水體中抗生素前處理及檢測方法研究

肖生彩，張春霞

（甘肅省白銀生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 白銀 730900）

引言

抗生素在治療細(xì)菌性疾病中發(fā)揮了重要作用，自誕生之后就在臨床得到了廣泛應(yīng)用。但是抗生素的長期使用，會使人體中的細(xì)菌產(chǎn)生抗耐性，長此以往，會造成人體的自愈功能下降，免疫系統(tǒng)遭到破壞。2012年，國家規(guī)范了臨床中抗生素的使用，使得抗生素的使用率大大降低，但是由于基數(shù)大，我國依舊是當(dāng)前生產(chǎn)和使用抗生素的大國。特別是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中依舊占有較大比例，因此獸用抗生素的使用量很大。據(jù)統(tǒng)計，獸用抗生素的使用量每年約10萬噸，占我國抗生素使用量的70%左右。大多數(shù)抗生素難以被機(jī)體吸收，最終以原藥的形態(tài)被排出體外而流入水體中，而水體中的抗生素又會通過飲水、食用肉類和蔬菜而進(jìn)入人體，形成惡性循環(huán)。據(jù)報道，因抗生素耐藥性而死亡的人數(shù)每年約為70萬人，這一數(shù)據(jù)還在不斷上升，如果不加以控制，預(yù)計在2050年，每年因抗生素耐藥而死亡的人數(shù)將會達(dá)到1 000萬。因此，切實(shí)提升水體中的抗生素檢測水平，有針對性地進(jìn)行科學(xué)治理，已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 水體中抗生素的主要來源

水體中抗生素的主要來源：（1）養(yǎng)殖牲畜的過程，獸用抗生素的大量使用，使其通過糞便，污水等排入水體中；（2）制藥企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的污水未經(jīng)處理排放；（3）人用藥未吸收，以尿液或糞便方式進(jìn)入水體中造成污染；（4）污水處理廠處理的污水再次排放等。

1.1 養(yǎng)殖過程中濫用抗生素

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，畜禽和水產(chǎn)品在養(yǎng)殖過程中，抗生素的濫用現(xiàn)象觸目驚心。首先，養(yǎng)殖業(yè)容易造成疾病傳播和擴(kuò)散，因此，抗生素在養(yǎng)殖過程中被大量使用，用于養(yǎng)殖中的疾病預(yù)防；二是抗生素具有促進(jìn)生長的作用，為例縮短養(yǎng)殖周期，盡快回籠資金，提升養(yǎng)殖效益，很多從事養(yǎng)殖工作的人員大量使用抗生素，加速畜禽和水產(chǎn)品生長。這些抗生素以原藥的形態(tài)排出體外，進(jìn)入水體中，造成水體中抗生素含量嚴(yán)重超標(biāo)。相關(guān)人員對大型養(yǎng)殖場周圍的水域通過抽樣方式進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，70%的樣本中都檢測出抗生素超標(biāo)，其中包含氟苯尼考、磺胺類化合物等多種抗生素，其中磺胺類化合物種類最多，超標(biāo)程度最高[1]。研究人員對南京段長江水體進(jìn)行采樣檢測，也在水體中發(fā)現(xiàn)了10種抗生素，其中含量最高的是磺胺類，種類也更多，達(dá)到8種，最高的濃度高達(dá)6.846～9.13 ng/L，含量最高的樣本采集點(diǎn)是水產(chǎn)品養(yǎng)殖的集中區(qū)。因此，我們可以得出結(jié)論，磺胺類抗生素是當(dāng)前使用最廣泛、用量最高的抗生素，它被當(dāng)作生長素在養(yǎng)殖中大量應(yīng)用，其直接和間接造成了周圍抗生素含量的嚴(yán)重超標(biāo)。

