污水毒品监测技术：进展、挑战与展望

向平

（司法鉴定科学研究院 上海市法医学重点实验室 上海市司法鉴定专业技术服务平台司法部司法鉴定重点实验室，上海 200063）

1 进展

污水监测又称为污水流行病学（Wastewater-Based Epidemiology，WBE），是通过对生活污水采样后分析其中人类使用的药品、化学品、外源性污染物和营养物质的含量，以掌握采样区域内该物质的使用情况。污水监测虽然起源于环境学科，但是进入21世纪后在毒品、精神活性物质等禁毒领域得到飞速发展。2019冠状病毒病（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）暴发后，因发现污水监测可实时掌握COVID-19的时间、空间变化趋势而备受瞩目，并由此帮助决策者采取相应的应对措施。因此，污水监测仍是一个不断发展的研究领域，并已显示出在公共卫生健康监测方面的巨大应用潜力。

经过近二十年的发展，污水毒品监测已成为当前禁毒领域的“黑科技”。该项技术能够提供更加准确、持续、真实的毒品消耗量信息，以及更加经济、快速地实时监测毒情，通过早期预警来弥补传统方法的时间滞后性、数据局限性等缺陷。欧洲药物和药物成瘾监测中心（European Monitoring Centre for Drugs and Drug Addiction，EMCDDA）高度评价了该项技术，并自2016年起在年报中公布了污水毒品监测数据。芬兰家庭事务和社会服务部在发布关于污水毒品监测的通知时称：通过污水监测获得的新数据将立即提交给所有相关部门，国家毒品政策协调小组负责保证不同部门之间的有效合作，并跟踪毒品的变化情况。由此可见，污水监测已成为政府禁毒部门制定政策的重要依据。目前，瑞士、挪威、意大利、英国、澳大利亚等国家均在推广与应用该项技术。

我国的污水毒品监测技术研究始于国际间学者的合作。2014年，北京大学环境学院首次在Science of the Total Environment杂志上报道了我国北京、上海、广州和深圳四大城市的毒品消耗情况。随后，公安部国家禁毒情报技术中心、中国药科大学、大连海事大学和司法鉴定科学研究院等单位均加入了此项研究。2019年，公安部积极推广城市污水监测在毒情监测评估中的应用。自2020年起，国家禁毒委员会办公室（以下简称“国家禁毒办”）已将城市生活污水毒品监测结果全面应用于对“全国禁毒示范城市”创建工作成效的重要评估内容之一。

污水毒品监测主要包括样品采集、样品前处理、仪器分析和毒品消耗量推算等过程，除了样品采集外，其他过程均在实验室内完成，相关研究成果也已在国内专业杂志上有较多综述。笔者结合WBE技术的研发与实践经验，探讨目前该项技术在我国推广与应用中面临的挑战，并对未来的研究方向进行展望，以期促进国内同行更多地关注与WBE技术相关的科学问题。

2 挑战

2.1 污水监测实验室的专业性

污水监测技术是环境、药学、毒物、数据分析和缉毒等多学科交叉的成果，哪些实验室适合该项工作呢？文献资料显示，污水中毒品监测除了与环境相关的实验室外，许多大学的法庭科学或犯罪学实验室、独立的司法鉴定机构中均有开展此项研究。自2010年起，Forensic Science International杂志上陆续发表了污水中毒品监测的研究。2018年，芬兰国家卫生和福利研究所（National Institute for Health and Welfare）的法医毒物室甘纳（Gunnar）博士在国际法医毒物学家协会（TIAFT）年会上作了《Wastewater-based epidemiology complements traditional information on illicit drug use》的报告。2019年，Forensic Sciences Research杂志亦刊登了来自澳洲悉尼科技大学法庭科学中心、瑞士洛桑大学法庭科学中心、比利时安特卫普大学毒物中心、美国纽约城市大学约翰杰刑事司法学院等学者的污水监测研究。

