统被开发用于含酰胺化合物。观察到的含酰胺化合物的生物转化反应包括酰胺 水解和N- 脱烷基化，羟基化，氧化，酯水解，脱卤化，硝基还原和谷胱甘肽结合。主要酰胺如阿替洛尔迅速水解，而仲酰胺以受空间效应影响的速率水解。对于叔酰胺，它们大多是N-脱烷基化的。

总体而言，与某些药物的抑制剂（ATU）存在相比，氨氧化细菌诱导的共代谢可能导致不同的生物转化产物和途径，可能是由于通过非特异性酶氨单加氧酶的特异性反应或形成的参与来自生长基质的中间体。然而，由于分析技术有限，目前尚未完全鉴定出许多药物在代谢和代谢条件下的生物转化产物和途径。应进一步努力了解未来工作的基本途径。

6.药物生物转化的数学建模

近年来，为了更好地理解和优化其去除，已经开发了用于预测废水处理中药物的命运的数学模型。模型描述了涉及物理 - 化学过程，吸附、光解、挥发和生物转化过程。本节主要关注与氨氧化细菌的生物转化或生物降解过程相关的模型。

代谢模型仅从考虑到代谢基质到结合了代谢基质和主要基质而发展而来。模型中已经集成了更多的反应机制，包括共代谢底物之间的竞争或主要底物以及生物转化产物的毒性抑制。考虑竞争性抑制，还原剂消耗，产物毒性和/或主要底物的典型现有的代表性模型总结在表3中，各个模型组分列于表4中。

假设氨（主要底物）和共代谢底物之间没有竞争，开发了还原剂模型（M1）。氧气保持在非限制性水平，产品没有毒性。预测的共代谢底物浓度将受到初级和共代谢速率常数的显着影响。该模型显示了用油橄榄进行动力学研究的优势，并且适用于某些混合培养硝化细菌

竞争模型（M2）包括作为竞争性底物的主要底物，其可以抑制共代谢底物的生物降解。在模型表达中仅存在一种限制性反应物（共代谢底物）。由于对于代谢底物浓度的酶对活性位点的亲和力通常低于生长底物浓度，因此在该模型中未考虑对主要底物上的共代谢底物的竞争。

组合模型（M3）将还原剂模型与竞争模型相结合。它们基于关于主要基质和共代谢基质之间竞争的存在的假设以及主要基质是否应被视为第二限制性反应物而不同。以三卤甲烷生物转化为例，在该模型中，氨（主要底物）可以与三卤甲烷（共代谢底物）竞争，而三卤甲烷对氨和彼此没有竞争。氨和三卤甲烷都是限制性反应物。

基于生物量生长速率和产量以及主要底物的吸收，提出了第四个代谢模型（M4），用于研究硝化反应器中药物的生物转化。在模型开发中引入了两个关键参数，包括微污染物转化能力（TC）和半饱和常数（KSC），对于相同生物质在相同条件下应该是相当稳定的。通过在稳态条件下应用质量平衡来表示主要底物（氨）生物降解速率。

基于第五个基于共代谢过程的模型（M5）被开发用于描述在特定浓缩硝化培养物的氨氧化期间和之后三种beta;阻断剂的生物转化。该模型将药物生物降解速率与特定的氨氧化细菌生长相关联，作为一种共代谢过程。阿替洛尔可以竞争性地抑制氨氧化过程，证实了非特异性酶氨单加氧酶的共代谢生物降解。该共代谢过程模型的性能显示出比一级动力学方法好得多。

最后，提出了母体化合物概念，旨在在活性污泥处理系统中生产微污染物。例如，溶解的微污染物可以来自悬浮固体上的共轭形式或吸附的内容物。此外，生物降解产物的形成对于预测药物生物转化也很重要。因此，代谢模型的进一步发展应考虑母体化合物和生物转化产物或代谢物，以通过氨氧化细菌对药物生物

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