Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

PHẠM THỊ THANH YÊN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ DƯ LƯỢNG MỘT SỐ CHẤT KHÁNG SINH TRONG NƯỚC VÀ ĐỘNG VẬT

THỦY SINH TRONG MỘT SỐ HỒ HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

Phạm Thị Thanh Yên

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ DƯ LƯỢNG MỘT SỐ CHẤT KHÁNG SINH TRONG NƯỚC VÀ ĐỘNG VẬT

THỦY SINH TRONG MỘT SỐ HỒ HÀ NỘI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 62520320

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS Huỳnh Trung Hải

2 PGS.TS Nguyễn Quang Trung

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Huỳnh Trung Hải và PGS.TS Nguyễn Quang Trung Các số liệu, kết quả được nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được cá nhân hay tổ chức khoa học nào công bố trên bất kỳ công trình nào khác trong và ngoài nước

Hà Nội, ngày …… tháng …… Năm 2017

Giáo viên hướng dẫn I

GS.TS Huỳnh Trung Hải

Giáo viên hướng dẫn II

PGS.TS Nguyễn Quang Trung

Tác giả

Phạm Thị Thanh Yên

Lời cảm ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn GS.TS Huỳnh Trung Hải, PGS.TS

Nguyễn Quang Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp nhiều ý kiến trong quá

trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Thanh Thảo, anh chị em tại phòng Độc Chất Học Môi Trường – Viện Công Nghệ Môi Trường – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện và giúp đỡ về trang thiết bị, chuyên môn kỹ thuật trong quá

trình thực hiện các nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Phương Thảo đã hướng dẫn và đưa ra

những ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, các phòng ban, khoa Công nghệ Hóa trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và động viên tôi trong

quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới người thân trong gia đình, bạn bè đã luôn động

viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017

Phạm Thị Thanh Yên

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ VIII MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1.Tổng quan về thuốc kháng sinh 3

1.1.2 Thuốc kháng sinh họ sulfornamides và trimethoprim 3

1.1.3 Thuốc kháng sinh họ quinolones 6

1.2 Tổng quan về hồ Hà Nội và động vật thủy sinh 9

1.2.1 Tổng quan về năm hồ Hà Nội 9

1.2.2 Động vật thủy sinh 10

1.3 Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh 11

1.3.1 Hiện trạng sử dụng kháng thuốc sinh trên thế giới 11

1.3.1.1 Kháng sinh sử dụng cho người 11

1.3.1.2 Kháng sinh sử dụng trong nông nghiệp 12

1.3.2 Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh ở Việt Nam 13

1.3.2.1 Kháng sinh dùng trong điều trị bệnh ở người 13

1.3.2.2 Kháng sinh sử dụng trong nông nghiệp 14

1.4 Ô nhiễm thuốc kháng sinh và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái 15

1.4.1 Thuốc kháng sinh trong môi trường 15

1.4.1.1 Kháng sinh trong môi trường nước 16

1.4.1.2 Sự tích tụ kháng sinh trong sinh vật, trong đất và trầm tích 16

1.4.2 Ảnh hưởng của kháng sinh trong môi trường 18

1.5 Đánh giá nguy hại môi trường 19

1.5.1 Tích lũy sinh học 19

1.5.2 Độc tính sinh học và thương số nguy hại 20

1.6 Các phương pháp loại bỏ kháng sinh 23

1.7 Phân tích kháng sinh 24

1.7.1 Kỹ thuật xử lý mẫu 24

1.7.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh 25

1.7.2.1 Phương pháp ELISA 25

1.7.2.2 Phương pháp von - ampe 26

1.7.2.3 Phương pháp điện di mao quản (CE) 26

1.7.2.4 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 27

1.7.2.5 Phương pháp sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS/MS) 28

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.2 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 31

2.2.1 Hóa chất 31

2.2.2 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 32

2.3 Lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu 32

2.4 Tối ưu hóa quy trình phân tích đồng thời kháng sinh quinolones, sulfonamides và trimethoprim trong nước, trầm tích và cá rô phi 35

2.4.1 Khảo sát điều kiện tối ưu cho sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS/MS) 35

2.4.2 Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu nước xác định đồng thời các kháng sinh 38

