磺胺類(lèi)抗生素在污水處理廠(chǎng)中的殘留調(diào)查

磺胺類(lèi)抗生素在污水處理廠(chǎng)中的殘留調(diào)查

近年來(lái)，環(huán)境影響的發(fā)生及其潛在危害引起了人們的廣泛關(guān)注。抗生素是使用最廣泛使用的醫(yī)學(xué)藥物之一，對(duì)微生物的開(kāi)發(fā)和傳播產(chǎn)生了潛在影響。這引起了環(huán)境研究人員的注意。現(xiàn)在，許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為影響環(huán)境的重要因素之一。相關(guān)基礎(chǔ)研究正在迅速進(jìn)行。中國(guó)是一個(gè)重要的抗生素生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但目前還沒(méi)有系統(tǒng)研究這些物質(zhì)的環(huán)境濃度和行為?？股刈鳛槿祟?lèi)醫(yī)藥品,被消化后以代謝物和未變化形態(tài)經(jīng)人類(lèi)尿液排泄進(jìn)入污水系統(tǒng),經(jīng)過(guò)污水處理廠(chǎng)(STP)處理后進(jìn)入環(huán)境水體.為了研究抗生素對(duì)環(huán)境的影響,有必要研究抗生素在STP中的行為.抗生素的種類(lèi)眾多,如喹諾酮類(lèi)、大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)和四環(huán)素類(lèi)等.磺胺類(lèi)抗生素(SAs)是用于預(yù)防和治療細(xì)菌及某些真菌感染性疾病的化學(xué)治療藥物,應(yīng)用最早也是最廣的一類(lèi)藥物.到目前為止,美國(guó)、加拿大以及一些歐盟國(guó)家對(duì)STP出水中某些磺胺類(lèi)抗生素的濃度水平做了較多的報(bào)道,通常在較低的濃度水平(微克每升)[5~14].同時(shí),對(duì)此類(lèi)抗生素在污水處理廠(chǎng)中的行為也有了一定的研究,由于生物降解,大于55%的磺胺甲基異唑或者其N(xiāo)(4)-乙?；x物被報(bào)道能夠被去除;然而,Lindberg等發(fā)現(xiàn)磺胺甲基異唑在污水處理過(guò)程中不能被有效去除.因此,目前關(guān)于城市污水處理廠(chǎng)能否去除磺胺類(lèi)抗生素,目前還沒(méi)有一個(gè)定論.另外,目前的研究主要集中在磺胺甲基異唑和磺胺吡啶的環(huán)境污染水平上.本研究系統(tǒng)調(diào)查了我國(guó)北京6個(gè)重要STPs中13種SAs的污染水平,并評(píng)價(jià)了其去除效率.最后,通過(guò)監(jiān)測(cè)各生物處理單元的進(jìn)出水中的SAs濃度水平進(jìn)一步討論了SAs在STP中可能的去除機(jī)理.1水樣前處理和質(zhì)譜分析13種SAs均購(gòu)自Sigma-Aldrich公司,結(jié)構(gòu)如圖1.過(guò)程內(nèi)標(biāo)13C6-磺胺二甲基嘧啶(13C6-SMA,90%)購(gòu)自CambridgeIsotope實(shí)驗(yàn)室.有機(jī)溶劑甲醇、二氯甲烷、乙酸乙酯和正己烷均為HPLC純,購(gòu)自FISHCHER公司.固相萃取柱(OasisHLB,500mg/6mL和SeppakSilica,500mg/3mL)購(gòu)自Waters公司.玻璃纖維濾紙(GF/C,1.2μm孔徑)購(gòu)自Whatman公司.所有標(biāo)樣的儲(chǔ)備液均為1000mg·L-1,儲(chǔ)備于甲醇中,保存溫度為-20℃.(ⅰ)樣品的采集.2005年9月連續(xù)4周,以及2005年11月最后一周共計(jì)5次對(duì)我國(guó)北京6個(gè)主要STPs的進(jìn)水和出水樣品進(jìn)行采集.2006年3月15日對(duì)高碑店STP的初沉池出水和生物處理各單元的出水進(jìn)行采樣.6個(gè)STPs均是二級(jí)污泥處理工藝,主要接收生活污水.樣品采集后立即運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理.(ⅱ)樣品前處理.為了避免固相萃取小柱堵塞環(huán)境水樣首先經(jīng)過(guò)玻璃纖維濾膜(1.2μm,WhatmanGF/C)濾去懸浮顆粒.