《Journal of Hazardous Materials Advances》：Microbial and enzymatic bioconversion of antiretroviral drugs: Mechanisms, degradation metabolites, and environmental implications
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抗逆转录病毒药物（ARVDs）代表了HIV/AIDS治疗的基石，其靶向多种关键病毒蛋白，包括gp41、gp120、CCR5辅助受体、整合酶、逆转录酶和蛋白酶（Shin et al., 2021；Khan et al., 2021）。这些药物包括核苷类逆转录酶抑
抗逆转录病毒药物（ARVDs）代表了HIV/AIDS治疗的基石，其靶向多种关键病毒蛋白，包括gp41、gp120、CCR5辅助受体、整合酶、逆转录酶和蛋白酶（Shin et al., 2021；Khan et al., 2021）。这些药物包括核苷类逆转录酶抑制剂（NRTIs）、非核苷类逆转录酶抑制剂（NNRTIs）、整合酶链转移抑制剂（INSTIs）、蛋白酶抑制剂（PIs）、融合抑制剂和辅助受体拮抗剂（Shin et al., 2021）。在化学结构上，ARVDs展现出多样化的结构特征，从模拟天然DNA构建模块的核苷类似物（如齐多夫定）到通过变构抑制逆转录酶的疏水性分子（如依法韦仑）（De Clercq, 2009）。这些结构差异决定了其吸收、分布、代谢和排泄（ADME）特征。例如，许多ARVDs主要通过细胞色素P450酶（尤其是CYP3A4）进行广泛的肝脏代谢，导致药物血浆水平的个体间差异及潜在的药物相互作用（Cihlar and Fordyce, 2016）。然而，ARVDs的广泛使用也引发了对其环境持久性的关注。研究已在废水和地表水中检测到未代谢的ARVDs（如拉米夫定和替诺福韦），这些化合物可能产生生态毒理学效应，并促进环境微生物群落中抗菌药物耐药性的发展（Marzabal et al., 2022）。此外，由于病毒的高突变率以及单一疗法或依从性差带来的选择性压力，长期治疗常导致耐药HIV毒株的出现（Tang and Shafer, 2012）。这些挑战凸显了对新型制剂、强化环境监测以及综合策略的需求，以减轻耐药性和生态影响。
ARVDs经历复杂的生物转化过程，显著影响其药代动力学、治疗效果和安全性特征。其代谢由药物代谢酶网络介导，包括细胞色素P450（CYP）同工酶、尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）和磺基转移酶（SULTs），以及属于ATP结合盒（ABC）和溶质载体（SLC）超家族的膜转运蛋白（Ye et al., 2017）。这些途径调控药物的活化、解毒、分布和消除，从而影响药物暴露及不良反应易感性。理解人体代谢途径为评估微生物生物转化机制提供了基本框架，其中许多机制涉及类似的反应，如氧化、还原、水解和结合反应。然而，微生物系统也可能促进更广泛的降解，并在适当条件下实现ARVDs的完全矿化。因此，人体与微生物生物转化途径的比较评估对于理解ARVDs的临床归宿及其环境持久性至关重要。此外，阐明这些过程可支持抗逆转录病毒治疗的优化，同时最大限度地减少药物相互作用、毒性和治疗失败（Ye et al., 2017）。
