鄭昌萍，馬繼平

（青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島 266525）

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，污水處理行業(yè)取得了迅猛的發(fā)展。伴隨著這一發(fā)展趨勢，污泥作為污水處理的副產(chǎn)物，其產(chǎn)量也在逐漸增加[1]。數(shù)據(jù)顯示，截至2019 年我國污泥產(chǎn)量已超過6 000萬t (以含水率為80%計)[2]。預(yù)計至2025年，污泥年產(chǎn)量將突破9 000 萬t。近年來，我國對污泥無害化處理的重視度不斷提高，然而污泥成分十分復(fù)雜，除含有大量重金屬、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒和寄生蟲卵外，還檢測出了多種新污染物。新污染物是指環(huán)境中未被列入常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)，但具有危害生態(tài)環(huán)境和人類健康的化學(xué)或生物污染物。常見的新污染物雖然在環(huán)境中的濃度較低，但具有多種危害性，包括生殖和發(fā)育毒性、免疫毒性、內(nèi)分泌干擾效應(yīng)、致癌性和致畸性等。此外，這些污染物還表現(xiàn)出明顯的生物富集性、難以監(jiān)測等特征，對人體健康和生態(tài)環(huán)境都帶來了風(fēng)險。常見的新污染物有內(nèi)分泌干擾物、藥物和個人護(hù)理品、全氟化合物、新型消毒副產(chǎn)物和微塑料。其中，藥物和個人護(hù)理品中的抗生素近年來受到人們的廣泛關(guān)注。

抗生素是保護(hù)人類和動物免受細(xì)菌引起的感染和疾病的常用藥物，其使用范圍已擴(kuò)展至醫(yī)療護(hù)理[3]、水產(chǎn)養(yǎng)殖[4]、畜牧業(yè)[5]和獸藥[6]等領(lǐng)域。據(jù)報道，從2000 年到2015 年，全球抗生素的消費量增加了65%，如果以同樣的消費趨勢繼續(xù)下去，到2030 年其消費量將比2015 年高出200%[7]。進(jìn)入體內(nèi)的抗生素僅有一小部分發(fā)揮作用，超過一半的抗生素會被人類和動物以尿液和糞便的形式排出體外進(jìn)入污水處理廠[8]。

市政污泥中檢測出的抗生素主要有四環(huán)素類[9]、氟喹諾酮類[10]、磺胺類[11-12]和大環(huán)內(nèi)酯類藥物，因為它們廣泛用于家庭、農(nóng)場和水產(chǎn)養(yǎng)殖。氟喹諾酮類藥物的檢出濃度(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，下同)最高，偶爾達(dá)到數(shù)百mg/kg。四環(huán)素類和大環(huán)內(nèi)酯類藥物的濃度變化超過4 個數(shù)量級，最高濃度達(dá)到幾mg/kg。磺胺類藥物和其它抗生素的濃度較低，最高濃度在數(shù)百μg/kg的范圍內(nèi)[13]。若污泥處置不當(dāng)，其中的抗生素可能會進(jìn)入環(huán)境土壤中，并且可以通過徑流進(jìn)入地表水，浸出到地下水中，或者被植被和其它生物體吸收，從而可能引起細(xì)菌耐藥性等一系列問題[14]，降低人類和動物對病原體的治療潛力。近年來，關(guān)于抗生素的毒性研究不斷增加。例如，抗生素可以改變細(xì)菌的結(jié)構(gòu)、組成以及功能特性[15]；四環(huán)素可以誘導(dǎo)鯉魚胚胎致畸，90 μg/L的含量致畸率就達(dá)到了43.3%[16]；抗生素還可以通過母乳傳播給嬰兒，對嬰兒腸道微生物群的發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響[17]。因此，檢測和分析污泥中的抗生素水平對于評估抗生素暴露和潛在風(fēng)險，選擇最佳的污泥資源化方法至關(guān)重要。

市政污泥基質(zhì)十分復(fù)雜，在環(huán)境分析中通常需要嚴(yán)格的樣品制備以獲得可檢測的目標(biāo)分析物。目前，污泥處理方法主要包括超聲輔助提取(UAE)、加速溶劑萃取(ASE)、基質(zhì)固相分散法(MSPD)、固相萃取(SPE)、分散固相萃取法(DSPE)以及在線固相萃取(Online SPE)等，抗生素的儀器檢測方法主要是液相色譜法(HPLC)和液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法(HPLC-MS/MS)，其中，HPLC-MS/MS 應(yīng)用更為廣泛。近幾年關(guān)于抗生素相關(guān)綜述多側(cè)重報道抗生素的耐藥性[18]，抗生素的抗性基因[19]以及水體[20]、畜禽糞便中[21]抗生素的空間分布[22]和抗生素的風(fēng)險控制[23]。筆者對市政污泥中抗生素的樣品處理方法和儀器檢測方法進(jìn)行綜述，并對該領(lǐng)域未來發(fā)展進(jìn)行展望。