2.4.3 Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu trầm tích xác định đồng thời các kháng sinh 39

2.4.4 Tối ưu hóa quy trình xử lý mẫu cá rô phi xác định đồng thời các kháng sinh 40

2.5 Hàm lượng và sự phân bố kháng sinh quinolones, sulfonamides và trimethoprim trong các hồ của Hà Nội 41

2.6 Đánh giá sự nguy hại của kháng sinh 42

2.6.1 Xác định hệ số tích tụ kháng sinh trong trầm tích và động vật thủy sinh của hồ Hà Nội 42

2.6.2 Ảnh hưởng của kháng sinh tới quần thể sinh vật 42

2.7 Thẩm định phương pháp 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

3.1 Tối ưu hóa quy trình phân tích kháng sinh quinolones, sulfonamides và trimethoprim trong nước, trầm tích và cá 45

3.1.1 Khảo sát pha động sử dụng cho LC/MS/MS 45

3.1.2 Quy trình xử lý mẫu nước hồ xác định đồng thời các kháng sinh 46

3.1.2.1.Tối ưu hóa quá trình chiết 46

3.1.2.2 Thẩm định phương pháp phân tích 48

3.1.3 Quy trình xử lý mẫu trầm tích xác định đồng thời các kháng sinh 51

3.1.3.1 Tối ưu hóa quá trình chiết 51

3.1.3.2 Thẩm định phương pháp 54

3.1.4 Quy trình xử lý mẫu cá xác định đồng thời kháng sinh 57

3.1.4.1 Tối ưu hóa quá trình chiết kháng sinh 57

3.1.4.2 Thẩm định phương pháp phân tích 60

3.1.5 Kết quả phân tích mẫu đối chứng 64

3.2 Hàm lượng kháng sinh trong nước, trầm tích và động vật thủy sinh ở năm hồ của Hà Nội 65

3.2.1 Hàm lượng kháng sinh trong nước hồ 65

3.2.2 Hàm lượng kháng sinh trong trầm tích 71

3.2.3 Hàm lượng kháng sinh trong động vật thủy sinh 75

3.3 Sự phân bố nồng độ kháng sinh theo không gian và thời gian 80

3.3.1 Sự phân bố nồng độ kháng sinh trong nước hồ 80

3.3.2 Sự phân bố nồng độ kháng sinh trong trầm tích 87

3.4 Đánh giá sự nguy hại của kháng sinh 92

3.4.1 Ảnh hưởng của kháng sinh đối với quần thể sinh vật trong nước 92

3.4.2 Ảnh hưởng của kháng sinh tới quần thể sinh vật trong trầm tích 96

3.4.3 Sự tích tụ sinh học của kháng sinh trong động vật thủy sinh 97

3.5 Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm kháng sinh trong các hồ Hà Nội 99

3.5.1 Giải pháp quản lý 99

3.5.2 Giải pháp kỹ thuật 101

KẾT LUẬN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 124

PHỤ LỤC……… ….132

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 A2O Anaerobic Anoxic Oxic Công nghệ gồm 3 quá trình yếm

khí, thiết khí, hiếu khí

3 AOPs Advanced oxidation processes Phương pháp oxy hóa tiến tiến

4 BAF Bioaccumulation factor Hệ số tích lũy sinh học

5 BOD5 Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học sau 5

ngày

6 CAS Convetional Activated Sludge Công nghệ xử lý sinh học bùn hoạt

tính truyền thống dạng liên tục

7 CE Capillary electrophoresis Điện di mao quản

9 EC50 Effective concentration Nồng độ ảnh hưởng 50%

Evaluation Agency Tổ chức đánh giá y học Châu Âu

12 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học

13 FDA Food and Drug Administration Cục Quản lý Thực phẩm và Dược

tandem mass spectrometry Sắc ký lỏng hai lần khối phổ

23 LLE Liquid–liquid extraction Chiết lỏng – lỏng

24 m/z Mass to charge ratio Tỷ số giữa khối lượng trên điện

tích

25 MEC Measured environmental

concentration Nồng độ chất ô nhiễm đo được

STT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt

26 MDL Method detection limits Giới hạn phát hiện của phương

28 MSPD Matrix solid-phase dispersion Phân tán mẫu pha rắn

concentration

Nồng độ ảnh hưởng không quan sát

được

35 PEC Predicted environmental

concentration Nồng độ môi trường được dự đoán

36 PLE Pressurised liquid extraction Chiết lỏng áp cao

37 PNEC Predicted no effect

concentration

Nồng độ không gây tác động được

dự đoán

40 RSD Relative standard deviation Độ lệch chuẩn tương đối

51 USE Ultrasonic-assisted extraction Chiết siêu âm

52 U Measurement uncertainty Độ không đảm bảo đo của phương

pháp

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tính chất hóa lý của kháng sinh họ SAs và TRI 5

