城鎮污水處理廠中β－內酰胺類抗生素的分布與遷移

房曉君，賈麗英，劉娟

(河北工程大學城市建設學院，河北邯鄲056038)

抗生素是人們日常生活中使用最廣泛的一類藥物，大量使用加大了其進入環境中的風險，可以誘導耐藥性細菌，毒害水生生物和土壤生物，危害人體健康［1]。目前一些學者在河流、湖泊、水庫、污水等各種類型的水體中檢測出不同濃度水平的抗生素藥物［2－4]。而現有的城鎮污水處理廠對這類痕量污染物不能有效去除［5]，使得這類物質隨污水廠的尾水直接排放到水環境中，造成“假性持久性”污染，因而城市污水處理廠作為抗生素類微污染物排放的點源而受到廣泛的關注［6]。β－內酰胺類抗生素的殺菌活性強、毒性低、適應癥廣及臨床療效好，是臨床最常用的抗生素藥物。這類藥物的超量濫用導致人體沒有吸收完全就排出體外，然后通過市政管網進入污水處理廠。本文研究了其在城鎮污水處理廠中的分布和遷移。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

標準物質頭孢克洛(＞99.9%)、頭孢噻肟(＞99.9%)、頭孢唑林(＞99.9%)、頭孢曲松(＞99.9%)、阿莫西林(＞99.9%)、鹽酸普魯卡因(＞99.9%)購自中國藥品生物制品檢定所，乙腈購自德國默克公司，甲酸購自CNW公司，甲醇購自Sigma公司，試驗用水為超純水。

1.2 樣品采集與預處理

該污水處理廠設計處理量為10.0×104m3/d，實際污水處理量為4.0×104m3/d。其中生活污水占65%，工業廢水約占35%。污水處理工藝包括格柵、曝氣沉砂池、三溝式氧化溝。污泥處理工藝包括:污泥重力濃縮池、均質池和帶式脫水機房。

自2011年9月至11月，進行了為期2個月，每周3次的采樣活動，采集污水處理廠進水和氧化溝出水。采樣前將配有玻璃塞的棕色玻璃瓶用重鉻酸鉀洗液浸泡12 h，再依次用自來水和去離子水清洗數次，然后用錫紙包裹置于130℃烘箱中干燥4 h以上。采集時先用水樣潤洗采樣瓶2～3次，然后取1L水樣裝于棕色玻璃瓶中，用0.5M鹽酸調節pH到2.5并加入5 mL 5%Na2EDTA，盡快將水樣送至試驗室。

水樣固相萃取前，HLB小柱需依次用甲醇、蒸餾水(1%甲酸水)各4 mL活化，并使甲醇和1%甲酸水各在小柱中停留5 min左右，然后開啟真空泵放掉溶劑，控制流速為2～3 mL/min，使溶液呈滴狀從小柱中滴出。取0.5 L水樣通過2層中速定性濾紙過濾;濾液再分別用 0.45 μm和0.22 μm的混合纖維素酯微孔濾膜過濾。將濾液通過活化好的HLB小柱，控制流速在10 mL/min左右。富集完成后，首先用6 mL去離子水清洗小柱，并用真空泵連續抽吸2 min，抽干殘余水分;然后用3×2mL甲醇分三次淋洗萃取柱，洗脫液收集于雞心瓶中，最后將洗脫液自然風干用超純水定容至1 mL，4℃避光保存。

采集脫水污泥，用鋁箔紙包裹帶回試驗室。取適量污泥稱重后置于－20℃預冷凍24 h，然后在－60℃冷凍干燥48 h。研磨冷凍干燥后的污泥，過200目的篩網。稱取2.0 g過篩后的污泥樣品，放入25 mL具塞錐形瓶中，加入10 mL50%的甲醇溶液(pH=2)。恒溫振蕩 15 min，超聲10 min，并將泥水混合物完全轉移到玻璃離心管中，4 000 r/min離心5 min，轉移上清液至500 mL棕色玻璃瓶中;用同等體積的50%甲醇溶液再次萃取2次，混合所有上清液，搖勻;用超純水定容至500 mL，使溶液中有機相濃度小于5%;并用0.45 μm的濾膜過濾，調節 pH 至 2.5，最后固相萃取濾液，方法同水樣。

1.3 樣品的分析檢測

分析儀器:Agilent 1200高效液相色譜儀(檢測器:二極管陣列檢測器，色譜柱:Eclipse XDBC18，4.6 mm ×150 mm，5 μm)。

分析條件:流動相為乙腈(A)和0.1%甲酸水(B)，采用梯度洗脫為0～11 min，95% ～30%B;11 ～12 min，95%B;12 ～15 min，95%B。流動相流速為 0.6 m L/min，柱溫為 35℃，進樣量 20 μL，檢測波長為254 nm(參比波長286 nm)。

2 結果與討論

2.1 進、出水中抗生素的含量

污水處理廠進水、出水和污泥中6種β－內酰胺類抗生素的分布見圖1所示。從圖1中可以看出，6種β－內酰胺類抗生素在進水中均有檢出。阿莫西林、鹽酸普魯卡因、頭孢克洛、頭孢曲松、頭孢噻肟和頭孢唑啉的濃度分別為1.857～2.579 μg/L、1.639 ～ 1.982 μg/L、0.956 μg/L ～ 2.210 μg/L、1.977 ～ 2.824 μg/L、1.057 ～ 1.433 μg/L和1.937 ～2.967 μg/L。該結果與文獻［6] 報道的結果相似。出水中鹽酸普魯卡因、頭孢克洛、頭孢曲松、頭孢噻肟和頭孢唑啉均有檢出，濃度含量依次為 1.512 ～ 1.988 μg/L、0.731 ～ 0.962 μg/L、1.097 ～1.314 μg/L、0.427 ～0.939 μg/L 和 0.559～1.036 μg/L，其中阿莫西林未被檢出，相應的平均去除率分別為:100%、34.8%、37.9%、22.0%、47.8%、63.2%。

