基于污水分析法的毒情评估研究及应用进展

侯臣之，花镇东，徐 鹏，苏梦翔，狄 斌*，王优美，徐 慧

(1中国药科大学，南京 210009；2国家禁毒委员会办公室中国药科大学禁毒关键技术联合实验室，南京 210009；3公安部禁毒情报技术中心，北京 100741)

毒品严重危害人类健康，影响家庭和谐，威胁社会治安，破坏国家经济，已成为当今国际社会所需要面对的共同问题。联合国毒品和犯罪办公室(UNODC)2017年的年度毒品报告显示，从2006年到2017年，全球吸毒人数不断增加，毒品滥用情况日趋严重，而由毒品滥用导致的社会问题也愈显突出[1]。

污水分析法于2001年首次由美国的Daughton等[2]提出，该法基于人服用药物后，药物的活性成分及其代谢产物会通过尿液和粪便排入城市排水系统中的原理，通过测定污水中的目标化合物和代谢产物的浓度，乘以污水处理厂每天的污水流量可以得出进入污水处理厂的日毒品和其代谢物的量，乘以相应的校正因子(目标毒品和其代谢物的相对分子质量之比与人体中毒品代谢物排出率的比值)可以计算出污水处理厂所覆盖人口的日毒品吸食总量，最后除以污水处理厂所覆盖人口得到日平均毒品消耗量。

污水分析法相比于传统的问卷调查法和社会流行病学分析法，能够提供更加准确、持续、真实的毒品消耗量信息，便于实时监测毒情，以避免传统方法中所涉及的伦理问题。

1 污水分析法在国内外的应用进展

国际上，2005年Zuccato等[3]就首次采用污水分析法对意大利国内的可卡因消耗情况进行了评估。此后，有更多的实验室和毒品监测机构将污水分析法应用于不同国家、城市的毒情评估中，监测的毒品种类有海洛因、苯丙胺类毒品、氯胺酮、可卡因、大麻等。2010年，欧洲组织污水分析法的核心成员国发起了污水分析法标准化活动，并对欧洲19座城市的毒情进行了评估[4]，该组织在2012和2013年又采用污水分析法对上述19座城市的毒情进行了复评，并与2010年的评估结果进行了比较，发现除甲基苯丙胺之外的各种毒品消耗量都在增加[5]。时至今日，已有澳大利亚、比利时、荷兰、芬兰、法国、意大利、西班牙、斯洛伐克、葡萄牙、波兰等国家进行了相关领域的研究。沙特阿拉伯、突尼斯、哥伦比亚和哥斯达黎加等发展中国家也在相关领域展开了研究，其中哥斯达黎加和哥伦比亚均在2016年首次采用污水分析法对本国毒品消耗情况进行评估，结果显示可卡因是这两国消耗量最大的毒品[6-9]。

在中国，污水分析法的首次应用是2011年Lai等[10]对香港地区主要污水处理厂污水中的毒品情况进行监测，检测出氯胺酮、甲基苯丙胺和可卡因等成分。2012年，Khan等[11]采用污水分析法对北京、上海、广州和深圳4个特大城市的毒品消耗情况进行了评估，研究表明：中国城市的毒品消耗模式不同于欧美城市；氯胺酮和和甲基苯丙胺为主要消耗毒品；新型毒品和大麻的消耗量呈上升趋势，不容忽视；广州、深圳的毒品消耗水平高于北京和上海。在此之后，又有更多的研究在国内展开，Du等[12-13]在2016年通过污水分析法对国内不同区域城市的氯胺酮、甲基苯丙胺和海洛因消耗量进行了评估，得出了中国这3种毒品消耗呈区域性差异的结论。现今污水分析法已被国内禁毒相关机构广泛采纳。

污水分析法除了可用于计算毒品的消耗量外，还被扩展应用于追踪毒品滥用随时间的变化情况，监测特定活动或节假日毒品滥用情况和小范围内特定人群或特定区域毒品滥用信息[14]。

2 污水分析法的主要研究内容

2.1 毒品代谢目标分析物(DTR)的选择

毒品在进入人体后，有些以原型的形式排出，而大部分则以代谢产物的形式排出，且代谢物多达数种。在这种情况下，有必要选取一种或几种代谢产物作为该毒品代谢目标分析物(drug target residue，DTR)进行测定，从而反推出该毒品的消耗量。DTR多选取最主要、量最大、在污水中稳定性良好、且易于进行检测的毒品代谢物。如选择海洛因的人体代谢物吗啡和6-单乙酰吗啡作为海洛因消耗量评估的DTR[15-16]。但是，这些DTR也存在着以下许多的问题：例如，作为海洛因的DTR之一，吗啡不仅可由人非法吸食海洛因后代谢排出，也可在合法作为临床治疗药物使用时由人体排出。有报道显示，污水中只有0.01%的吗啡是由非法使用海洛因产生的[17]。此外，吗啡易被污水中的固体悬浮颗粒吸附，故采用吗啡作为海洛因的DTR并不准确。

