水體中抗生素污染來源及檢測方法研究進展

張蘇珍，王益軍，田 蘊，賀 燕，葛 敏，陶 威，徐顥瑋

(連云港市畜產品質量監督檢驗測試中心，江蘇 連云港 222001)

抗生素自誕生以來，在各種常見細菌性疾病的治療中發揮了重要的作用。抗生素藥物作為一種基礎用藥，臨床使用廣泛，占處方藥總量的6%以上，自2012年8月1日，最嚴“抗限令”《抗菌藥物臨床應用管理辦法》發布以來，相關數據顯示我國門診和住院抗菌藥物的使用率得到大幅降低，細菌耐藥趨勢總體平穩，但是作為抗生素的生產和使用大國，抗生素仍然是我國藥品市場中最大品類之一。我國是農業大國，抗菌藥物使用量占我國獸用化學制劑使用量的70%以上，據統計，在我國每年約有10萬t抗生素被用于養殖業。人畜服用的抗生素類藥物絕大多數不能被機體充分吸收利用，最終以原藥形態直接排出體外，進入到環境水體中[1]。而現有的污水處理技術很難將污水中的抗生素完全清除。大量數據顯示，越來越多的抗生素在世界范圍內的水環境體系中被檢測出[2]。進入環境中的抗生素又會通過各種方式重新進入人體，例如，喝了含有抗生素的水，吃了存在殘留抗生素的肉類和蔬菜，最終形成一個惡性循環。抗生素的長期大量使用所導致的細菌耐藥性問題已成為全球化問題，據報道，每年有70萬人死于抗生素耐藥。如果按照此種趨勢，到2050年每年將有1000萬人死于抗生素耐藥。筆者分析了環境水體中抗生素的幾大主要來源，對近年來水體中抗生素殘留的檢測方法進行了總結分析，以期為環境水體中抗生素的監測監管提供參考依據。

1 水體中抗生素的主要來源

1.1 養殖業

隨著畜禽和水產品規模化養殖的擴大，養殖業中大量使用的抗生素成為水體中抗生素的重要來源。吳俐勤等對浙江省大型鴨場養殖水塘、豬場中養殖廢水和養殖場附近河域中共20個水樣中的抗生素進行檢測。檢出氟苯尼考和5種磺胺類化合物，其中氟苯尼考的檢出率為70%[3]。唐娜等對長江南京水體中14個采樣點的水樣進行檢測，共檢測出8種磺胺類抗生素，其中磺胺甲噁唑濃度最高，為6.76～8.98 ng/L，磺胺類抗生素總量濃度最高點為工業漁業用水區[4]。魏瑞城等在江蘇省內采集27個規模化養殖場排水口廢水樣品和53個周圍環境水體樣品，并對四環素類抗生素進行檢測分析，結果發現：土霉素和四環素檢出率最高，均為60.4%，土霉素和四環素在排水口和周圍環境水體中的污染量分別為0.07～72.91 μg/L、0.10～10.34 μg/L之間。分析抗生素含量變化規律發現，在養殖場排水口附近，樣品中四環素類藥物含量較高，隨著采樣點延伸，四環素類藥物濃度呈現逐漸下降趨勢[5-6]。陳軍平等[7]對江西省南昌縣規模化養豬場養殖廢水、養豬場下游水環境采集的共24個水體樣品進行分析，養殖廢水和環境水體中磺胺類、喹諾酮類、四環素類共6種抗生素均有不同程度的檢出，養殖場下游環境水體中抗生素殘留量總體低于養殖廢水，磺胺類和四環素類抗生素在少數養殖場下游水環境中存在一定富集。

1.2 制藥企業

抗生素生產廠家排放的工業廢水是污水處理廠抗生素的主要來源。抗生素在生產過程中，產生的廢水中含有多種高濃度難降解的活性抗生素。2014年媒體曾曝出，山東魯抗醫藥大量排放高濃度抗生素污水，污水中抗生素濃度超自然水體10000倍。湯薪瑤等[8]對制藥廢水處理廠出水口中的頭孢類抗生素進行分析，共檢測出4種頭孢類抗生素，雖然經污水處理工藝后各頭孢類抗生素去除率達到73%以上，但總出水口中仍殘留有較高濃度抗生素，其中濃度最高的頭孢呋辛濃度范圍為10.6～35.1 μg/L。Scott等[9]從美國各地選擇了13個接收制藥企業排放廢水的污水處理廠，6個沒有制藥企業排放廢水輸入的污水處理廠和一個通過制藥企業關閉而過渡的污水處理廠，評估制藥企業排放廢水輸入對污水處理廠藥物負荷的影響。通過對廢水和藥品降解產物進行分析，發現33種藥物在由制藥企業排放的廢水中的濃度(最大值為555000 ng/L)明顯高于不受制藥企業影響的廢水中的藥物濃度(最大值為175 ng/L)。結果表明藥品生產設備是一種重要的國家規模的環境藥物來源。制藥企業排放的廢水已成為全球環境水體中抗生素的一大重要來源。

