喹诺酮类抗生素的检测和吸附处理研究进展

苏 丹,明银安,陈 琳,李 阳,文志潘,王营茹

(武汉工程大学化学与环境工程学院,湖北武汉 430074)

抗生素是指由微生物或高等动植物产生的次级代谢产物以及人工合成或半合成的化合物[1],主要包括喹诺酮类、四环素类、β-内酰胺类、大环内酯类和磺胺类等。近年来我国多地江河湖泊已检测出抗生素,其中喹诺酮类是水环境中主要的抗生素类污染物之一[2]。喹诺酮类抗生素是具有氨基苯磺酰胺结构物质的总称,是近年来迅速发展的一类广谱性抗生素,大部分由人工合成,目前已发展到第四代。喹诺酮类抗生素主要分为两类(表1列出了常见的几种喹诺酮类抗生素性质):一类为萘吡啶类化合物,该类化合物保留了萘啶酸结构;另一类为氟喹诺酮类化合物。由于喹诺酮类药物具有抗菌谱广、抗菌活性好和生物利用度高的优点,已被广泛应用于人体和兽医学。然而,过度使用和滥用抗生素,使这些抗生素的残留成为一个重大的环境和公共卫生问题。因此,对喹诺酮类抗生素的残留检测和去除就显得至关重要。

表1 常见喹诺酮类抗生素性质Tab.1 Properties of Common Quinolone Antibiotics

目前抗生素废水的处理方法有生物处理法、高级氧化法、物理化处理法。高级氧化法[3]有臭氧氧化技术、Fenton氧化技术、光催化氧化、湿式氧化、电化学氧化法和超声氧化技术,物理化处理法有吸附法、膜处理和混凝法[4]。其中,吸附法去除抗生素具有出水稳定、经济高效等特点,因此,其被广泛应用于抗生素废水的处理。

本文主要综述了喹诺酮类抗生素的检测方法和常用吸附材料,为吸附法去除喹诺酮类抗生素的研究提供理论依据。

1 喹诺酮类抗生素检测方法

喹诺酮类抗生素样品在检测前通常会进行前处理,常用的前处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,固相萃取法广泛应用于各种检测,液相微萃取法和固相微萃取法使用时设备可与检测器连接,实现在线处理样品。经前处理的样品可用电化学法、微生物抑制法、酶联免疫吸附法(ELISA)、薄层色谱法、荧光偏振免疫分析法、高效毛细管电泳法、高效液相色谱法(HPLC)、液相色谱-串联质谱法(MS/MS)、液相色谱-四极杆飞行时间质谱法[5]进行检测。目前,常用的检测方法有HPLC、液相色谱-MS/MS法、ELISA以及紫外可见光分光光度法(UV-Vis)。表2列出了常用检测方法的优缺点及检出限。

1.1 色谱及联用法

1.1.1 HPLC检测法

HPLC是利用高压输液系统,将具有不同极性的液体流动相用高压泵打入装有固定相的色谱柱,流动相的各成分在色谱柱内被分离出来以后,进入检测器进行检测[6]。常见的检测器有紫外检测器、荧光检测器等。

Johnson等[7]在3种不同的HPLC固定相上优化了11种喹诺酮类抗生素的分离,并对每种方法的性能进行了评估和比较,发现硅胶固定相比聚合物相色谱效果更好。由于用HPLC检测选择性不强,对于某些抗生素灵敏度不高,不能实现快速、准确分析的目的。Wu等[8]建立了一种简单的HPLC检测CIP的方法,在样品前处理过程中不采用任何提取过程,不使用任何缓冲溶液和离子对试剂作为流动相,只采用2%含水乙酸和乙腈两种溶剂,即可用紫外检测器准确测定人血浆或药物制剂中CIP的含量。该方法已成功应用于一名服用500 mg CIP片剂的志愿者的药动学研究。此外,钱卓真等[9]建立了水产品中6种喹诺酮类药物残留的HPLC检测方法,用荧光检测器(FD)检测即可确定含量,该方法简便、快速、精密度高、重现性好、方法的检出限和定量下限低,能满足我国现行兽药残留检测分析的要求,可用于水产品中CIP、ENR、OFL、NOR、NAL等药物残留的检测。

1.1.2 液质联用检测法

HPLC-MS/MS具有准确度高、重现性好等优势,已成为喹诺酮类药物测定的主要检测方法。李佩佩等[10]用超高效液相色谱-MS/MS(UPLC-MS/MS)同时检测水产品中14种喹诺酮类药物,样品前处理简单,易于操作,显著缩短了色谱分析时间,结果灵敏度高,准确可靠。Lombardo-Agai等[11]建立了环境水样中19种喹诺酮类药物的UPLC-MS/MS分析方法,采用液液萃取和盐析相分离的样品处理方法,实现了快速、简单的提取,实现了多残留分析。该方法已在某山区环境井水样品中得到验证。该法检出限在10～90 ng/L,相对标准偏差小于16.5%,加标回收率大于73%。此外,还对不同来源(山区、沿海地区和灌溉区)的井水进行了评价,得到了相似的结果。