有着毒品相关检测经历的实验室在承担污水监测项目时具有明显优势，主要表现在以下几个方面：（1）该技术是针对毒品的，这类实验室对于毒品相关标准品的获取、保存与使用有着严格的规范程序。（2）该项技术时效性非常强，需要随着当前市场上吸毒人员不断变化的流行性特点来监测目标物。（3）毒品检测实验室更能够发现实验中的异常情况。比如，曾有很多禁毒同行询问为何收到的本地污水监测报告中显示甲卡西酮阳性，而在侦查过程中并未发现任何线索？对此，了解当前流行性特点的实验室可能会思考出现异常的原因，以及是否存在其他来源产生的可能性。事实上，国外已有研究表明，常见的次氯酸和过氧化氢（俗称“双氧水”）等家用氧化剂均可使污水中的伪麻黄碱氧化成甲卡西酮。（4）由于该项技术的数据结果可能成为禁毒成效的考核指标，因此其分析结果的严谨性、可靠性等同于法医毒物鉴定的定性、定量要求。实验室开展此项目时需要进行完善的方法验证，以保证定性、定量结果的准确性，特别是要谨防假阳性结果。（5）该项技术不仅限于对污水中毒品及其代谢物进行测定，还需要基于药代动力学进行研究与建模，并结合当地查获毒品的方式、毒品的吸食方式等内容不断修正推算模型。（6）由于污水样品可反映人群生存状况而备受关注，需要注意样品的生物安全性、隐私性等特征，虽然欧美国家、澳大利亚等开展此项技术研究较为普遍，但是也有像日本等国家持有谨慎态度。笔者认为，开展该项技术的实验室应严格控制数量、规模，并保证污水样品及其检测结果的保密性。

2.2 实验室结果的准确性与可比性

当前，污水监测已在全国普遍开展，许多禁毒部门直接将结果作为缉毒成效的考核指标，故实验室结果的准确性尤为重要。国家禁毒情报中心虽然通过在全国范围内的检测机构实验室间进行比对，筛选出较为合格的检测机构。但在实施过程中，无论是采样环节还是实验室检测环节均存在层次、水平参差不齐的现状，如何规范整个流程，以保证实验室间数据结果的可靠性、可比性是需要关注的重要问题。笔者所在实验室在上海市禁毒委员会办公室、上海市司法鉴定协会的支持下，于2021年推出团体标准《生活污水采样及常见毒品监测技术规范》（T/SHSFJD 0001—2021），可在一定程度上保障检测质量，但在实施过程中仅据此技术规范仍然是不够的。

污水监测可获得监测区域内各采样点在地理、时间上的变化规律，即可进行同一时间、不同采样点间毒品消耗量的高低比较；针对同一采样点，观察不同时间点（年、季度、月、周、节假日、重要活动等）毒品消耗量的变化。但这些变化规律的准确度受许多因素的影响，除了采样点的选择、样品的代表性、可靠性以及推算模型的准确度外，污水中毒品的准确测定是关键环节，对实验室技术能力要求非常高。通常污水中毒品的质量浓度在ng/L水平，而目前实验室的极限能力也与该水平相当。因此，不同实验室即使在完全合规的操作下，该痕量污水的检测在实验室间依然存在较大误差，这种误差甚至可能超过污水中毒品本身的质量浓度，可能导致采样点间毒品消耗量的高低颠倒。应对这一难题的有效策略是将污水样品集中送检，一个省/市、区域内的样品集中由同一实验室完成，经过同一实验室的批处理测定，即使获得的样品质量浓度不是真实值，但不同样品之间仍可进行比较，其高低变化趋势不受影响，这样才可基于此项技术进行禁毒成效的考核。

2.3 监测目标物

近年来，新精神活性物质（New Psychoactive Substances，NPS）以惊人的速度在全球蔓延扩散。我国政府也高度重视NPS的管制工作，于2021年7月1日起将整类合成大麻素类物质和氟胺酮等18类物质列管。NPS种类多、变化快，针对目前禁毒新形势、新任务下存在的现实需求，亟须研发易于推广、涵盖目标物范围广、快速简便、高通量与评估精细污水中包括新列管毒品的分析监测技术，以及时掌握毒情。疫情过后，不法分子可能会制造毒品以追求巨额利润，为了更有效地发挥污水监测效能，易制毒类物质也应纳入监测目标物范围。