1.3 人用藥

城市生活污水中的抗生素主要來源于人類，人類獲取抗生素的方式主要有2種：一是醫生開具的處方藥，二是患者去藥店購買的非處方類抗生素。人體攝入的抗生素藥物通常只有一小部分能夠被人體吸收代謝和降解，絕大多數抗生素會以原藥形式通過尿液和糞便排出體外，另外，家庭購買的抗生素藥品過期后遭到隨意丟棄，這些抗生素最終也會轉入環境污水中。此外，未經處理的醫療廢水是城市污水中抗生素的另一重要來源。魏曉東等[10]比較了廣州市內2個醫院污水處理前后污水中抗生素的變化，發現氧四環素和四環素在2個醫院的去除率均為100%，但羅紅霉素、脫水紅霉素和克拉霉素等大環內酯類抗生素的去除效果一般。李文最等[11]對閩江流域福州段水域水體中抗生素殘留情況進行調查。在閩江流域福州段水體中，檢出了磺胺類、喹諾酮類、大環內酯類3類13種抗生素，其最高濃度是磺胺類(磺胺氯噠嗪)為60.9 ng/L。胡冠九等[12]對江蘇省某市3個典型地表飲用水水源中5類共14種抗生素進行檢測，檢出頻次最高的為磺胺類、四環素類、喹諾酮類抗生素，其中檢出濃度最高的為磺胺類抗生素。

1.4 污水處理廠再次排放

大量研究表明，匯集到城市污水處理廠中的抗生素并不能被完全清除。He等[13]收集美國馬里蘭州污水處理廠不同處理階段的廢水樣本進行檢測，分析了11種氟喹諾酮類抗生素的存在情況，每個樣品中至少檢測到一種氟喹諾酮類抗生素，其中氧氟沙星和環丙沙星在所有采樣點的檢出率分別為100%和98%；原廢水中環丙沙星最高檢出濃度為1900 ng/L，氧氟沙星最高濃度為600 ng/L；通過微生物實驗發現，原廢水中氟喹諾酮類抗生素總濃度在抑制大腸桿菌生長的范圍內，表明廢水和廢水污染的地表水中抗生素可能帶來的隱患是確實存在的；此外，氟喹諾酮類藥物在廢水處理中的平均去除率約為65%，表明污水處理廠原污水中的大部分抗生素最終會再次進入環境中循環。Mirzaei等[14]在4個月內對33個采樣點進行了3次采樣，采樣點涉及德黑蘭2個污水廠(A廠和B廠)、2條河流、13個地下水源、5個水廠，對水樣中的四類抗生素進行了檢測。地下水源和水廠中均未檢測到目標抗生素，在2個河流中和污水處理廠中，9種目標抗生素中有7種被檢出，其中環丙沙星在A污水處理廠的進出水口樣本中占主導地位，頭孢菌素在B污水處理廠進出水口樣本中檢測到的含量最高。通過比較接收污水處理廠的河流和未接收污水處理廠排水的河流中抗生素的含量發現，污水處理廠排放的污水可能是水體中抗生素的一個重要來源。

2 水體中殘留抗生素檢測方法

2.1 前處理方法

水體中殘留抗生素多為痕量級，加上水體中大量干擾物的存在，使得水體中殘留抗生素濃度一般不能直接滿足檢測要求，因此，通常需要對水體中抗生素進行凈化、富集處理，使其最終濃度滿足儀器檢測要求。

2.1.1 pH值調節 水樣經凈化前通常需要調節pH值，唐琨[15]分析了pH值為3～9時對水體中6種抗生素(4種四環素類和2種大環內酯類)回收率的影響，結果顯示：6種抗生素在pH值6～7范圍內回收率較好且比較穩定，pH值過高或者過低回收率均不理想。李佩佩等[16]對水體中的氟喹諾酮類抗生素進行檢測，前處理過程中將pH值調至3.0，可獲得較好的回收率。王建鳳等[17]比較了pH值在2～6范圍內14種喹諾酮類抗生素的提取效率，發現pH值為4.0時，所有樣品可獲得較好的回收率。李柳毅等[18]比較分析了5種pH值對4種磺胺類抗生素提取效率的影響，結果顯示，不同pH值對4種磺胺類抗生素回收率的影響無顯著差異。鄭璇等[19]通過比較不同pH值對19種磺胺類抗生素提取效率的影響，發現pH值為6.0時，回收率最佳。因此，根據所分析抗生素分子結構特點，對水樣進行pH值調節，有利于保證檢測結果的準確性。

