环境科学  2016, Vol. 37 Issue (7): 2522-2529   PDF    
引用本文
张华方, 杨军, 杜鹏, 王琮淙, 李喜青 . 北京水环境中氯胺酮和去甲氯胺酮的浓度水平[J]. 环境科学,2016, 37(7): 2522-2529.
ZHANG Hua-fang, YANG Jun, DU Peng, WANG Cong-cong, LI Xi-qing . Concentrations of Ketamine and Norketamine in the Water Environment in Beijing[J]. Environmental Science,2016, 37(7): 2522-2529.
北京水环境中氯胺酮和去甲氯胺酮的浓度水平
张华方1 , 杨军1 , 杜鹏2 , 王琮淙2 , 李喜青2     
1.北京市城市排水监测总站有限公司, 北京 100012;
 2.北京大学城市与环境学院, 地表过程与分析实验室, 北京 100871
收稿日期: 2015-11-16; 修订日期: 2016-02-02.
基金项目:国家自然科学基金项目(41371442)
作者简介: 张华方(1970~),男,高级工程师,主要研究方向为城市污水监测,E-mail:13811364231@139.com
通讯联系人, 李喜青,E-mail:xli@urban.pku.edu.cn
摘要: 利用高效液相色谱-串联质谱联用仪(HPLC-MS/MS)测定了北京市生活污水和自然水体中氯胺酮及其代谢产物去甲氯胺酮的浓度水平.样品采自北京市区内全部13家污水处理厂和流经北京市的四条河流.结果表明,氯胺酮和去甲氯胺酮在北京13家污水处理厂的进水浓度均值范围分别为<MQL(method quantification limit,方法定量限)~(19.5±5.1) ng·L-1和<MQL~(6.2±2.1)ng·L-1,由此计算的负载量均值范围分别为(0.1±0.0)~(8.6±2.4) mg·(1000人·d)-1和(0.3±0.1)~(3.2±1.1)mg·(1000人·d)-1.经污水处理厂处理后,氯胺酮和去甲氯胺酮的去除率较低,甚至出现负值.氯胺酮在地表水中被广泛检出,浓度范围为<MQL~17.8 ng·L-1;去甲氯胺酮在4条河流中的检出浓度均低于MQL.在通惠河中氯胺酮的检出浓度较大多数污水处理厂进水中的浓度高,说明沿河可能有氯胺酮的直接倾倒或排放.
关键词: 氯胺酮      去甲氯胺酮      北京      污水      地表水     
Concentrations of Ketamine and Norketamine in the Water Environment in Beijing
ZHANG Hua-fang1 , YANG Jun1 , DU Peng2 , WANG Cong-cong2 , LI Xi-qing2     
1.Beijing Urban Drainage Monitoring Center Co., Ltd., Beijing 100012, China;
 2.Laboratory of Earth Surface Processes, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Concentrations of ketamine (KET) and its metabolite, norketamine (NK) in sewage water and surface water in Beijing were examined by HPLC-MS/MS. Samples were collected from all the thirteen sewage treatment plants in the urban area and four rivers flowing through the city. Average influent concentrations of KET and NK in 2013 summer ranged from <MQL to (19.5±5.1) ng·L-1 and <MQL to (6.2±2.1) ng·L-1, respectively. The calculated loads of KET and NK ranged from (0.1±0.0) to (8.6±2.4) mg·(1000 inh·d)-1 and (0.3±0.1) to (3.2±1.1) mg·(1000 inh·d)-1, respectively. The removal rate during treatment was low and even negative at some plants for KET and NK. KET was widely detected in surface waters (<MQL to 17.8 ng·L-1), whereas NK was below MQL in all surface water samples. Concentration of KET in Tonghui River was higher than those in most of the STPs, indicating direct disposal of KET and/or direct discharge of sewage into the river.
Key words: ketamine      norketamine      Beijing      sewage      surface water     

