药物和个人护理品(PPCPs)作为一类新兴有机污染物, 受到人们的广泛关注.环境中常见的药物有抗生素、激素类药物和非甾体抗炎药等, 而对于镇静催眠等精神活性药物报道较少.药物在低剂量就能对环境中的生物产生影响, 例如苯二氮类镇静催眠药物奥沙西泮在环境浓度下就会改变野生欧洲鲈鱼(Perca fluviatilis)的活动行为和摄食率^[1].解热镇痛药物布洛芬和萘普生会引起大型水蚤(Daphnia magna)的DNA损伤和氧化应激^[2].精神类药物氟西汀和舍曲林在鱼体的鱼肉组织和肝脏内能经常检测到, 最高含量达到545 ng·g^-1[3], 表明该类药物在鱼类中具有生物蓄积性, 可通过食物网进行生物放大.

药物与人们的生产生活息息相关, 其生产量和使用量都很高.根据国际麻醉品管理局(INCB 2019)的报告^[4], 2018年苯二氮类药物的生产总量超过199 t, 且有100多个国家使用该类镇静催眠药物.布洛芬在中国的年产量达到9 000 t以上^[5].2018年, 氟西汀和舍曲林在巴西的使用量分别达到了9.6 t和14.5 t^[6].药物不能被人体或其他生物体完全代谢, 母体化合物和代谢产物会随尿液或粪便排出体外, 进入污水处理系统^{[7, 8]}.医院和污水处理厂是药物及其代谢产物进入水生环境的最重要途径^[9]: 有研究者在巴西医院废水中检测到1 000多种药物以及250多种代谢产物^[10], 浓度在ng·L^-1 ~mg·L^-1之间; 污水处理厂大多针对COD、BOD、氮和磷等指标设计, 传统的污水处理工艺对药物很难完全去除^[11~14].

因此, 本实验选取广东省广州市范围内4座医院污水处理系统和3座城市污水处理厂, 通过高效液相色谱-串联三重四级杆质谱仪(HPLC-MS/MS)监测17种苯二氮类药物、14种酸性药物和5种中性药物在污水中的污染特征, 探讨了典型药物在医院污水处理系统和污水处理厂中的去除情况, 并且根据人均污染负荷推算了多种药物在广东省和广州市的使用量以及年排放量.

17种苯二氮类药物包括阿普唑仑(alprazolam)、溴西泮(bromazepam)、氯氮(chlordiazepoxide)、氧异安定(clobazam)、氯硝西泮(clonazepam)、氯氮平(clozapine)、地西泮(diazepam)、艾司唑仑(estazolam)、氟硝西泮(flunitrazepam)、氟西泮(flurazepam)、劳拉西泮(lorazepam)、咪达唑仑(midazolam)、硝西泮(nitrazepam)、去甲西泮(nordiazepam)、奥沙西泮(oxazepam)、普拉西泮(prazepam)和替马西泮(temazepam). 14种酸性药物包括水杨酸(salicylic acid)、氯贝酸(clofibric acid)、2, 4-二氯苯氧乙酸(2, 4-D)、二甲四氯苯氧乙酸(MCPA)、布洛芬(ibuprofen)、灭草松(bentazone)、非诺洛芬(fenoprofen)、吲哚美辛(indometacin)、甲氯芬那酸(meclofenamic acid)、甲芬那酸(mefenamic acid)、吉非罗齐(gemfibrozil)、托灭酸(tolfenamic acid)、酮基布洛芬(ketoprofen)和萘普生(naproxen).5种中性药物为扑热息痛(paracetamol)、扑米酮(primidone)、环磷酰胺(cyclophosphamide)、氟西汀(fluoxetin)和舍曲林(sertraline).上述药物的标准品和内标均购自于美国Cerilliant公司或德国Dr. Ehrenstorfer公司, 纯度都大于98%, 药品详细信息见文献[15, 16].实验所使用的试剂均为色谱纯, 甲醇、乙腈、乙酸乙酯和二氯甲烷购买自德国Merck公司, 甲酸、乙酸铵购买自上海安谱实验科技股份有限公司.Oasis HLB固相萃取小柱(6cc, 500 mg)购自美国Waters公司.实验所需的超纯水由英国ELGA超纯水系统提供.