表1 列出了文獻(xiàn)報道的污泥中主要抗生素種類、樣品處理方法、檢測方法及檢出限、精密度和加標(biāo)回收率。

表1 污泥中抗生素的分析方法、樣品處理方法、檢測方法及檢出限、精密度和加標(biāo)回收率

1 樣品處理方法

污泥樣品中污染物的種類很多，組成十分復(fù)雜，有些待測物質(zhì)濃度往往很低，難以直接測定，因此在儀器檢測之前往往需要對污泥進(jìn)行一系列處理，以達(dá)到污泥中抗生素的提取、凈化和富集。

1.1 提取

1.1.1 超聲輔助提取(UAE)

超聲輔助提取應(yīng)用廣泛，它能夠縮短提取時間并提高提取效率。影響提取效率的主要因素是萃取溶劑和提取時間。在酸性和堿性條件下具有不同極性、溶解度、酸度系數(shù)(pKa 值)、正辛醇-水分配系數(shù)(Kow值)和穩(wěn)定性的多類化合物可能嚴(yán)重影響萃取效率和后續(xù)分析。因此，從固體基質(zhì)樣品中提取抗生素的溶劑應(yīng)根據(jù)化合物的理化性質(zhì)進(jìn)行選擇。Tian等[24]在檢測活性污泥中3種磺胺類、2種氟喹諾酮類和2 種四環(huán)素類抗生素時，優(yōu)化了超聲輔助提取的關(guān)鍵步驟，萃取劑為15 mL 有機(jī)萃取劑(甲醇-乙腈-乙酸乙酯，體積比為1∶1∶2)和15 mL水萃取劑(含有0.001 mol/L Na2EDTA 的0.2 mol/L NaH2PO4，pH=3)，超聲時間為20 min，提取液通過固相萃取凈化富集后檢測，優(yōu)化后的方法回收率為82.8%～130.1%。此方法所需樣品量少(0.1 g 污泥)，回收率高，準(zhǔn)確度和精密度較好，適合污泥一類較為復(fù)雜的基質(zhì)。

1.1.2 加速溶劑萃取(ASE)

加速溶劑萃取是通過在較高壓力下使溶劑的溫度超過其常壓下的沸點，以提高提取效率。萃取溫度的增加可以提高分析物的溶解度和傳質(zhì)速率，提高萃取效率。在ASE 中，要考慮的主要參數(shù)是溫度、壓力、提取時間和循環(huán)次數(shù)。污泥中抗生素的萃取溫度通常為50～110 ℃，最常用的溫度為100 ℃。溫度過高可能導(dǎo)致目標(biāo)分析物熱降解，并導(dǎo)致基質(zhì)組分提取率更高，影響分析過程中方法的準(zhǔn)確性和靈敏度。一般情況下提取壓力為10.34 MPa，靜態(tài)提取時間通常設(shè)定為5～15 min，研究的周期數(shù)為2～5個周期。例如Ezzariai[25]等在檢測初級污泥堆肥產(chǎn)物中的大環(huán)內(nèi)酯類、四環(huán)素類和氟喹諾酮類化抗生素時最終確定在100 ℃，6.89 MPa下萃取15 min，循環(huán)3 次。與超聲輔助提取相比，兩者所需浸提溶劑體積相當(dāng)，但ASE 提取效率更高。此外，ASE 還具有高水平的自動化和同時提取多個目標(biāo)分析物的能力。

1.1.3 基質(zhì)固相分散法(MSPD)

