环境抗生素抑制土壤脲酶的毒性效应与机制研究

论文摘要

抗生素作为一大类高毒性、高残留的有机污染物已引起环境学者的广泛关注。抗生素进入土壤后会破坏原有土壤环境的稳定状态,并影响土壤功能酶的生物活性,打破土壤功能酶参与碳、氮、磷循环的平衡,进而对土壤功能造成严重的破坏。鉴于此,探究各类抗生素的毒性差异、阐明其毒性作用机制已成为环境研究领域内的热点问题。目前关于抗生素对土壤的污染现状已被广泛探讨,但有关抗生素对土壤功能酶活性的致毒作用仍缺乏系统的研究。同时,抗生素对土壤功能酶的分子致毒机制尚未阐明,制约了从本质上评价抗生素对土壤功能酶的污染机理。本研究选取土壤脲酶作为抗生素靶向目标,主要考察六类典型抗生素对土壤脲酶的毒性抑制和作用机制。通过分子毒性实验分别得到不同抗生素对土壤脲酶活性的致毒作用;借助传统荧光光谱和分子对接技术对抗生素与土壤脲酶复合物的结构进行解析;将理论模拟数据与实验结果相对照,阐明六类典型抗生素对土壤脲酶活性的毒性作用差异机制,建立评价抗生素生物毒性效应的新方法。主要研究工作如下:（1）首先,通过分子毒性实验考察六类典型抗生素对土壤脲酶活性的影响效果。喹诺酮类抗生素诺氟沙星、氧氟沙星、恩诺沙星和β-内酰胺类抗生素青霉素、头孢氨苄、阿莫西林对土壤脲酶活性的作用效果均整体表现为抑制作用（除环丙沙星对土壤脲酶活性无明显作用）;四环素类抗生素四环素、土霉素、强力霉素对土壤脲酶活性的作用效果整体均表现为促进作用;除阿奇霉素对土壤脲酶活性表现出促进作用外,大环内酯类抗生素红霉素、克拉霉素、罗红霉,氨基糖苷类抗生素卡那霉素、妥布霉素、庆大霉素和磺胺类抗生素磺胺嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺噻唑对土壤脲酶活性均无明显的作用效果。（2）接下来,通过荧光光谱技术考察六类典型抗生素与土壤脲酶的相互作用。实验结果表明六类典型抗生素与土壤脲酶的相互作用过程中,土壤脲酶的荧光强度具有明显的下降趋势,即抗生素与土壤脲酶发生了猝灭作用。结合分子毒性实验数据可推断六类典型抗生素与土壤脲酶相互作用的差异类型:喹诺酮类抗生素环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星、恩诺沙星和β-内酰胺类抗生素青霉素、头孢氨苄、阿莫西林于土壤脲酶的催化活性中心发生静态猝灭;四环素类抗生素四环素、土霉素和强力霉素于土壤脲酶的非催化活性中心发生静态猝灭;大环内脂类抗生素红霉素、克拉霉素、罗红霉素、环丙沙星,氨基糖苷类抗生素卡那霉素、妥布霉素、庆大霉素和磺胺类抗生素磺胺甲基嘧啶、磺胺噻唑、磺胺嘧啶于土壤脲酶的非催化活性中心发生静态猝灭或动态猝灭。（3）最后,通过MOE分子模拟软件对六类典型抗生素与土壤脲酶进行分子对接,可以从毒物与土壤脲酶结合前后整体能量变化、结合面积、氢键、离子键作用层次对抗生素抑制土壤脲酶生物活性的差异机制进行阐释。结果表明:（1）喹诺酮类抗生素在土壤脲酶的催化活性中心与其结合形成复合物,对土壤脲酶活性产生明显的抑制作用。