喹諾酮類抗生素的檢測和吸附處理研究進展

蘇 丹,明銀安,陳 琳,李 陽,文志潘,王營茹

(武漢工程大學化學與環境工程學院,湖北武漢 430074)

抗生素是指由微生物或高等動植物產生的次級代謝產物以及人工合成或半合成的化合物[1],主要包括喹諾酮類、四環素類、β-內酰胺類、大環內酯類和磺胺類等。近年來我國多地江河湖泊已檢測出抗生素,其中喹諾酮類是水環境中主要的抗生素類污染物之一[2]。喹諾酮類抗生素是具有氨基苯磺酰胺結構物質的總稱,是近年來迅速發展的一類廣譜性抗生素,大部分由人工合成,目前已發展到第四代。喹諾酮類抗生素主要分為兩類(表1列出了常見的幾種喹諾酮類抗生素性質):一類為萘吡啶類化合物,該類化合物保留了萘啶酸結構;另一類為氟喹諾酮類化合物。由于喹諾酮類藥物具有抗菌譜廣、抗菌活性好和生物利用度高的優點,已被廣泛應用于人體和獸醫學。然而,過度使用和濫用抗生素,使這些抗生素的殘留成為一個重大的環境和公共衛生問題。因此,對喹諾酮類抗生素的殘留檢測和去除就顯得至關重要。

表1 常見喹諾酮類抗生素性質Tab.1 Properties of Common Quinolone Antibiotics

目前抗生素廢水的處理方法有生物處理法、高級氧化法、物理化處理法。高級氧化法[3]有臭氧氧化技術、Fenton氧化技術、光催化氧化、濕式氧化、電化學氧化法和超聲氧化技術,物理化處理法有吸附法、膜處理和混凝法[4]。其中,吸附法去除抗生素具有出水穩定、經濟高效等特點,因此,其被廣泛應用于抗生素廢水的處理。

本文主要綜述了喹諾酮類抗生素的檢測方法和常用吸附材料,為吸附法去除喹諾酮類抗生素的研究提供理論依據。

1 喹諾酮類抗生素檢測方法

喹諾酮類抗生素樣品在檢測前通常會進行前處理,常用的前處理方法主要包括液相微萃取法、液-液萃取法、固相萃取法和固相微萃取法等。其中,固相萃取法廣泛應用于各種檢測,液相微萃取法和固相微萃取法使用時設備可與檢測器連接,實現在線處理樣品。經前處理的樣品可用電化學法、微生物抑制法、酶聯免疫吸附法(ELISA)、薄層色譜法、熒光偏振免疫分析法、高效毛細管電泳法、高效液相色譜法(HPLC)、液相色譜-串聯質譜法(MS/MS)、液相色譜-四極桿飛行時間質譜法[5]進行檢測。目前,常用的檢測方法有HPLC、液相色譜-MS/MS法、ELISA以及紫外可見光分光光度法(UV-Vis)。表2列出了常用檢測方法的優缺點及檢出限。

1.1 色譜及聯用法

1.1.1 HPLC檢測法

HPLC是利用高壓輸液系統,將具有不同極性的液體流動相用高壓泵打入裝有固定相的色譜柱,流動相的各成分在色譜柱內被分離出來以后,進入檢測器進行檢測[6]。常見的檢測器有紫外檢測器、熒光檢測器等。

Johnson等[7]在3種不同的HPLC固定相上優化了11種喹諾酮類抗生素的分離,并對每種方法的性能進行了評估和比較,發現硅膠固定相比聚合物相色譜效果更好。由于用HPLC檢測選擇性不強,對于某些抗生素靈敏度不高,不能實現快速、準確分析的目的。Wu等[8]建立了一種簡單的HPLC檢測CIP的方法,在樣品前處理過程中不采用任何提取過程,不使用任何緩沖溶液和離子對試劑作為流動相,只采用2%含水乙酸和乙腈兩種溶劑,即可用紫外檢測器準確測定人血漿或藥物制劑中CIP的含量。該方法已成功應用于一名服用500 mg CIP片劑的志愿者的藥動學研究。此外,錢卓真等[9]建立了水產品中6種喹諾酮類藥物殘留的HPLC檢測方法,用熒光檢測器(FD)檢測即可確定含量,該方法簡便、快速、精密度高、重現性好、方法的檢出限和定量下限低,能滿足我國現行獸藥殘留檢測分析的要求,可用于水產品中CIP、ENR、OFL、NOR、NAL等藥物殘留的檢測。

1.1.2 液質聯用檢測法

HPLC-MS/MS具有準確度高、重現性好等優勢,已成為喹諾酮類藥物測定的主要檢測方法。李佩佩等[10]用超高效液相色譜-MS/MS(UPLC-MS/MS)同時檢測水產品中14種喹諾酮類藥物,樣品前處理簡單,易于操作,顯著縮短了色譜分析時間,結果靈敏度高,準確可靠。Lombardo-Agai等[11]建立了環境水樣中19種喹諾酮類藥物的UPLC-MS/MS分析方法,采用液液萃取和鹽析相分離的樣品處理方法,實現了快速、簡單的提取,實現了多殘留分析。該方法已在某山區環境井水樣品中得到驗證。該法檢出限在10～90 ng/L,相對標準偏差小于16.5%,加標回收率大于73%。此外,還對不同來源(山區、沿海地區和灌溉區)的井水進行了評價,得到了相似的結果。