本研究选择了广东省广州市的4座医院污水处理系统(H1、H2、H3、H4)和3座城市污水处理厂(W1、W2、W3)作为研究对象.图 1是医院污水处理系统, 主要包括栅格、调节池和加氯消毒处理单元.城市污水处理厂的基本信息如表 1所示, 进水主要是来自城市生活污水.

图 1

Fig. 1

图 1 医院污水处理系统示意 Fig. 1 Schematic diagram of a hospital wastewter treatment system

表 1 (Table 1)

表 1 3座城市污水处理厂的基本情况 Table 1 Basic information on the three municipal wastewater treatment plants 名称 处理类型 平均流量/m3·d-1 服务人口/万人 消毒工艺 水力停留时间/h W1 UNITANK 220 000 39 Cl2 13 W2 A2/O 165 000 42.8 Cl2 12 W3 改良型A/O 200 000 54 Cl2 10

表 1 3座城市污水处理厂的基本情况 Table 1 Basic information on the three municipal wastewater treatment plants

样品采集医院污水处理系统和城市污水处理厂的进出水.采用1 L的棕色玻璃瓶采集污水, 每个采样点3个平行.使用4 mol·L^-1硫酸调节水样pH值至3, 再加入甲醇(5%, 体积分数)来抑制微生物活性, 低温运输至实验室, 立即放入4℃冷库进行保存, 并在48 h内进行样品前处理.

采集的水样先用玻璃纤维滤膜过滤, 分离水样中的悬浮颗粒物.悬浮颗粒物中的目标化合物通过溶剂超声提取, 然后合并到水样一起进行前处理.超声提取分两次, 第一次用10 mL甲醇, 第二次用5 mL甲醇和5 mL 0.1%甲酸水溶液.每次提取将样品涡旋20 s, 然后超声处理10 min后, 再以3 000 r·min^-1的转速离心5 min, 最后将提取液倒入水样中.HLB萃取柱用10 mL甲醇和10 mL超纯水活化, 水样加入内标后, 以5 mL·min^-1的流速通过HLB萃取柱.富集结束后, 用25 mL 5%甲醇水润洗采样瓶2次, 并将HLB萃取柱抽干.然后使用5 mL甲醇、4 mL乙酸乙酯和3 mL二氯甲烷将目标化合物洗脱下来, 用氮气将溶剂吹干, 最后用1 mL甲醇定容, 冷冻保存在2 mL棕色进样小瓶中.

仪器分析使用方法详细信息见文献[15, 16], 17种苯二氮类药物使用Waters高效液相色谱-串联三重四级杆质谱仪(Waters ACQUITY UPLC I-Class液相系统和Waters Xevo TQ-S三重四极杆质谱仪)进行检测, 14种酸性药物和5种中性药物使用Agilent高效液相色谱-串联三重四级杆质谱仪(Agilent 1290Ⅱ液相系统和Agilent 6495三重四极杆质谱仪)进行检测.

所有目标化合物均通过内标法测定, 以10倍和3倍信噪比获得不同基质下每种目标化合物的方法定量限(MQL)和方法检出限(MDL).通过基质加标测定回收率.3类药物的方法定量限(MQL)和方法检出限(MDL)以及回收率如表 2所示.此外, 样品检测时, 每9个样品回测一次标样进行质量控制.每批测试需运行仪器空白样品、程序空白样品和标准混合物样品, 在空白样品中均未发现目标化合物.

表 2 (Table 2)

表 2 3类药物的方法定量限(MQL)和方法检出限(MDL)以及回收率 Table 2 Method limits of quantification (MQLs), method detection limits (MDLs), and recovery rates for three classes of pharmaceuticals 药物 方法定量限(MQL)/ng·L-1 方法检出限(MDL)/ng·L-1 回收率/% 苯二氮类药物 0.02~0.41 0.005~0.12 55.6~130 酸性药物 0.20~14.08 0.06~4.23 64.0~109 中性药物 0.15~0.59 0.05~0.18 70.0~208

表 2 3类药物的方法定量限(MQL)和方法检出限(MDL)以及回收率 Table 2 Method limits of quantification (MQLs), method detection limits (MDLs), and recovery rates for three classes of pharmaceuticals

采用人均污染负荷来反向推算出药物使用量(U, kg·a^-1), 通过污水处理厂的出水估算废水中残留药物的质量负荷(M, g·a^-1)^[17-19], 如式(1)和(2)所示:

(1)

(2)

式中, L_Influent表示城市污水处理厂进水中目标化合物的人均污染负荷[μg·(d·person)^-1], 即污水处理厂数据的平均值, P_Total表示总的人口数, 广东省和广州市人口数据由中国统计局获得, c_Effluent表示城市污水处理厂中目标化合物在出水中的浓度(ng·L^-1), Q表示每个污水处理厂的日平均水流量(m³·d^-1).