违禁药物由于使用的非法性而很难估算其用量和滥用趋势. 近年来，欧美等发达国家发展了一种叫做污水流行病学的方法来估算违禁药物的用量. 这种方法的原理是采集城市污水，测定其中违禁药物或其代谢产物的浓度，再根据污水的流量和违禁药物/代谢产物的排泄率反推污水厂服务区违禁药物的用量. 这种方法最早由美国环境保护署(USEPA)的科学家Daughton提出[1, 2]，由Zuccato等最早实施[3, 4]. 相对于传统的社会调查方法，该方法具有客观、 快速、 成本低等优点，过去10年在欧洲[5~8]、 北美[9, 10]和澳大利亚[11, 12]得到了广泛的应用. 另外，城市生活污水并不能完全去除违禁药物[9, 13, 14]，因而违禁药物将不可避免地进入环境，特别是地表水体. 因此违禁药物和其他药物一样被认为是一种新型污染物. 污水处理厂在控制违禁药物进入环境方面起了关键作用.

氯胺酮(ketamine，KET)是一种麻醉、 镇痛剂，通过抑制神经传递素N-甲基-D-天门冬氨酸(NMDA)受体及中枢和外围类胆碱功能传递，达到麻醉效果[15]. 氯胺酮对人体副作用较强，易引起用药者精神错乱，出现幻觉，大剂量可导致痉挛和死亡[16]. 氯胺酮在人体内的主要代谢产物为去甲氯胺酮(norketamine，NK). 但氯胺酮在人体内不能完全代谢，仅有部分被代谢转化为去甲氯胺酮. 经人体服食用后，氯胺酮最终主要以氯胺酮母体和去甲氯胺酮两种形式排出人体.

20世纪末，氯胺酮开始作为违禁药物被使用. 之后，其非医疗目的的使用量不断增长[17]. 氯胺酮滥用最严重的地区是东南亚. 其在东南亚地区的缉获量占世界总缉获量的86.2%[17]. 在过去十多年里，氯胺酮作为毒品在中国也逐渐流行起来，在毒品市场上占有越来越大的比例. 到2011年，氯胺酮已成为第3常用的违禁药物[18].

最近有研究发现，在中国台湾、 香港及深圳等地，氯胺酮广泛地存在于污水中，且浓度较高[19~22]. Khan等[19]在北京的污水处理厂中也发现了氯胺酮的存在，但浓度较低. 氯胺酮地表水中也被广泛检出，但浓度均也较低，通常在几纳克到几百纳克每升的范围内[7, 20]. 然而，以上研究只采集了某个城市的少数几家污水厂，并没有针对一个城市市区内所有污水处理厂进行全面采样和分析检测，不能准确反映一个城市氯胺酮的滥用情况； 同时，已有研究中关于地表水中氯胺酮浓度的报道很少，国内则完全没有. 因此目前还无法评价氯胺酮的环境影响.

本研究在北京市市区内13家污水处理厂和4条流经北京的河流分别采集污水和河水水样，通过HPLC-MS/MS测定了污水和河水中氯胺酮及去甲氯胺酮的浓度，探究了其随季节和空间的变化以及污水处理厂对这两种物质的去除率，推算了污水处理厂服务区域内氯胺酮的千人负荷量. 本研究还考察了地表水中氯胺酮及其代谢产物去甲氯胺酮的存在情况. 本研究在国内第一次将污水流行病学应用于估算一个城市氯胺酮的用量，考察了污水和地表水中氯胺酮存在的相关关系，以期为监测氯胺酮的滥用情况、 评估氯胺酮的环境风险提供基础数据.

1 材料与方法 1.1 试剂

氯胺酮、 去甲氯胺酮、 氯胺酮-氘4(Ketamine-d4，KET-d4)、 去甲氯胺酮-氘4(Norketamine-d4,NK-d4)购自Cerilliant公司(美国)； 乙腈(HPLC级)购自Fisher Scientific公司； 超纯水由Mili-Q超纯水系统(Millipore公司，美国)制备； 盐酸(分析纯)、 无水甲醇(优级纯)、 氨水(分析纯)购自北京化学试剂厂； 醋酸铵(HPLC级)购自CNW公司.

