抗生素恩諾沙星在漁業中的研究進展

黃銖玉，方龍香，宋 超，范立民，孟順龍,，裘麗萍，陳家長,

（1南京農業大學無錫漁業學院，江蘇無錫214081；2中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，江蘇無錫214081；3農業農村部水產品質量安全環境因子風險評估實驗室（無錫），江蘇無錫214081；4農業農村部水產品質量安全控制重點實驗室，北京100000）

0 引言

中國是水產品生產和出口大國。自改革開放以來，中國的水產處于持續增長的水平，獲得了舉世矚目的成就。近年來，為了獲得高效益，養殖業不斷向集約化方向發展。養殖密度和投餌量的增加，導致養殖水體中排泄物以及殘餌的堆積，使得水質惡化，破壞了養殖水環境，進而誘發了各種魚類疾病。魚病的大規模發生，不但會造成養殖產量的下降，而且也會使水產品的品質受到威脅，間接對人類的健康造成潛在的危險，嚴重影響到了中國水產養殖業的發展[1]。因此，為了保障養殖戶的利益，有效防治各種魚類病害，使用漁藥成為了防止疾病的重要措施之一[2]。為了預防和控制魚病，漁藥迅速發展起來。其中使用最多的就是抗生素類漁藥，占了其中的2/3[3]。抗生素(Antibiotics)是生物體（包括細菌、真菌、放線菌、動物、植物等）在生命活動過程中產生的一種次生代謝產物或其人工衍生物，它們能在極低濃度時抑制或影響其他生物的生命活動，是一種重要的化學治療劑[4]。抗生素的種類很多，根據化學結構的差異，可將水產養殖用抗生素分為氨基糖苷類、四環素類、酰胺醇類等[5]。人工合成的抗菌藥包括磺胺類藥類、喹諾酮類藥物。

水產養殖過程中，抗生素作為一種有效防治細菌的藥物，對畜牧業和水產養殖業以及人體健康都有一定的積極作用。雖然抗生素在防治魚類疾病上的作用毋庸置疑，但是抗生素使用的不規范和不科學，導致其在環境中大量殘留，對水生態環境造成一定程度的傷害，現已經成為環境中一種新型的污染物之一[6]。水產養殖過程中使用的抗生素只有少部分被機體吸收，大部分都是以藥物原形進入水環境。抗生素極易富集在底泥中，對水環境造成長期循環的污染，并且殘留在水環境中的抗生素也會進入水生動物體內從而間接進入人體內，危及人類健康[6]。

喹諾酮類抗菌藥物中的恩諾沙星，是第一個動物專用的抗生素。它由于具有抗菌譜廣、抗菌活性強、給藥方便、與常用的抗菌藥物無交叉耐藥性等特點，成為水產養殖過程中病害防治使用最廣泛的藥物。但是近年來，養殖模式的不合理以及缺少相應的科學指導，導致養殖戶們在養殖過程中常常濫用漁藥，并且恩諾沙星及其它的代謝產物環丙沙星的代謝緩慢，它在水產品中的的殘留、耐藥性的增強、對環境的生態效應以及通過食物鏈影響人類健康等問題已經引起廣泛的關注[7]。所以，關于恩諾沙星安全合理的使用以及它的藥物殘留的檢測變得尤為重要。目前恩諾沙星藥物殘留檢測的方法主要包括高效液相色譜法(HPLC)、高效液相色譜-質譜聯用法(HPLC-MS)、酶聯免疫吸附測定法、熒光光度法等[8-11]。祝穎[12]通過建立了UPLC-MS/MS分析方法來檢測水產品中喹諾酮類藥物的殘留，旨在利用該分析方法高速、高靈敏度的特點，實現對水產品中該類藥物多組分的快速檢測。張展等[13]通過建立高效液相色譜-熒光檢測法(HPLC-FLD)來檢測雞蛋中的氟喹諾酮類藥物（恩諾沙星、環丙沙星等），結果發現恩諾沙星和環丙沙星的線性范圍在5～500 μg/kg，定量限為10 μg/kg，回收率在85.77%～89.46%。趙秋伶等[14]通過研制適用于檢測動物源性食品中恩諾沙星殘留的競爭取代酶聯適配體分析試劑盒，用核酸適配體來替代傳統抗體檢測發展方法，從而進一步提高恩諾沙星殘留檢測的靈敏度，為恩諾沙星的殘留檢測提供了一種新的思路。

近年來，有相關文獻報道了恩諾沙星在斑點叉尾鮰[15]、吉富羅非魚[16]、日本鰻鱺[17]、大菱鲆[18]等魚類體內的藥物代謝規律，研究發現，不同的魚體內的藥物代謝存在差異，因此不同的品種要做針對性的研究。美國食品藥品監督管理局(FDA)已經明令禁止恩諾沙星應用于可食用動物的養殖過程中[19]，說明了恩諾沙星在生物體內的富集現象和代謝已經引起廣泛的關注和研究。