在4座医院废水中共检测到10种苯二氮类药物、8种酸性药物和3种中性药物, 如图 2和图 3所示.苯二氮类药物在医院废水中的检出率较高, 例如去甲西泮和地西泮在4座医院废水中均有检出, 阿普唑仑和艾司唑仑在3座医院的进出水中均有检出.其中进水中检测出平均浓度最高的3种物质分别为劳拉西泮[(41.5±17.1) ng·L^-1]、奥沙西泮[(24.4±8.8) ng·L^-1]和咪达唑仑[(14.3±3.4) ng·L^-1], 在出水检测出平均浓度最高的为劳拉西泮[(40.2±18.7) ng·L^-1]、奥沙西泮[(19.0±2.9) ng·L^-1]和咪达唑仑[(10.6±2.4) ng·L^-1].在检测出的11种酸性和中性药物中, 有7种药物在4座医院的进出水中均有检出, 舍曲林和萘普生只在2座医院废水中检测到, 而灭草松和氟西汀只在1座医院进出水中检测到.其中布洛芬和扑热息痛的检出浓度特别高, 布洛芬在进水和出水的平均浓度分别为(8 036±7 623) ng·L^-1和(5 637±8 456) ng·L^-1, 扑热息痛在进、出水的平均浓度分别为(1 667±614) ng·L^-1和(743±687) ng·L^-1, 在剩余的9种物质中进水平均浓度最高的3种物质为酮基布洛芬[(19.2±8.5) ng·L^-1]、非诺洛芬[(17.4±9.1) ng·L^-1]和吲哚美辛[(9.9±11.8) ng·L^-1], 而在出水中平均浓度最高的3种物质分别为非诺洛芬[(14.3±6.6) ng·L^-1]、酮基布洛芬[(7.3±4.6) ng·L^-1]和吲哚美辛[(2.8±1.5) ng·L^-1].在不同医院的进出水中检测到的物质种类不同以及物质浓度有所差异, 造成的原因可能由于这4座医院的类型和专业科室不同, 使用的药物的种类和剂量不同.

图 2

Fig. 2

图 2 苯二氮类药物在医院污水处理系统中的浓度 Fig. 2 Concentrations of benzodiazepines in hospital wastewater treatment systems

图 3

Fig. 3

图 3 酸性药物和中性药物在医院污水处理系统中的浓度 Fig. 3 Concentrations of acidic and neutral pharmaceuticals in hospital wastewater treatment systems

在医院废水处理系统中检测出来的布洛芬浓度和Kosma等^[20]在希腊医院废水处理系统中检测浓度相差不大, 进水平均浓度为7 800 ng·L^-1, 出水平均浓度为600 ng·L^-1, 扑热息痛的浓度则低于他们所检测到的9 300 ng·L^-1 (进水)和3 600 ng·L^-1 (出水).Sim等^[21]在韩国医院污水处理系统进水中检出的萘普生的最低浓度为306 ng·L^-1, 远远高于本次检测的萘普生进水浓度3.23 ng·L^-1.Santos等^[22]在葡萄牙的4所医院污水处理系统出水中有2所医院检测到阿普唑仑的浓度为4.58 ng·L^-1和6.87 ng·L^-1, 和本次检测出的阿普唑仑浓度相差不大.Kosjek等^[23]在斯洛文尼亚医院污水处理系统检出的地西泮浓度为17~111 ng·L^-1, 高于本次实验检测出的0.40~8.20 ng·L^-1.Xiang等^[24]在上海3所医院废水中检测到的浓度最高的苯二氮类药物分别是劳拉西泮(22.26 ng·L^-1)和奥沙西泮(11.63 ng·L^-1), 与本实验结果相似, 但是却在地表水中检出劳拉西泮浓度高达46.83 ng·L^-1.