1.2 样品采集 1.2.1 污水样品

污水样品采自北京市市区内全部的13家污水处理厂,如图 1(d)所示： 高碑店污水处理厂(GBD)、 清河污水处理厂(QH)、 小红门污水处理厂(XHM)、 北小河污水处理厂(BXH)、 酒仙桥污水处理厂(JXQ)、 方庄污水处理厂(FZ)、 吴家村污水处理厂(WJC)，卢沟桥污水处理厂(LGQ)、 通州碧水污水处理厂(TZBS)、 肖家河污水处理厂(XJH)、 北苑污水处理厂(BY)、 永丰污水处理厂(YF)、 温泉污水处理厂(WQ). 其中包括13家污水处理厂在夏季、 早冬季的进水样品和3家污水处理厂(XHM、 XJH和JXQ)夏季的出水样品.

图 1 地表水采样点位置及北京市区13家污水处理厂位置 Fig. 1 Location of sampling points at the four rivers and 13 STPs in Beijing

全部污水样品均使用格雷普斯FC-9624型便携式自动水质采样器采集(格雷普斯科技开发公司，北京). 将采样器设置为每小时采样一次，每次采集水样100mL，采集24 h混合水样. 采样包括两个阶段： 夏季采样于2013年6月至2013年8月进行，每个污水处理厂采集4 d； 冬季采样于2013年11月进行，每个污水处理厂采集两天. 为防止溢流引起的目标化合物损失，选择了非强降水和非风暴天气进行采样. 样品装入1.5 L高聚乙烯样品瓶，用浓盐酸(6 mol·L-1)调至pH=2，在-20℃条件下冷冻保存.

1.2.2 地表水样品

地表水样品于2014年5月采自流经北京市市区的4条河流： 通惠河(Tonghui River)、 清河(Qinhe River)、 凉水河(Liangshui River)和南护城河(South Moat). 其中，通惠河沿河设置了14个采样点(T1~14)，清河设置了13个采样点(Q1~13)，凉水河设置了9个采样点(L1~9)，南护城河设置了6个采样点(S1~6)，采样点具体位置见图 1(a)和1(c). 为防止溢流引起的目标化合物损失，地表水采样选择在非强降水和非风暴天气进行. 采集瞬时水样，样品装入1.5L高聚乙烯样品瓶，用浓盐酸(6 mol·L-1)调至pH=2，于-20℃条件下冷冻保存.

3 样品分析 1.3.1 样品前处理

使用固相萃取法(SPE)进行样品前处理： 依次用6mL无水甲醇，4 mL超纯水，4 mL酸化至pH=2的超纯水活化Oasis-MCX固相萃取柱(Waters公司，美国)； 将50 mL水样用玻璃纤维滤膜(上海红光实业有限公司，中国)过滤(以除去样品中较大的固体颗粒物)后以1 mL·min-1的流速通过SPE柱； 样品加载完成后，用5 mL超纯水通过固相萃取柱，以冲洗杂质； 以缓和的空气流将SPE柱柱床填料彻底干燥后，用4 mL甲醇，4 mL甲醇/氨(19∶1，质量比)溶液进行洗脱； 收集洗脱液至15 mL试管中，室温下用均匀、 缓和的氮气流将洗脱液吹干； 用400 μL乙腈/水溶液(19∶1，体积比)重新溶解干燥后的残留物； 用有机相离心过滤管(VWR公司，美国)离心过滤. 将上述滤液转移入1.5 mL HPLC-MS/MS专用的螺纹口透明进样瓶中，待上机测定.