1.2 制藥企業(yè)的污水排放

當(dāng)前，對于工廠產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣，國家加大了治理力度，取得了很大成就。制藥工廠的污水一般都是先排放到污水處理廠進(jìn)行處理，有效減少了水體污染。但是抗生素本身降解難度較高，雖然經(jīng)嚴(yán)格處理，但是殘余的抗生素依舊有較高的濃度。曾有媒體報道，某制藥企業(yè)排放的污水中檢測出的抗生素含量超出自然水體含量的1萬倍。有研究人員通過周密實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)某制藥廠雖然對污染進(jìn)行了處理，其去除率達(dá)到了73%，但是經(jīng)過處理的污水中的頭孢類抗生素含量依舊嚴(yán)重超標(biāo)，被檢測出的四種頭孢類抗生素，濃度最高的達(dá)到了10.6～35.1 ng/L。國外的一些研究也證明，經(jīng)過處理后污水中的抗生素即使去除率達(dá)到99%，其排出的污水中的抗生素含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出自然水體[2]。因此，制藥廠是水體中抗生素的重要源頭。

1.3 個人用藥及醫(yī)療廢水處理

生活用水中存在的抗生素主要是個人用藥后排入污水環(huán)境和醫(yī)療污水的處理不完全造成的。個人獲取抗生素的途徑主要是醫(yī)生開具的處方藥或者在藥店中購買非處方類的抗生素藥品，這類抗生素藥品被人體吸收并通過新陳代謝降解的只是很少一部分，大部分抗生素通過人體的尿液和糞便排出體外，進(jìn)入生活污水中，造成水體抗生素污染。另外，很多家庭購買的藥品在過期之后，沒有通過專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，而是隨意丟棄，這些抗生素最終也會流入生活污水中。除了個人用藥之外，醫(yī)院中的污水也是造成生活用水中抗生素濃度超標(biāo)的罪魁禍?zhǔn)?。醫(yī)院在污水丟棄之前都會經(jīng)過處理，去除其中的抗生素，對很多抗生素的去除率甚至達(dá)到了100%，但是當(dāng)前的技術(shù)水平對大環(huán)內(nèi)酯類的抗生素去除效果十分有限。

1.4 污水處理廠污水的再次排放

污水處理廠對污水的處理也不能完全清除所有的抗生素。有研究人員對美國馬里蘭州污水處理廠的污水以及處理后的凈水進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，在污水處理之前監(jiān)測出11種抗生素，污水處理后的凈水中仍舊含有大量氧氟沙星和環(huán)丙沙星，說明污水處理廠雖然可以清除大部分的抗生素，但難以清除某些特殊的抗生素。我國的一些研究也證明，污水處理廠對一些抗生素的清除效果較差，比如氟喹諾酮類藥物，這種抗生素在污水處理中的清除率在66%左右，仍有大約三分之一的抗生素最終會再次進(jìn)入水體中[3]。所以，污水處理廠處理后的凈水排入河流中，會使一些未被清除的抗生素再次進(jìn)入水環(huán)境中，造成水體污染。

2 水體中抗生素的前處理方法

抗生素在水體中的存在是微量級的，直接檢測技術(shù)難度極大，因此在進(jìn)行檢測之前，需要對水樣進(jìn)行富集、分離和凈化等系列處理，以便于儀器檢測。

2.1 固相萃取

該項(xiàng)技術(shù)最早是由Stonge等人在1979次首次提出，經(jīng)過幾十年不斷改進(jìn)和完善，在抗生素前處理中得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)通過在固相萃取小柱中注入取樣水，使抗生素在此富集和濃縮，并有效提取抗生素，為檢測提供必要的支撐，提升后續(xù)檢測的準(zhǔn)確性。該技術(shù)耗費(fèi)的有機(jī)溶劑較少，操作相對簡單，該種方式相對而言實(shí)現(xiàn)自動化操作比較容易。美國環(huán)保局曾將該技術(shù)列為飲用水和廢水中有機(jī)物的檢測方式，近些年來更是在抗生素的分離純化中得到廣泛應(yīng)用。但是這種方式的檢測正確率受到洗脫劑類型、水樣流速、pH值等因素的影響。丁紫榮[4]等人使用固相萃取技術(shù)對養(yǎng)殖廢水中的喹諾酮類抗生素進(jìn)行分離純化，發(fā)現(xiàn)在pH值為2時，吸附效果可以達(dá)到99%，增強(qiáng)了處理效果。因該技術(shù)受周邊環(huán)境影響較大，因此在實(shí)際操作中，經(jīng)常采用全自動處理方式，這樣不僅縮短了樣品制備及準(zhǔn)備的時間，減少了樣品損失，也降低了樣品的污染程度。更重要的是，避免了樣品毒性對操作人員的危害。