1.2 ELISA

ELISA是利用酶标记抗原或抗体以检测相应抗原或抗体的一种免疫学标记技术。ELISA具有干扰性小、灵敏度高、操作快捷、污染小、安全性高等特点[12],但在合成半抗原和免疫反应平衡上仍需要花费大量时间,且目标物和与抗体结合的目标物分离过程复杂,这会影响免疫分析的广泛应用。

杨熠等[13]为了检测动物源性食品中ENR残留量,评估基于卵黄抗体的间接竞争ELISA检测ENR的可行性,采用紫外光谱法及蛋白电泳法鉴定,用活性脂法将ENR同卵清蛋白偶联制备免疫原和包被抗原偶联,结果均证明人工抗原偶联成功。这说明制备的抗ENR卵黄抗体检测动物源性食品中ENR的残留免疫方法是可行的。Tufa等[14]开发并验证了用于分析动物饲料中氟喹诺酮类残留的ELISA。采用优化的ELISA测定ENR,半数抑制质量分数为15.2 ng/g,检出限为1.3 ng/g,判定限为10 ng/g,检测能力为20 ng/g。采用优化后的ELISA,8种氟喹诺酮类药物的交叉反应性均达到了42%。总的来说,ELISA能够对动物饲料中氟喹诺酮类药物残留进行快速、灵敏、低成本的筛选分析。

1.3 UV-Vis法

UV-Vis法允许使用少量样品测定低浓度的化合物,是一种简单、灵敏、可靠和低成本的检测方法[15]。林勇等[16]经过多次检测试验并结合相关标准和资料提出应用紫外分光光度计检测喹诺酮类药物的方法,此法具有方便、快捷和比较准确的特点。张慧等[17]采用UV-Vis测定OFL含量的结果和用HPLC测定的结果基本一致,但用UV-Vis法测定NOR操作更加简便、用时更少、成本更加低廉。Zhou等[18]为了寻求比HPLC更加简单且经济的方法,用紫外可见分光光度计在280 nm处分析CIP洗脱液,发现CIP的回收率为99.4%±11.8%,为模拟CIP废水的检测提供了一种快速、经济的替代分析方法,检出限为10 μg/L。

2 用于吸附处理喹诺酮类抗生素的材料

2.1 碳基材料

活性炭、石墨烯等都可用于喹诺酮类抗生素的吸附[19],其中活性炭作为一种简易高效的吸附材料,在吸附去除水环境中的抗生素中得到了广泛的关注和深入的研究。付浩[20]选取F-400活性炭作为4种常见喹诺酮类抗生素的吸附去除材料,通过试验评价认为粉末活性炭投加去除的方式是高效、可控的优化工艺。除了常用的活性炭,还可以通过各种方法把生物质制成碳基材料,碳基材料中高的比表面积、发达的孔径结构以及表面官能团羧基、羟基和羰基的存在是促进废水中喹诺酮类抗生素吸附的主要原因。张婷婷等[21]通过水蒸气活化法把玉米芯制备成玉米芯基活性炭,并将其用于处理难降解的CIP废水,结果表明,玉米芯基活性炭对CIP废水具有较好的吸附效果。该方法通过以废治废,不仅实现资源综合利用,还探索出有效、低成本的抗生素废水处理技术。

表2 常用检测方法的优缺点及检出限Tab.2 Advantages and Disadvantages and Detection Limits of Common Determination Methods

不同类型碳基材料吸附处理喹诺酮类抗生素效果如表3所示。

表3 碳基材料对喹诺酮抗生素的吸附效果Tab.3 Adsorption Effect of Carbon-Based Materials on Quinolone Antibiotics

2.2 生物质材料

生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括农作物废弃物、林业生物质、水生植物、城市生活垃圾等[29]。自然界中大部分生物质会自然降解或人工分解,不仅浪费了大量资源,还造成了一定的环境污染。若能将农林废弃物等生物质变废为宝,通过物理、化学等方法将其制备成性能优良的吸附材料,用以去除环境介质中的污染物,无疑对环境保护、资源综合利用等具有重大而积极的意义。一方面,生物质可作为生物炭制备的前驱物材料;另一方面,生物质中富含纤维素及木质素,可从农林废弃物等生物质中提取纤维素及木质素用作廉价的吸附剂,除此之外,还可以通过酸、碱及强氧化剂改性提高其吸附性能。