1.3.2 样品测定

目标化合物使用岛津高效快速液相色谱(Prominence UFLCXR，日本)和菲罗门(Phenomenex，美国)Gemini C18液相色谱柱(50mm×2.00 mm,3 μm)进行分离，进样量为5 μL. 流动相由5 mmol·L-1 醋酸铵水溶液(A)和乙腈(B)组成. 洗脱梯度为： 0~0.5 min： 5% B； 0.5~2.0 min： 30% B； 2.0~6.5 min： 45% B； 6.5~6.6 min： 90% B； 6.6~8.5 min： 90% B； 8.5~8.6 min： 95% B； 8.6~14 min： 95% B. 流动相流速为0.5 mL·min-1. 目标化合物的浓度使用API-4000三级四重杆串联质谱仪(包括一台DGU-20A3脱气装置，两台LC-20AD泵，一台SIL-20AC自动进样器，一台CTO-20AC型柱温箱)(AB Sciex，美国)采用多反应监测模式(multiple reaction monitoring，MRM)进行测定，质谱参数与目标物保留时间如表 1所示.

表 1 目标物质离子对及相应质谱参数 Table 1 MS parameters of monitored chemical residues

1.3.3 分析方法验证

通过回收率、 基质效应和流程空白来验证分析方法的准确性. 回收率： 分别向50 mL超纯水中注入20 ng目标物，用2.3节所述方法来进行前处理并上机测定； 基质效应： 以含有目标物浓度较低的污水作为基质，用2.3节所述方法处理基质，处理完成后，分别加入20 ng目标物和不加标上机测定，测得结果相减，所得结果除以加标量来评价基质效应； 流程空白： 每20个实际样品中加做一个流程空白，以评价前处理过程中是否有污染. 分析方法验证结果如表 2所示，回收率、 基质效应和流程空白均符合分析要求.

表 2 方法验证参数： 回收率、 基质效应和流程空白(n=3) Table 2 Method validation parameters： recovery,matrix effect and procedure bank (n=3)

1.4 负载量估算和去除率计算

用下面公式计算进入污水处理厂的氯胺酮及去甲氯胺酮的千人日均负荷量：

(1)

使用公式(2)计算污水处理厂对氯胺酮和去甲氯胺酮的去除率：

(2)

其中，进水样品中化学残留物的浓度(ng·L-1)用2.3节中所述分析方法测得. 每个采样日的进水流量是每个污水处理厂分别测得的数据. 各污水厂服务区域人口数据也由各污水处理厂提供.

2 结果与讨论 2.1 污水处理厂进水中氯胺酮和去甲氯胺酮的浓度

氯胺酮在13家污水处理厂的夏季进水中，除吴家村、 永丰和温泉污水处理厂外，其余10家污水处理厂均有检出[<MQL~(19.5±5.1)ng·L-1，方法定量限，method quantification limit]； 在11家污水处理厂的早冬季进水中只有北苑污水处理厂未检出，其余各厂浓度均高于MQL，最高浓度为9.7ng·L-1. 共有3家污水处理厂采集了夏季出水，且出水中氯胺酮全部检出,分别为小红门污水处理厂[(4.3±0.9) ng·L-1]、 北小河污水处理厂[(13.4±6.8)ng·L-1]和酒仙桥污水处理厂[(11.2±3.1)ng·L-1]. 除方庄、 通州碧水、 北苑和温泉污水处理厂外，去甲氯胺酮在其余污水处理厂夏季进水中均有检出[(4.5±1.6)~(6.2±2.1) ng·L-1]，而在冬季进水中仅有3个污水厂有检出，分别为小红门污水处理厂[(2.5±0.4) ng·L-1]、 北小河污水处理厂[(2.4±0.0)ng·L-1]和酒仙桥污水处理厂(3.9 ng·L-1)； 在3家污水处理厂的夏季出水中去甲氯胺酮全部检出[(4.4±1.6)~(5.2±1.4)ng·L-1].