過(guò)濾后的水樣(污水廠(chǎng)進(jìn)水和各生物處理單元的出水各200mL,污水廠(chǎng)出水500mL)加入一定量的Na2EDTA(0.5g·L-1)和50ng·L-1的13C6-SMA作為過(guò)程內(nèi)標(biāo).依次使用6mL二氯甲烷,6mL甲醇和12mL超純水活化OasisHLB小柱,以5~10mL·min-1流速將水樣通過(guò)固相萃取小柱,在10mL超純水淋洗掉過(guò)量的Na2EDTA后用氮?dú)獯蹈?然后用6mL二氯甲烷/甲醇(2:1,體積比)將對(duì)象物質(zhì)從HLB小柱上洗脫下來(lái).將洗脫溶液在微弱的氮?dú)庀麓蹈?用氯仿溶解,再加入1.8mL正己烷.混合后的溶液通過(guò)4mL正己烷活化的Silica正相固相萃取柱,上樣后的Silica小柱用3mL正己烷淋洗干擾雜質(zhì),最后用3mL正己烷/乙酸乙酯(90:10,體積比)和3mL乙酸乙酯依次洗脫.洗脫液經(jīng)氮?dú)獯蹈珊笥昧鲃?dòng)相初始比例溶液定容到0.5mL,進(jìn)行LC-MS分析.(ⅲ)LC-MS分析條件.液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀為WatersAlliance2690-MicromassZMD4000液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Waters,Co.,USA).液相色譜分析柱采用CapcellPakC18(250mm×2.0mmID,5μm,資生堂公司,日本),流動(dòng)相A為20mmol·L-1醋酸銨水溶液,流動(dòng)相B為甲醇.3%甲醇保持4min,然后在1min內(nèi)線(xiàn)性增加到10%,之后在25min內(nèi)線(xiàn)性升高50%,在2min內(nèi)升高到65%,保持3min,最后轉(zhuǎn)換到流動(dòng)相初始比例,平衡20min,準(zhǔn)備下一針進(jìn)樣.流動(dòng)相流速為0.2mL·min-1,進(jìn)樣體積為2μL.質(zhì)譜采用電噴霧正離子模式(ESI+).毛細(xì)管電壓為3.0kV.脫溶劑氣和錐孔氣流量分別設(shè)為350和0L·h-1,源溫度和脫溶劑溫度分別為120℃和400℃.采用選擇離子模式(SIR)定量,目標(biāo)SAs的質(zhì)子化離子(MH+)和碎片離子見(jiàn)表1.2結(jié)果與討論2.1回收率、標(biāo)準(zhǔn)偏差和方法檢出限為了校正SAs在樣品處理過(guò)程中的損失,同時(shí)為了彌補(bǔ)進(jìn)樣中儀器響應(yīng)波動(dòng)和樣品基質(zhì)帶來(lái)的影響,本研究采用過(guò)程內(nèi)標(biāo)定量.過(guò)程內(nèi)標(biāo)最好選擇各個(gè)抗生素的同位素化合物,但是由于其他抗生素的同位素物質(zhì)不可獲得,本研究?jī)H采用13C6-SMA作為過(guò)程內(nèi)標(biāo).對(duì)STP的進(jìn)水和出水進(jìn)行回收率實(shí)驗(yàn),加標(biāo)濃度水平至少要高于加標(biāo)前實(shí)際樣品中目標(biāo)抗生素濃度的3倍,回收率均在62%~102%之間,平行3次相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于12%(見(jiàn)表2).由于污水廠(chǎng)進(jìn)水比其他生物處理單元的水樣基質(zhì)更復(fù)雜,因此其他生物處理單元出水對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的基質(zhì)干擾應(yīng)小于進(jìn)水在處理各生物處理單元的一批水樣時(shí)對(duì)其中一個(gè)樣品做平行和添加實(shí)驗(yàn).平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各檢出物質(zhì)的濃度誤差小于10%,各對(duì)象物質(zhì)的回收率結(jié)果在60%~100%之間.另外,比較同位素過(guò)程內(nèi)標(biāo)在各生物處理單元出水中經(jīng)過(guò)樣品富集和凈化過(guò)程后的響應(yīng),也發(fā)現(xiàn)基質(zhì)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的影響不存在明顯的差異(<10%).