14C标记红霉素在植物-土壤中的行为归趋与生物转化

Erythromycin is one of the most frequently detected antibiotics in environment. It’s important to understand its fate and transformation in environment. This project aims to employ the position-specific 14C labeling method to characterize the fate and behaviors of erythromycin in the plant-soil system, with 14C positioned on both the macrocyclic lactones and the N-methyl. Two three-compartment models are to be developed and the kinetic rate constants between different compartments are to be calculated to elucidate its transformations between the different residue forms (bound residue, extractable residue and mineralization), and to evaluate its possible transportation between the different phases (soil, air and plant) in plant-soil system. Separation and identification of the degradation products in soil (or the metabolites in plant) are to be achieved by HPLC-FSA and HPLC-QTOF-MS. Based on their appearance pattern and fragmentation from HPLC-QTOF-MS, the structures of the degradation products (or the metabolites) can be identified and the possible degradation pathways (or metabolism) can be proposed. The obtained results are going to be helpful for a better understanding about the trends of erythromycin contamination in ecosystem, which will help us to make a more accurate prediction for erythromycin risk assessment and more reasonable criteria. The technologies and approaches can also be similarly applied to other antibiotics and opens a new way in understanding their transformations and risks.

红霉素是环境介质中检测频率最高的抗生素之一，其环境污染问题不容忽视。然而，目前有关其在环境中的转化与归趋等行为机制尚不明确。本项目以红霉素为研究对象，综合运用多位置14C标记示踪技术和现代仪器分析技术，通过平行和组合试验，从质量平衡和示踪动力学角度综合考量红霉素在土壤-植物系统中的行为与归趋；通过建立“红霉素在不同赋存形态ER-BR-MI”和“红霉素在植物-土壤系统”的两个示踪分室模型，分别阐明红霉素在不同赋存形态间相互转化和不同环境介质间相互迁移的规律。同时，利用HPLC-FSA和HPLC-QTOF-MS等联用技术鉴定红霉素在植物和土壤中的代谢降解物组成，推断其代谢降解途径并探讨可能的机制。旨在更系统深入地认识红霉素的环境污染演变趋势、转化规律和生物效应，为客观地评价该药品的环境风险性及其合理使用与管理提供科学依据，并为环境中同类抗生素的相关研究提供可资借鉴的技术方法。

红霉素是环境介质中检测频率最高的抗生素之一，其环境污染问题不容忽视。本项目以红霉素为研究对象，综合运用14C示踪技术和现代仪器分析技术，通过建立“红霉素在土壤-植物微生态系统”、“红霉素在DOM-水-水生生物微生态系统”、“红霉素在不同赋存形态ER-BR-矿化”的三个示踪分室模型，综合考量红霉素在不同环境介质间相互迁移和不同赋存形态间相互转化的规律。研究结果表明：(1)土壤类型对红霉素在土壤中的矿化和结合残留形成有重要影响。培养120 d时，三种土壤中矿化总量分别为91.83%、87.33%和25.75%。红霉素在三种土壤中均会快速形成结合残留，培养40 d时达到平衡，结合残留量高达53.06%，为9.75倍。由此表明传统的红霉素残留评估方法主要基于可提态残留，低估了残留总量，可有必要进行修正。(2)土壤中14C-红霉素的主要矿化机制为微生物矿化，表明微生物修复可能是土壤中红霉素污染削减的有效方式。添加外源畜禽粪肥和淹水培养条件能显著抑制红霉素矿化和可提态残留的消减，并促进结合残留形成。(3)土壤中红霉素结合残留随时间逐渐转化为可提态残留。田间施用畜禽有机肥和活性污泥还田会延长红霉素在土壤中的持留时间。红霉素结合残留在菜心中有生物可利用性，植物生长会促进结合残留的转化，并进一步为菜心吸收并转运至可食部位；对植物施用有机肥如鸡粪和活性污泥，可促进植物对土壤中14C-红霉素吸收，并导致结合残留在土壤中的累积，存在一定的环境风险。（4）水体DOM能显著抑制水生生物对ERY的吸收。当DOM浓度为20 mg L-1时，斑马鱼和浮萍的平均平衡浓度（Ce）分别降低了28.1-40.6%和10.9-25.8%，相应的生物浓缩因子（BCF）分别降低了15.9-32.8%和10.9-18.5%。SRHA和SRFA的抑制作用强于LeHA和PPHA。DOM可能通过-COO-和ERY+的离子键、氢键和疏水分配形成DOM-ERY复合物来抑制ERY的生物利用度。研究结果为更系统深入地认识红霉素的环境污染演变趋势、转化规律和生物效应，为客观地评价该药品的环境风险性及其合理使用与管理提供科学依据，并为环境中同类抗生素的相关研究提供可资借鉴的技术方法。