水体中抗生素前处理及检测方法研究

肖生彩，张春霞

（甘肃省白银生态环境监测中心，甘肃 白银 730900）

引言

抗生素在治疗细菌性疾病中发挥了重要作用，自诞生之后就在临床得到了广泛应用。但是抗生素的长期使用，会使人体中的细菌产生抗耐性，长此以往，会造成人体的自愈功能下降，免疫系统遭到破坏。2012年，国家规范了临床中抗生素的使用，使得抗生素的使用率大大降低，但是由于基数大，我国依旧是当前生产和使用抗生素的大国。特别是当前我国农业在国民经济中依旧占有较大比例，因此兽用抗生素的使用量很大。据统计，兽用抗生素的使用量每年约10万吨，占我国抗生素使用量的70%左右。大多数抗生素难以被机体吸收，最终以原药的形态被排出体外而流入水体中，而水体中的抗生素又会通过饮水、食用肉类和蔬菜而进入人体，形成恶性循环。据报道，因抗生素耐药性而死亡的人数每年约为70万人，这一数据还在不断上升，如果不加以控制，预计在2050年，每年因抗生素耐药而死亡的人数将会达到1 000万。因此，切实提升水体中的抗生素检测水平，有针对性地进行科学治理，已经成为当前迫切需要解决的问题。

1 水体中抗生素的主要来源

水体中抗生素的主要来源：（1）养殖牲畜的过程，兽用抗生素的大量使用，使其通过粪便，污水等排入水体中；（2）制药企业生产中产生的污水未经处理排放；（3）人用药未吸收，以尿液或粪便方式进入水体中造成污染；（4）污水处理厂处理的污水再次排放等。

1.1 养殖过程中滥用抗生素

随着我国经济的发展，畜禽和水产品在养殖过程中，抗生素的滥用现象触目惊心。首先，养殖业容易造成疾病传播和扩散，因此，抗生素在养殖过程中被大量使用，用于养殖中的疾病预防；二是抗生素具有促进生长的作用，为例缩短养殖周期，尽快回笼资金，提升养殖效益，很多从事养殖工作的人员大量使用抗生素，加速畜禽和水产品生长。这些抗生素以原药的形态排出体外，进入水体中，造成水体中抗生素含量严重超标。相关人员对大型养殖场周围的水域通过抽样方式进行检测发现，70%的样本中都检测出抗生素超标，其中包含氟苯尼考、磺胺类化合物等多种抗生素，其中磺胺类化合物种类最多，超标程度最高[1]。研究人员对南京段长江水体进行采样检测，也在水体中发现了10种抗生素，其中含量最高的是磺胺类，种类也更多，达到8种，最高的浓度高达6.846～9.13 ng/L，含量最高的样本采集点是水产品养殖的集中区。因此，我们可以得出结论，磺胺类抗生素是当前使用最广泛、用量最高的抗生素，它被当作生长素在养殖中大量应用，其直接和间接造成了周围抗生素含量的严重超标。

1.2 制药企业的污水排放

当前，对于工厂产生的废水、废气、废渣，国家加大了治理力度，取得了很大成就。制药工厂的污水一般都是先排放到污水处理厂进行处理，有效减少了水体污染。但是抗生素本身降解难度较高，虽然经严格处理，但是残余的抗生素依旧有较高的浓度。曾有媒体报道，某制药企业排放的污水中检测出的抗生素含量超出自然水体含量的1万倍。有研究人员通过周密实验，发现某制药厂虽然对污染进行了处理，其去除率达到了73%，但是经过处理的污水中的头孢类抗生素含量依旧严重超标，被检测出的四种头孢类抗生素，浓度最高的达到了10.6～35.1 ng/L。国外的一些研究也证明，经过处理后污水中的抗生素即使去除率达到99%，其排出的污水中的抗生素含量也远远高出自然水体[2]。因此，制药厂是水体中抗生素的重要源头。

