铁锰氧化物与β-内酰胺抗生素的非生物降解反应及其环境毒理效应

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) has recently become the environmental research hotspot in the world. β-lactam antibiotics are among the most frequently utilized antibiotics, however, their environmental behavior and effect are relatively poor understood. The project plans to study the abiotic degradation of β-lactam antibiotics with the common iron or manganese oxides in the environment. The degradation rate and kinetics are studied to explore the effect of iron or manganese oxides on the environmental exposure and migration of β-lactam antibiotics. By combination with HPLC-MS/MS and the spectroscopic technique, we want to explore the structure of the degradation products and the functional group for adsorption (complexation), elucidating the surface reaction mechanism between antibiotics and oxide, and the complexation reaction mechanism between antibiotics and the dissolved ions. Finally, the product toxicity are evaluated to reveal the environment toxicological effect. This project will provide the fundamental understanding of the abiotic degradation of β-lactam antibiotics on the soil or sediment/water interface.

药品和个人护理品（PPCPs）是目前环境领域的国际研究热点，其中β-内酰胺抗生素是使用量最大的抗生素，但是与其它抗生素相比，其环境行为和效应却较少受到关注。本项目拟系统研究环境中普遍存在的铁锰氧化物与β-内酰胺抗生素的非生物降解反应。通过β-内酰胺抗生素的降解速率和动力学研究，探讨铁锰氧化物对环境中β-内酰胺抗生素暴露时间和迁移尺度的影响；采用HPLC-MS/MS和光谱分析技术，解析降解产物结构特征和吸附(络合)官能团位点，揭示β-内酰胺抗生素与铁锰氧化物界面反应微观机理，以及与溶出金属离子的络合降解反应机理；评估降解产物毒性，揭示该非生物降解反应的环境毒理效应，为β-内酰胺抗生素在土壤、沉积物界面非生物转化途径及其环境效应研究提供理论基础和科学数据。

药品和个人护理品（PPCPs）是目前环境领域的国际研究热点，其中β-内酰胺抗生素是使用量最大的抗生素，但是与其它抗生素相比，其环境行为和效应却较少受到关注。本项目选取氨比西林（ AMP）、头孢氨苄（ CFX）等环境常见的β-内酰胺抗生素为研究对象，系统研究了环境中普遍存在的铁锰氧化物及金属离子与其非生物降解反应，揭示污染物的降解机理，并评估该降解过程的环境毒理效应。研究结果表明，磁铁矿（Fe3O4）能降解β-内酰胺抗生素，且AMP降解速率随 Fe3O4浓度增加而线性增加，但与抗生素本身的初始浓度无关。富氧和酸性环境有利于 Fe3O4对 AMP 的降解。在实际水样中，Fe3O4同样能显著促进 AMP的降解。通过三种β-内酰胺类抗生素（ CFX、 AMP、 PG）与 Cu（II）的络合反应光谱分析，确定了Cu（II）与 AMP 及 CFX 络合位于侧链，有效位点为苯基甘氨酸伯氨基；而对于 Fe（III），可以通过与羧基和叔氮进行络合形成稳定的五元环。通过研究金属离子与抗生素的降解反应特征，发现不同的金属离子对于抗生素的降解作用也不同， Fe（III）对 β-内酰胺类抗生素主要起到促进水解的作用； Cu（II）对β-内酰胺类抗生素具有双重作用，既可催化水解，也可氧化降解；金属离子促进降解是β-内酰胺类抗生素在环境中迁移转化的潜在重要途径。由于Fe（III）催化水解AMP中具有抗菌活性的β-内酰胺环，产物对发光细菌的毒性显著降低；而CFX由于六元环相对稳定，Fe（III）对其水解速率相对较慢，因此发光细菌毒性降低相对较慢；而Cu（II）对苯基甘氨酸β-内酰胺抗生素作用机制也包括催化氧化，该反应的产物结构特征主要是加氧，而不是 β-内酰胺环开环断裂，因此产物仍可能具有显著的抗菌性。本项目为β-内酰胺抗生素在土壤、沉积物界面非生物转化途径及其环境效应研究提供理论基础和科学数据。