為了減少藥物殘留對水環境、水生生物以及對人類健康的影響，本綜述通過研究恩諾沙星及其代謝產物環丙沙星的相關性質，以及它們在漁業水體中的遷移轉化的規律，為減少它的藥物殘留提供一定的理論依據。為了響應國家提倡的“高效、優質、生態、健康、安全”的漁業綠色可持續發展的目標，必須科學合理的指導養殖戶使用抗生素，從而促進漁業的綠色可持續發展，保護生態環境。

1 恩諾沙星的研究概況

1.1 結構和性質

恩諾沙星(Enrofloxacin，ENR)是第三代喹諾酮類抗菌藥物，又名乙基環丙沙星、恩氟沙星。它的化學式是1-環丙基-7-（4-乙基-1-哌嗪基）-6-氟-1，4-二氫-4-氧代-3-喹啉羧酸，分子式是C19H22FN3O3，其分子結構如圖1。它是一種微黃色或者類白色結晶性粉狀物體，無臭，味微苦，易溶于堿性溶液如氫氧化鈉、鹽酸以及甲醇等有機溶劑中，在甲醇和水中微溶，在乙醇中不溶，遇光色漸變成橙紅色[20]。它能和細菌DNA回旋酶亞基A結合，對酶的切割和連接功能產生抑制作用，從而阻止了細菌DNA 的復制，達到抗菌的目的[21-22]。對革蘭氏陰性菌有很強的殺滅作用，對革蘭氏陽性菌也有良好的抑制作用。目前恩諾沙星已被廣泛應用于水產養殖業，主要用于水產養殖過程中細菌性疾病和支原體感染的治療。喹諾酮結構的第6位引入了一個氟原子就形成了恩諾沙星，從而增強了細菌靶位和藥物的親和力，并擴大了抗菌譜；1位上的環丙基能促進藥物的組織滲透性[23-24]。恩諾沙星通過在動物體內代謝轉化為環丙沙星來發揮抗菌活性。大量實驗證實，恩諾沙星對細菌、支原體等引起的疾病療效一般要優于環丙沙星、諾氟沙星及抗生素類藥[25]。

圖1 恩諾沙星的化學結構式

環丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)是恩諾沙星在機體內起作用的主要活性成分（恩諾沙星在代謝過程中脫去一個乙基形成環丙沙星）。它的分子結構如圖2，化學式為1-環丙烷基-6-氟-1,4-二氫-4-氧代-7-（1-哌嗪基）-3-喹啉羧酸，分子式為C17H18FN3O3，分子量為331.35。它是白色或類白色結晶性粉末，熔點為255℃～257℃。

圖2 環丙沙星的化學結構式

環丙沙星是一個典型的兩性化合物，因其結構的特殊性，它的C-3位為羧基，C-7位為哌嗪基。因此，環丙沙星的酸堿度極易受到溶液濃度變化的影響。在加熱的情況下，CIP 的C-3 的羧基極易脫落；在光照條件下也會降解[26-27]；它還能和許多金屬離子形成絡合物。

就目前的研究來看，恩諾沙星的主要代謝產物是環丙沙星，后者具有抑菌活性[28]。在水產養殖過程中環丙沙星曾常被用來防治水生動物細菌性感染疾病，由于環丙沙星易在水產動物組織、器官及可食性產品中蓄積，且能隨食物鏈進行傳遞，威脅消費者的身體健康，甚至誘導人類致病菌對其產生耐藥性；同時在水產養殖的用藥過程中，相當一部分藥物以原形或是代謝物的形式經排泄物進入環境，威脅公共衛生安全。2002年中國將環丙沙星列為水產養殖禁用藥物[29]。

1.2 恩諾沙星在水產動物體內的藥物動力代謝研究

相較于畜禽動物，恩諾沙星在水產動物體內的藥物學研究還不夠完整，關于水產動物機體的代謝種類和途徑仍需要繼續研究，藥物在其機體內的吸收、分布、代謝和消除過程相對復雜。

梁俊平等[30]通過肌肉注射和口灌給藥這兩種方式，發現恩諾沙星在大菱鲆(Scophthalmus maximus)體內的藥物動力學特征相同，均符合一級吸收二室開發模型。肌肉注射后的吸收半衰期為t1/2ka=0.027 h，達峰時間為Tmax=0.5 h，分布半衰期t1/2a=0.987 h，消除半衰期t1/2β=68.003 h，均小于口灌給藥，然而Cmax=21.7172 μg/mL和F=88.57%大于口灌。由此可以推斷出，給大菱鲆肌肉注射藥物時，恩諾沙星的吸收和分布均快于口灌，并且吸收更完全。