2.1.2 固相萃取柱的選擇 目前，常用的前處理方法為固相萃取法。用于環境樣品中抗生素檢測前處理過程中的固相萃取小柱多為HLB、MCX、Strata-X、C18和強陰離子交換柱等[20]。余勝兵等[21]通過比較固相萃取柱對飲用水中抗生素提取效果的影響，發現大部分抗生素在HLB固相萃取柱上的萃取效果較C18柱的萃取效果好。殷哲云等[20]通過比較3種HLB固相萃取柱對抗生素的提取效果，發現不同品牌的HLB固相萃取柱對物質的回收率影響差別不大，均可滿足試驗分析要求。李文最等[22]比較分析了C18、C8、Strata-X、HLB柱和大體積水專用柱(Cleanert PEP-2)5種固相萃取柱對5類抗生素回收率的影響，結果表明：HLB、Strata-X和大體積水專用柱對所測抗生素均有較好的萃取效率，由于HLB固相萃取柱具有親水-親脂聚合物填料，可在較寬pH值范圍內實現對化合物的凈化富集，水體中抗生素檢測過程中使用較多的固相萃取柱為HLB固相萃取柱。前處理樣品制備是降低檢測限的重要手段，在線固相萃取能夠達到較好的回收率和靈敏度，具有廣泛的應用前景。

2.2 儀器分析法

2.2.1 高效液相色譜串聯紫外檢測器(HPLC-UV) 湯弘智等[23]通過高效液相色譜-二極管陣列檢測器，建立了畜禽廢水中4種四環素類抗生素檢測的高效液相色譜法(HPLC)，4種抗生素的最低檢出限均為50 ng/mL。李柳毅等[18]運用HPLC法對地表水中4種磺胺類抗生素進行定量分析，方法檢出限為1.0～1.7 ng/L。李盛安等[24]建立了7種磺胺類抗生素檢測的高效液相色譜檢測方法，對豬場廢水中殘留的磺胺類抗生素進行定量檢測，方法檢出限為0.003～0.005 mg/L。Hlabangana等[25]建立了氟喹諾酮類藥物檢測的高效液相色譜方法，6種氟喹諾酮類抗生素在堿性介質中最大吸光度在254～330 nm波長處。紫外檢測器最低檢出限為10-9濃度范圍。

2.2.2 高效液相色譜串聯熒光檢測器(HPLC-FD) 王橋軍等[26]運用高效液相色譜串聯熒光檢測器檢測水中4種喹諾酮類抗生素，最低檢出限為0.083～0.248 μg/L。何金華等[27]建立了畜禽糞便中4種磺胺類抗生素殘留檢測的高效液相色譜-熒光檢測方法，檢出限為0.6～2.8 μg/kg。林曉旭等[28]利用高效液相色譜-熒光檢測器對沼液中的4種喹諾酮類抗生素進行檢測，檢出限為0.004～0.01 μg/mL。Yang等[29]通過原位衍生化，中空纖維液相微萃取，超高效液相色譜串聯熒光檢測器檢測，建立了8種磺胺類藥物的檢測方法。8種磺胺類化合物的檢出限為3.1～11.2 ng/L，方法具有較高的靈敏度，同時也為富集和定量環境水體中磺胺類化合物提供了一種新的方法。

