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 化學化工學院，山東 青島 266100；2.山東省公安廳禁毒總隊，山東 濟南 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（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97.53%，絕大多數(shù)生活污水均進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，主要包括化學需氧量（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)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、居民生活習慣和消費習慣等人為因素和區(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)使用量是開展目標物管控的前提條件。2005年，ZUCCATO等首先利用污水流行病學原理評估區(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，污水中痕量有機物質(zhì)的準確檢測已逐漸成為可能，但是污水驗毒采樣點多集中在污水處理廠進水口或管網(wǎng)結(jié)點，與精神活性物質(zhì)發(fā)生地之間存在一定的距離，因此測定值和真實值之間是否存在差異的分歧較大。LI等的研究證實了生物活性和pH值能夠直接影響生物標志物的穩(wěn)定性；RAMIN等認為生物膜可以增強藥物生物標志物的轉(zhuǎn)化率；BAKER等則認為中性水環(huán)境中的甲基苯丙胺穩(wěn)定性較好。

為進一步探究污水中復雜基質(zhì)對其內(nèi)含目標物檢測準確性的影響程度，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物含量，定性、定量分析水質(zhì)參數(shù)與目標物含量之間的關(guān)系，為目標區(qū)域內(nèi)毒情的準確評估提供借鑒和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

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（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，實驗用水為實驗室制備的純水。

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）標準品（1 mg/mL）以及 氘 代 目 標 物KET-D、NK-D、BZE-D、MDMAD、MOR-D標 準品（100 μg/mL）（美國Cerilliant公司）；甲醇和二氯甲烷均為色譜純（上海安譜實驗科技有限公司）；Oasis MCX固相萃取柱（3 mL，60 mg）（美國Waters公司）；0.45 μm微孔濾膜（天津津騰實驗設(shè)備有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 儀器工作條件

色譜條件 柱溫40℃；流動相A為0.2‰（體積分數(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，冷鏈運輸至實驗室。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

實驗前用甲醇將目標物標準品稀釋為質(zhì)量濃度為400 μg/L的標準工作溶液，將氘代目標物標準品用甲醇稀釋為質(zhì)量濃度為200 μg/L的內(nèi)標工作溶液備用，樣品中加入目標物的初始質(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

實驗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-甲醇溶液進行洗脫。洗脫液置于33℃水浴中，緩緩吹氮至近干，用20%（體積分數(shù)，下同）的甲醇溶液對樣品復溶，使用0.45 μm針頭過濾器過濾后，在儀器工作條件下進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)和目標物變化趨勢

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。實驗將水樣分為常溫實際環(huán)境、常溫酸性環(huán)境、低溫實際環(huán)境和低溫酸性環(huán)境這4種情況進行探討。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常溫實際環(huán)境

常溫實際環(huán)境中水質(zhì)參數(shù)與目標物的變化趨勢見圖1。從圖1可得出以下結(jié)論：

圖1 常溫實際環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標物含量的變化情況（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，這是因為BZE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變化趨勢與目標物檢測數(shù)據(jù)變化趨勢進行比較發(fā)現(xiàn)，COD數(shù)值高，樣品中能夠檢測到的目標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物的轉(zhuǎn)化效率，即較高含量的COD會使目標物的檢出量更接近于真實情況。

（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與各目標物變化情況發(fā)現(xiàn)，BOD含量越高，目標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質(zhì)含量高，待測目標物也為有機物小分子，微生物在分解水中有機質(zhì)的同時也在分解目標物，因此高含量的BOD能夠增強目標物的轉(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與目標物的變化情況發(fā)現(xiàn)，TP含量與目標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)與目標物含量的變化情況（n=44）

（1）隨著時間的推移，目標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的變化趨勢與目標物變化趨勢進行比較發(fā)現(xiàn)，COD數(shù)值越高，能被檢測出的目標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。這與常溫實際環(huán)境情況一致。

（2）常溫酸性環(huán)境中的BOD值遠低于常溫實際環(huán)境，這主要是因為微生物最適宜的pH值范圍是6.5~8.5，酸性或堿性過強的環(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與各目標物的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，BOD含量越低，目標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)，目標物含量在一定范圍內(nèi)波動，NH-N濃度與目標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與目標物變化趨勢之間關(guān)聯(lián)性較弱。