计算了检测到的21种药物在4所医院污水处理系统中的去除率, 如图 4所示.苯二氮类药物在医院废水处理系统中的去除率整体不高, 除了替马西泮的去除率达到57.1%(H4)之外, 其他药物的去除率都低于30%.其中, 咪达唑仑的去除率为26.1%(H1), 奥沙西泮的去除率为22.2%(H1), 氯氮平的去除率为11.9%(H1).不同的医院对同一目标化合物的去除率差异很大, 例如去甲西泮的去除率为-81.2%~22.7%, 地西泮的去除率范围为-105%~10.7%, 艾司唑仑的去除率为-146%~3.7%, 阿普唑仑的去除率为-35.5%~0%, 而且去除率普遍不高.酸性和中性药物的去除率大部分都高于苯二氮类药物, 例如扑热息痛的去除率可以达到90.3%(H2)和87.6%(H3), 布洛芬去除率为40.0%(H1)和35.0%(H4), 吉非罗齐(93.0%, H1)、甲芬那酸(92.0%, H2)、吲哚美辛(81.0%, H2)和酮基布洛芬(81.0%, H2)在个别医院废水中也可以达到较高的去除率.不同医院对同一药物的去除效率不同, 这可能与不同医院的水力停留时间和消毒剂浓度等因素有关.

图 4

Fig. 4

图 4 典型药物在医院污水处理系统中的去除情况 Fig. 4 Removal efficiencies of typical pharmaceuticals in hospital wastewater treatment systems

医院废水处理系统对不同种类药物的去除主要跟加氯消毒处理单元有关, 因此药物与氯的反应活性决定了去除率的大小.例如去甲西泮和地西泮与次氯酸的二级反应速率常数较低, 分别为0.19 mol·(L·s)^-1和0.35 mol·(L·s)^{-1 [25]}, 所以这两个药物的去除率在10%左右; 萘普生和扑热息痛与次氯酸的二级反应速率常数分别为2.5 mol·(L·s)^-1和150 mol·(L·s)·s^{-1 [26]}, 所以萘普生的去除率在30%左右, 扑热息痛的去除率则达到了85%以上.有些药物的去除率为负, 这可能是其代谢产物在合适的条件下转化为母体化合物, 有研究表明磺胺甲唑在合适的条件下就会发生这种转化, 卡马西平在特定条件下也能发生这种反转化现象^{[27, 28]}.所以之后的研究中不但要研究母体化合物和代谢产物的持久性和毒性, 还要研究母体化合物和代谢产物之间的相互转化以及所需要的条件.

在3座污水处理厂进出水中检测到8种苯二氮类药物、8种酸性药物和4种中性药物, 如图 5和图 6所示.8种苯二氮类药物在污水处理厂进出水中的检出率为100%.在污水处理厂的进水中, 检测出平均浓度最高的前3种物质分别为劳拉西泮[(37.2±15.4) ng·L^-1]、奥沙西泮[(33.0±6.5) ng·L^-1]和氯氮平[(21.8±8.1) ng·L^-1]; 在出水中检测出平均浓度最高的物质也是这3种, 奥沙西泮[(52.3±28.5) ng·L^-1]、劳拉西泮[(31.4±10.7) ng·L^-1]和氯氮平[(13.0±11.8) ng·L^-1].在检测出的12种酸性和中性药物中, 除了灭草松只在2座污水处理厂进水和1座污水处理厂出水检测到之外, 其他的药物均达到了100%的检出率.其中, 布洛芬和扑热息痛的检出浓度和医院中检测的结果类似, 是其他目标化合物的几百倍, 在污水处理厂的进水中检测到的扑热息痛和布洛芬的平均浓度分别为(1 193±350) ng·L^-1和(320±145)ng·L^-1, 在出水中检测到的平均浓度分别为(445±644) ng·L^-1和(13.3±3.8)ng·L^-1.剩下的药物中, 在进水中检测出平均浓度最高的3种药物为非诺洛芬[(30.6±14.5) ng·L^-1]、酮基布洛芬[(24.8±3.8) ng·L^-1]和吉非罗齐[(15.7±13.3) ng·L^-1], 在出水中检测出平均浓度最高的3种物质为非诺洛芬[(41.2±18.4) ng·L^-1]、扑米酮[(4.3±0.87) ng·L^-1]和甲芬那酸[(3.6±6.0) ng·L^-1].