另一种常用的海洛因的DTR，是其次代谢产物6-单乙酰吗啡，虽只能通过非法吸食海洛因排泄进入污水，但由于其排出率低(0.5%左右)，导致校正因子高，对定量下限的要求高，从而会导致反推误差增大，故选择6-单乙酰吗啡作为海洛因的DTR也不尽合理。

氯胺酮可作为兽药使用[17]，随动物体排泄进入环境水体中，故选用其原型和代谢物去甲氯胺酮作为DTR也会导致反推结果的误差。所以更加合理的DTR仍有待进一步筛选和研究。

2.2 DTR校正因子的估算

采用DTR浓度反推毒品消耗量需要用到校正因子。校正因子=原型药物相对分子质量/DTR相对分子质量×DTR排出率。由于原型药物和DTR的相对分子质量是确定的，所以DTR的排出率是影响校正因子准确性的最大不确定性因素。DTR的排出率是根据药物的药代动力学实验和排泄实验数据进行估算的。DTR排出率估算结果会因不同的吸食或给药方式导致的毒品在人体的吸收分布代谢排泄的差异而出现误差。目前文献报道中所使用的DTR排泄率大多只在考察了一种吸食或给药方式后得出，而由于大部分毒品的吸食方式有多种，这种情况下得出的DTR排出率是不准确的[18-19]。人种、年龄、性别、身体健康情况等也是影响DTR排出率的重要因素，故在估算时也需考虑这些因素以尽可能保证数据的准确性。

2.3 DTR稳定性研究

DTR的稳定性是影响反推结果的又一重要因素，主要包括：DTR在排水系统中的稳定性；样品采集、运输、储存过程中的稳定性；分析过程中的稳定性；污水中的悬浮固体颗粒(suspended solid particles,SPM)和淤积物对DTR的吸附等。Baker等[17]、Mccau等[20]以及Nuijs等[21]对各种毒品及DTR在污水样品采集、运输、储存、前处理过程中的稳定性和SPM对DTR的吸附率进行了考察，汇总并得出了相应的参数。

城市污水进入污水处理厂之前需要流经各种不同情况的排水系统，排水系统的温度、pH、含氧量、淤积物和菌群状况均会对DTR的稳定性产生影响，故考察DTR在排水系统中的稳定性非常必要[22-23]。城市地下排水系统主要有两种类型：一种是重力排水系统，在这种排水系统中，污水不能充满整个管道，管道上方会有部分空气，管道内壁同时寄生有厌氧菌和好氧菌菌群；另外一种排水系统是密封式的排水系统，在这种排水系统中，污水充满下水管道，管道中没有空气，管道内壁的寄生菌群绝大部分为厌氧菌群。Thai等[22]采用下水系统反应器模拟了两种不同的排水系统，对可卡因、6-单乙酰吗啡、甲基苯丙胺、氯胺酮和3,4-亚甲基二氧甲基苯丙胺(3,4-methylene dioxy methamphetamine,MDMA)等毒品和其DTR在排水系统中的稳定性进行研究并绘制了降解动力学曲线。结果发现，6-单乙酰吗啡、可卡因、氯胺酮在排水系统中稳定性较差，甲基苯丙胺和MDMA稳定性良好。

2.4 样品的采集

取样是污水分析法的关键环节，科学取样是获得准确监测数据的前提。污水样品的采集方式主要包括连续式和非连续式两种。其中连续式又分为流量比例连续取样法和恒量连续取样法；非连续式分为时间比例法，流量比例非连续取样法、体积比例法和随机单次取样法[24-25]。不同的取样方法所需的仪器设备不同。

Ort等[25]于2010年对不同污水采集方法进行了比较，并通过实验对各种方法进行了优化和不确定性分析。结果表明，流量比例连续取样法是最佳采样方法。这种方法连续无间隔取样，根据实时污水进厂的流量对所取污水的量进行调整，使污水采集量和污水进厂量成比例，从而消除了其他方法因每时段污水进厂流量不同或每时间段污水中毒品种类和浓度不同而导致的反推误差。但该法对采样仪器要求较高，需要配备有流速/流量控制器泵的在线自动取样仪。

污水样品的取样量一般为1 L，但0.05 L到10 L的取样量在文献中均有报道，具体采样体积应根据采样方法、当天的污水流量以及分析所需的量进行调整。

所有样品存储在硅烷化玻璃瓶、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)容器内，用盐酸调节pH至2，于采样72 h内分析测定。如果无法及时检测，在调节样品pH至2后，-20 ℃冷冻储存，并避免多次冻融。是否过滤对样品的保存无太大影响。