2.1.3 低溫實際環(huán)境

低溫實際環(huán)境中的水質(zhì)參數(shù)與5種目標物的變化情況見圖3，從圖3可以得出以下結(jié)論：

圖3 低溫實際環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標物含量的變化情況（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與各目標物變化情況發(fā)現(xiàn)，低溫實際環(huán)境中的COD數(shù)值低，目標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)換導致的。同樣可以發(fā)現(xiàn)，BOD越高，目標物檢出值越偏離其加入值，尤其是目標物中的MDMA和MOR表現(xiàn)更加明顯，表明兩者受BOD影響顯著。

（3）低溫實際環(huán)境中NH-N穩(wěn)定，整體變化平穩(wěn)，而目標物變化趨勢明顯，比較兩者變化情況，發(fā)現(xiàn)NH-N與目標物之間關(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，這是因為實際水樣呈弱堿性，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，其目標物的穩(wěn)定性優(yōu)于其他條件，這與文獻報道的關(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變化趨勢與目標物檢測值變化趨勢進行比較發(fā)現(xiàn)，COD數(shù)值越低，目標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物含量越偏離加入值，尤其是目標物中的KET和MOR。NH-N變化趨勢穩(wěn)定。與目標物變化趨勢之間關(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與目標物的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，TP數(shù)值越高，目標物的檢出值更靠近加入值，特別是目標物中的MDMA和MOR。

圖4 低溫酸性環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標物含量的變化情況（n=52）

通過比較4種環(huán)境中目標物的檢出濃度可以發(fā)現(xiàn)，酸性環(huán)境中目標物檢出值高于弱堿性環(huán)境，這是由于大多目標物中含有氨基官能團，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。

2.2 主成分分析

為了進一步探索4種不同環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與目標物含量之間的關(guān)系，對實驗結(jié)果進行了主成分分析。在SPSS 25軟件包中進行KMO與Bartlett球形度檢測，KMO數(shù)值大于0.5，Bartlett球形檢驗結(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，前三位主成分累計方差貢獻率76.62%（表3），選擇前三個主成分對數(shù)據(jù)進行因子分析，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，紅色表示呈正相關(guān)，藍色表示呈負相關(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)多會導致污水中目標物檢出濃度上升。目標物含量變化與BOD之間呈負相關(guān)，即目標物濃度隨BOD增加而減少，這主要是因為目標物也歸屬于有機物，如果污水中的微生物含量多，其生物降解過程可將目標物轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，從而導致目標物檢出濃度降低。而各目標物與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率

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

圖6 污水水質(zhì)參數(shù)與5種目標物含量的相關(guān)性矩陣圖

2.3 模型建立

上述分析表明污水中目標物檢測結(jié)果與污水水質(zhì)參數(shù)之間存在相關(guān)性，本文以所得實驗數(shù)據(jù)建立模型公式。設(shè)定樣品實際目標物濃度與利用液質(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與目標物之間相關(guān)性強，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)。由于目標物彼此之間呈現(xiàn)的變化趨勢不盡相同，因此將各種目標物的模型獨立分析。以Matlab軟件中的Curve Fitting Tool對數(shù)據(jù)進行處理（n=170），建立基礎(chǔ)數(shù)學模型。

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證之后，發(fā)現(xiàn)多項式處理最適合污水體系，而且當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，目標物KET模擬方程R值為0.2580、目標物NK模擬方程R值為0.6408、目標物BZE模擬方程R值為0.579 4、目標物MDMA模擬方程R值為0.590 2、目標物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)和目標物之間的相關(guān)性，但是整體擬合度不高，這主要是因為污水中基質(zhì)太過復雜，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。

為驗證模型準確性，以MDMA為例，利用實驗所得數(shù)據(jù)進行反推，驗證模型可靠性。運用Origin 2022軟件包作出實測值與模擬值散點圖，并對散點圖進行線性擬合，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)立得到污水中目標物實際濃度的預(yù)測方法公式（3），方程式（3）中各項系數(shù)值見表7，對于污水中目標物實際濃度的估算，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行校正。

3 結(jié)論

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)與目標物之間的相關(guān)性，建立目標物測量值和真實值之間的校正模型，并利用MDMA對模型進行線性擬合，結(jié)果顯示擬合效果良好。