2.2 固相微萃取

該技術(shù)是由Belardi等人在1989年首次提出，其在萃取物表面涂抹特殊的吸附材料，吸附和分離樣品中的抗生素，該技術(shù)的準(zhǔn)確性受到萃取時間和攪拌速度的影響。技術(shù)的萃取效率主要取決于涂層表面的吸附材料、萃取時間和攪拌速度等。有研究人員將氧化石墨烯、碳納米管和二氧化鈦組成復(fù)合材料，用來檢測水體中存在的4種抗生素，結(jié)果顯示該技術(shù)效果更好。

2.3 磁性固相萃取

該技術(shù)是將吸附劑和磁性固相萃取技術(shù)相結(jié)合，對目標(biāo)物進(jìn)行吸附分離。在具體應(yīng)用過程中，研究人員在水樣中加入吸附劑進(jìn)行充分混勻，使吸附面增加。該項(xiàng)技術(shù)的效果受到吸附劑類型、萃取方式和時間、水樣體積等因素的影響。Qiao等[5]將Fe3O4@ SiO2-SnS2作為磁性固相萃取的材料進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，富集萃取日間和日內(nèi)的抗生素分別為1.1%～10.8%和7.4%～13.5%，萃取效果較好；而同時改變吸附劑和時間，結(jié)果顯示效果較差。因此，我們可以認(rèn)定，適合的新型萃取材料，萃取方式、時間等都會對萃取效果產(chǎn)生影響。該萃取技術(shù)雖然受到周邊因素的影響較大，但是在抗生素的前處理中效果較為顯著，應(yīng)用也較為廣泛。

2.4 分散液液微萃取

分散液液微萃取模式于2006年提出，是相對較新的一種方式，它是一種μL級的樣品富集濃縮技術(shù)，體積非常小。其將萃取劑和分離劑注入水樣中，萃取劑會通過微滴的形式擴(kuò)散在水樣中，增加接觸面積，從而有效提升萃取效率。在形成混濁液之后，經(jīng)過一段時間達(dá)到平衡，形成上下兩層，抗生素被萃取到下層，然后將抽取的抗生素萃取物重新溶解在HPLC的溶劑中進(jìn)行檢測分析。這種萃取模式受到萃取劑、分離劑、pH值、萃取和攪拌時間等因素的影響。有研究人員使用分散液液微萃取對5種喹諾酮類抗生素進(jìn)行分離檢測的前處理，并設(shè)置了不同的萃取劑、分離劑、pH值、萃取和攪拌時間，結(jié)果顯示不同的條件設(shè)置，效果有較大差異，證明這些因素會影響前處理效果。

3 水體中抗生素的檢測方法

近些年隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們對水體抗生素污染的重視程度不斷提升，水體中抗生素的檢測方法層出不窮，但是不同的檢測方法可能會出現(xiàn)不同的檢測結(jié)果。本人結(jié)合工作實(shí)際，介紹當(dāng)前比較有效，且應(yīng)用比較廣泛的檢測方法。