清河、 方庄、 肖家河、 小红门、 高碑店、 卢沟桥、 北苑、 通州碧水和酒仙桥等9家污水处理厂中氯胺酮浓度[(1.0±0.0)~(16.8±4.7)ng·L-1]与Khan等[19]和Du等[23]的研究结果一致[(1.8±1.6)~(15.2±3.5)ng·L-1). 氯胺酮浓度范围与Nuijs等［24]报道的比利时污水处理厂中氯胺酮浓度范围(10 ng·L-1)、 Bijlsma等[25]报道的荷兰污水处理厂中氯胺酮的浓度(<10~17 ng·L-1)以及Huerta-Fontela等[26, 27]报道的西班牙污水处理厂中的浓度(<1~50ng·L-1)相当； 高于西班牙、 捷克和美国俄勒冈地区的污水处理厂中氯胺酮的浓度(<MDL)[28~30]； 远低于Baker等[31]以及Lin等[32]报道的英国和台湾污水处理厂中氯胺酮的浓度(52~79 ng·L-1和223 ng·L-1).

如表 3所示,北京污水处理厂的夏季进水中氯胺酮和去甲氯胺酮浓度高于冬季进水. 这可能是由于氯胺酮是各种娱乐场所和聚会中常用的违禁药物，而夏季的娱乐和社交活动通常要明显高于冬季. 因此，夏季氯胺酮的滥用量要高于冬季. 相应地，夏季污水中的氯胺酮及去甲氯胺酮的浓度水平高于冬季.

表 3 北京13家污水处理厂进、 出水中氯胺酮和去甲氯胺酮的浓度 Table 3 Influent concentrations of KET and NK at STPs in Beijing/ng·L-1

各污水处理厂中氯胺酮的浓度与去甲氯胺酮的浓度的比值在0.16~3.8之间，这一比率比氯胺酮经人体代谢后所残留的氯胺酮的量与代谢主要产物去甲氯胺酮的量的比值(0.272~2.1)略高[33]. 这可能是因为存在氯胺酮的直接弃置情况，导致污水中氯胺酮的浓度总体上高于去甲氯胺酮.

2.2 氯胺酮和去甲氯胺酮的去除率

公式(2)计算表明，北京市区内污水处理厂对氯胺酮(5.5%~36.2%)和去甲氯胺酮(28.7%~30.1%)的平均去除率较低，如图 2所示. 这一结果说明有大量的氯胺酮被排入到自然水体中，可能会对人体健康和水生生态系统造成潜在的威胁. 一些污水处理厂甚至出现了负去除的情况，如： 小红门污水厂第二、 第三采样日的去除率分别为-9.7%和-0.5%，与已有文献报道相符合[10, 32, 34~36]. 目前，相关研究普遍认为出现负去除率主要有两种原因： ①可能是由于这些物质在代谢中与葡糖醛酸共轭结合，这些葡糖醛酸结合物在通过污水处理厂的工艺流程(如生物处理)时，可能被裂解为目标物质，使得检出浓度上升，导致负的去除率[38]； ②也可能是混合体系特征、 流速流量及目标物质浓度的变异性导致的[31]. 另一种解释是，北京市的污水处理厂普遍使用活性污泥法处理污水，污水在污水厂有数小时的停留时间，而采样是在污水厂进水口和出水口同时进行的，这样导致所采集的进水和出水样品存在一个数小时的时间差. 如果采样前数小时出现氯胺酮的高排放，由于氯胺酮的去除率较低，会出现数小时后开始采样时出水中氯胺酮和去甲氯胺酮浓度大于进水中浓度的情况，从而导致表观去除率呈现为负值.

图 2 氯胺酮及去甲氯胺酮在3家污水处理厂中的去除率 Fig. 2 Removal of KET and NK at three STPs

2.3 氯胺酮的负荷量

公式(1)计算表明，在北京13个污水处理厂夏季和冬季的进水样品中(表 4)，氯胺酮的负荷量为(0.1±0.0)~(8.6±2.4)mg·(1000 人·d)-1，其中最高值出现在酒仙桥污水处理厂[8.6±2.4 mg·(1000 人·d)-1]，次高值出现在北小河污水处理厂[(6.8±1.8)mg·(1000 人·d)-1]，其余各厂负荷量普遍低于1 mg·(1000 人·d)-1，研究结果与Quibell等[16]和Khan等[19] 的报道相一致. 北京市市区污水处理厂服务区域的氯胺酮的负荷量远低于中国华南地区氯胺酮的负荷量[16]和香港污水处理厂中氯胺酮的负荷量(290 mg·(1000 人·d)-1)[18]； 但与比利时污水处理厂中氯胺酮的负荷量相当[2~16mg·(1000 人·d)-1][4]； 高于西班牙、 捷克、 美国俄勒冈地区污水处理中氯胺酮的负荷量[22, 24~26].

