基于污水流行病學的毒情研判技術研究進展

鄭曉雨，袁明俊，王德高，趙彥彪，胡琨，錢振華，高利生，鄭琿,*

1. 公安部物證鑒定中心，北京 100038 2. 山東省德州市公安局物證鑒定研究中心，德州 253015 3. 大連海事大學環境科學與工程學院，大連 116026

毒品濫用問題嚴重威脅著人體健康、經濟發展和社會穩定[1]。毒情研判，是把握禁毒形勢發展方向的前提，是貫徹落實中央決策部署和禁毒全局工作的基礎，是反映禁毒工作實際情況的關鍵，一直都是禁毒領域關注的熱點和難點。當前我國毒情評估技術主要有統計管理、專家調查、社區調查和毒品檢驗數據分析等，但數據的收集和分析極為耗時耗財，且對于政策制定存在嚴重的滯后性，更重要的是毒品犯罪的特殊性使得公安機關很難對隱性毒情進行準確評估。特別是對于國內禁毒工作中的突出問題，如制造合成毒品和新精神活性物質(new psychoactive substances, NPS)的查緝等，還缺乏有效的解決方法。

新精神活性物質又稱“策劃藥”、“實驗室毒品”，是指未被國際禁毒公約管制，但其濫用會為公眾健康帶來威脅的物質，成為繼傳統毒品和合成毒品之后全球流行的第3代毒品。近年來，新精神活性物質的快速發展蔓延已經成為當前全球面臨的突出問題，也是毒品犯罪領域打擊的重點和難點。新精神活性物質的強成癮危害性，逃避法律管制等特性為其泛濫推波助瀾，多變易變的物質結構和物質屬性，使得對其發現和監管仍缺乏及時有效的手段[2]。

基于污水流行病學的毒情分析方法可通過短期或長期采取和檢測水、空氣和土壤等環境樣本，獲取吸食毒品類型的變化趨勢或新型毒品種類信息，通過測定環境中毒品及其代謝產物的濃度，應用相應數學模型計算，推算出該區域內吸毒人員服用的某種類型的毒品數量，還可以與問卷調查、犯罪統計等傳統方法所評估的毒情進行吻合度驗證[3-5]。污水流行病學不僅具有準確、便捷、客觀和接近實時監測等優勢，而且避免了傳統調查方法中由于被調查人的誤報等情況引起的偏差。同時由于污水流行病學具有高靈敏度等優勢，在區域范圍內新精神活性物質濫用行為的查緝中發揮重要作用。因此，其在全球范圍掀起了研究熱潮，在毒情研判評估領域得到了廣泛應用[6-8]。

1 污水流行病學的方法學發展(Methodology development of sewage epidemiology)

德國聯邦消費者保護和食品安全局于20世紀末通過對地表水的分析實現了對常見種類藥物濫用情況的宏觀研判。污水流行病學的概念由Daughton[9]于2001年首次提出，Zuccato在2005年首次針對可卡因進行實施[10]。隨后實戰轉換為基于市政等污水分析的一種毒情研判技術。

2008年，歐洲毒品及毒癮監測中心開始關注并積極推廣污水分析法的應用領域。特別是2012年以來，基于污水樣本的分析技術受到了包括歐洲毒品與毒癮檢測中心(EMCDDA)、聯合國毒品與犯罪調查辦公室(UNODC)和歐洲污水分析核心成員國(Sewage Analysis CORE Group Europe, SCORE)等國際組織或機構的重視與支持，亞洲[11]、歐洲[12]、非洲[13]、美洲[14-15]和大洋洲[16-17]均有學者在進行該領域的研究，并在諸多方向上取得了長足的發展。

相較于傳統流行病學，污水流行病學具有實時監測、采樣分析簡便、成本低和數據客觀等顯著優勢，同時能夠對潛在的新型化合物進行監測。隨著研究不斷深入，理論方法日趨完善，特別是在污水樣品采集、研究對象穩定性、前處理及分析、校正因子、人口數量和不確定度等主要參數方面取得了顯著進步(圖1)。