1.2 ELISA

ELISA是利用酶標記抗原或抗體以檢測相應抗原或抗體的一種免疫學標記技術。ELISA具有干擾性小、靈敏度高、操作快捷、污染小、安全性高等特點[12],但在合成半抗原和免疫反應平衡上仍需要花費大量時間,且目標物和與抗體結合的目標物分離過程復雜,這會影響免疫分析的廣泛應用。

楊熠等[13]為了檢測動物源性食品中ENR殘留量,評估基于卵黃抗體的間接競爭ELISA檢測ENR的可行性,采用紫外光譜法及蛋白電泳法鑒定,用活性脂法將ENR同卵清蛋白偶聯制備免疫原和包被抗原偶聯,結果均證明人工抗原偶聯成功。這說明制備的抗ENR卵黃抗體檢測動物源性食品中ENR的殘留免疫方法是可行的。Tufa等[14]開發并驗證了用于分析動物飼料中氟喹諾酮類殘留的ELISA。采用優化的ELISA測定ENR,半數抑制質量分數為15.2 ng/g,檢出限為1.3 ng/g,判定限為10 ng/g,檢測能力為20 ng/g。采用優化后的ELISA,8種氟喹諾酮類藥物的交叉反應性均達到了42%。總的來說,ELISA能夠對動物飼料中氟喹諾酮類藥物殘留進行快速、靈敏、低成本的篩選分析。

1.3 UV-Vis法

UV-Vis法允許使用少量樣品測定低濃度的化合物,是一種簡單、靈敏、可靠和低成本的檢測方法[15]。林勇等[16]經過多次檢測試驗并結合相關標準和資料提出應用紫外分光光度計檢測喹諾酮類藥物的方法,此法具有方便、快捷和比較準確的特點。張慧等[17]采用UV-Vis測定OFL含量的結果和用HPLC測定的結果基本一致,但用UV-Vis法測定NOR操作更加簡便、用時更少、成本更加低廉。Zhou等[18]為了尋求比HPLC更加簡單且經濟的方法,用紫外可見分光光度計在280 nm處分析CIP洗脫液,發現CIP的回收率為99.4%±11.8%,為模擬CIP廢水的檢測提供了一種快速、經濟的替代分析方法,檢出限為10 μg/L。

2 用于吸附處理喹諾酮類抗生素的材料

2.1 碳基材料

活性炭、石墨烯等都可用于喹諾酮類抗生素的吸附[19],其中活性炭作為一種簡易高效的吸附材料,在吸附去除水環境中的抗生素中得到了廣泛的關注和深入的研究。付浩[20]選取F-400活性炭作為4種常見喹諾酮類抗生素的吸附去除材料,通過試驗評價認為粉末活性炭投加去除的方式是高效、可控的優化工藝。除了常用的活性炭,還可以通過各種方法把生物質制成碳基材料,碳基材料中高的比表面積、發達的孔徑結構以及表面官能團羧基、羥基和羰基的存在是促進廢水中喹諾酮類抗生素吸附的主要原因。張婷婷等[21]通過水蒸氣活化法把玉米芯制備成玉米芯基活性炭,并將其用于處理難降解的CIP廢水,結果表明,玉米芯基活性炭對CIP廢水具有較好的吸附效果。該方法通過以廢治廢,不僅實現資源綜合利用,還探索出有效、低成本的抗生素廢水處理技術。

表2 常用檢測方法的優缺點及檢出限Tab.2 Advantages and Disadvantages and Detection Limits of Common Determination Methods

不同類型碳基材料吸附處理喹諾酮類抗生素效果如表3所示。

表3 碳基材料對喹諾酮抗生素的吸附效果Tab.3 Adsorption Effect of Carbon-Based Materials on Quinolone Antibiotics

2.2 生物質材料

生物質是指通過光合作用而形成的各種有機體,包括農作物廢棄物、林業生物質、水生植物、城市生活垃圾等[29]。自然界中大部分生物質會自然降解或人工分解,不僅浪費了大量資源,還造成了一定的環境污染。若能將農林廢棄物等生物質變廢為寶,通過物理、化學等方法將其制備成性能優良的吸附材料,用以去除環境介質中的污染物,無疑對環境保護、資源綜合利用等具有重大而積極的意義。一方面,生物質可作為生物炭制備的前驅物材料;另一方面,生物質中富含纖維素及木質素,可從農林廢棄物等生物質中提取纖維素及木質素用作廉價的吸附劑,除此之外,還可以通過酸、堿及強氧化劑改性提高其吸附性能。