表1 污水廠中6種β－內酰胺類抗生素的總量和去除率(單位:/g.d－1)Tab.1 The total and removal rate of six kinds of β － Lactam Antibioticsin municipal treatment plant(unit:/g.d －1)

阿莫西林基本母核為四元β－內酰胺環駢合五元氫化噻唑環，并且β－內酰胺環中羰基和氮上的未共用電子對不能共軛，加上四元環的張力，造成β－內酰胺環高度不穩定，因此阿莫西林的平均去除率最高。頭孢類抗生素母核為四元β－內酰胺環駢合六元氫化噻嗪環，并且六元環內雙鍵與β－內酰胺環中氮原子的未共用電子形成共軛，使β－內酰胺環趨于穩定，因此頭孢類抗生素平均去除率較低。

抗生素結構中側鏈的長度、取代基的位置與官能團不同是影響降解的主要因素［7－8]。在這6種抗生素中，頭孢曲松的分子量最大，側鏈最長，故不易降解去除。頭孢克洛結構中的氫化噻嗪環上有1個－Cl取代基，會降低其生物降解速率。辛醇－水分配系數(logKow)和吸附系數(Kd)直接影響化合物在污水中的水固相的分配［9]。在這6種抗生素中，鹽酸普魯卡因的logKow最大但也小于3。這表明，鹽酸普魯卡因親水性較差，在污水廠中主要通過污泥吸附去除。

2.2 物料衡算

假定β－內酰胺類抗生素在污水處理廠中主要的遷移途徑為降解和污泥吸附，則應存在等式(1)的關系:

式中Min－每日進入污水廠的β－內酰胺類抗生素總量，g;Mout－每日排出污水廠的β－內酰胺類抗生素總量，g;Mdeg－每日降解去除的β－內酰胺類抗生素量，g;Msledge－每日隨污泥排出的β－內酰胺類抗生素量，g。

通過降解作用去除的抗生素總量為

根據對β－內酰胺類抗生素日流量監測結果進行物料衡算，結果見表1。

從表1可知，每天進入污水廠的6種β－內酰胺類抗生素總量為466.15 g，排出水廠的抗生素總量為217.33 g，通過污泥吸附去除的總量是82.84 g，即每天有 165.98 g β － 內酰胺類抗生素降解作用而去除。總降解率為35.60%，其中阿莫西林和頭孢唑林的降解率均超過50%，而其他4種物質的降解率均低于40%。總吸附率為17.78%，其中阿莫西林的吸附率超過40%，其它5種抗生素的吸附率均低于25%。

物料衡算的結果與監測結果相近，這表明β－內酰胺類抗生素在污水處理廠中的遷移途徑為降解和吸附。

3 結論

1)β－內酰胺類抗生素在進水和出水中的含量分別為 0.956 ～ 2.967 μg/L、0 ～ 1.988 μg/L。阿莫西林的平均去除率最高，為100%。頭孢唑啉次之，頭孢曲松最低。

2)β－內酰胺類抗生素在污水處理廠的遷移途徑主要為降解和污泥吸附。阿莫西林和頭孢唑啉降解率均高于50%。阿莫西林的吸附率最高，普魯卡因次之。抗生素的總降解率為 35.60%，總吸附率為 17.78%，總去除率為53.38%。這表明，有接近50%的剩余殘留量將隨最終出水排出，因而需要增加對低去除率物質的研究。

［1] 王冰，孫 成，胡冠九.環境中抗生素殘留潛在危險及其研究進展［J] .環境科學與技術，2007，30(3):108－112.

［2] NIINA LINDQVIST，TUULA TUHKANEN，LEIF KRONBERG.Occurrence of acidic pharmaceuticals in raw and treated sewages and in receiving waters［J] .Water Research，2005，39:2219－2228.

［3] QIAN SUI，JUN HUANG，SHUBO DENG，et al.Occurrence and removal of pharmaceuticals，caffeine and DEET in wastewater treatment plants of Beijing，China［J] .Water Research，2010，44:417 －426.

［4] 葉計朋，鄒世春，張干.典型抗生素類藥物在珠江三角洲水體中的污染特征［J] .生態環境，2007，16(2):384－388.

［5] 徐維海，張 干，鄒世春，等.典型抗生素類藥物在城市污水處理廠中的含量水平及其行為特征［J] .環境科學，2007，28(8):1779－1783.

［6] 劉鋒，陶然，應光國，等.抗生素的環境歸宿與生態效應研究進展［J] .生態學報，2010，30(16):4503－4519.

［7] 羅 曉，王 婷.固定化真菌處理土霉素廢水的研究［J] .河北科技大學學報.2011，32(1):98 －102.

［8] 葉常明.水中有機污染物的生物降解性與化學結構的關系［J] .環境化學叢刊，1986，4(6):6－10.

［9] 楊曉凡.水環境中藥物污染、檢測及去除研究進展［J] .水資源與保護，2012，28(2):1－7.