城镇污水处理厂中β－内酰胺类抗生素的分布与迁移

房晓君，贾丽英，刘娟

(河北工程大学城市建设学院，河北邯郸056038)

抗生素是人们日常生活中使用最广泛的一类药物，大量使用加大了其进入环境中的风险，可以诱导耐药性细菌，毒害水生生物和土壤生物，危害人体健康［1]。目前一些学者在河流、湖泊、水库、污水等各种类型的水体中检测出不同浓度水平的抗生素药物［2－4]。而现有的城镇污水处理厂对这类痕量污染物不能有效去除［5]，使得这类物质随污水厂的尾水直接排放到水环境中，造成“假性持久性”污染，因而城市污水处理厂作为抗生素类微污染物排放的点源而受到广泛的关注［6]。β－内酰胺类抗生素的杀菌活性强、毒性低、适应症广及临床疗效好，是临床最常用的抗生素药物。这类药物的超量滥用导致人体没有吸收完全就排出体外，然后通过市政管网进入污水处理厂。本文研究了其在城镇污水处理厂中的分布和迁移。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器

标准物质头孢克洛(＞99.9%)、头孢噻肟(＞99.9%)、头孢唑林(＞99.9%)、头孢曲松(＞99.9%)、阿莫西林(＞99.9%)、盐酸普鲁卡因(＞99.9%)购自中国药品生物制品检定所，乙腈购自德国默克公司，甲酸购自CNW公司，甲醇购自Sigma公司，试验用水为超纯水。

1.2 样品采集与预处理

该污水处理厂设计处理量为10.0×104m3/d，实际污水处理量为4.0×104m3/d。其中生活污水占65%，工业废水约占35%。污水处理工艺包括格栅、曝气沉砂池、三沟式氧化沟。污泥处理工艺包括:污泥重力浓缩池、均质池和带式脱水机房。

自2011年9月至11月，进行了为期2个月，每周3次的采样活动，采集污水处理厂进水和氧化沟出水。采样前将配有玻璃塞的棕色玻璃瓶用重铬酸钾洗液浸泡12 h，再依次用自来水和去离子水清洗数次，然后用锡纸包裹置于130℃烘箱中干燥4 h以上。采集时先用水样润洗采样瓶2～3次，然后取1L水样装于棕色玻璃瓶中，用0.5M盐酸调节pH到2.5并加入5 mL 5%Na2EDTA，尽快将水样送至试验室。

水样固相萃取前，HLB小柱需依次用甲醇、蒸馏水(1%甲酸水)各4 mL活化，并使甲醇和1%甲酸水各在小柱中停留5 min左右，然后开启真空泵放掉溶剂，控制流速为2～3 mL/min，使溶液呈滴状从小柱中滴出。取0.5 L水样通过2层中速定性滤纸过滤;滤液再分别用 0.45 μm和0.22 μm的混合纤维素酯微孔滤膜过滤。将滤液通过活化好的HLB小柱，控制流速在10 mL/min左右。富集完成后，首先用6 mL去离子水清洗小柱，并用真空泵连续抽吸2 min，抽干残余水分;然后用3×2mL甲醇分三次淋洗萃取柱，洗脱液收集于鸡心瓶中，最后将洗脱液自然风干用超纯水定容至1 mL，4℃避光保存。

采集脱水污泥，用铝箔纸包裹带回试验室。取适量污泥称重后置于－20℃预冷冻24 h，然后在－60℃冷冻干燥48 h。研磨冷冻干燥后的污泥，过200目的筛网。称取2.0 g过筛后的污泥样品，放入25 mL具塞锥形瓶中，加入10 mL50%的甲醇溶液(pH=2)。恒温振荡 15 min，超声10 min，并将泥水混合物完全转移到玻璃离心管中，4 000 r/min离心5 min，转移上清液至500 mL棕色玻璃瓶中;用同等体积的50%甲醇溶液再次萃取2次，混合所有上清液，摇匀;用超纯水定容至500 mL，使溶液中有机相浓度小于5%;并用0.45 μm的滤膜过滤，调节 pH 至 2.5，最后固相萃取滤液，方法同水样。

1.3 样品的分析检测

分析仪器:Agilent 1200高效液相色谱仪(检测器:二极管阵列检测器，色谱柱:Eclipse XDBC18，4.6 mm ×150 mm，5 μm)。

分析条件:流动相为乙腈(A)和0.1%甲酸水(B)，采用梯度洗脱为0～11 min，95% ～30%B;11 ～12 min，95%B;12 ～15 min，95%B。流动相流速为 0.6 m L/min，柱温为 35℃，进样量 20 μL，检测波长为254 nm(参比波长286 nm)。