圖1 污水流行病學分析方法Fig. 1 The workflow of sewage epidemiology

1.1 污水樣品采集

污水流行病學主要測定市政污水處理廠的進出水樣品中研究對象母體和代謝物的濃度，而污水管道中污水的流量和污水中目標物的濃度并非一成不變，產生的不均勻性可能會導致目標物含量的短期顯著變化。研究表明，采樣的不確定度主要取決于污染物峰值的數量和采樣頻率，因此，科學合理的代表性采樣是分析結果有意義的先決條件，一般遵循高頻率和等流量比例原則。

Ort等[18]認為濃度變化決定采樣頻率，流量變化影響采樣模式。采樣模式分為連續采樣和離散采樣，其中離散采樣主要包括等流量比例、等體積比例和等時間比例采樣或即時取樣等。定時定量和等流量比例是較為常用的采樣模式。其中等流量比例模式可以對單個的子樣本進行正確加權，組成復合樣本分析得到平均濃度。

實際上，采樣頻率和采樣模式的選擇還取決于研究的目的，如分析方法開發、定性檢驗和定量檢驗等[19]。當研究目的為分析方法開發或定性檢驗時，任何一種采樣模式都可能是合理的，一般選擇在多情況下(夜間/白天、晴天/干燥)進行多次即時取樣。而對于定量檢驗為目的的采樣而言，通常是在能反映研究周期內情況的時間跨度內(一般為24 h以上)，以等流量比例、等體積比例或等時間比例模式采集后混合樣品。依據分析物質和研究內容的不同，取樣量也不同，一般500 mL即可滿足分析需要。

1.2 研究對象穩定性

目標物在下水管網道系統中會經過一系列物理、化學和生物作用，因此，不同生物標志物在不同廢水環境中穩定性存在較大差異。研究發現，影響污水存儲的主要因素包括溫度、pH、微生物量和懸浮顆粒物等[20-22]。一般地，通過添加殺菌劑抑制生物活性，經濾膜過濾后根據目標物的物化性質選擇合適的存儲條件[19]。對于可卡因[23]、可待因[24]和苯丙胺類[25]毒品均屬于高穩定性物質，24 h內常溫(20 ℃)和冷藏(4 ℃)、3周內冷凍(-25 ℃)存儲都可以保持樣品的穩定性，樣品酸化、添加焦亞硫酸鈉或疊氮化鈉都有利于樣品的存儲[19,26]。嗎啡本身在冷藏和冷凍條件下穩定性較好，但在常溫下會由于海洛因等其他物質的轉化造成濃度變化。對于大麻而言，酸性條件下大麻酚酸容易吸附到懸浮顆粒物上，因此一般選擇直接冷凍保存[27-28]?？偠灾?，酸化有利于除四氫大麻酚酸外大部分毒品的穩定性，冷凍保存可以穩定存儲3周以上。

1.3 前處理及分析

污水中研究對象含量往往較低、干擾成分極多，根據目標物的理化性質選擇合適的前處理方法，并采用高靈敏度分析儀器，是實現準確定性定量分析的基本前提。一般地，需加入同位素內標物，經微孔濾膜過濾后使用固相微萃取柱進行凈化和濃縮等[25]。當前文獻報道中，使用較多的是Waters公司的Oasis系列產品。根據大多數毒品的極性和解離常數，一般選擇Oasis系列的混合陽離子交換柱或親水親脂平衡交換柱進行前處理，采用液相色譜串聯質譜儀進行分析。

1.4 校正因子

校正因子是反演推算中的重要參數，值得說明的是，它并非固定或唯一，需要根據目標物、濫用人群特征和藥物代謝等數據進行調整，因此不同研究在進行結果推算中采用不同的校正因子。一般地，校正因子(fT)計算公式如下：

式中：MWI和MWT分別為毒品母體和代謝產物(分析對象)的分子量，xh是毒品母體通過h方式代謝為代謝產物的比例，Rh是通過h途徑攝入的比例。

當代謝產物(分析對象)即為毒品母體時，校正因子公式可簡化為：

1.5 人口數量

人口數量估算是推算人均毒品消耗量和毒品濫用率等毒情研判參數的重要依據，但是由于人口的流動性，對于污水處理廠，特別是旅游型城市污水處理廠對應人口數量的估算一直缺乏公認的權威方法。目前，一般采用設計容量法、污水特征數據和生物標志物等進行估算，但是關于其準確性的進一步研究仍在進行中[29-31]。