赵哲等[30]采用NaOH改性荷叶,研究其对水体中CIP的吸附性能。结果表明,吸附平衡数据符合Langmuir和Koble-Corrigan等温模型,298 K时改性荷叶对CIP的最大吸附量可达194.75 mg/g。改性荷叶对CIP的吸附是自发的吸热过程,氢键、阳离子交换和静电作用为影响吸附的主要因素。张依含等[31]在玉米苞叶上负载金属锆得到含锆生物炭,并用其处理水体中4种喹诺酮类抗生素(吡哌酸、盐酸二氟沙星、盐酸洛美沙星和奥比沙星)。通过吸附等温试验、动力学试验考察各种喹诺酮类药物的吸附特性,结果发现,锆生物炭对4种喹诺酮类抗生素均具有优异的吸附能力。

不同类型生物质材料吸附处理喹诺酮类抗生素效果如表4所示。

表4 生物质材料对喹诺酮类抗生素的吸附效果Tab.4 Adsorption Effect of Biomass Materials on Quinolone Antibiotics

2.3 矿物材料

天然黏土矿物具有比表面积较大、物理化学性质稳定、我国储量丰富和价格低廉的特点,因此,常被作为吸附剂用于环境污染治理。高岭土黏土矿物的层状结构使其具有良好的吸附性能和离子交换性能,是一类优质廉价吸附剂。除此之外,蒙脱石、累托石等都可以用于喹诺酮类抗生素的吸附去除。高鹏等[36]开展了高岭土对喹诺酮类抗生素吸附特性的初步研究,采用静态吸附试验,对两种喹诺酮类抗生素进行吸附处理。结果表明,高岭土对NOR和CIP的吸附过程均符合二级反应动力学方程,吸附速率常数分别为0.021 kg/(mg·h) 和0.156 kg/(mg·h) 。Wu等[37]提出高岭石和蒙脱土对CIP的解吸效果受pH的影响较大,CIP从高岭石和蒙脱石黏土矿物的解吸等温线符合Langmuir方程。

不同类型矿物材料吸附处理喹诺酮类抗生素效果如表5所示。

表5 矿物材料对喹诺酮类抗生素的吸附效果Tab.5 Adsorption Effect of Mineral Materials on Quinolone Antibiotics

2.4 金属基材料

金属阳离子如银、锌、镉、镁、铁和铜等可以与喹诺酮类抗生素4位置的羰基和3位置的羧基发生螯合作用[43]。基于这种螯合作用,金属基材料也被作为吸附材料,用于去除水环境中的喹诺酮类抗生素。目前研究的金属基材料有单、双金属纳米材料及金属基复合纳米材料。Zheng等[44]通过TiO2与NaOH反应,成功制备了长TiO2纳米管(TNs)用于吸附处理CIP,试验结果表明,TNs对CIP的最大吸附量为26.38 mg/g。Dhiman等[35]用氧化锌纳米材料吸附处理盐酸CIP,试验结果表明,氧化锌纳米材料对盐酸CIP的最大吸附量为8.30 mg/g,吸附等温线符合符合Freundlich、Langmuir和Temkin方程。

不同类型金属基材料吸附处理喹诺酮类抗生素效果如表6所示。

表6 金属基材料对喹诺酮类抗生素的吸附效果Tab.6 Adsorption Effect of Metal Based Materials on Quinolone Antibiotics

通过以上4类吸附材料吸附效果的对比,课题组选择了3类材料用于CIP的吸附处理,结果表明不同材料对于CIP废水的吸附效果不同,其中累托石对于CIP的吸附效果相对较好。

3 结语

(1)UV-Vis法比色谱及联用法操作更加简便、用时最少、成本更加低廉;ELISA法在环境样品中喹诺酮类抗生素的快速筛查和在线监测方面应用比较广泛,但由于抗体本身存在缺陷,无法广泛应用于样品检测。因此,对于喹诺酮类抗生素药物的检测,UV-Vis法对于单一抗生素的检测具有更好的应用前景。

(2)吸附处理水中喹诺酮类抗生素常见的材料有碳基材料、矿物材料、生物质材料和金属基材料等。其中,生物质材料通常会用植物秸秆或者茎叶作为吸附材料的前驱体,然后通过不同方法修饰制得所需吸附材料。碳基材料可用天然生物质材料高温焙烧制得,活性炭是目前实际工艺中比较常用的碳基吸附材料。相比之下生物质材料价廉易得,且可实现资源化综合利用,因此,生物质材料的应用前景广阔。

(3)不同吸附材料对同一抗生素的吸附性能不同,同一吸附材料对不同抗生素的吸附性能也不同。因此,为提高水环境介质中的喹诺酮类抗生素去除效率,应根据水体污染程度以及水体净化需求选择合适的吸附材料。除此之外,还可以将吸附材料改性或分级使用,在实际水处理过程中还可以联合其他工艺处理喹诺酮类抗生素废水。