ARVDs的生物转化和管理面临若干挑战，包括不完全降解、潜在有毒转化产物的形成，以及实验室规模工艺在实际应用中放大的局限性。这些挑战及相关研究空白在第8节中详细讨论。解决这些局限性对于改善ARVD修复和推进可持续环境管理策略至关重要。本综述旨在为未来微生物生物转化研究和ARVD废物可持续管理方法提供全面基础。因此，新型药物递送系统和改进的治疗策略对于应对这些挑战至关重要。本综述旨在为研究人员探索ARVD废物管理的可持续方法提供全面基础，同时探讨生物转化产物的治疗潜力、益处和缺点。
论文解读文章
一、研究背景与问题
抗逆转录病毒药物（ARVDs）作为HIV/AIDS治疗的基石药物，在临床应用中发挥着不可替代的作用。然而，随着这些药物的广泛使用，其环境持久性问题日益凸显。研究表明，ARVDs在人体内仅被部分代谢，大量未代谢的原药及其代谢产物通过 wastewater treatment plant（WWTP）出水口和地表径流进入水环境，成为新兴环境污染物。传统污水处理厂对ARVDs的去除效率不足，特别是活性污泥系统效果尤为不佳，导致这些化合物持续存在于出水和水体中。全球范围内的环境浓度存在显著差异，非洲地表水中的依法韦仑浓度可达119-140 μg L?1，远高于欧洲国家水平。依法韦仑和奈韦拉平被确认为在出水和地表水中最具持久性的化合物。此外，长期治疗中病毒的高突变率和选择性压力导致耐药HIV毒株的出现，而环境中亚治疗浓度的ARV残留可能进一步促进抗菌药物耐药性在环境微生物群落中的发展。这些挑战凸显了开发新型制剂、强化环境监测以及综合策略的迫切需求，以减轻耐药性和生态影响。
二、研究目的与意义
鉴于传统物理化学处理方法（如臭氧氧化、高级氧化、吸附等）存在能耗高、成本高、可能产生有毒转化产物或仅实现污染物相转移等局限性，本研究旨在系统综述微生物和酶促生物转化在ARVDs环境修复中的应用潜力。生物转化系统具有在温和条件下运行、底物特异性高、可整合至现有污水处理基础设施以及可能实现污染物完全矿化等优势，因此被视为一种可持续、环境友好且具有成本效益的ARVD污染缓解策略。本综述旨在为未来微生物生物转化研究和ARVD废物可持续管理方法提供全面基础，同时探讨生物转化产物的治疗潜力、益处和缺点。
三、关键技术方法
研究人员采用系统性文献检索策略，使用ScienceDirect、Web of Science、PubMed、Google Scholar和Scopus等数据库，结合布尔运算符组合关键词（如“antiretroviral drugs”“bioconversion”“biodegradation”“metabolites”“microbial degradation”“enzymatic degradation”“environmental contamination”），筛选相关同行评审文章，并采用PRISMA流程图展示研究选择过程。在微生物菌株分离与优化方面，涉及环境采样与富集培养、经典分离纯化、共培养/菌群分离、高通量筛选（微板法、比色法、LC-MS分析）、宏基因组学与功能宏基因组筛选、蛋白质组学/转录组学引导分离、适应性实验室进化（ALE）、随机诱变与筛选、酶定向进化、理性基因工程（过表达、途径组装、CRISPR）、菌群设计与稳定化（合成生态学）、真菌酶挖掘与异源表达以及生物反应器放大与固定化等多种方法。生物转化技术方面涉及生物膜反应器、颗粒污泥/颗粒生物膜反应器、膜生物反应器（MBRs）、移动床生物膜反应器（MBBR）、共培养与菌群系统以及固定化技术等。
四、研究结果
ARVDs作为环境污染物的现状
研究系统梳理了ARVDs的环境归趋与生态毒理影响。传统污水处理厂对ARVDs的去除效率不足，去除率因化合物和处理技术而异。例如，移动床生物膜反应器对依法韦仑和利托那韦具有高去除率，但对奈韦拉平和替诺福韦仅表现出中等去除效果。氯化消毒等过程可形成转化产物，其中部分保留抗病毒活性。NRTIs通常比NNRTIs更易受微生物降解，而PIs和INSTIs的持久性和生物降解特征因环境条件和处理工艺而异。操作限制（如水力停留时间不足、微生物群落组成和pH）进一步阻碍了ARVDs的有效去除，特别是在资源匮乏的环境中。