1.6 不確定性

盡管污水流行病學能夠提供實時、客觀和連續的毒品消耗情況，但是這種方法中各種參數的不確定性的來源和控制仍處于研究初期。相較于高斯誤差公式，引入的蒙特卡羅等概率分析方法提高了利用污水流行病學的毒情研判技術的可靠性和準確性[29,32]。

2 基于污水流行病學的毒情研判應用(Drug situation assessment with sewage epidemiology)

在基礎理論不斷完善的同時，基于污水流行病學的毒情研判應用范圍也得到了不斷發展，包括毒品濫用流行趨勢、濫用量評估、合成路線分析和新精神活性物質的查緝等。

2.1 毒品濫用流行趨勢的研判

SCORE每年都對歐洲一些大城市進行監測研究，參與的城市從2011年的19個增加到2016年的70余個。研究表明，歐洲西部和南部濫用可卡因較多，而中部和北部則更流行苯丙胺類[33]。數據顯示，甲基苯丙胺曾一度在捷克共和國泛濫，而現在則在其他國家流行[3]。

Mastroianni等[34]研究了西班牙巴塞羅那從2011年至2015年的毒品流行趨勢，發現大麻和可卡因等更加流行，而海洛因和地西泮消耗量則降低。與歐洲國家相反的是，海洛因在中國普遍濫用，使得污水中嗎啡含量遠高于可待因。此外，甲基苯丙胺作為中國濫用量最高的毒品[11]，近年來在多省市呈逐年遞減趨勢，同國家禁毒委發布數據一致[35-36]。Zuccato等[37]對意大利8所高中的毒品流行情況進行分析，發現大麻在學生中非常流行，此外少量吸食可卡因和阿片類毒品，未發現苯丙胺、甲基苯丙胺、氯胺酮和甲卡西酮等。奧地利因斯布魯克醫科大學在2016年對因斯布魯克的毒品濫用情況進行研究，發現可卡因、苯丙胺和二亞甲基雙氧安非他明等在周末的濫用量明顯高于工作日，阿片類毒品沒有顯著差異，利多卡因濫用量則在周末出現下降。此外，在音樂節或其他慶?；顒悠陂g，苯丙胺和可卡因消耗量顯著增加[38]。

2.2 毒品濫用量的評估

利用對毒品原體或代謝物含量的分析，通過評估反算公式，可以實現對毒品濫用量的評估。歐洲大多數城市均展開了相關研究，主要針對泛濫嚴重的可卡因[39]、嗎啡[13]、苯丙胺[40]和大麻[27]等。從目前報道來看，水體中常見毒品及其代謝物濃度一般為ng·L-1。其中可卡因和嗎啡濃度最高可達數百ng·L-1，美沙酮及其代謝物、大麻酚及其衍生物濃度均可達數十ng·L-1。

Bones等[41]利用固相萃取和液相色譜二級質譜聯用技術，對都柏林的可卡因濫用進行評估，結果與其他研究保持較好的一致性。Lai等[42]對新西蘭奧克蘭的2個污水處理廠進行研究，甲基苯丙胺濫用量約為360 mg·(d·1 000人)-1，二亞甲基雙氧安非他明為60 mg·(d·1 000人)-1。Wang等[43]發現北京地西泮的消耗量是全國平均水平的3.8倍以上，地表水中地西泮的含量遠高于污水處理廠入口濃度，這表明高濃度地西泮廢水直接傾倒入地表水中。Postigo等[44]對監獄外污水進行分析，發現美沙酮、阿普唑侖、麻黃堿和大麻二酚的消耗量分別為156、129、46和33劑·(d·1 000人)-1。北京大學李喜青等同廣東省中山市局建立了基于污水流行病學的毒情監測實驗室，受到國際廣泛關注。2019年以來，山東省在全省范圍內實施利用污水流行病學進行毒品濫用情況摸底和監測項目，為毒情研判和重點區域監管提供了重要數據支撐。

2.3 毒品合成路線的推斷

由于對毒品原料的嚴格管控，制毒分子往往會改變合成路線、尋求替代化學品。利用污水流行病學對毒品合成路線的推斷過程主要是利用質譜對污水中毒品以及合成毒品所需的制毒原料進行分析，或者對污水中毒品及其代謝物的手性進行分析。