MSPD 是將固相吸附材料直接加入樣品基質(zhì)中，使用機(jī)械混合后的材料填充柱子，洗脫后的溶液直接進(jìn)行濃縮檢測的方法。該方法操作簡單，既可以提取也可以凈化目標(biāo)分析物。在MSPD提取過程中最重要的是吸附劑和洗脫劑的選擇。Ⅴosoμgh等[26]為獲得最佳的提取效果，對比了多壁碳納米管作分散劑、二氧化硅作吸附劑以及納米二氧化硅作分散劑、C18作吸附劑兩種MSPD 提取方式，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅顆粒易導(dǎo)致液相色譜柱前堵塞，所以最終選擇了多壁碳納米管-二氧化硅的方法提取污泥中的3 種磺胺類抗生素。李明月等[9]對比了UAE、ASE和MSPD提取污泥中4種磺胺類、3種氟喹諾酮類、1種四環(huán)素類抗生素的方法，結(jié)果顯示MSPD表現(xiàn)出最佳的抗生素回收率，其中氧四環(huán)素的回收率為114.73%。雖然MSPD 技術(shù)具有快速、簡便和靈敏的優(yōu)點，但目前用其提取凈化污泥樣品的相關(guān)文獻(xiàn)較少，因為它可能無法有效地去除干擾物，并且可能會導(dǎo)致目標(biāo)化合物的損失或降解。

1.2 凈化富集

凈化和富集是污泥中抗生素定量研究的必要步驟。污泥中干擾物多，藥物濃度低，凈化和富集可以降低干擾物的影響，減小基質(zhì)效應(yīng)，提高目標(biāo)分析物的濃度和檢測靈敏度。

1.2.1 固相萃取(SPE)

固相萃取是一種常用于污泥中抗生素凈化富集的方法，它基于液相色譜的選擇性吸附和選擇性洗脫原理進(jìn)行分離。該方法具有高選擇性、良好的重復(fù)性以及簡單的樣品處理過程，是一種較好的分離干擾物凈化富集樣品的方法。選擇合適的萃取柱是凈化富集樣品的關(guān)鍵。Oasis HLB小柱是一種基于親水性和疏水性材料混合而成的高效固相萃取材料，具有極好的萃取特異性。由于抗生素在污泥中的含量較低，而且受復(fù)雜基質(zhì)干擾嚴(yán)重，因此使用Oasis HLB 小柱可以提高方法的靈敏度和精確度。該方法與液體基質(zhì)的固相萃取步驟相同，稀釋的萃取液通過Oasis HLB 小柱后，抗生素被富集到小柱上，再用溶劑清洗小柱以去除雜質(zhì)，棄去流出液，萃取柱真空干燥后用洗脫劑洗脫目標(biāo)分析物，洗脫液濃縮后用于檢測分析。宋淑敏等[29]采用該方法凈化富集污泥中的3種磺胺類、3種四環(huán)素類、3種氟喹諾酮類和3 種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，并考察了不同體積(6、8、10、12 mL)的甲醇作洗脫液時對凈化效果的影響。結(jié)果表明，不同體積的甲醇對不同種類抗生素洗脫作用不同，當(dāng)甲醇體積大于8 mL 時，洗脫液中的雜質(zhì)洗脫量增大。這可能是因為甲醇作為洗脫液時，其極性相對較強(qiáng)，能夠與樣品中的極性物質(zhì)發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，使得這些物質(zhì)在柱上停留時間較長，難以被洗脫。而甲醇體積較大時，其溶解能力也相應(yīng)增強(qiáng)，可以更好地溶解樣品中的雜質(zhì)物質(zhì)，并將其帶出色譜柱。

1.2.2 在線固相萃取(Online SPE)

在線固相萃取與HPLC-MS 結(jié)合，使整個分析過程能夠在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行，減少樣品損失，精度高且可重復(fù)性好。該分析方法的分析效率高，一般30分鐘內(nèi)即可完成。Sun等[11]建立了在線SPE-HPLCMS 與ASE 相結(jié)合的方法用于檢測污泥中的1 種β-內(nèi)酰胺類、2 種氟喹諾酮類、2 種大環(huán)內(nèi)酯類、3 種磺胺類抗生素。實驗中提取液直接通過Oasis HLB固相萃取小柱(SPE1 和SPE2)凈化富集后進(jìn)行在線分析。SPE-HPLC-MS 系統(tǒng)包括萃取和解吸兩個過程，樣品溶液首先由泵C的上樣溶劑驅(qū)動進(jìn)入SPE1柱，目標(biāo)分析物被吸附，同時雜質(zhì)被泵C輸送的洗滌溶劑去除。隨后十通閥切換，SPE1柱與HPLC系統(tǒng)連接，SPE1 柱轉(zhuǎn)變?yōu)榻馕鼱顟B(tài)，SPE2 柱開始萃取。泵A 和泵B 通過梯度流動相從SPE1 柱中解吸分析物，同時將分析物輸送到HPLC 柱中。該方法檢出限為1.8～7.9 μg/kg，精密度為70%～130%。

1.2.3 分散固相萃取法(DSPE)

