在线固相萃取LC-MS/MS同步检测废水与生物固体中氟喹诺酮类抗生素及三氯生/三氯卡班的分析方法开发与环境风险评估

《Heliyon》：Quantification of fluoroquinolones, triclosan and triclocarban in wastewater and biosolids by on-line solid-phase extraction LC-MS/MS

本研究针对循环经济背景下农业回用污水处理厂副产物（生物固体）导致的"粪便-农田"污染物迁移路径，开发了在线SPE-UHPLC-MS/MS方法，实现了废水和生物固体中31种氟喹诺酮类抗生素(FQs)及三氯生(TCS)/三氯卡班(TCC)的高灵敏度同步检测。方法验证显示LOD较文献提升3-400倍，在12个加拿大污水处理厂样本中检出FQs浓度962-4408 μg/kg，TCS 1945-10237 μg/kg，TCC 338-1290 μg/kg，揭示了抗生素污染水平远超最小抑制浓度(MIC)，对土壤微生物群落和农业安全构成潜在威胁。

　　

在全球抗击抗菌药物耐药性(AMR)的战役中，一个隐蔽的污染通道正在悄然形成——"粪便-农田"路径。随着循环经济理念的推广，将污水处理厂副产品作为肥料回用于农田的做法日益普及，这本是资源再利用的良好实践，却意外成为了人类消费的药品重返农业土壤的"特洛伊木马"。更令人担忧的是，COVID-19危机让公众意识到了超级细菌的威胁，而临床研究表明，40%的COVID-19相关死亡可归因于抗生素耐药性继发感染。这场沉默的危机正在全球造成严重后果，包括住院时间延长、生产力损失、贫困加剧，预计到2050年将导致高达100万亿美元的经济损失。

在这场危机中，氟喹诺酮类抗生素(FQs)作为世界卫生组织列出的基本药物，其耐药性被列为关键级别。这类抗生素在现代医学中地位重要，广泛用于治疗耐药性尿路感染和呼吸道感染。与此同时，三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)作为常见的抗菌剂，存在于从化妆品、肥皂到纺织品、医疗器械等众多产品中。这些持久性卤代污染物具有亲脂性和生物累积性，已在人体血液和母乳中检测到痕迹。

面对这一严峻挑战，由蒙特利尔大学Zahra Hassan领衔的研究团队在《Heliyon》上发表了重要研究成果，开发了创新的分析方法来量化这些污染物在环境中的分布情况，为评估其潜在风险提供了科学依据。

研究方法的核心是开发两种基于在线固相萃取(SPE)与超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)联用的分析方法。针对废水样品，研究人员优化了直接进样技术，仅需过滤和微稀释步骤即可分析；而对于复杂的生物固体样品，则结合超声辅助萃取(UAE)技术进行前处理。方法在线性范围（10-5000 ng/L和0.6-1000 μg/kg）、精密度（多数RSD<3%）和灵敏度方面均表现出色，特别在检测限(LOD)方面较现有方法有显著提升。

3.1. 色谱条件优化

通过系统优化色谱分离参数，研究人员成功将分析运行时间缩短至15分钟，同时实现了33种目标化合物的有效分离。关键优化包括使用乙腈/甲醇混合溶剂作为有机改性剂，添加氟化铵(NH₄F)增强质谱信号强度，以及优化梯度洗脱程序。这些优化显著提高了方法的选择性和分析效率。

3.2. 超声辅助萃取优化

针对生物固体这一复杂基质，研究团队通过减少样品用量至100毫克，并优化萃取溶剂组成、离子改性剂类型和pH值，建立了高效的萃取方法，有效降低了基质干扰，提高了回收率。

3.3. 净化步骤优化

采用伯仲胺(PSA)分散吸附剂进行净化处理，通过优化吸附剂用量和重构体积，显著降低了样品中的干扰物质，提高了色谱分离效果。

3.4. 方法验证

按照ICH Q2(R1)指南进行的全面方法验证表明，所开发的方法在各自的基质中均表现出优异的性能。特别值得注意的是，该方法对氟喹诺酮类化合物的检测限达到0.2-10 μg/kg，比文献报道的方法灵敏度提高了3-400倍，为环境样品中痕量抗生素的准确检测提供了可靠工具。

3.5. 方法应用

3.5.1. 生物固体样品分析

对12个加拿大污水处理厂的生物固体样品分析发现，所有样品均含有可定量浓度的氟喹诺酮类抗生素和抗菌剂。在31种目标氟喹诺酮类化合物中，有6种被检测到可定量浓度，其中环丙沙星(357-2177 μg/kg)含量最高，占总量37-61%，左氧氟沙星(88-1241 μg/kg)和莫西沙星(98-919 μg/kg)次之。特别值得注意的是，三氯生和三氯卡班的浓度显著高于抗生素，中位浓度分别为3223 μg/kg和578 μg/kg，是氟喹诺酮类总和中位浓度(2366 μg/kg)的5-10倍。

统计分析显示，不同生物固体样品中目标化合物的变异系数(CV)为37-65%，表明各处理厂之间的浓度存在显著差异。更重要的是，研究未发现处理水平或生物固体分级(A级或B级)与最终产品中抗菌剂和抗生素浓度之间存在相关性。这一发现对当前基于传统参数的质量分级体系提出了挑战，表明需要引入污染物浓度作为新的评价指标。

3.5.2. 废水样品分析

废水样品分析结果显示，氟喹诺酮类抗生素的总浓度范围为11.8-73.3 ng/L，远低于其在生物固体中的浓度，这与这类化合物因化学结构而对有机物具有高吸附性相关。三氯卡班在所有废水样品（包括进水和出水）中均被检测到，而三氯生仅在进水样品中被定量检测。

有趣的是，研究观察到在两个污水处理厂中，出水中总氟喹诺酮类浓度反而比进水增加了42%，而其他多数处理厂则显示出平均56%的去除率。这种差异可能与不同污水处理条件下污染物的吸附-解吸行为有关，表明污水处理过程对抗生素的去除效果具有复杂性，不能简单认为处理级别越高去除效果越好。

从微生物学角度分析，所有样品中检测到的抗生素浓度均超过了最小抑制浓度(MIC)，有些甚至达到了最小选择浓度(MSC)范围。这意味着使用受污染的废水进行灌溉可能导致土壤微生物群产生选择性耐药性，而含有抗生素的生物固体施用于农田后，可能对土壤微生物群落产生不利影响，改变土壤肥力，并增加污染物被植物吸收的风险。

与全球数据比较显示，加拿大污水处理厂出水中的氟喹诺酮类污染水平处于相对较低水平，这可能与加拿大对抗生素处方的严格监管有关。然而，三氯生和三氯卡班的污染水平与国际报道相当，表明个人护理产品的广泛使用是这些污染物的重要来源。

本研究填补了加拿大环境中抗生素存在和浓度数据的知识空白，为评估污水处理厂副产品农业回用带来的抗生素污染风险提供了重要依据。研究方法在灵敏度、分析速度和多组分同步检测方面的优势，为环境监测提供了强大工具。研究结果强调，需要建立更加全面的风险评估体系，将微量污染物纳入生物固体质量评价标准，并加强对"粪便-农田"路径的监管，以应对抗菌药物耐药性这一全球性挑战。