房夢月,劉和平,陳志香,王 娟,張海清,李先國,張大海
(1.中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山東 青島 266100;2.山東省公安廳禁毒總隊(duì),山東 濟(jì)南 250001;3.東營市公安局,山東 東營 257091)
精神活性物質(zhì)是指攝入人體后對中樞神經(jīng)具有強(qiáng)烈興奮作用或抑制作用,影響人類思維、情感、意志行為等心理過程的物質(zhì)。傳統(tǒng)意義上的精神活性物質(zhì)調(diào)查方法包括捕獲-再捕獲法、德爾菲法以及乘數(shù)法等。2001年,DAUGHTON首次提出了污水流行病學(xué)(Wastewater-Based Epidemiology,WBE),通過分析市政污水估算非法藥物的濫用情況。該方法認(rèn)為藥物經(jīng)人體代謝后以母體和代謝產(chǎn)物的方式排出體外,進(jìn)入市政污水體系流至污水處理廠。生活污水是居民日常生活中產(chǎn)生的廢水,如洗滌污水、廚余污水以及糞便污水等,不僅含有氨氮、蛋白質(zhì)、尿素等污染物,還存在大量病原微生物。住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,2020年我國城市污水年處理量已接近660億立方米,其中處理率達(dá)97.53%,絕大多數(shù)生活污水均進(jìn)入污水處理廠集中處理。水質(zhì)參數(shù)是判斷污水的重要指標(biāo),主要包括化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)、總 氮(Total Nitrogen,TN)、總磷(Total Phosphorus,TP)、氨 氮(Ammonia Nitrogen,NH-N)、懸浮固體(Suspended Solid,SS)等。全國生活污水BOD與COD之間比值(以下簡稱為“B/C”)介于0.3~0.6之間,受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民生活習(xí)慣和消費(fèi)習(xí)慣等人為因素和區(qū)域氣候帶和水資源等自然要素的共同影響。污水中污染物的含量直接影響水質(zhì),如有機(jī)物高水體易腐敗,氮、磷高水體易富營養(yǎng)化等。
聯(lián)合國毒品和犯罪問題辦公室(The United Nations Office on Drugs and Crime,UNODC)估 測,2020年全球涉及精神活性物質(zhì)人口約為2.75億,其中成癮性人口約為3500萬。如何有效評估精神活性物質(zhì)使用量是開展目標(biāo)物管控的前提條件。2005年,ZUCCATO等首先利用污水流行病學(xué)原理評估區(qū)域毒情,該技術(shù)也逐漸成為公安部門評估區(qū)域毒情的重要方法。隨著檢測設(shè)備精密度的不斷提升,污水中痕量有機(jī)物質(zhì)的準(zhǔn)確檢測已逐漸成為可能,但是污水驗(yàn)毒采樣點(diǎn)多集中在污水處理廠進(jìn)水口或管網(wǎng)結(jié)點(diǎn),與精神活性物質(zhì)發(fā)生地之間存在一定的距離,因此測定值和真實(shí)值之間是否存在差異的分歧較大。LI等的研究證實(shí)了生物活性和pH值能夠直接影響生物標(biāo)志物的穩(wěn)定性;RAMIN等認(rèn)為生物膜可以增強(qiáng)藥物生物標(biāo)志物的轉(zhuǎn)化率;BAKER等則認(rèn)為中性水環(huán)境中的甲基苯丙胺穩(wěn)定性較好。
為進(jìn)一步探究污水中復(fù)雜基質(zhì)對其內(nèi)含目標(biāo)物檢測準(zhǔn)確性的影響程度,本研究選用山東省東營市某污水處理廠進(jìn)水口污水為研究對象,通過改變樣品儲存時間、溫度、pH值等條件,測定水樣 的COD、BOD、NH-N、TP以及定量加入的目標(biāo)物含量,定性、定量分析水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量之間的關(guān)系,為目標(biāo)區(qū)域內(nèi)毒情的準(zhǔn)確評估提供借鑒和參考依據(jù)。
Supelco-57044型固相萃取儀(美國Supelco公司);12通道氮吹儀(杭州奧盛儀器有限公司);DR2800型分光光度計(jì)(美國HACH公司)、DR200型消解儀(美國HACH公司);OxiTop IS 12型BOD分析儀(德國WTW公司);Qtrap 5500 plus型液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國AB Sciex公司)。
污水樣品和BOD種子污泥取自山東省東營市某污水處理廠,實(shí)驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室制備的純水。
氨氮試劑盒(0~50 mg/L)和COD試劑盒(20~1 500 mg/L)(美國HACH公司);目標(biāo)物氯胺酮(Ketamine,KET)、去甲氯胺酮(Norketamine,NK)、苯甲酰愛康寧(Benzoylecgonine,BZE)、3,4-亞甲二氧基甲基苯丙胺(Methylenedioxymethamphetamine,MDMA)、嗎啡(Morphine,MOR)標(biāo)準(zhǔn)品(1 mg/mL)以及 氘 代 目 標(biāo) 物KET-D、NK-D、BZE-D、MDMAD、MOR-D標(biāo) 準(zhǔn)品(100 μg/mL)(美國Cerilliant公司);甲醇和二氯甲烷均為色譜純(上海安譜實(shí)驗(yàn)科技有限公司);Oasis MCX固相萃取柱(3 mL,60 mg)(美國Waters公司);0.45 μm微孔濾膜(天津津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。
1.2.1 儀器工作條件
色譜條件 柱溫40℃;流動相A為0.2‰(體積分?jǐn)?shù),下同)的甲酸溶液,流動相B為0.2‰甲酸-乙腈溶液,流速為0.3 mL/min;進(jìn)樣量為2 μL。以該液相色譜條件為初始方法,流動相的梯度洗脫程序見表1。