方星星等[31]通過對中國對蝦(Fenneropenaeus chinensis)體內的藥物學研究發現，(22.5±1)℃的溫度下，用10 mg/kg 的恩諾沙星劑量注射對蝦的肌肉，檢測到血液中的恩諾沙星濃度即刻到達峰值，向組織內迅速擴散分布，符合一級吸收二室模型。

大量研究表明，進入水產動物體內的恩諾沙星大都以原藥排出體外，主要代謝產物仍然是環丙沙星，含量僅2%～5%[32-34]。房文紅等[35]給鋸緣青蟹一次性口灌藥物后，利用電噴霧離子阱質譜法發現，恩諾沙星98.56%，恩諾沙星羥基化代謝產物0.18%，加氧恩諾沙星0.09%，環丙沙星1.17%。

2 恩諾沙星在養殖環境中對水生生物的影響

抗生素在水產養殖過程中被用于病害的防治。但是投放到水體中的抗生素只有少部分被機體利用，大部分未被吸收和殘留在水體中的抗生素最后都會作用于水生環境，對生態環境造成影響。水生生態環境遭到破壞必然會影響到整個生態系統[36]。恩諾沙星有一定的親脂性，極易在生物體內富集，最終影響人類健康。

2.1 恩諾沙星對浮游植物的影響

藻類是水生生態環境的初級生產者，它的種類和初級生產量都會直接影響到整個水生態環境的結構和功能，所以成為評價水環境質量的重要指標[37]。但是目前關于喹諾酮類藥物對藻類毒性這方面的研究不多。Migilore[38]及楊彎彎等[39]發現水草不僅能吸附喹諾酮類抗生素，而且它的生長也受到了藥物的影響，濃度越高作用越明顯，對水草的毒性越強，水草的吸附能力也越強。隨著藥物的投入，金魚藻可以快速吸附藥物飼料、排泄物以及喹諾酮類藥物。楊彎彎等[39]研究發現恩諾沙星能阻礙銅綠微囊藻進行光合作用，從而抑制可溶性蛋白合成，影響銅綠微囊藻的正常生長。

2.2 恩諾沙星對微生物的影響

恩諾沙星在較低濃度的條件下可以在水體中持續一段時間，雖然對水體微生物的數量沒有顯著的影響，但是長時間的接觸，也會對微生物產生影響。王加龍等[40]將不同濃度的恩諾沙星作用土壤后，對其中的細菌、放線菌和真菌的群落結果進行研究分析發現，細菌受恩諾沙星的影響最大，影響最小的是真菌；這種影響效果會隨著藥物濃度的增加而增強。他還發現，高濃度的恩諾沙星會對土壤的硝化作用、呼吸作用和氨化作用產生不同程度的抑制作用，可能會影響到土壤的某些特性和一些生態過程[40]。馬驛等[41]利用BIOLOG檢測法來分析不同濃度條件下的恩諾沙星對微生物群落特征的影響，發現恩諾沙星的濃度≥0.1 μg/g可以降低土壤微生物群落的多樣性和豐富度，并且濃度越高，微生物受到的影響越大。

3 恩諾沙星及其代謝產物的消除途徑

由于恩諾沙星在水產動物防治病害上的作用，使得它大量的應用于水產養殖業。給養殖動物用藥后，只有少部分的恩諾沙星會被機體利用，大部分的恩諾沙星會以各種形式被排出體外，經過各種途徑，最終進入生態環境。進入水體的恩諾沙星，會在光照、酸堿度、有機物、無機物等各種條件下發生各種反應，有些會進入底泥。恩諾沙星的消除途徑有水解、水體顆粒物吸附沉降、底泥吸附、生物降解、生物富集等多種。其中，恩諾沙星降解的主要途徑是光降解[42]。

不同的抗生素的吸附能力也不同，吸附能力與土壤沉積物的類型、pH值和抗生素物化性質有關。抗生素脂溶性越強，水溶性越弱，越易被吸附，即四環素類＞大環內酯類＞氟喹諾酮類＞磺胺類。Toll等[43]通過對不同抗生素的吸附作用進行研究發現，它們的分配系數不同，磺胺類0.6～4.9，四環素類290～1620，氟喹諾酮類與四環素范圍一樣。王冉等[44]發現恩諾沙星在土壤中的吸附能力很強，在檢測抗生素在土壤中的吸附能力里最高。因為喹諾酮類藥物在水中的含量不多，大多被沉積物和底泥吸附。Kummerer 等[45]發現環丙沙星進入環境中有大約65%被底泥吸附。