3.1 高效液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用法

該方法在近年來應(yīng)用比較廣泛，通常在環(huán)境監(jiān)測、生物制品有機(jī)物含量檢測、天然藥物的分離等工作中使用。它通過高壓的形式，向色譜柱泵入載液和待測水樣，以水相和有機(jī)相在柱內(nèi)分離出水樣中的成分，然后再進(jìn)入質(zhì)譜檢測器、熒光檢測器等檢測器中分析其中存在的抗生素種類及含量。該方法可用于環(huán)境、生物和臨床基質(zhì)中有機(jī)樣品的檢測、有機(jī)合成中間體和產(chǎn)品的檢測、天然藥物的分離和分析等。在海水的測定中，相關(guān)人員利用HPLC－MS方法，添加甲酸到流動相中，對其中3種類型的12種抗生素進(jìn)行同時監(jiān)測，有效檢測了海水中含有的抗生素種類和數(shù)量。

3.2 毛細(xì)管電泳法

毛細(xì)管電泳所用的石英自身會帶負(fù)電，在和溶液接觸之后會形成雙電層，這樣會以不同的速度分離出帶正電和負(fù)電、不帶電離子或中性的離子，并利用時間差達(dá)到分離不同離子的效果。在監(jiān)測過程中，其檢測效果受到待測物體積、電壓、pH值、溫度等因素的影響。比如，在使用FASI－CZE對水中的磺胺嘧啶、磺胺甲、磺胺異等磺胺類抗生素進(jìn)行檢測時，不同溫度、電壓下的分離速度有很大差異，不同溫度下的差異有的會達(dá)到20%以上[6]。本人在工作中也曾采用該方法檢測水體中含有的抗生素，檢測結(jié)果證明，此種檢測方法準(zhǔn)確性很高，并且操作相對比較簡單，應(yīng)用效果良好。

3.3 電化學(xué)分析法

該檢測方法是利用抗生素的化學(xué)性質(zhì)，通過電量、電導(dǎo)、電阻等和抗生素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，分離出其中的抗生素。在水環(huán)境監(jiān)測中，經(jīng)常使用電化學(xué)傳感器、電化學(xué)生物傳感器等檢測技術(shù)。比如在大致了解水樣中抗生素的前提下，采取電化學(xué)分析法，使其中的抗生素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再對相應(yīng)的有機(jī)物進(jìn)行分離處理，能夠取得良好效果。本人通過實(shí)踐應(yīng)用證明，這種檢測方式通過化學(xué)反應(yīng)的形式，能夠有效地對水中的抗生素進(jìn)行分離分析，但是該檢測方法最好配合其他實(shí)驗(yàn)方法使用，否則容易使檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差。比如在檢測之前，需要首先用其他檢測方法對其含有的主要抗生素情況進(jìn)行檢測確定，然后再利用該方法對其中的抗生素物質(zhì)進(jìn)行分離分析。

3.4 免疫分析法

免疫分析法選擇范圍較廣，檢測受限較低，在食品檢測等檢測中應(yīng)用較為廣泛。它的應(yīng)用原理是抗原和抗體之間的特殊結(jié)合，按照是否標(biāo)記可分為非標(biāo)記免疫分析技術(shù)和標(biāo)記免疫分析技術(shù)。其中，標(biāo)記免疫分析技術(shù)包括熒光免疫分析法和電化學(xué)免疫分析法，這兩種方法又可以細(xì)分為電化學(xué)免疫、熒光免疫等多種。當(dāng)前，這種檢測方式在水體抗生素檢測中也得到了應(yīng)用，比如在檢測水中磺胺類抗生素時，應(yīng)用電化學(xué)免疫法可以快速、準(zhǔn)確地分析水樣中存在的抗生素種類及含量。

4 結(jié)語

抗生素進(jìn)入水體后，會通過各種方式不斷擴(kuò)散；進(jìn)入人體中，會使人體產(chǎn)生耐藥性，降低人體的新陳代謝能力并破壞免疫力，對人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。隨著抗生素的危害越來越為人所知，減少抗生素濫用，保護(hù)水環(huán)境受到了人們前所未有的關(guān)注。在此背景下，我們需要研究出更為有效的水體中抗生素的檢測方法，以便更好地確定其污染程度、污染種類等，并根據(jù)實(shí)際情況，制定更加切實(shí)可行的治理措施，采用科學(xué)、有效的治理手段，加強(qiáng)環(huán)境治理，維護(hù)人類健康。