水體中抗生素前處理及檢測方法研究

肖生彩，張春霞

（甘肅省白銀生態環境監測中心，甘肅 白銀 730900）

引言

抗生素在治療細菌性疾病中發揮了重要作用，自誕生之后就在臨床得到了廣泛應用。但是抗生素的長期使用，會使人體中的細菌產生抗耐性，長此以往，會造成人體的自愈功能下降，免疫系統遭到破壞。2012年，國家規范了臨床中抗生素的使用，使得抗生素的使用率大大降低，但是由于基數大，我國依舊是當前生產和使用抗生素的大國。特別是當前我國農業在國民經濟中依舊占有較大比例，因此獸用抗生素的使用量很大。據統計，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。大多數抗生素難以被機體吸收，最終以原藥的形態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入人體，形成惡性循環。據報道，因抗生素耐藥性而死亡的人數每年約為70萬人，這一數據還在不斷上升，如果不加以控制，預計在2050年，每年因抗生素耐藥而死亡的人數將會達到1 000萬。因此，切實提升水體中的抗生素檢測水平，有針對性地進行科學治理，已經成為當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）制藥企業生產中產生的污水未經處理排放；（3）人用藥未吸收，以尿液或糞便方式進入水體中造成污染；（4）污水處理廠處理的污水再次排放等。

1.1 養殖過程中濫用抗生素

隨著我國經濟的發展，畜禽和水產品在養殖過程中，抗生素的濫用現象觸目驚心。首先，養殖業容易造成疾病傳播和擴散，因此，抗生素在養殖過程中被大量使用，用于養殖中的疾病預防；二是抗生素具有促進生長的作用，為例縮短養殖周期，盡快回籠資金，提升養殖效益，很多從事養殖工作的人員大量使用抗生素，加速畜禽和水產品生長。這些抗生素以原藥的形態排出體外，進入水體中，造成水體中抗生素含量嚴重超標。相關人員對大型養殖場周圍的水域通過抽樣方式進行檢測發現，70%的樣本中都檢測出抗生素超標，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，超標程度最高[1]。研究人員對南京段長江水體進行采樣檢測，也在水體中發現了10種抗生素，其中含量最高的是磺胺類，種類也更多，達到8種，最高的濃度高達6.846～9.13 ng/L，含量最高的樣本采集點是水產品養殖的集中區。因此，我們可以得出結論，磺胺類抗生素是當前使用最廣泛、用量最高的抗生素，它被當作生長素在養殖中大量應用，其直接和間接造成了周圍抗生素含量的嚴重超標。

1.2 制藥企業的污水排放

當前，對于工廠產生的廢水、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，雖然經嚴格處理，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驗，發現某制藥廠雖然對污染進行了處理，其去除率達到了73%，但是經過處理的污水中的頭孢類抗生素含量依舊嚴重超標，被檢測出的四種頭孢類抗生素，濃度最高的達到了10.6～35.1 ng/L。國外的一些研究也證明，經過處理后污水中的抗生素即使去除率達到99%，其排出的污水中的抗生素含量也遠遠高出自然水體[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境和醫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，沒有通過專門的機構進行處理，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，醫院中的污水也是造成生活用水中抗生素濃度超標的罪魁禍首。醫院在污水丟棄之前都會經過處理，去除其中的抗生素，對很多抗生素的去除率甚至達到了100%，但是當前的技術水平對大環內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行研究。研究結果表明，在污水處理之前監測出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入水環境中，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，直接檢測技術難度極大，因此在進行檢測之前，需要對水樣進行富集、分離和凈化等系列處理，以便于儀器檢測。

2.1 固相萃取

該項技術最早是由Stonge等人在1979次首次提出，經過幾十年不斷改進和完善，在抗生素前處理中得到廣泛應用。該技術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，提升后續檢測的準確性。該技術耗費的有機溶劑較少，操作相對簡單，該種方式相對而言實現自動化操作比較容易。美國環保局曾將該技術列為飲用水和廢水中有機物的檢測方式，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對養殖廢水中的喹諾酮類抗生素進行分離純化，發現在pH值為2時，吸附效果可以達到99%，增強了處理效果。因該技術受周邊環境影響較大，因此在實際操作中，經常采用全自動處理方式，這樣不僅縮短了樣品制備及準備的時間，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，該技術的準確性受到萃取時間和攪拌速度的影響。技術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合材料，用來檢測水體中存在的4種抗生素，結果顯示該技術效果更好。

2.3 磁性固相萃取

該技術是將吸附劑和磁性固相萃取技術相結合，對目標物進行吸附分離。在具體應用過程中，研究人員在水樣中加入吸附劑進行充分混勻，使吸附面增加。該項技術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行研究，結果顯示，富集萃取日間和日內的抗生素分別為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，結果顯示效果較差。因此，我們可以認定，適合的新型萃取材料，萃取方式、時間等都會對萃取效果產生影響。該萃取技術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，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，經過一段時間達到平衡，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行分離檢測的前處理，并設置了不同的萃取劑、分離劑、pH值、萃取和攪拌時間，結果顯示不同的條件設置，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

近些年隨著技術的進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不同的檢測結果。本人結合工作實際，介紹當前比較有效，且應用比較廣泛的檢測方法。

3.1 高效液相色譜－質譜聯用法

該方法在近年來應用比較廣泛，通常在環境監測、生物制品有機物含量檢測、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，以水相和有機相在柱內分離出水樣中的成分，然后再進入質譜檢測器、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。該方法可用于環境、生物和臨床基質中有機樣品的檢測、有機合成中間體和產品的檢測、天然藥物的分離和分析等。在海水的測定中，相關人員利用HPLC－MS方法，添加甲酸到流動相中，對其中3種類型的12種抗生素進行同時監測，有效檢測了海水中含有的抗生素種類和數量。

3.2 毛細管電泳法

毛細管電泳所用的石英自身會帶負電，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電、不帶電離子或中性的離子，并利用時間差達到分離不同離子的效果。在監測過程中，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，檢測結果證明，此種檢測方法準確性很高，并且操作相對比較簡單，應用效果良好。

3.3 電化學分析法

該檢測方法是利用抗生素的化學性質，通過電量、電導、電阻等和抗生素產生化學反應，分離出其中的抗生素。在水環境監測中，經常使用電化學傳感器、電化學生物傳感器等檢測技術。比如在大致了解水樣中抗生素的前提下，采取電化學分析法，使其中的抗生素發生化學反應，再對相應的有機物進行分離處理，能夠取得良好效果。本人通過實踐應用證明，這種檢測方式通過化學反應的形式，能夠有效地對水中的抗生素進行分離分析，但是該檢測方法最好配合其他實驗方法使用，否則容易使檢測結果出現偏差。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行檢測確定，然后再利用該方法對其中的抗生素物質進行分離分析。

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用較為廣泛。它的應用原理是抗原和抗體之間的特殊結合，按照是否標記可分為非標記免疫分析技術和標記免疫分析技術。其中，標記免疫分析技術包括熒光免疫分析法和電化學免疫分析法，這兩種方法又可以細分為電化學免疫、熒光免疫等多種。當前，這種檢測方式在水體抗生素檢測中也得到了應用，比如在檢測水中磺胺類抗生素時，應用電化學免疫法可以快速、準確地分析水樣中存在的抗生素種類及含量。

4 結語

抗生素進入水體后，會通過各種方式不斷擴散；進入人體中，會使人體產生耐藥性，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，保護水環境受到了人們前所未有的關注。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，并根據實際情況，制定更加切實可行的治理措施，采用科學、有效的治理手段，加強環境治理，維護人類健康。