复合物整体结合面积和毒物毒性变化存在正相关性,可作为评价该类抗生素对土壤脲酶致毒机制的重要指标;喹诺酮类抗生素-土壤脲酶结合能量的变化应归结于氢键、离子键等相互作用,两者对接后整体能量下降程度与毒物毒性变化正相关,表明该能量变化值可作为评价该类抗生素毒性的重要指标;在喹诺酮类抗生素和土壤脲酶的相互作用中,O25←Lys443、C6→Glu369等氢键作用和N4-Asp79、O25-Lys443等离子键作用与毒物毒性变化正相关;O23←Lys443、N4→Asp103等氢键作用和N4-Glu503等离子键作用和毒物毒性变化负相关,即以上作用越强毒物对土壤脲酶抑制作用越小;环丙沙星与土壤脲酶形成的氢键、离子键作用对毒物毒性变化相关性较小;催化活性中心的两个Ni2+对结合过程未发现明显的影响作用。（2）β-内酰胺类抗生素在土壤脲酶的催化活性中心与其结合形成复合物,对土壤脲酶活性产生明显的抑制作用。复合物的整体结合面积和毒物毒性变化存在正相关性,可作为评价该类抗生素对土壤脲酶致毒机制的重要指标;β-内酰胺类-土壤脲酶结合能量的变化应归结于氢键、离子键等相互作用,两者对接后整体能量下降程度与毒物毒性变化正相关,表明该能量变化值可作为评价抗生素毒性的重要指标;在β-内酰胺类抗生素和土壤脲酶的相互作用中,O63←Lys443、O8←Asn46等氢键作用和O13-Arg94、O13-Arg52等离子键作用等离子键作用与毒物毒性变化正相关;S4←Gly368、O18→Asp79等氢键作用和O62-Lys124、O63-Arg518离子键作用与毒物毒性变化负相关,即以上作用越强毒物对土壤脲酶抑制作用越小;催化活性中心的两个Ni2+对结合过程未发现明显的影响作用。（3）四环素类抗生素在土壤脲酶的非催化活性中心与其结合形成复合物,由于四环素类抗生素与土壤脲酶非催化活性中心的相互作用导致其催化活性中心活性的改变,间接导致抗生素在土壤脲酶非催化活性中心对其产生促进作用。四环素类抗生素与土壤脲酶的整体结合面积和毒物毒性变化存在正相关性,可作为评价抗生素对土壤脲酶致毒机制的重要指标;四环素类-土壤脲酶结合能量的变化应归结于氢键、离子键等相互作用,两者对接后整体能量下降程度与毒物毒性变化正相关,表明该能量变化值可作为评价抗生素毒性的重要指标;在四环素类抗生素和土壤脲酶的相互作用中,O3→Phe567、N21→Phe567等氢键作用和N4-Glu311、N4-Phe567等离子键作用与毒物毒性变化正相关;C4→Glu311、O1←Arg373等氢键作用和N4-Asp79离子键作用与毒物毒性变化负相关,即以上作用越强毒物对土壤脲酶抑制作用越小。（4）氨基糖苷类、大环内脂类、磺胺类抗生素在土壤脲酶的非催化活性中心与其结合生成复合物,对土壤脲酶活性无明显作用效果。氨基糖苷类、磺胺类抗生素、大环内脂类（除阿奇霉素与土壤脲酶的整体结合面积、整体能量变化和毒物毒性有一定的相关性）与土壤脲酶的整体结合面积、整体能量变化和毒物毒性变化无相互作用效果;氨基糖苷类、大环内脂类、磺胺类抗生素与土壤脲酶结合生成的氢键作用、离子键作用对毒物毒性无明显的影响(阿奇霉素涉及的O4B→Asp329、O13→Asp394、C8A→Glu5、O2A→Glu5氢键作用和N1-Glu45、N1-Asp258离子键作用与毒物毒性变化有一定的的相关性)。