表1 梯度洗脫程序
質(zhì)譜條件 電噴霧離子源(Electron Spray Ionization,ESI),正 離 子 化 模 式(ESI);多 反 應(yīng) 監(jiān) 測(Multiple Reaction Monitoring,MRM)模式。其他質(zhì)譜參數(shù)見表2。

表2 質(zhì)譜參數(shù)
1.2.2 水樣采集及處理
利用自動采樣器于2021年5月在東營市某污水處理廠進(jìn)水口采集基礎(chǔ)水樣,置于透明樣品瓶中,每瓶水樣體積約為400 mL,采集后水樣的一半加入濃硫酸使其pH值約為2,冷鏈運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。樣品分別在-17℃和室溫25℃條件下存儲0、1、3、5、10、15d,并測定COD、TP、NH-N的含量,同時測定第0、5、10、15d的BOD含量。
1.2.3 儲備液配置及水質(zhì)參數(shù)測試方法
實(shí)驗(yàn)前用甲醇將目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)品稀釋為質(zhì)量濃度為400 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液,將氘代目標(biāo)物標(biāo)準(zhǔn)品用甲醇稀釋為質(zhì)量濃度為200 μg/L的內(nèi)標(biāo)工作溶液備用,樣品中加入目標(biāo)物的初始質(zhì)量濃度均為50 ng/L。分別采用重鉻酸鉀法、壓力法、磷鉬藍(lán)法、水楊酸法測定COD、BOD、TP、NH-N的含量。
1.2.4 樣品前處理過程
實(shí)驗(yàn)室采用的前處理方法流程如下:固相萃取柱分別用甲醇、超純水、含酸水進(jìn)行活化;取用50 mL經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后的水樣,加入50 μL內(nèi)標(biāo)后過柱,過柱流速控制在1~2 mL/min。萃取后的固相萃取柱真空抽氣20 min,分別用甲醇和氨水-甲醇溶液進(jìn)行洗脫。洗脫液置于33℃水浴中,緩緩吹氮至近干,用20%(體積分?jǐn)?shù),下同)的甲醇溶液對樣品復(fù)溶,使用0.45 μm針頭過濾器過濾后,在儀器工作條件下進(jìn)行測定。
基礎(chǔ)水樣的pH值為7.4,COD、TN、NH-N、總磷的質(zhì)量濃度分別為297、46.3、36.8、3.96 mg/L。實(shí)驗(yàn)將水樣分為常溫實(shí)際環(huán)境、常溫酸性環(huán)境、低溫實(shí)際環(huán)境和低溫酸性環(huán)境這4種情況進(jìn)行探討。整體上看,不同環(huán)境中COD的變化趨勢較為平穩(wěn),在一定范圍內(nèi)發(fā)生波動,BOD受pH值影響變化較大,NH-N和TP變化幅度非常小,具體分析如下。
2.1.1常溫實(shí)際環(huán)境
常溫實(shí)際環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物的變化趨勢見圖1。從圖1可得出以下結(jié)論:

圖1 常溫實(shí)際環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量的變化情況(n=52)
(1)隨著時間的延長,樣品中COD的變化不顯著,超過3d會出現(xiàn)一定程度的下降。各目標(biāo)物的變化趨勢有一定的波動,整體呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。檢出量最低的是BZE,這是因?yàn)锽ZE受基質(zhì)效應(yīng)影響大,其離子化相對更易受抑制,這與孫其然等的研究結(jié)果相一致。將樣品的COD變化趨勢與目標(biāo)物檢測數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),COD數(shù)值高,樣品中能夠檢測到的目標(biāo)物含量更靠近加入值,尤其是KET與NK。這表明COD在一定程度上能夠抑制目標(biāo)物的轉(zhuǎn)化效率,即較高含量的COD會使目標(biāo)物的檢出量更接近于真實(shí)情況。
(2)隨著時間的延長,樣品中BOD的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,通過比較BOD與各目標(biāo)物變化情況發(fā)現(xiàn),BOD含量越高,目標(biāo)物的檢出值越偏離加入值,特別是BZE和NK。BOD數(shù)值高,表明能被微生物利用的有機(jī)質(zhì)含量高,待測目標(biāo)物也為有機(jī)物小分子,微生物在分解水中有機(jī)質(zhì)的同時也在分解目標(biāo)物,因此高含量的BOD能夠增強(qiáng)目標(biāo)物的轉(zhuǎn)化效率。
(3)隨著時間的延長,NH-N變化趨勢較為平穩(wěn),整體呈現(xiàn)先減小后緩慢增加的趨勢,通過比較NH-N與目標(biāo)物的變化情況可以發(fā)現(xiàn),NH-N數(shù)值高,樣品中能夠檢測到的目標(biāo)物含量更靠近加入值。
(4)隨著時間的延長,TP的變化整體呈上升趨勢,在中性環(huán)境中,總磷以HPO和HPO的形式存在,通過比較TP與目標(biāo)物的變化情況發(fā)現(xiàn),TP含量與目標(biāo)物的變化趨勢之間關(guān)聯(lián)性較弱。
2.1.2 常溫酸性環(huán)境
常溫酸性環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物的變化見圖2,從圖2可以得出以下結(jié)論:

圖2 常溫酸性環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量的變化情況(n=44)
(1)隨著時間的推移,目標(biāo)物變化趨勢比較平穩(wěn),但MOR的含量波動較大。樣品COD的含量呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢,在一定范圍內(nèi)波動。將樣品COD的變化趨勢與目標(biāo)物變化趨勢進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),COD數(shù)值越高,能被檢測出的目標(biāo)物含量越向加入值靠近,尤其是MOR,與COD的變化趨勢基本一致。這與常溫實(shí)際環(huán)境情況一致。
(2)常溫酸性環(huán)境中的BOD值遠(yuǎn)低于常溫實(shí)際環(huán)境,這主要是因?yàn)槲⑸镒钸m宜的pH值范圍是6.5~8.5,酸性或堿性過強(qiáng)的環(huán)境均不利于微生物的生存和生長,酸性環(huán)境中B/C大幅下降,隨著時間的延長,BOD變化趨勢先減小后增大,這是耐酸性微生物逐漸占據(jù)優(yōu)勢的結(jié)果。通過比較BOD與各目標(biāo)物的變化趨勢發(fā)現(xiàn),BOD含量越低,目標(biāo)物的檢出值越接近加入值,特別是KET和BZE。
(3)常溫酸性環(huán)境中的NH-N比常溫實(shí)際環(huán)境中更加穩(wěn)定,是由于該環(huán)境下樣品中H濃度過高,抑制了游離氨的水合反應(yīng)。隨著時間的延長,NH-N變化趨勢十分平穩(wěn),目標(biāo)物含量在一定范圍內(nèi)波動,NH-N濃度與目標(biāo)物變化趨勢之間無明顯關(guān)聯(lián)性。
(4)pH值在1~4之間時,溶解態(tài)磷以HPO和HPO的形式存在,TP含量穩(wěn)定,整體上微降后保持平穩(wěn),同NH-N類似,TP與目標(biāo)物變化趨勢之間關(guān)聯(lián)性較弱。
2.1.3 低溫實(shí)際環(huán)境
低溫實(shí)際環(huán)境中的水質(zhì)參數(shù)與5種目標(biāo)物的變化情況見圖3,從圖3可以得出以下結(jié)論:

圖3 低溫實(shí)際環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量的變化情況(n=44)
(1)隨著時間的延長,樣品COD的變化趨勢較為平穩(wěn),超過3d會出現(xiàn)一定程度的下降,目標(biāo)物波動情況相較于其他環(huán)境幅度較大,整體呈現(xiàn)先增大后減小再增大又減小的趨勢。通過比較COD與各目標(biāo)物變化情況發(fā)現(xiàn),低溫實(shí)際環(huán)境中的COD數(shù)值低,目標(biāo)物的檢出值更靠近加入值,尤其是KET和NK。
(2)隨著時間的延長,BOD則呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢,這是由于水樣中常溫優(yōu)勢豐度微生物群落向低溫優(yōu)勢豐度微生物群落轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的。同樣可以發(fā)現(xiàn),BOD越高,目標(biāo)物檢出值越偏離其加入值,尤其是目標(biāo)物中的MDMA和MOR表現(xiàn)更加明顯,表明兩者受BOD影響顯著。
(3)低溫實(shí)際環(huán)境中NH-N穩(wěn)定,整體變化平穩(wěn),而目標(biāo)物變化趨勢明顯,比較兩者變化情況,發(fā)現(xiàn)NH-N與目標(biāo)物之間關(guān)聯(lián)性微弱,該環(huán)境中的TP含量明顯低于其他3種環(huán)境中的數(shù)值,這是因?yàn)閷?shí)際水樣呈弱堿性,低溫堿性條件會加速磷的絮凝沉降,TP與目標(biāo)物的變化情況之間關(guān)聯(lián)性較弱。
2.1.4 低溫酸性環(huán)境
低溫酸性環(huán)境中的水質(zhì)參數(shù)與5種目標(biāo)物的變化情況見圖4,從圖4可以得出以下結(jié)論:低溫酸性條件下保存的污水,其目標(biāo)物的穩(wěn)定性優(yōu)于其他條件,這與文獻(xiàn)報道的關(guān)于精神活性物質(zhì)研究結(jié)果相吻合。隨著時間的延長,樣品中的目標(biāo)物濃度變化情況較穩(wěn)定,COD變化趨勢也較為平穩(wěn)。將樣品的COD變化趨勢與目標(biāo)物檢測值變化趨勢進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),COD數(shù)值越低,目標(biāo)物的檢出值更靠近加入值,特別是KET和MOR。BOD變化趨勢穩(wěn)定,整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,比較BOD與目標(biāo)物的變化趨勢可以看出,BOD數(shù)值越高,樣品中能被檢測到的目標(biāo)物含量越偏離加入值,尤其是目標(biāo)物中的KET和MOR。NH-N變化趨勢穩(wěn)定。與目標(biāo)物變化趨勢之間關(guān)聯(lián)性較弱。隨著時間的變化,TP呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢,觀察TP與目標(biāo)物的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),TP數(shù)值越高,目標(biāo)物的檢出值更靠近加入值,特別是目標(biāo)物中的MDMA和MOR。

圖4 低溫酸性環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量的變化情況(n=52)
通過比較4種環(huán)境中目標(biāo)物的檢出濃度可以發(fā)現(xiàn),酸性環(huán)境中目標(biāo)物檢出值高于弱堿性環(huán)境,這是由于大多目標(biāo)物中含有氨基官能團(tuán),酸性環(huán)境中H易與N電子結(jié)合,抑制N電子向活化物的轉(zhuǎn)化從而抑制其降解。
為了進(jìn)一步探索4種不同環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物含量之間的關(guān)系,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了主成分分析。在SPSS 25軟件包中進(jìn)行KMO與Bartlett球形度檢測,KMO數(shù)值大于0.5,Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果小于0.05。選取特征值大于1的成分共3個,根據(jù)方差注釋圖,前三位主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率76.62%(表3),選擇前三個主成分對數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析,并將數(shù)據(jù)以最大方差法旋轉(zhuǎn)后得到載荷圖(圖5)。給出了特征在三個主成分上的投影,非相關(guān)特征相互正交,變量坐標(biāo)對應(yīng)其與主成分的相關(guān)性和方向性,載荷圖中的正交向量表示變量之間的相關(guān)程度。由于載荷圖屬于三維圖,在直觀性上有所欠缺,筆者又引入相關(guān)性熱圖(圖6)共同證明。利用Origin 2022軟件繪制目標(biāo)物與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)性矩陣圖(圖6),圖中顏色越深、范圍越大,表明兩種物質(zhì)之間相關(guān)性越強(qiáng),紅色表示呈正相關(guān),藍(lán)色表示呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合所作載荷圖(圖5)以及相關(guān)性矩陣圖(圖6)分析,可以發(fā)現(xiàn)各目標(biāo)物含量變化情況與COD之間呈正相關(guān),尤其是MDMA、MOR與NK,即目標(biāo)物含量隨著COD含量的增加而增加,這說明污水中能被氧化的還原性物質(zhì)多會導(dǎo)致污水中目標(biāo)物檢出濃度上升。目標(biāo)物含量變化與BOD之間呈負(fù)相關(guān),即目標(biāo)物濃度隨BOD增加而減少,這主要是因?yàn)槟繕?biāo)物也歸屬于有機(jī)物,如果污水中的微生物含量多,其生物降解過程可將目標(biāo)物轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì),從而導(dǎo)致目標(biāo)物檢出濃度降低。而各目標(biāo)物與TP和NH-N之間相關(guān)性不大,這說明污水中氮磷含量的變化對于目標(biāo)物的檢出濃度不會產(chǎn)生太大的影響。