生物转化的机制基础
ARVDs的生物转化涉及一系列酶促和全细胞微生物过程，通过I相和II相代谢途径改变化合物的化学结构及药理活性。I相反应包括氧化、还原、水解、脱烷基化和脱氨基反应，由单加氧酶（如细胞色素P450s）、黄素依赖性单加氧酶、过氧化物酶、还原酶和水解酶/酯酶催化。II相反应包括与谷胱甘肽、氨基酸、糖类的结合反应或进一步氧化为高极性产物；在环境微生物中，这也可实现向CO?和其他无机物的矿化。微生物结合酶（如谷胱甘肽-S-转移酶（GSTs）、部分微生物UDP-糖基转移酶类似物）和胞外氧化酶（漆酶/过氧化物酶）发挥关键作用。微生物系统可模拟哺乳动物代谢途径，提供立体选择性和区域特异性转化。例如，某些假单胞菌属（Pseudomonas）和分枝杆菌属（Mycobacterium）物种可通过氧化和脱氨基途径降解NRTIs和NNRTIs。利匹韦林的生物转化主要由CYP3A4和CYP3A5催化氧化，产生单氧化和二氧化代谢产物，以及由UGT1A4和UGT1A1介导的葡萄糖醛酸结合反应。
体外、体内及临床前研究证据
体外、体内和临床研究为ARVDs的生物转化提供了重要证据。活性污泥系统可快速生物转化阿昔洛韦（ACV）和喷昔洛韦（PCV），半衰期分别为5.3小时和3.4小时，其主要生物转化途径涉及末端羟基氧化为羧酸。阿巴卡韦、拉米夫定、齐多夫定和恩曲他滨在活性污泥中通过羧化等途径产生转化产物。依法韦仑的固定化漆酶生物催化降解已得到优化。一项临床病例对照研究显示，HIV感染男性患者血浆中依法韦仑代谢物8-羟基-依法韦仑浓度升高与情绪障碍显著相关，提示监测该代谢物可能改善治疗药物监测并识别神经精神不良反应风险患者。
参与ARVD生物转化的微生物及途径
细菌、真菌和藻类在ARVD生物转化中发挥重要作用。活性污泥群落和分离的假单胞菌属物种可通过水解和氧化转化阿巴卡韦和替诺福韦。白腐真菌（如Phanerochaete chrysosporium和Trametes versicolor）产生胞外漆酶和过氧化物酶，可氧化顽固的ARVD骨架。藻类处理系统通过生物吸附、生物累积和胞内/胞间降解机制去除废水中的ARVDs，且藻类物种对高药物浓度具有耐受性。微生物利用脱氢/还原、羟基化、酯化、甲基化和卤化等多种代谢途径进行药物转化。
五、讨论与结论
生物转化ARVDs面临多方面挑战，包括生物学、化学、技术和监管领域。生物学挑战包括微生物可能被高浓度ARV抑制或产生耐药性、生物转化可能停留在中间产物阶段（其中某些比母体化合物更具毒性或持久性）、以及酶的底物范围有限或催化效率低。化学和毒理学挑战包括生物转化可能产生有害或致癌副产物（如芳香胺、醛类）、某些ARV分解产物可能模拟激素影响水生生物和人类健康、以及某些ARVDs或中间体在环境或工程环境中可能发生不可预测的反应。技术和操作挑战包括需要精确控制pH、温度、营养水平、氧气和氧化还原电位、实验室规模工艺在工业或环境规模放大时往往因复杂性和成本而失败。此外，基因工程改造微生物引发生物安全和监管担忧，存在水平基因转移的潜在风险。
研究结论指出，ARVDs的生物转化在减少药物废物和可能创造新型生物活性化合物方面具有前景。然而，必须仔细评估生物安全性、副产物毒性和监管合规性，以避免意外后果。解决这些挑战需要涉及微生物学、药理学、环境科学和工程学的跨学科方法。未来研究方向应聚焦于合成菌群和组学引导的酶发现，以实现ARVDs的完全矿化。