论文目录

摘要

Abstract

第一章前言

1.1 土壤环境中抗生素污染现状

1.1.1 土壤环境中抗生素的来源

1.1.1.1 禽畜粪便施肥

1.1.1.2 污水灌溉

1.1.1.3 污泥施肥

1.1.2 土壤中抗生素污染的迁移转化特征

1.1.2.1 抗生素在土壤中的吸附行为

1.1.2.2 抗生素在土壤中的降解行为

1.1.2.3 植物吸收与富集

1.1.3 抗生素引发的环境风险

1.1.3.1 抗生素对土壤生物的影响

1.1.3.2 抗生素对土壤功能的影响

1.1.3.3 抗生素对农产品质量安全和人体健康的风险

1.2 土壤功能与酶的作用

1.2.1 土壤的主要功能

1.2.2 土壤功能酶的主要作用

1.3 土壤脲酶的作用和抗生素的污染

1.3.1 土壤脲酶的关键作用

1.3.1.1 土壤肥力评价

1.3.1.2 土壤脲酶活性与植物生长发育

1.3.1.3 土壤污染评价

1.3.1.4 土壤脲酶对改土培肥的作用

1.3.2 土壤脲酶基本结构特征

1.3.3 抗生素对土壤脲酶的影响

1.4 论文的研究目的、意义、内容、创新点及技术路线

1.4.1 论文的研究目的

1.4.2 论文的研究意义

1.4.3 论文的研究内容

1.4.3.1 抗生素污染物与土壤脲酶相互作用效果差异性研究

1.4.3.2 荧光光谱法研究抗生素污染物与土壤脲酶的相互作用

1.4.3.3 抗生素污染物与土壤脲酶分子对接模拟实验研究

1.4.4 论文的创新点

1.4.5 论文的技术路线

第二章实验方法与数据测定

2.1 研究抗生素-土壤脲酶相互作用的方法

2.2 实验数据测定

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 抗生素污染物抑制土壤脲酶分子毒性实验

2.2.3 发射荧光光谱法研究抗生素污染物与土壤脲酶的相互作用

2.2.4 抗生素污染物与土壤脲酶分子对接模拟实验

第三章抗生素污染物对土壤脲酶的毒性作用研究

3.1 喹诺酮类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.2 β-内酰胺类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.3 四环素类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.4 氨基糖苷类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.5 大环内酯类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.6 磺胺类抗生素对土壤脲酶活性的毒性差异评价

3.7 本章小结

第四章抗生素污染物对土壤脲酶荧光光谱的影响

4.1 抗生素与土壤脲酶相互作用荧光光谱的评价方法

4.2 喹诺酮类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.3 β-内酰胺类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.4 四环素类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.5 氨基糖苷类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.6 大环内脂类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.7 磺胺类抗生素对土壤脲酶荧光强度的影响

4.8 本章小结

第五章抗生素污染物抑制土壤脲酶活性的机制研究

5.1 喹诺酮类抗生素抑制土壤脲酶活性的机制研究

5.1.1 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.1.2 喹诺酮类抗生素的结构特征分析

5.1.3 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.1.4 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.1.5 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.1.6 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

2+离子参与的相互作用分析'> 5.1.7 喹诺酮类抗生素与土壤脲酶对接产物Ni²⁺离子参与的相互作用分析

5.2 β-内酰胺类抗生素抑制土壤脲酶活性的机制研究

5.2.1 β-内酰胺类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.2.2 β-内酰胺类抗生素的结构特征分析

5.2.3 β-内酰胺类类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.2.4 β-内酰胺类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.2.5 β-内酰胺类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.2.6 β-内酰胺类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

2+离子参与的相互作用分析'> 5.2.7 β-内酰胺类抗生素与土壤脲酶对接产物Ni²⁺离子参与的相互作用分析

5.3 四环素类抗生素调控土壤脲酶活性的机制研究

5.3.1 四环素类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.3.2 四环素类抗生素的结构特征分析

5.3.3 四环素类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.3.4 四环素类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.3.5 四环素类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.3.6 四环素类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

5.4 氨基糖苷类抗生素影响土壤脲酶活性的机制研究

5.4.1 氨基糖苷类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.4.2 氨基糖苷类抗生素的结构特征分析

5.4.3 氨基糖苷类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.4.4 氨基糖苷类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.4.5 氨基糖苷类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.4.6 氨基糖苷类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

5.5 大环内脂类抗生素影响土壤脲酶活性的机制研究

5.5.1 大环内脂类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.5.2 大环内脂类抗生素的结构特征分析

5.5.3 大环内脂类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.5.4 大环内脂类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.5.5 大环内脂类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.5.6 大环内脂类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

5.6 磺胺类抗生素影响土壤脲酶活性的机制研究

5.6.1 磺胺类抗生素与土壤脲酶活性亚基的相互作用分析

5.6.2 磺胺类抗生素的结构特征分析

5.6.3 磺胺类抗生素与土壤脲酶对接产物结合面积分析

5.6.4 磺胺类抗生素与土壤脲酶对接产物能量变化分析

5.6.5 磺胺类抗生素与土壤脲酶对接产物氢键作用分析

5.6.6 磺胺类抗生素与土壤脲酶对接产物离子键作用分析

5.7 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间科研情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张书菡

导师: 宗万松

关键词: 抗生素,土壤脲酶,毒性,荧光光谱,分子对接,毒性机制

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用

单位: 山东师范大学

分类号: X171.5

总页数: 124

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