2.2.3 高效液相色譜串聯質譜(LC-MS/MS) 液相色譜串聯質譜分析過程中，液相色譜分離的樣品通常經過電噴霧離子源進行離子化處理，再經過多反應監測進行一步分析。鄭璇等[19]運用超高效液相色譜串聯三重四級桿質譜法對地表水和廢水中的19種磺胺類抗生素進行檢測，檢出限為0.6～2.0 ng/L。王蘊馨等[30]建立了水體中10種抗生素檢測的全自動固相萃取-超高效液相色譜串聯質譜法，10種抗生素的最低檢出限為0.01～0.03 μg/L。徐潔等[31]運用HPLC-MS/MS方法對工業園區周邊地表水中5種大環內酯類抗生素進行檢測，最低檢出限為0.012～0.085 μg/L。呂佳等[32]建立了飲用水中35種抗生素檢測的高效液相色譜串聯質譜方法，最低檢出限為0.02～1.40 ng/L。程家興等[33]運用UPLC-MS/MS方法對養魚河水中喹諾酮類、氯霉素類、四環素類以及磺胺類共4類15種抗生素進行定量檢測，最低檢出限達到0.01～0.3 ng/L。Kim等[34]根據2015年韓國獸藥銷售情況，選取18種常用獸藥作為分析目標，建立了高效液相色譜串聯質譜檢測法，所建立方法的最低檢出限為0.2～11.9 ng/L。姚倩鈺等[35]采用高效液相色譜串聯質譜法對8個省21家養豬場的64份廢水中殘留的5種喹諾酮類抗生素進行檢測分析，最低檢出限為0.25～2.5 ng/L。陸克祥等[36]運用高效液相色譜串聯質譜檢測方法對黃浦江水體中的抗生素進行檢測，共檢測出四環素類、磺胺類抗生素、大環內酯類抗生素、喹諾酮類抗生素、β-內酰胺類5類15種抗生素。液相色譜串聯質譜法因其高靈敏度、較好的特異性，常被用于水中抗生素殘留的定性定量分析。

2.2.4 免疫檢測方法 免疫檢測方法包括酶聯免疫吸附法(ELISA)、免疫膠體金法、放射性免疫分析法、生物傳感器等[37]，其中被用于水體中抗生素檢測較多的方法為酶聯免疫吸附法(ELISA)。Kumar K等[38]建立了水體中莫能菌素檢測的酶聯免疫吸附法(ELISA)，該方法具有較高的靈敏度，方法的加標回收率能夠達到100%，結果表明：莫能菌素ELISA方法可成為LC-MS分析方法的可靠、快速和低成本的替代方法。Maria H等[39]建立了水體中殘留非甾體類抗炎藥雙氯芬酸(DCF)的ELISA方法，并對淡水河中的雙氯芬酸進行檢測，最低檢測限為7.8 ng/L。酶聯免疫吸附法具有檢測成本低、分析速度快等優點。

2.2.5 其他檢測方法 Xu等[40]建立的磁性雙模板分子印跡技術可用于環境水中磺胺類化合物和氟喹諾酮類化合物檢測的前處理過程中，磁性雙模板分子印跡技術是一種基于磁萃取的快速、選擇性的同時萃取磺胺類和氟喹諾酮類化合物的方法。周靖雯等[41]建立環境水樣中4種磺胺類藥物檢測的中空纖維膜液相微萃取-毛細管電泳法，檢測了水產養殖用水和污水中的磺胺類抗生素，4種磺胺類抗生素的檢出限為0.73～1.27 μg/L。近年來，中空纖維膜液相微萃取(HF-LPME)作為一種綠色的樣品前處理新技術得到了較快發展，與液質方法相比，毛細管電泳法具有分析耗時短、分離效率高、有機溶劑用量少的特點。Peixoto等[42]建立了基于微型化固相萃取和微平板分光光度法檢測水中磺胺類化合物的檢測方法，是一種以磺胺類化合物與對二甲基氨基肉桂醛在有機介質中的顯色反應為基礎，建立的微孔板形式的微型分光光度法，此方法具有簡便、經濟、環保的特點。

2.3 分析方法比較

通過以上不同抗生素殘留檢測方法靈敏度的比較，可知液相色譜串聯質譜方法具有較佳的靈敏度、準確度，另外液相色譜串聯質譜能夠實現同時檢測樣品中的多種抗生素，是對水體中殘留抗生素定性定量檢測的重要手段。但是液相色譜串聯質譜方法也存在儀器價格昂貴、樣品前處理過程復雜等缺點。酶聯免疫吸附法與液質方法比較具有前處理簡便、節約成本等優點，但是在一次性檢測水體中多種抗生素的能力以及檢測靈敏度等方面仍存在提高空間。近年來，簡便省時、高靈敏度的檢測方法逐步得到發展，從綠色環保、降低成本、同時高效檢測水體中各種抗生素方面考慮，期待著新技術的不斷涌現和普及。

3 結論

通過各種方式進入水環境的抗生素隨著水體的運輸、循環，容易造成抗生素的廣泛污染，增加細菌的耐藥性，不利于人類的生存發展。隨著“后抗生素時代”的來臨，濫用抗生素所帶來的環境污染、細菌耐藥性問題成為了全球關注的熱點問題。因此研發普及有效的檢測方法，加強對環境水體中抗生素的監測，多渠道減少抗生素的污染來源已經成為亟待解決的問題。