荷蘭水循環研究所在2016年利用高分辨質譜對污水進行分析，發現以1-苯基-2丙酮為原料通過Leuckart反應可制備苯丙胺，隨后首次研判出以苯乙酸為前驅體制造苯丙胺的合成路線。Castrignano等[45]發現與其他歐洲城市中甲基苯丙胺主要為S-(+)型不同的是，奧斯陸污水系統中甲基苯丙胺主要為外消旋體，可以推測其合成路線存在不同之處。此外，通過手性結構分析還可以推測出毒品是直接投入或者是經吸食后排泄進入環境中的[46]。當前這方面研究還較少，但對于從源頭打擊毒品犯罪具有重要意義。

2.4 新精神活性物質的查緝

大量研究表明，污水流行病學已經成為打擊制造和吸食新精神活性物質的有效技術，同時也將為及早發現新精神活性物質，推進相關立法提供信息支撐[47-50]。

Archer等[51]在尿樣中檢出了二亞甲基雙氧安非他明、可卡因、氯胺酮和甲基苯丙胺等7種軟毒品以及大麥芽堿、阿拉伯茶堿和甲基異己胺等6種潛在的新精神活性物質，部分新精神活性物質當時在英國尚未被管控。Reid等[52]通過計算機模擬代謝、生物轉化和吸附模型等研究，利用高分辨質譜建立了新精神活性物質中生物標記物的分析方法，檢測出1-(4-甲氧基苯基)哌嗪鹽酸鹽等新精神活性物質。Kinyua等[53]將污水經固相萃取后利用液相色譜二級質譜檢出2-(3-甲氧基苯基)-2-乙氨基環己酮(MXE)、丁基卡西酮、乙基卡西酮、甲卡西酮、1-(2-噻吩基)-N-甲基-2-丙胺、副甲氧基甲基安非他命和副甲氧基安非他命等7種新精神活性物質。Causanilles等[54]利用液相高分辨質譜在污水中檢出了涵蓋合成卡西酮類、苯乙胺類和阿片類等在內的8種新精神活性物質，其中，1-(3-氯苯基)哌嗪、2,5-二甲氧基-4-溴苯乙胺等尚屬首次檢出。Bade等[12,55]利用液相串聯時間飛行質譜儀在南澳大利亞州的2家污水處理廠檢出了346種化合物，包括可卡因、甲基苯丙胺和苯丙胺等傳統毒品與利多卡因等摻假劑以及亞甲基二氧吡咯戊酮和夫拉卡等多種新精神活性物質。在此基礎上，他們分析了澳大利亞的50個污水廠，從而對全國新精神活性物質的區域分布情況進行了研判，結果發現，在所有檢出的200種新精神活性物質中，有22種在全國各地均有檢出，濫用最嚴重的為卡西酮類，一半以上地區檢出了合成大麻類新精神活性物質。Celma等[56]首次采用微液相質譜技術對污水中的傳統毒品和新精神活性物質進行同時監測，除可卡因、苯丙胺、甲基苯丙胺和氯胺酮外，還檢出了丁基酮、甲基甲卡西酮、甲氧麻黃酮和甲基酮等新精神活性物質。該作者指出相對于傳統超高效液相質譜技術，微液相質譜技術的檢測靈敏度提高了14倍，有望在該領域推廣應用。

值得注意的是，當前環境研究中對于已知目標物的常規性定性定量分析通常采用靶向分析。利用全二維氣相色譜聯合飛行時間質譜、傅里葉轉換離子回旋共振質譜和液相色譜串聯高分辨質譜等高分辨質譜的非靶向分析技術，可不受分析物質信息和標準物質有無的限制[57-60]。對于分析層出不窮的新精神活性物質等潛在的未知精神和麻醉藥品，具有顯著優勢[48,61-63]。在此基礎上，基于高分辨質譜的全掃描模式聯合液相質譜的多重反應監測模式或氣相質譜的選擇離子監測模式的擬靶向分析也得到廣泛應用[48,64]。Mardal等[65]利用嫌疑篩查和非靶向篩查建立了新精神活性物質的高分辨質譜數據庫，通過不斷信息更新可較好地實現新精神活性物質的覆蓋，為打擊新型毒品犯罪提供了很好的工作思路。

3 存在的問題(Problems)