不同于SPE，DSPE是一種將吸附劑直接添加到樣品中，使其均勻分散提高吸附效率，該方法不需要使用專用的萃取柱裝置，從而簡化了樣品處理過程。開發(fā)高效的吸附劑是提高凈化效率的關(guān)鍵，但新材料的應(yīng)用目前主要集中在液體中的抗生素檢測。N-丙基乙二胺(PSA)吸附劑作為一種弱陰離子交換劑，有去除污泥中的脂肪酸、糖、脂質(zhì)和色素的能力。C18吸附劑是一種疏水反相吸附劑，可通過非極性相互作用去除長鏈脂肪族化合物和其他非極性干擾物。Ajibola 等[27]比較了PSA 吸附劑和C18吸附劑凈化污泥中的3種磺胺類、3種氟喹諾酮類、3種大環(huán)內(nèi)酯類和2 種四環(huán)素類抗生素的差異，結(jié)果顯示用PSA和C18凈化污泥中的雜質(zhì)，大多數(shù)抗生素呈現(xiàn)相似的回收率，但磺胺類抗生素的回收率都比較低(小于30%)。Park 等[30]基于快速、簡單、廉價、有效、可靠、安全的原則與在線固相萃取聯(lián)用開發(fā)了一種一次測定污水污泥中27種藥物和激素的方法，其中包括11種抗生素。該方法可以大大縮短總分析時間，提高預(yù)富集效率。實驗時，他們對比了添加醋酸鈉和不添加醋酸鈉對抗生素回收率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不添加醋酸鈉時的回收率更高，這是因為在低pH值下，磺胺類抗生素會被質(zhì)子化，導(dǎo)致它們之間產(chǎn)生靜電排斥，從而有利于磺胺類抗生素與萃取劑結(jié)合。

目前，污泥中的抗生素檢測通常采用UAE/ASE-SPE 的樣品處理方法。對于目標(biāo)物的萃取要多考慮萃取劑、時間和溫度的影響，對于樣品的凈化富集則主要關(guān)注吸附劑和凈化柱的選擇。

2 檢測方法

2.1 高效液相色譜-熒光法

熒光分析作為高效液相色譜的檢測器是比紫外檢測器靈敏度更高的檢測方法，通常高兩個數(shù)量級。但能夠發(fā)出熒光的物質(zhì)很少，因此判斷分析物有沒有熒光特性并優(yōu)化熒光檢測器參數(shù)是熒光檢測方法開發(fā)過程的重要內(nèi)容。熒光檢測方法優(yōu)化的最重要的兩個參數(shù)是確定激發(fā)波長和發(fā)射波長。戴曉虎等[9]在用熒光檢測器檢測污泥中4 種氟喹諾酮類抗生素時，因選擇某一確定的激發(fā)波長和發(fā)射波長，會對其它物質(zhì)檢測造成很大影響，所以根據(jù)物質(zhì)出峰時間最終確定了梯度掃描波長。作為高效液相色譜的熒光檢測器與紫外檢測器相比，選擇性更好，測定用的試樣量更少。

2.2 液相色譜-質(zhì)譜法

由于污泥基質(zhì)復(fù)雜，抗生素含量通常是痕量級，因此抗生素的檢測通常選用靈敏度很高的液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法。研究顯示，液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)成為鑒定和定量環(huán)境樣品中痕量藥物的最有效工具，因為與常規(guī)液相色譜法(帶有紫外或熒光檢測器)相比，其具有更高的靈敏度和確定化合物的能力。

2.2.1 液相色譜-三重四極桿-質(zhì)譜法

液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜儀可以提高方法的靈敏度，已有多項國家標(biāo)準(zhǔn)使用此方法檢測化妝品中的抗生素[31-32]，但至今還沒有檢測污泥中抗生素殘留的國家標(biāo)準(zhǔn)。Guironnet 等[33]使用混合三重四極線性離子阱光譜儀對5種痕量β-內(nèi)酰胺類抗生素進(jìn)行分析，方法中使用五氟苯基色譜柱，0.1%甲酸水溶液和0.1%甲酸酸化的乙腈作流動相，定量限為0.8～14.7 ng/g。該儀器本質(zhì)為三重四極桿，其中第三個四極桿可以作為四極桿或離子阱運行，所以靈敏度更高，可以在與傳統(tǒng)離子阱相同的離子密度條件下，提取提高一個數(shù)量級的檢測信號。