光解主要是發生在清澈的水體中，且隨著水深的增加光解作用顯著下降。光解對于存在在底泥、土壤中的抗生素的去除作用不明顯。藥物的光降解途徑包括直接光降解和間接光降解，以及自敏式光降解，恩諾沙星主要是參與直接光降解和自敏式光降解。在光照條件下，恩諾沙星的降解速率比較快，降解速度會隨著時間的推移而減慢，并在低濃度狀態下維持一段時間。初始濃度越高，恩諾沙星在低濃度階段持續的越久[46]。吳寶銀等[47]研究發現恩諾沙星的降解與光照有關，在自然光照的條件下，降解速率較快，3 天就已經檢測不到恩諾沙星，并且降解速度會隨著環境因素的不同而存在差異。在室內自然光照下，它的降解速度較慢；避光條件下，由于恩諾沙星很穩定，基本不降解。光降解和光轉化條件下，容易導致抗生素形成更加穩定并具有毒性的物質[47]。Knapp 等[48]研究了在水體中不同光照條件下恩諾沙星的降解速度以及產物，發現它在水中光照條件下的半衰期很短，且極易轉化成環丙沙星。Tornianen等[49]發現環丙沙星存在二次降解。Hudrea等[50]發現環丙沙星的主要光降解產物是乙二胺基化合物。喹諾酮類抗生素的光降解也會受到水體中溶解物的性質、pH 值和光敏劑等多種因素的影響，降解速度受pH值的影響較大。尉小旋等[51]發現在pH 2.0～12.0 的范圍內，環丙沙星的降解速度先快后慢，在pH 8時，降解速率最快。

水解是另外一種抗生素轉化的重要非生物途徑。大環內酯類、磺胺類等易溶于水發生水解。Paul 等[52]發現氟喹諾酮類抗生素在水中基本不水解，但對紫外線敏感。吳寶銀等[53]設計了恩諾沙星在不同酸堿度、不同光照、不同微生物條件下的水解，結果發現，恩諾沙星的水解產物沒有環丙沙星，50℃、避光5天后的恩諾沙星在pH 1～10 的緩沖液中水解小于10%，說明它在恒溫避光條件下的半衰期超過1 年，酸堿度的變化對于恩諾沙星的水解速度無顯著影響。在環境中，抗生素還可以通過微生物發生生物降解。段麗麗等[54]發現磺胺二甲嘧啶以及它的降解產物在土壤中很快降解，微生物的降解半衰期為3.44天和1.58天。吳寶銀等[53]發現不同濃度條件下，微生物對恩諾沙星降解無顯著影響。

喹諾酮類抗生素降解的主要選擇還是生物降解。生物降解主要是利用微生物的酶催化反應來降解有機物[46]。主要的處理方法有好氧處理、厭氧處理和厭氧-好氧處理等。相關研究發現，復合微氧水解-好氧工藝對于喹諾酮類抗生素有很好的消除效果[55]。生物降解的方法會受到環境因素的影響，Girardi 等[56]發現環丙沙星在液體環境中基本不降解，但在具有生物活性和非生物活性的土壤里都可以發生降解。

4 展望

國家相關管理部門對水產品中恩諾沙星以及環丙沙星的非法濫用有嚴格的把控，但是恩諾沙星濫用的情況仍然存在。養殖戶們對于恩諾沙星過度使用的危害并不清晰，只考慮到經濟效益沒有考慮到生態效益。恩諾沙星在水產動物體內的半衰期很長，而且它的代謝產物——環丙沙星已經是明令禁止的漁藥，對人體危害較大。所以，為了更加科學合理地指導養殖戶使用抗生素，減少其對生態環境、水生生物甚至人體的危害，必須加強對恩諾沙星及其代謝產物遷移轉化、代謝規律的研究，可以研究不同的養殖環境和養殖活動對其降解的影響，通過比較得出在何種條件下抗生素的殘留較少。為了響應國家綠色、低碳為發展理念，以“高效、優質、生態、健康、安全”為發展目標，建設綠色的生態漁業，可以加強關于殘留抗生素消除技術的研究，如可以采用生物修復技術、生物質炭等生物方法。藥物殘留而導致的細菌耐藥性的問題，也是抗生素污染的一個重要的亟待解決的問題，可以加強對細菌耐藥的機制以及對相關抗性基因的研究。

總而言之，為了減少由于濫用抗生素而導致的一系列問題，必須制定出一套關于恩諾沙星使用的原則，并加強對養殖戶安全合理正確使用抗生素的相關方面的培訓，只有科學合理的使用，才能最大程度上減少其對生態環境的破壞，為綠色可持續發展漁業提供一定的幫助。