表 4 氯胺酮及去甲氯胺酮在13家污水处理厂的质量负荷量/mg·(1000人·d)-1 Table 4 Mass loads of KET and NK at the 13 STPs/mg·(1000 inh·d)-1

氯胺酮在北小河和酒仙桥污水厂中的负荷量明显高于在其他污水处理厂. 酒仙桥污水厂收集并处理来自于三里屯地区(北京城区中酒吧、 夜店等娱乐场所的集中地)的污水，而氯胺酮常被用于在以上场所进行的狂野派对和其他类似活动中[29]，所以在三里屯地区的各类娱乐场所中非法使用的氯胺酮经污水管网进入酒仙桥污水厂是导致其进水中氯胺酮负荷量较高的重要原因； 北小河污水厂主要处理奥运村周边地区的污水，因奥运村周边集中了大量体育场馆，经常举办体育赛事、 商业演出和娱乐活动，在活动举办期间会出现非法使用毒品的情况，其中可能包括氯胺酮的使用，从而导致北小河污水厂进水中氯胺酮负荷量较高.

2.4 地表水

北京市4条河流中氯胺酮和去甲氯胺酮的浓度如图 3所示，氯胺酮在4条河流中的检出率分别为： 清河(10/13)、 通惠河(12/14)、 凉水河(5/9)和南护城河(6/6)； 去甲氯胺酮在4条河中均未检出(<MOL). 氯胺酮在4条河流中的检出率较高，且检出浓度高于去甲氯胺酮，这与已有报道的结果相似[35].

图 3 清河、 通惠河、 凉水河和南护城河中氯胺酮浓度 Fig. 3 Concentrations of KET in Qinghe,Tonghui, Liangshui River and South Moat

北京市河流中氯胺酮、 去甲氯胺酮的检出浓度较英国一条河中氯胺酮(21.3ng·L-1)与去甲氯胺酮(5.8 ng·L-1)的检出浓度的均值低[37]，较西班牙Llobregat河在自来水厂进水口处的河流水样(<MDL)[27, 38, 39]和台湾省高雄市屏东县的一条河流中氯胺酮及去甲氯胺酮的检出浓度高(分别为<MDL~2.0ng·L-1 和<MDL~4.1 ng·L-1)[20].

去甲氯胺酮在地表水中检出浓度均低于定量限，可能是由于其定量限较高，加之其在污水处理厂中的检出浓度较低(低于或略高于定量限)，经河流的稀释效应及自然降解后，低于定量限. 氯胺酮在通惠河中的检出浓度最高，且未检出去甲氯胺酮，说明氯胺酮可能未经过人体代谢，而被直接倾倒入通惠河.

3 结论

(1) 北京市污水中能够普遍检出氯胺酮和去甲氯胺酮，但整体浓度水平不高.

(2) 氯胺酮与去甲氯胺酮在污水处理厂中的去除率较低(<40%)； 污水在污水处理厂的停留时间可能是造成氯胺酮负去除率的重要原因之一.

(3) 北京市市区氯胺酮的负载量远低于中国华南地区，略高于美国和欧洲部分国家； 北小河污水处理厂和酒仙桥污水处理厂中氯胺酮负荷量明显高于其他污水处理厂，说明氯胺酮在娱乐场所和体育场馆附近有较多的非法滥用.

(4) 流经北京市的4条河流中氯胺酮的检出率较高，通惠河中氯胺酮的浓度普遍高于污水处理厂进水浓度，说明在通惠河取样点周边可能存在氯胺酮直接倾倒和排放的情况.

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