盡管基于環境樣本的分析可以實現對毒品濫用情況較好的研判，但由于污水流行病學發展時間較短，當前還存在一些亟待解決的問題。

3.1 濫用量評估不夠準確

基于污水流行病學對毒品濫用量的評估同公開的社會調查一樣，存在著一些誤差。從圖1中可以看出其缺陷存在于評估模型建立的各個環節，包括取樣、樣本保存、檢驗分析和模型公式等[66-69]。為此，相關工作者就誤差產生的主要步驟，包括毒品進入環境樣本的方式[3]、毒品的排泄率[70-71]、手性分子比例[72]、毒品及代謝物與環境之間的作用關系[19-20]以及生物標記物的選擇[73]等方面展開了大量研究。

3.2 環境樣本種類有限

目前利用流行病學對毒品濫用的研判重點研究了水體，往往忽視了基于固體和氣體環境樣本分析的毒情研判[74-75]。Subedi和Kannan[76]利用電噴霧質譜對美國奧爾巴尼地區污水處理廠的污水和污泥中的可卡因和苯丙胺進行研究。研究表明，人均可卡因使用量達到之前的美國污水研究結論的4倍，而苯丙胺的濫用量約為之前研究結論的6倍。事實上，Cecinato和Balducci[77]在2007年就首次對羅馬和塔蘭托空氣中的可卡因進行研究，并發現其濃度與當地的可卡因消耗量有直接關系，隨后在圣地亞哥等地空氣中均檢出了可卡因成分[78]。

3.3 適用范圍有限

通過環境樣本分析對毒情進行的研判主要研究了某區域內毒品吸食濫用情況，而對于危害性更大、隱蔽性更強的制毒犯罪往往缺乏有效的打擊手段。當前有報道稱，由于制毒工廠周圍環境中土壤、空氣和水受到污染，嚴重影響到附近居民生活，而被公安機關查獲，但并未有系統的技術手段通過環境樣本分析對制毒案件形成打擊態勢。此外，由于污水流行病學是利用污水中目標物的檢驗對毒品進行反演推算，而新精神活性物質層出不窮，使得研究工作者對新精神活性物質的研究還不夠深入，缺乏母體和污水中目標物成分的關聯性研究。利用污水流行病學對新精神活性物質進行查緝需要研究毒品母體在不同吸食途徑下的藥代動力學和代謝產物，以及母體和代謝產物與環境介質的交互作用關系等。

3.4 檢驗技術手段仍待發展

隨著科技的發展，新技術、新儀器和新方法不斷出現?；谏V、質譜的靶向和非靶向分析已經廣泛應用于未知目標物的檢驗鑒定中，但存在需要已知目標物信息、標準物質以及靈敏度低、重現性低等缺陷。在此基礎上發展起來的擬靶向和嫌疑篩查技術結合了靶向和非靶向技術的優點，但也存在不完全適合于未知物的高通量定性定量分析等問題。

4 展望(Prospect)

污水流行病學方興未艾，其對毒品流行趨勢及相對濫用量近乎實時的監測是其他方法所無法比擬的。因此，基于污水流行病學的毒情研判技術必將成為禁毒工作中廣泛應用的關鍵技術。

鑒于當前研究進展，筆者認為污水流行病學領域的研究將集中在以下幾方面。

(1)分析并校正評估模型中的誤差和不確定度。這主要包括毒品的代謝組學研究、手性分析方法研究、毒品及代謝物與環境之間的相互作用等。

(2)新精神活性物質和未知代謝物的檢驗分析方法研究。筆者相信，基于高分辨質譜的非靶向、擬靶向和嫌疑篩查分析技術將成為利用污水流行病學對新精神活性物質和未知代謝物進行查緝、檢驗領域的研究熱點。

此外，通過進一步的完善和深入的研究，處于發展期的污水流行病學將在更為廣泛的領域發揮作用。

(1)經污水處理廠處理后的水體中仍存在一定量的毒品及其代謝物，事實上，毒品及其代謝物普遍存在于地表水和飲用水中，其對生態系統和人類健康影響尚不得而知，亟需開展系統性研究。

(2)通過進一步豐富環境樣本的種類，包括水、土壤和大氣等，并深入挖掘其中痕量涉毒物質成分與制毒案件的作用機制與關系規律，從而形成對危害性大、隱蔽性強的制毒案件具有有效打擊威懾的技術手段將成為必然趨勢。

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