趙哲等[30]采用NaOH改性荷葉,研究其對水體中CIP的吸附性能。結果表明,吸附平衡數據符合Langmuir和Koble-Corrigan等溫模型,298 K時改性荷葉對CIP的最大吸附量可達194.75 mg/g。改性荷葉對CIP的吸附是自發的吸熱過程,氫鍵、陽離子交換和靜電作用為影響吸附的主要因素。張依含等[31]在玉米苞葉上負載金屬鋯得到含鋯生物炭,并用其處理水體中4種喹諾酮類抗生素(吡哌酸、鹽酸二氟沙星、鹽酸洛美沙星和奧比沙星)。通過吸附等溫試驗、動力學試驗考察各種喹諾酮類藥物的吸附特性,結果發現,鋯生物炭對4種喹諾酮類抗生素均具有優異的吸附能力。

不同類型生物質材料吸附處理喹諾酮類抗生素效果如表4所示。

表4 生物質材料對喹諾酮類抗生素的吸附效果Tab.4 Adsorption Effect of Biomass Materials on Quinolone Antibiotics

2.3 礦物材料

天然黏土礦物具有比表面積較大、物理化學性質穩定、我國儲量豐富和價格低廉的特點,因此,常被作為吸附劑用于環境污染治理。高嶺土黏土礦物的層狀結構使其具有良好的吸附性能和離子交換性能,是一類優質廉價吸附劑。除此之外,蒙脫石、累托石等都可以用于喹諾酮類抗生素的吸附去除。高鵬等[36]開展了高嶺土對喹諾酮類抗生素吸附特性的初步研究,采用靜態吸附試驗,對兩種喹諾酮類抗生素進行吸附處理。結果表明,高嶺土對NOR和CIP的吸附過程均符合二級反應動力學方程,吸附速率常數分別為0.021 kg/(mg·h) 和0.156 kg/(mg·h) 。Wu等[37]提出高嶺石和蒙脫土對CIP的解吸效果受pH的影響較大,CIP從高嶺石和蒙脫石黏土礦物的解吸等溫線符合Langmuir方程。

不同類型礦物材料吸附處理喹諾酮類抗生素效果如表5所示。

表5 礦物材料對喹諾酮類抗生素的吸附效果Tab.5 Adsorption Effect of Mineral Materials on Quinolone Antibiotics

2.4 金屬基材料

金屬陽離子如銀、鋅、鎘、鎂、鐵和銅等可以與喹諾酮類抗生素4位置的羰基和3位置的羧基發生螯合作用[43]。基于這種螯合作用,金屬基材料也被作為吸附材料,用于去除水環境中的喹諾酮類抗生素。目前研究的金屬基材料有單、雙金屬納米材料及金屬基復合納米材料。Zheng等[44]通過TiO2與NaOH反應,成功制備了長TiO2納米管(TNs)用于吸附處理CIP,試驗結果表明,TNs對CIP的最大吸附量為26.38 mg/g。Dhiman等[35]用氧化鋅納米材料吸附處理鹽酸CIP,試驗結果表明,氧化鋅納米材料對鹽酸CIP的最大吸附量為8.30 mg/g,吸附等溫線符合符合Freundlich、Langmuir和Temkin方程。

不同類型金屬基材料吸附處理喹諾酮類抗生素效果如表6所示。

表6 金屬基材料對喹諾酮類抗生素的吸附效果Tab.6 Adsorption Effect of Metal Based Materials on Quinolone Antibiotics

通過以上4類吸附材料吸附效果的對比,課題組選擇了3類材料用于CIP的吸附處理,結果表明不同材料對于CIP廢水的吸附效果不同,其中累托石對于CIP的吸附效果相對較好。

3 結語

(1)UV-Vis法比色譜及聯用法操作更加簡便、用時最少、成本更加低廉;ELISA法在環境樣品中喹諾酮類抗生素的快速篩查和在線監測方面應用比較廣泛,但由于抗體本身存在缺陷,無法廣泛應用于樣品檢測。因此,對于喹諾酮類抗生素藥物的檢測,UV-Vis法對于單一抗生素的檢測具有更好的應用前景。

(2)吸附處理水中喹諾酮類抗生素常見的材料有碳基材料、礦物材料、生物質材料和金屬基材料等。其中,生物質材料通常會用植物秸稈或者莖葉作為吸附材料的前驅體,然后通過不同方法修飾制得所需吸附材料。碳基材料可用天然生物質材料高溫焙燒制得,活性炭是目前實際工藝中比較常用的碳基吸附材料。相比之下生物質材料價廉易得,且可實現資源化綜合利用,因此,生物質材料的應用前景廣闊。

(3)不同吸附材料對同一抗生素的吸附性能不同,同一吸附材料對不同抗生素的吸附性能也不同。因此,為提高水環境介質中的喹諾酮類抗生素去除效率,應根據水體污染程度以及水體凈化需求選擇合適的吸附材料。除此之外,還可以將吸附材料改性或分級使用,在實際水處理過程中還可以聯合其他工藝處理喹諾酮類抗生素廢水。