图 5

Fig. 5

图 5 苯二氮类药物在城市污水处理厂进出水中的浓度 Fig. 5 Concentrations of benzodiazepines in the influents and effluents of municipal wastewater treatment plants

图 6

Fig. 6

图 6 酸性药物和中性药物在城市污水处理厂进出水中的浓度 Fig. 6 Concentrations of acidic and neutral pharmaceuticals in the influents and effluents of municipal wastewater treatment plants

在污水处理厂中检测出浓度最高的苯二氮类药物为劳拉西泮和奥沙西泮, 可见这两种药物在广州的用量比较多.有研究指出奥沙西泮是多种苯二氮类药物如地西泮、普拉西泮、替马西泮和氯氮的代谢产物^{[23, 29~31]}, 这也可能是造成奥沙西泮检出浓度较高的原因之一.布洛芬和扑热息痛是全世界范围内最著名和使用最广泛的非处方药^[32], 这就导致在进水和出水中的浓度特别高.

图 7显示了检测到的20种药物在污水处理厂的去除情况.其中苯二氮类药物氯氮平和咪达唑仑有较高的去除率, 氯氮平在W2和W3中的去除率分别达到了75.8%和65.6%, 咪达唑仑在3个污水处理厂都有较高的去除率, 分别为80.0%、55.3%和65.0%.考虑到氯氮平和咪达唑仑的lgK_ow都很高, 分别为3.35和4.33, 两者可能主要是由污泥吸附去除.有研究指出氯氮平在污水处理厂中的去除方式主要为污泥吸附^[19].奥沙西泮、阿普唑仑、劳拉西泮和普拉西泮也都有一定的去除率, 为10%~20%.除了扑米酮、舍曲林和非诺洛芬的去除率是负值之外, 剩余的酸性和中性药物都有很高的去除率, 萘普生的去除率在33.0%~62.0%, 灭草松、酮基布洛芬、吲哚美辛、布洛芬和吉非罗齐去除率在62.8%~97.0%.甲芬那酸和扑热息痛的去除率除去W1这个点之后也很高, 甲芬那酸的去除率为84.9%(W3)和95.0%(W2), 扑热息痛的去除率为97.3%(W3)和98.5%(W2).氟西汀则在3座污水处理厂中的去除率差异较大, 分别为-50.0%(W1)、48.2%(W2)和23.5%(W3). Pivetta等^[6]在对巴西的5座污水处理厂进行研究时, 也发现氟西汀在不同处理工艺之间去除率各不相同.

图 7

Fig. 7

图 7 典型药物在城市污水处理厂的去除情况 Fig. 7 Removal efficiencies of typical pharmaceuticals from municipal wastewater treatment plants

以上可见常规的污水处理厂并不能完全去除这些药物^[33].药物去除率低可能和药物的结构有关, 大部分药物结构复杂并且存在多个芳香环, 增加了药物降解的难度, 而且苯二氮类药物大多为卤代化合物, 而卤素在化学结构中的存在大大降低了苯二氮类药物对生物降解的敏感性^{[34, 35]}, 这也说明了为何大部分苯二氮类药物降解率低于酸性和中性药物.此外, 有些药物还出现了负的去除率, 有可能是这些药物在人体中以结合态的形式排泄出去, 在污水处理厂中被酶解为母体化合物, 即出现了脱结合现象^[36], 从而导致出水中的目标化合物浓度增加^[11].