1.3 个人用药及医疗废水处理

生活用水中存在的抗生素主要是个人用药后排入污水环境和医疗污水的处理不完全造成的。个人获取抗生素的途径主要是医生开具的处方药或者在药店中购买非处方类的抗生素药品，这类抗生素药品被人体吸收并通过新陈代谢降解的只是很少一部分，大部分抗生素通过人体的尿液和粪便排出体外，进入生活污水中，造成水体抗生素污染。另外，很多家庭购买的药品在过期之后，没有通过专门的机构进行处理，而是随意丢弃，这些抗生素最终也会流入生活污水中。除了个人用药之外，医院中的污水也是造成生活用水中抗生素浓度超标的罪魁祸首。医院在污水丢弃之前都会经过处理，去除其中的抗生素，对很多抗生素的去除率甚至达到了100%，但是当前的技术水平对大环内酯类的抗生素去除效果十分有限。

1.4 污水处理厂污水的再次排放

污水处理厂对污水的处理也不能完全清除所有的抗生素。有研究人员对美国马里兰州污水处理厂的污水以及处理后的净水进行研究。研究结果表明，在污水处理之前监测出11种抗生素，污水处理后的净水中仍旧含有大量氧氟沙星和环丙沙星，说明污水处理厂虽然可以清除大部分的抗生素，但难以清除某些特殊的抗生素。我国的一些研究也证明，污水处理厂对一些抗生素的清除效果较差，比如氟喹诺酮类药物，这种抗生素在污水处理中的清除率在66%左右，仍有大约三分之一的抗生素最终会再次进入水体中[3]。所以，污水处理厂处理后的净水排入河流中，会使一些未被清除的抗生素再次进入水环境中，造成水体污染。

2 水体中抗生素的前处理方法

抗生素在水体中的存在是微量级的，直接检测技术难度极大，因此在进行检测之前，需要对水样进行富集、分离和净化等系列处理，以便于仪器检测。

2.1 固相萃取

该项技术最早是由Stonge等人在1979次首次提出，经过几十年不断改进和完善，在抗生素前处理中得到广泛应用。该技术通过在固相萃取小柱中注入取样水，使抗生素在此富集和浓缩，并有效提取抗生素，为检测提供必要的支撑，提升后续检测的准确性。该技术耗费的有机溶剂较少，操作相对简单，该种方式相对而言实现自动化操作比较容易。美国环保局曾将该技术列为饮用水和废水中有机物的检测方式，近些年来更是在抗生素的分离纯化中得到广泛应用。但是这种方式的检测正确率受到洗脱剂类型、水样流速、pH值等因素的影响。丁紫荣[4]等人使用固相萃取技术对养殖废水中的喹诺酮类抗生素进行分离纯化，发现在pH值为2时，吸附效果可以达到99%，增强了处理效果。因该技术受周边环境影响较大，因此在实际操作中，经常采用全自动处理方式，这样不仅缩短了样品制备及准备的时间，减少了样品损失，也降低了样品的污染程度。更重要的是，避免了样品毒性对操作人员的危害。

2.2 固相微萃取

该技术是由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，吸附和分离样品中的抗生素，该技术的准确性受到萃取时间和搅拌速度的影响。技术的萃取效率主要取决于涂层表面的吸附材料、萃取时间和搅拌速度等。有研究人员将氧化石墨烯、碳纳米管和二氧化钛组成复合材料，用来检测水体中存在的4种抗生素，结果显示该技术效果更好。

2.3 磁性固相萃取

该技术是将吸附剂和磁性固相萃取技术相结合，对目标物进行吸附分离。在具体应用过程中，研究人员在水样中加入吸附剂进行充分混匀，使吸附面增加。该项技术的效果受到吸附剂类型、萃取方式和时间、水样体积等因素的影响。Qiao等[5]将Fe3O4@ SiO2-SnS2作为磁性固相萃取的材料进行研究，结果显示，富集萃取日间和日内的抗生素分别为1.1%～10.8%和7.4%～13.5%，萃取效果较好；而同时改变吸附剂和时间，结果显示效果较差。因此，我们可以认定，适合的新型萃取材料，萃取方式、时间等都会对萃取效果产生影响。该萃取技术虽然受到周边因素的影响较大，但是在抗生素的前处理中效果较为显著，应用也较为广泛。