2.5 污水样品的前处理

污水样品的前处理一般选择MCX柱和HLB柱进行固相萃取，这两种柱适合于极性化合物和碱性化合物的吸附，可净化复杂的样品基质，使用pH范围为0～14，适合大多数毒品的前处理[26-30]。文献报道中，多采用甲醇或乙腈以及合适pH的水活化和平衡固相萃取柱，上样体积从10 mL到500 mL不等，流速不宜过快，一般选择1～2 mL/min，上样完成后，多采用pH 2纯水冲洗固相萃取柱，洗脱溶液多选择含有一定比例氨水的甲醇或乙腈，洗脱流速一般为1～2 mL/min，最后，洗脱液在40～50 ℃的条件下氮气吹干，初始比例流动相复溶，进仪器分析。但绝大多数文献报道显示，部分毒品，尤其阿片类毒品在这种固相萃取条件下，提取回收率很低，故方法仍需优化。除此之外，微固相萃取、分散固相萃取和磁固相萃取在污水样品前处理中的应用也有待开发。

Asimakopoulos等[31]则考察了液液萃取法在污水样品前处理中的应用，设置了两种液液萃取方法，但两种方法均不能同时满足所有类型毒品的提取回收率要求，且操作步骤繁琐，操作过程中样品损耗较多、耗时长，故不适用于大批量样品的前处理。

2.6 污水样品的定量测定

污水样品中的DTR定量分析多采用同位素内标-LC-MS/MS法，也有文献报道中使用了柱前衍生化联合GC-MS法测定，此外，LTQ-Orbitrap和TOF MS也被应用于相关分析中[27]。

例如，VazquezRoig等[27]采用LC-MS/MS法对地表水中的14种非法药物成分进行了测定，采用ESI源，正离子模式，MRM通道监测；C18色谱柱分离；流动相A为0.1%甲酸-甲醇溶液；流动相B为10 mol/L甲酸铵水溶液；梯度洗脱。各待测物检测限和定量限分别为0.01～1.54 ng/L和0.03～5.13 ng/L；提取回收率在71%～102%的范围内；日内精密度和中间精密度分别在1%～8%和2%～11%之间。该法在西班牙瓦伦西亚的地表水中检测出了可待因、可卡因、苯丙胺、甲基苯丙胺、吗啡等毒品。

2.7 人口标记物的研究

反推毒品消耗量需要掌握污水处理厂覆盖的人口数量，这也是影响最终反推结果的重要不确定性因素之一。

目前常用的人口估算方法有两种：De Jure法和De facto法。De Jure 法基于相关部门给出的人口普查数据直接得出污水处理厂所覆盖的人口数量，该方法较为简单，但由于城市人口流动量较大，不能保证每天都能覆盖相同的人数，故偏差较大。De facto 法则是基于选定的人口标记物在污水中的含量，对采样日污水处理厂所覆盖的人口数量(即产生污水的人口数量)进行较为准确的估算。

人口标记物主要分为3种：(1)污水中总氮、总磷和总氧(化学、生物总需氧量)等无机物[36-41]；(2)处方药[40]；(3)人体的内源性物质[36,40]；(4)嗜好品代谢物：茶和咖啡的代谢物咖啡因和尼古丁的代谢物可替宁等[40-42]。

选用氮、磷、氧等无机物作为人口标记物时，测定方法简便快捷，有一套标准的操作规范，各污水处理厂一般都会对污水中无机物的含量进行惯例分析，故数据易得。但不容忽视的一点是，这些无机物往往不仅由人体排泄产生，也可能是由工业废料或其他生物体产生，故其特异性较差，所计算出的人口数量并不准确，代入反推公式会引起较大的偏差。

选择处方药做为人口标记物需遵循以下原则：(1)应用广泛；(2)日消耗量，年消耗量可查询；(3)在污水样品中频繁被检出，且浓度较高，不需要进行萃取处理，直接进样分析；(4)稳定性好，不会在污水中大量降解；(5)具有代表性，即在该地区或全国范围内消耗量差别不大；(6)不易被污水中的固体颗粒和滤纸吸附；(7)排泄率稳定且排泄与人口数量相关性良好。在对选作人口标记物的处方药进行含量测定之后，可以代入相关公式进行人口的评估[39]。该法的缺点是，处方药的年消耗量并不容易准确获得，而且很难保证某种处方药在全国各省市的消耗量差别不大，这样一来，人口标记物也失去了其原有的意义。Lai等[39]对阿替洛尔、加巴喷丁、咖啡因、安赛蜜、卡马西平、可待因、二氢氯噻嗪、萘普生、水杨酸等处方药进行筛选，最终选取阿替洛尔作为最合适的人口标记物用于污水分析法中，并对相关不确定性因素进行了分析。但该标记物仅在澳大利亚适用，在别的国家并没有相关研究。