表3 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

圖5 污水水質(zhì)參數(shù)與5種目標(biāo)物含量的相關(guān)成分圖

圖6 污水水質(zhì)參數(shù)與5種目標(biāo)物含量的相關(guān)性矩陣圖
上述分析表明污水中目標(biāo)物檢測結(jié)果與污水水質(zhì)參數(shù)之間存在相關(guān)性,本文以所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立模型公式。設(shè)定樣品實(shí)際目標(biāo)物濃度與利用液質(zhì)聯(lián)用技術(shù)檢測出來的結(jié)果存在校正系數(shù)γ,則校正系數(shù)γ為:

主成分分析以及相關(guān)性矩陣結(jié)果表明,COD和BOD與目標(biāo)物之間相關(guān)性強(qiáng),而TP及NH-N與其相關(guān)性弱,γ主要受COD與BOD影響,因此模型公式的建立以COD與BOD為主要參數(shù)。由于目標(biāo)物彼此之間呈現(xiàn)的變化趨勢不盡相同,因此將各種目標(biāo)物的模型獨(dú)立分析。以Matlab軟件中的Curve Fitting Tool對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(n=170),建立基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。
Matlab中對于數(shù)據(jù)處理有不同的方式,包括自定義、指數(shù)逼近、傅里葉逼近、高斯逼近、插值逼近、多項(xiàng)式逼近、冪逼近、有理數(shù)逼近、平滑逼近、正弦曲線逼近等,本研究將各種處理方式代入驗(yàn)證之后,發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式處理最適合污水體系,而且當(dāng)COD與BOD為二次方程時,模型R值最高,公式簡潔,更能合理解釋校正系數(shù)值,具體擬合系數(shù)見表4,擬合趨勢圖見圖7。

圖7 目標(biāo)物模型擬合圖

表4 擬合方程系數(shù)結(jié)果

其中:c為污水中COD的質(zhì)量濃度,g/L;c為污水中BOD的質(zhì)量濃度,g/L。
在以上所作回歸模型中,目標(biāo)物KET模擬方程R值為0.2580、目標(biāo)物NK模擬方程R值為0.6408、目標(biāo)物BZE模擬方程R值為0.579 4、目標(biāo)物MDMA模擬方程R值為0.590 2、目標(biāo)物MOR模擬方程的相關(guān)系數(shù)R值為0.449 0,雖然該模型在一定程度上反映了水質(zhì)參數(shù)和目標(biāo)物之間的相關(guān)性,但是整體擬合度不高,這主要是因?yàn)槲鬯谢|(zhì)太過復(fù)雜,包括溶解氧、總氮、硝酸鹽氮以及各種陰、陽離子等。而本文只考察了4種影響因素,擬合方程只選取了其中2種主要因素,仍舊無法全部解釋污水的基質(zhì)影響,這需要在后續(xù)研究中繼續(xù)完善,以期獲得擬合度更高的結(jié)果。
為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性,以MDMA為例,利用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行反推,驗(yàn)證模型可靠性。運(yùn)用Origin 2022軟件包作出實(shí)測值與模擬值散點(diǎn)圖,并對散點(diǎn)圖進(jìn)行線性擬合,相關(guān)系數(shù)R值為0.775 6,表明模型擬合效果良好。
因此,將公式(1)與公式(2)聯(lián)立得到污水中目標(biāo)物實(shí)際濃度的預(yù)測方法公式(3),方程式(3)中各項(xiàng)系數(shù)值見表7,對于污水中目標(biāo)物實(shí)際濃度的估算,需要利用其檢測濃度,結(jié)合水樣中COD、BOD的測試值,代入公式即可對檢測值進(jìn)行校正。

本文針對KET、NK、BZE、MDMA、MOR這5種精神活性物質(zhì),依據(jù)水質(zhì)參數(shù)與目標(biāo)物之間的相關(guān)性,建立目標(biāo)物測量值和真實(shí)值之間的校正模型,并利用MDMA對模型進(jìn)行線性擬合,結(jié)果顯示擬合效果良好。