基于污水处理厂的人均污染负荷和人口总数, 以及污水的排放浓度, 计算了广东省和广州市的药物年使用量和广州市药物在废水中的年排放量, 具体数据如表 3所示.在使用量上来看, 扑热息痛和布洛芬的使用量远远超过其他药物, 非诺洛芬、酮基布洛芬、吉非罗齐、吲哚美辛、甲芬那酸和灭草松的使用量(广东省)都大于100 kg·a^-1, 在苯二氮类药物中, 使用量多的药物有劳拉西泮、奥沙西泮、氯氮平和咪达唑仑.从排放量来看的话, 奥沙西泮、劳拉西泮、非诺洛芬和扑热息痛的排放量远高于100 g·a^-1, 布洛芬和氯氮平的排放量>80 g·a^-1, 其余的药物的排放量都低于50 g·a^-1.总体上, 估算广东省的20种药物使用量达到了30 371 kg·a^-1, 其中苯二氮类药物为1 960 kg·a^-1, 其他类药物使用量为28 411 kg·a^-1. 20种药物在广州市的排放量达到了1 456 g·a^-1, 如此大的排放量需要引起人们的重视.

表 3 (Table 3)

表 3 广东省和广州市药物使用量和广州市药物排放量的估算 Table 3 Estimates of typical pharmaceuticals use in Guangdong and Guangzhou and emissions in Guangzhou 目标化合物 使用量/kg·a-1 排放量/g·a-1 广东省 广州市 广州市 去甲西泮 20.2 2.6 12.8 地西泮 33.0 4.3 18.6 奥沙西泮 574 74.6 378 艾司唑仑 31.2 4.1 15.5 咪达唑仑 254 33.0 34.1 阿普唑仑 30.0 3.9 10.1 劳拉西泮 623 80.8 217 氯氮平 394 51.1 84.5 灭草松 93.5 12.1 6.3 萘普生 65.2 8.5 13.9 酮基布洛芬 426 55.4 19.1 非诺洛芬 462 60.0 300 吲哚美辛 139 18.1 12.0 布洛芬 5 523 717 94.6 甲芬那酸 133 17.3 3.1 吉非罗齐 260 33.8 21.3 氟西汀 14.1 1.8 4.7 扑热息痛 21 210 2 753 170 扑米酮 67.7 8.8 31.5 舍曲林 16.4 2.1 9.9

表 3 广东省和广州市药物使用量和广州市药物排放量的估算 Table 3 Estimates of typical pharmaceuticals use in Guangdong and Guangzhou and emissions in Guangzhou

药物经过污水处理厂的出水进入水环境中, 可能对水生生物造成影响, 主要看药物在水环境中的持久性、生物累积和生物毒性.有研究通过药物在水/沉积物中的消散时间TD50将药物分为3个等级^[37], 其中布洛芬属于最低等级TD50＜6 d, 奥沙西泮和地西泮分别为中等和最高等, TD50分别为54 d和311 d.有些药物在水环境中的浓度不高, 但是却可以通过生物富集的方式在生物体内积累, 氟西汀在蜗牛体内的生物富集系数达到3 000^[38], 舍曲林在贻贝中的生物富集系数高达32 022^[39].关于生物毒性方面的研究也较多^{[40, 41]}, 有学者发现有些物质除了母体化合物对生物产生毒性之外, 其产物也具有毒性, 甚至比母体化合物更具毒性, 如萘普生的光降解产物对藻类、轮虫和微甲壳类动物的毒性比母体化合物更大^[42].有些药物虽然在环境中存在浓度很低, 但是多种药物的存在, 使得药物发生协同作用, 这将加强了生物复合毒性.以上的种种因素使得人们要对多种药物进行深入研究, 不但要监测母体化合物也要监测其代谢转化产物, 此外还需通过提升水处理技术, 直接减少源的排放.

(1) 在广州市4座医院废水处理系统和3座城市污水处理厂的进出水中共检测到22种药物, 包括10种苯二氮类药物、8种酸性药物和4种中性药物.浓度较高的3个苯二氮类药物分别为劳拉西泮、奥沙西泮和氯氮平, 布洛芬和扑热息痛分别是酸性和中性药物中检测浓度最高的药物.

(2) 苯二氮类药物在医院污水处理系统和污水处理厂中的去除率均低于30%.酸性和中性药物的去除率远高于苯二氮类药物, 且在污水处理厂中的去除率高于医院污水处理系统.

(3) 扑热息痛和布洛芬在广东省和广州市的使用量最高, 并且是其他药物的几十、几百倍, 苯二氮类药物中奥沙西泮和劳拉西泮也有较高的使用量.20种药物在广州市的排放量达到了1456 g·a^-1, 各类药物的排放量范围为3.07(甲芬那酸)~378 g·a^-1(奥沙西泮).