2 结果与讨论

2.1 进、出水中抗生素的含量

污水处理厂进水、出水和污泥中6种β－内酰胺类抗生素的分布见图1所示。从图1中可以看出，6种β－内酰胺类抗生素在进水中均有检出。阿莫西林、盐酸普鲁卡因、头孢克洛、头孢曲松、头孢噻肟和头孢唑啉的浓度分别为1.857～2.579 μg/L、1.639 ～ 1.982 μg/L、0.956 μg/L ～ 2.210 μg/L、1.977 ～ 2.824 μg/L、1.057 ～ 1.433 μg/L和1.937 ～2.967 μg/L。该结果与文献［6] 报道的结果相似。出水中盐酸普鲁卡因、头孢克洛、头孢曲松、头孢噻肟和头孢唑啉均有检出，浓度含量依次为 1.512 ～ 1.988 μg/L、0.731 ～ 0.962 μg/L、1.097 ～1.314 μg/L、0.427 ～0.939 μg/L 和 0.559～1.036 μg/L，其中阿莫西林未被检出，相应的平均去除率分别为:100%、34.8%、37.9%、22.0%、47.8%、63.2%。

表1 污水厂中6种β－内酰胺类抗生素的总量和去除率(单位:/g.d－1)Tab.1 The total and removal rate of six kinds of β － Lactam Antibioticsin municipal treatment plant(unit:/g.d －1)

阿莫西林基本母核为四元β－内酰胺环骈合五元氢化噻唑环，并且β－内酰胺环中羰基和氮上的未共用电子对不能共轭，加上四元环的张力，造成β－内酰胺环高度不稳定，因此阿莫西林的平均去除率最高。头孢类抗生素母核为四元β－内酰胺环骈合六元氢化噻嗪环，并且六元环内双键与β－内酰胺环中氮原子的未共用电子形成共轭，使β－内酰胺环趋于稳定，因此头孢类抗生素平均去除率较低。

抗生素结构中侧链的长度、取代基的位置与官能团不同是影响降解的主要因素［7－8]。在这6种抗生素中，头孢曲松的分子量最大，侧链最长，故不易降解去除。头孢克洛结构中的氢化噻嗪环上有1个－Cl取代基，会降低其生物降解速率。辛醇－水分配系数(logKow)和吸附系数(Kd)直接影响化合物在污水中的水固相的分配［9]。在这6种抗生素中，盐酸普鲁卡因的logKow最大但也小于3。这表明，盐酸普鲁卡因亲水性较差，在污水厂中主要通过污泥吸附去除。

2.2 物料衡算

假定β－内酰胺类抗生素在污水处理厂中主要的迁移途径为降解和污泥吸附，则应存在等式(1)的关系:

式中Min－每日进入污水厂的β－内酰胺类抗生素总量，g;Mout－每日排出污水厂的β－内酰胺类抗生素总量，g;Mdeg－每日降解去除的β－内酰胺类抗生素量，g;Msledge－每日随污泥排出的β－内酰胺类抗生素量，g。

通过降解作用去除的抗生素总量为

根据对β－内酰胺类抗生素日流量监测结果进行物料衡算，结果见表1。

从表1可知，每天进入污水厂的6种β－内酰胺类抗生素总量为466.15 g，排出水厂的抗生素总量为217.33 g，通过污泥吸附去除的总量是82.84 g，即每天有 165.98 g β － 内酰胺类抗生素降解作用而去除。总降解率为35.60%，其中阿莫西林和头孢唑林的降解率均超过50%，而其他4种物质的降解率均低于40%。总吸附率为17.78%，其中阿莫西林的吸附率超过40%，其它5种抗生素的吸附率均低于25%。

物料衡算的结果与监测结果相近，这表明β－内酰胺类抗生素在污水处理厂中的迁移途径为降解和吸附。

3 结论

1)β－内酰胺类抗生素在进水和出水中的含量分别为 0.956 ～ 2.967 μg/L、0 ～ 1.988 μg/L。阿莫西林的平均去除率最高，为100%。头孢唑啉次之，头孢曲松最低。

2)β－内酰胺类抗生素在污水处理厂的迁移途径主要为降解和污泥吸附。阿莫西林和头孢唑啉降解率均高于50%。阿莫西林的吸附率最高，普鲁卡因次之。抗生素的总降解率为 35.60%，总吸附率为 17.78%，总去除率为53.38%。这表明，有接近50%的剩余残留量将随最终出水排出，因而需要增加对低去除率物质的研究。

［1] 王冰，孙 成，胡冠九.环境中抗生素残留潜在危险及其研究进展［J] .环境科学与技术，2007，30(3):108－112.

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［4] 叶计朋，邹世春，张干.典型抗生素类药物在珠江三角洲水体中的污染特征［J] .生态环境，2007，16(2):384－388.

［5] 徐维海，张 干，邹世春，等.典型抗生素类药物在城市污水处理厂中的含量水平及其行为特征［J] .环境科学，2007，28(8):1779－1783.

［6] 刘锋，陶然，应光国，等.抗生素的环境归宿与生态效应研究进展［J] .生态学报，2010，30(16):4503－4519.

［7] 罗 晓，王 婷.固定化真菌处理土霉素废水的研究［J] .河北科技大学学报.2011，32(1):98 －102.

［8] 叶常明.水中有机污染物的生物降解性与化学结构的关系［J] .环境化学丛刊，1986，4(6):6－10.

［9] 杨晓凡.水环境中药物污染、检测及去除研究进展［J] .水资源与保护，2012，28(2):1－7.