2.2.2 液相色譜-飛行時間-質(zhì)譜法

飛行時間質(zhì)譜儀分辨率較高，具有連續(xù)全譜采集的優(yōu)勢，與四極桿質(zhì)譜儀相比數(shù)據(jù)采集效率更高，但線性響應(yīng)范圍不如四極桿質(zhì)譜儀，目前主要用于定性分析。Nikolopoulou[34]等通過液相色譜-飛行時間-質(zhì)譜分析法對尼日利亞污水處理廠中的污泥進(jìn)行了新污染物可疑篩查，其中抗生素在所有檢測樣品中顯示出最高水平，而氧氟沙星的濃度達(dá)到了28.4 mg/kg。

2.2.3 液相色譜-靜電場軌道阱-質(zhì)譜法

靜電場軌道阱（Orbitrap）檢測器與三重四極桿相比靈敏度和分辨率更高，特別是在進(jìn)行多反應(yīng)監(jiān)測和結(jié)構(gòu)鑒定時更具有優(yōu)勢。線性離子阱質(zhì)譜耦合可對基質(zhì)中的各種分析物進(jìn)行靈敏和選擇性的靶向分析，即使在具有相似質(zhì)量的內(nèi)源性基質(zhì)組分可能共洗脫的情況下，也可以提供高分辨率和高質(zhì)量精度。Miserli 等[12]采用超聲-DSPE-HPLC-Orbitrap-MS/MS 法檢測了污泥中含量為ng/g 級的5 種痕量磺胺類抗生素和1種β-內(nèi)酰胺類抗生素。實驗中使用C18液相色譜柱，流動相由溶劑A[含0.1%(體積分?jǐn)?shù))甲酸的水]以及溶劑B[含0.1%(體積分?jǐn)?shù))甲酸的甲醇]組成。方法回收率為71%～90%，其中抗生素卡馬西平檢出限為0.3 ng/g，回收率為74%～88%。

現(xiàn)階段，可以根據(jù)不同的樣品處理方法選擇合適的儀器對污泥中的抗生素進(jìn)行測定。對于能夠發(fā)出熒光的物質(zhì)，可以選擇液相色譜-熒光法；對于抗生素的定性鑒定及定量分析通常選擇液相色譜-質(zhì)譜法。選用質(zhì)譜作檢測器時，三重四極桿可以提高方法的靈敏度，但當(dāng)它無法精確區(qū)分靶標(biāo)和干擾物時，可能會出現(xiàn)假陽性；飛行時間線性響應(yīng)范圍相對較窄，主要用于定性分析；Orbitrap靈敏度和分辨率較高，但設(shè)備維護(hù)和背景校正要求高。因此，可以根據(jù)抗生素的含量、性質(zhì)和干擾物等因素綜合選擇合適的檢測器。

3 結(jié)語

抗生素作為一種抗菌性藥物使用廣泛，但因其大部分不能被人體和動物體吸收利用而排出體外，導(dǎo)致市政污泥的無害化處理面臨挑戰(zhàn)。因此，建立污泥中抗生素的分析方法對選擇最佳的污泥處置方式具有重要意義。目前新方法新技術(shù)的應(yīng)用還未在污泥中實現(xiàn)，例如基于新型吸附材料開發(fā)的磁性固相萃取技術(shù)主要用于液體基質(zhì)中抗生素的檢測，基于分子印跡的固相萃取技術(shù)實現(xiàn)了在固體基質(zhì)中的抗生素檢測。所以在此基礎(chǔ)上，開發(fā)具備高富集能力和高選擇性的吸附材料用于構(gòu)建分析復(fù)雜固體基質(zhì)的高效、綠色、低成本、操作簡單的樣品處理方法是未來這一領(lǐng)域的發(fā)展方向。除此之外，抗生素的處理過程需要先從污泥中提取再進(jìn)行凈化，步驟繁瑣而且分析效率低，所以開發(fā)集提取、凈化、濃縮和檢測的自動一體化設(shè)備是未來設(shè)備研發(fā)的一個發(fā)展方向。液相色譜能夠用于測定抗生素的總含量，而液相色譜-質(zhì)譜技術(shù)有助于多種抗生素的定性定量分析。將新型樣品處理方法和適當(dāng)?shù)膬x器檢測方法結(jié)合，構(gòu)建快速、高效、準(zhǔn)確的抗生素分析方法對研究污泥一類復(fù)雜基質(zhì)中抗生素的遷移規(guī)律提供理論支撐，為評估抗生素的健康風(fēng)險、改善污泥中抗生素的管控效果和污泥資源處置化方案提供參考。