目前，污水中NPS分析研究甚少，在生活污水环境中的稳定性尚未可知。生活污水环境被认为是一个生物和化学反应器，下水道内的氧浓度、pH值、温度、流速和沉积物等均可能对NPS稳定性造成影响。同时，各种新列管毒品的毒理学数据未知、其进入体内的生物转化以及排出率不明确，缺乏用于生活污水分析的目标物以及进行反推毒品消耗量的校正因子，无法实现毒情的准确评估。

3 展望

污水毒品监测以其便捷、客观和实时监测等优势已在禁毒领域显现出较大潜力，不断涌现的新技术为污水监测发展提供了新方向。比如，新型固相萃取材料、中空纤维液相微萃取（Hollow-Fibers Liquid Phase Microextraction，HF-LPME）等新技术可在基质复杂、含量甚微的污水监测中发挥作用。目前，污水监测多采用固相萃取（Solid Phase Ex-traction，SPE）等前处理方法，这些方法虽然可有效去除污水中杂质干扰，但是过程繁琐、费时。近年来，新型固相萃取材料被广泛应用于污水中药物和个人护理用品检测的前处理，其具有较大的表面积和优异的吸附性能，可用于生物体液样品和废水中酸性、碱性、两性药物的共萃取，且耗时短，加快了样品的制备过程。污水中杂质干扰多，且目标分析物的含量低，研发新型固相萃取材料等技术可有效简化样品前处理步骤、去除污水中杂质干扰，并对目标毒品分子进行富集使其满足仪器的检出限。如WANG等研制不同的磁性纳米材料分别吸附污水中的抗生素、农药等，使得样品前处理、萃取时间明显减少。HF-LPME具有操作简单、快速、高富集倍数等优点，可与复杂的污水基质分离。华中科技大学同济医学院的黄垂秀教授研究团队开发的HF-LPME方法可同时检测污水中甲基苯丙胺、氯胺酮和芬太尼等6种毒品，最低检出限为0.3~8.7 ng/L。

为提高污水监测的能力，不仅需要不断扩大已知目标物的筛选范围，而且还需借助高分辨质谱技术（High Resolution Mass Spectrometry，HRMS）来增强未知物的鉴别能力。近年来，物质滥用呈现种类繁多、不断变换的特征，已建立的定性、定量分析方法难以俘获不断变化以及新出现的滥用物质。HRMS可在全扫描范围内高速、循环地对每个窗口中的所有离子进行选择、碎裂及检测，从而无遗漏、无差异地获得样本中所有离子的全部碎片信息，并且HRMS不仅能提供目标物可能的结构信息，还可对预测代谢物的生物转化类型、区分同质量数代谢产物等发挥一定的作用。如JES等利用HRMS进行未知物筛查，发现1 207个疑似工业来源化合物，最后确认54个。笔者团队利用SPE对污水样品进行前处理，采用超高液相色谱-高分辨质谱法从实际污水样品中发现吗啡、可待因、哌替啶、曲马多、甲基苯丙胺、地西泮、去甲西泮、艾司唑仑、阿普唑仑等多种滥用物质。

如何实现污水监测的“快、精、准”，除了污水中毒品测定的准确性，毒品消耗量推算的科学性、准确性同等重要。近年来，人工智能技术的发展给大数据的处理带来了契机，为识别、处理大量数据信息提供了有效解决方案。其中，人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）是对人脑神经元信息处理活动的模拟，是一种具有分布式并行信息处理的特征抽象数学模型，是大量简单神经元广泛相连而成的一个自适应动力系统。ANN能够通过对已知数据的训练，避免某些中间过程对结果带来影响，目前已广泛应用于判别分类、复杂非线性预测评价、数据处理等方面。在与禁毒部门的通力合作下，综合分析毒品种类及其分布特点，使用不断开展的污水监测、缉毒、吸毒人员等数据，构建ANN预测模型并不断修正。

污水毒品监测技术是一项客观、实时、有效的毒情研判新技术。针对目前禁毒新形势、新任务下存在的现实需求和技术难题，亟须研发易于推广、快速检测、预警准确与评估精细的污水中包括新列管毒品的分析监测技术，本期将报道“污水中毒品监测”的专题研讨，希望通过大家的分享、交流，推进污水毒品监测在我国的发展。