目標(biāo)抗生素在不同環(huán)境水基質(zhì)中的方法檢出限(MDL)按照峰信噪比為3計(jì)算,得到13種SAs在STP進(jìn)水中的方法檢出限在3~12ng·L-1范圍內(nèi),STP出水則在1~5ng·L-1范圍內(nèi)(見(jiàn)表2).2.2污水中smx的濃度對(duì)2005年5次采集的6個(gè)STPs的進(jìn)出水樣品進(jìn)行了分析.圖2表示了各STP進(jìn)出水中檢出抗生素的典型SIR-LC-MS色譜圖,濃度水平列于表3.由表3可知,在13種抗生素中,共檢出了SMX,SPD,SMR,SDZ和SMT5種.其中在所有污水樣品中都檢出了前3個(gè)抗生素.SMX廣泛應(yīng)用于人類(lèi)醫(yī)療中,因此在許多國(guó)家有關(guān)城市污水廠(chǎng)抗生素類(lèi)的環(huán)境調(diào)查中都被頻繁檢出[5~14].本研究中,在進(jìn)出水中SMX的平均濃度分別為(1.2±0.45)和(1.4±0.74)μg·L-1,與文獻(xiàn)中報(bào)道的水平類(lèi)似.在美國(guó)、西班牙和瑞士的污水進(jìn)水中SMX的濃度通常在較低的微克每升水平,其中以德國(guó)最高,達(dá)到9.0μg·L-1;SMX在出水中的濃度在(0.05~4.7)μg·L-1范圍內(nèi)[5~14].由于SPD本身很少用作抗菌劑,關(guān)于SPD的環(huán)境調(diào)查較少.污水樣品中SPD的出現(xiàn)主要是因?yàn)榱前愤拎さ膽?yīng)用.該物質(zhì)的代謝產(chǎn)物中SPD占10%~35%,N(4)-acetyl-SPD占20%~40%,其本身則僅占10%.在瑞士的調(diào)查中,SPD在進(jìn)出水中的最大濃度分別為0.15和0.35μg·L-1;在加拿大的污水廠(chǎng)出水中的最大濃度為0.3μg·L-1,都低于本研究的檢出濃度.本研究的SPD最高檢出濃度分別為1.5(進(jìn)水)和1.0μg·L-1(出水),表明柳氮磺胺吡啶在我國(guó)的使用量更大.SMR在進(jìn)出水中的濃度分別為(0.048±0.012)和(0.021±0.008)μg·L-1.本研究中經(jīng)常被檢出的另一2.3spd和sdz比較表3中目標(biāo)抗生素在進(jìn)出水中的濃度水平,發(fā)現(xiàn)SMT幾乎總能被全部去除,這與Yang等人在美國(guó)的污水廠(chǎng)的調(diào)查結(jié)果一致.而其他4種檢出抗生素SMX,SPD,SDZ和SMR的去除效率通常較低,特別是前3個(gè)化合物甚至經(jīng)常發(fā)生負(fù)去除,去除效率波動(dòng)范圍大,分別在61%~463%,76%~215%和100%~200%;SMR的去除效率在33%~75%之間.G?bel等人研究認(rèn)為,柳氮磺胺吡啶和/或其主要的人類(lèi)代謝產(chǎn)物N(4)-acetyl-SPD可以通過(guò)生物轉(zhuǎn)化生成SPD,N(4)-acetyl-SMX在生物處理過(guò)程中也轉(zhuǎn)化為SMX.根據(jù)這些文獻(xiàn)報(bào)道,我們推測(cè)出水中SPD和SMX的濃度增加可能是由于其代謝物的生物轉(zhuǎn)化造成的.而生物轉(zhuǎn)化和自身的生物降解是可能導(dǎo)致污水處理過(guò)程中SMX,SPD和SDZ去除效率波動(dòng)較大的原因.關(guān)于該類(lèi)抗生素在污水廠(chǎng)中的行為,特別是在生物處理過(guò)程中的行為還需要更深入的研究.為了解釋抗生素物質(zhì)在STP中的行為,本文以高碑店污水廠(chǎng)為例,進(jìn)一步比較了每個(gè)處理單元中的進(jìn)出水中的濃度(圖3).從圖3可以看出,被檢出的4個(gè)對(duì)象物質(zhì)SDZ,SMX,SPD和SMR在缺氧單元都有不同程度的去除,去除效率分別為49%,43%,24%和73%;然而,經(jīng)過(guò)厭氧單元后前3個(gè)化合物的濃度水平反而增加,去除效率分別為-27%,-89%和-91%,表明SMX,SPD和SDZ可能在此單元發(fā)生了生物轉(zhuǎn)化.與前3個(gè)化合物不同,SMR在此單元仍然得到了有效的去除,去除效率為47%.在之后的好氧處理單元中,SDZ,SMX和SPD又得到了一定程度的去除,去除效率分別為41%,40%和33%,而SMR的濃度水平卻幾乎沒(méi)有變化.上述結(jié)果表明,SPD,SMX和SDZ在缺氧和好氧單元中由于生物降解得到了部分去除,而SMR則是在缺氧