选择内源性物质或嗜好品代谢物作为人口标记物需遵循以下几点原则：可被测定；不易被吸附；在污水中稳定；排泄率稳定；仅由人体排泄，不会受其他环境因素影响，在污水中的含量应达到ng/mL。Daughton等[36]在2012年提出了以人体内源性物质作为人口标记物对人口进行评估的设想，并提出了两种潜在的内源性人口标记物：肌酐和粪甾烷-3-醇。Chen等[40]和Rico等[41]进一步对Daughton等[36]的设想进行了研究，考察了皮质醇、甾醇、肌酐、雄烯二酮、胆固醇、5-羟吲哚乙酸等内源性物质和咖啡因、可替宁等嗜好品代谢物作为人口标记物的可行性。Chen等[40]的结果表明，肌酐、皮质醇和雄烯二酮在污水中的稳定性差，大部分在24 h内降解；甾醇极易被污水中的固体颗粒和沉积物吸附；而5-羟吲哚乙酸和可替宁全部符合人口标记物选择原则。Rico等[41]则发现与人口普查数据和无机物作为人口标记物估算结果相比，咖啡因、可替宁和5-羟吲哚乙酸作为人口标记物估算的人口数据最为准确，故可作为合适的人口标记物使用，但作者同时也提醒，可乐等软饮料制造厂产生的废水中的咖啡因也可能会影响人口估算的准确性。

2.8 反推模型的建立

标准反推模型的建立：

在测得污水中DTR浓度后，经过反推，可以得到日均毒品消耗量。公式如下[45-35]：

3 结论和展望

毒品滥用信息监测的传统手段是通过人口统计结合涉毒犯罪统计数据、医疗记录和问卷调查进行综合统计分析，对毒品滥用情况进行评估[15-16,18]，该法由于调查统计数据可能不具普遍性(如仅在特定地区调查)或带有主观性，需要耗费大量人力、物力和财力，样品采集和统计调查不具有实时性，可能造成毒情监测的偏差。污水分析法测定污水中毒品DTR的浓度，通过反推得到毒品的日均消耗量。污水样品可以在多个地区实时采集，具有普遍性和实时性，样品前处理和仪器分析简便快捷，仪器检测出的毒品浓度客观准确，能够为毒情的监测提供客观、实时、准确、有效的信息。对于及时开展禁毒工作，打击毒品犯罪具有重要意义。

结合上文中所综述污水分析法中的各种不确定性因素，笔者认为，污水分析法在日后的应用中可从以下几个方面进行改进和探讨：(1)对各种类型毒品进行更全面综合的体内外代谢规律研究，找出更多合适的DTR，估算出更加合理的DTR排泄率，得到更加准确的DTR校正因子用于反推中；(2)对DTR的稳定性进行更加系统的研究，包括储存稳定性、在排水系统中的稳定性、吸附率、在前处理和分析过程中的稳定性等，并根据DTR各方面的稳定性数据得到一个综合，准确的稳定性数值；(3)尽快开发出一种带有流量/速控制装置的在线污水采集仪器，以便采用流量比例连续取样法从污水处理厂采集污水样品，减少因污水流量变化而引起的反推误差；(4)采集后的污水样品应先用盐酸调节pH至2左右，-20 ℃储存备用；(5)对于部分毒品用传统萃取方法处理提取回收率低的问题，可考虑采用新型材料作为固相萃取吸附剂，相关材料还有待开发；(6)选择一种或多种物质作为人口标记物，系统考察这些物质的稳定性，前处理方法，分析方法，建立一套完整的人口数量评估方法，对污水处理厂所覆盖的人口数量进行更为准确的评估；(7)对于污水分析法中存在的其他不确定性因素，可采用 Monte Carlo Simulation(一种统计模拟方法)进行评估；或更进一步采用贝叶斯统计框架内的MCMC法(Markov chain Monte Carlo within Bayesian statistical framework)进行更加准确的评估。最后，将这些模拟方法模型中得到的数值应用于反推中。

污水分析法作为一种客观、实时、准确、便捷、有效的毒情监测方法，应在我国推广应用，并推动更多的国家和地区使用，以促进全球范围毒情监测网络的建立和禁毒工作的合作。除此之外，污水分析法还可以延伸应用于地表水、海水、环境土壤中毒品成分的监测，从而建立更加完善的基于环境样品分析的毒品滥用信息监测网络。