2.4 分散液液微萃取

分散液液微萃取模式于2006年提出，是相对较新的一种方式，它是一种μL级的样品富集浓缩技术，体积非常小。其将萃取剂和分离剂注入水样中，萃取剂会通过微滴的形式扩散在水样中，增加接触面积，从而有效提升萃取效率。在形成混浊液之后，经过一段时间达到平衡，形成上下两层，抗生素被萃取到下层，然后将抽取的抗生素萃取物重新溶解在HPLC的溶剂中进行检测分析。这种萃取模式受到萃取剂、分离剂、pH值、萃取和搅拌时间等因素的影响。有研究人员使用分散液液微萃取对5种喹诺酮类抗生素进行分离检测的前处理，并设置了不同的萃取剂、分离剂、pH值、萃取和搅拌时间，结果显示不同的条件设置，效果有较大差异，证明这些因素会影响前处理效果。

3 水体中抗生素的检测方法

近些年随着技术的进步和人们对水体抗生素污染的重视程度不断提升，水体中抗生素的检测方法层出不穷，但是不同的检测方法可能会出现不同的检测结果。本人结合工作实际，介绍当前比较有效，且应用比较广泛的检测方法。

3.1 高效液相色谱－质谱联用法

该方法在近年来应用比较广泛，通常在环境监测、生物制品有机物含量检测、天然药物的分离等工作中使用。它通过高压的形式，向色谱柱泵入载液和待测水样，以水相和有机相在柱内分离出水样中的成分，然后再进入质谱检测器、荧光检测器等检测器中分析其中存在的抗生素种类及含量。该方法可用于环境、生物和临床基质中有机样品的检测、有机合成中间体和产品的检测、天然药物的分离和分析等。在海水的测定中，相关人员利用HPLC－MS方法，添加甲酸到流动相中，对其中3种类型的12种抗生素进行同时监测，有效检测了海水中含有的抗生素种类和数量。

3.2 毛细管电泳法

毛细管电泳所用的石英自身会带负电，在和溶液接触之后会形成双电层，这样会以不同的速度分离出带正电和负电、不带电离子或中性的离子，并利用时间差达到分离不同离子的效果。在监测过程中，其检测效果受到待测物体积、电压、pH值、温度等因素的影响。比如，在使用FASI－CZE对水中的磺胺嘧啶、磺胺甲、磺胺异等磺胺类抗生素进行检测时，不同温度、电压下的分离速度有很大差异，不同温度下的差异有的会达到20%以上[6]。本人在工作中也曾采用该方法检测水体中含有的抗生素，检测结果证明，此种检测方法准确性很高，并且操作相对比较简单，应用效果良好。

3.3 电化学分析法

该检测方法是利用抗生素的化学性质，通过电量、电导、电阻等和抗生素产生化学反应，分离出其中的抗生素。在水环境监测中，经常使用电化学传感器、电化学生物传感器等检测技术。比如在大致了解水样中抗生素的前提下，采取电化学分析法，使其中的抗生素发生化学反应，再对相应的有机物进行分离处理，能够取得良好效果。本人通过实践应用证明，这种检测方式通过化学反应的形式，能够有效地对水中的抗生素进行分离分析，但是该检测方法最好配合其他实验方法使用，否则容易使检测结果出现偏差。比如在检测之前，需要首先用其他检测方法对其含有的主要抗生素情况进行检测确定，然后再利用该方法对其中的抗生素物质进行分离分析。

3.4 免疫分析法

免疫分析法选择范围较广，检测受限较低，在食品检测等检测中应用较为广泛。它的应用原理是抗原和抗体之间的特殊结合，按照是否标记可分为非标记免疫分析技术和标记免疫分析技术。其中，标记免疫分析技术包括荧光免疫分析法和电化学免疫分析法，这两种方法又可以细分为电化学免疫、荧光免疫等多种。当前，这种检测方式在水体抗生素检测中也得到了应用，比如在检测水中磺胺类抗生素时，应用电化学免疫法可以快速、准确地分析水样中存在的抗生素种类及含量。

4 结语

抗生素进入水体后，会通过各种方式不断扩散；进入人体中，会使人体产生耐药性，降低人体的新陈代谢能力并破坏免疫力，对人的生命安全造成严重威胁。随着抗生素的危害越来越为人所知，减少抗生素滥用，保护水环境受到了人们前所未有的关注。在此背景下，我们需要研究出更为有效的水体中抗生素的检测方法，以便更好地确定其污染程度、污染种类等，并根据实际情况，制定更加切实可行的治理措施，采用科学、有效的治理手段，加强环境治理，维护人类健康。