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp tính chất hóa lý của các kháng sinh họ quinolones 8

Bảng 1.3 Tên các cống thải và lưu lượng nước thải vào hồ Tây 9

Bảng 2.1 Diện tích,cống tiêu và thoát nước của 5 hồ Hà Nội 30

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp số mẫu lấy tại năm hồ Hà Nội 33

Bảng 2.3 Thời gian lưu, thông số khối phổ của các kháng sinh họ SAs, QNs và TRI 37

Bảng 3.1 Chế độ chạy gradien pha động đối với kháng sinh QNs, SAs và TRI 46

Bảng 3.2 Khoảng tuyến tính, phương trình đường chuẩn và hệ số tương quan của các kháng sinh SAs, TRI và QNs trên nền mẫu nước 49

Bảng 3.3 Độ thu hồi, độ lệch chuẩn tương đối, độ không đảm bảo đo của các kháng sinh trong nước 50

Bảng 3.4 Giới hạn phát hiện của phương pháp, giới hạn định lượng của phương pháp xác định kháng sinh trong nước 50

Bảng 3.5 Hiệu suất thu hồi của kháng sinh ở trạng thái mẫu trầm tích khác nhau 52

Bảng 3.6 Khoảng tuyến tính, phương trình đường chuẩn và hệ số tương quan của kháng sinh SAs, TRI và QNs trên nền trầm tích 55

Bảng 3.7 Hiệu suất thu hồi, độ lệch chuẩn tương đối, ảnh hưởng của nền mẫu, độ không đảm bảo đo của kháng sinh nghiên cứu trong trầm tích 56

Bảng 3.8 Giới hạn phát hiện của phương pháp, giới hạn định lượng của phương pháp xác định kháng sinh trong trầm tích 57

Bảng 3.9 Khảo sát dung dịch hòa tan cặn và loại bỏ chất béo 59

Bảng 3.10 Khoảng tuyến tính, phương trình đường chuẩn, bình phương hệ số tương quan và ảnh hưởng nền mẫu của các kháng sinh nghiên cứu trên nền mẫu cá 60

Bảng 3.11 Bảng tổng hợp độ thu hồi, độ lệch chuẩn tương đối, độ không đảm bảo đo của kháng sinh SAs, QNs, TRI thêm chuẩn trên nền mẫu cá trắng nồng độ 1 μg/kg; 5 μg/kg; 10 μg/kg 61

Bảng 3.12 Giới hạn phát hiện của phương pháp, giới hạn định lượng của phương pháp xác định kháng sinh trong cá 62

Bảng 3.13 Kết quả phân tích đối chứng tổng nồng độ kháng sinh trong nước, cá, trầm tích và ốc 63

Bảng 3.14 Sự chênh lệch giữa nồng độ kháng sinh NCS phân tích với nồng độ kháng sinh đo ở phòng thí nghiêm khác 64

Bảng 3.15 Bảng tổng hợp nồng độ và tần suất phát hiện kháng sinh CIP, ENR, OFL, NOR trong các hồ Hà Nội 68

Bảng 3.16 Bảng tổng hợp nồng độ kháng sinh và tần suất phát hiện SMX, STZ, SMZ, SMR, TRI trong các hồ 69

Bảng 3.18 Nồng độ kháng sinh trong trầm tích hồ Trúc Bạch 72 Bảng 3.19 Nồng độ kháng sinh trong cá rô phi, ốc của hồ Trúc Bạch 76 Bảng 3.20 Sự biến đổi nồng độ kháng sinh trong ốc theo thời gian 76 Bảng 3.21 Nồng độ kháng sinh trong cá rô phi tại hồ Ngọc Khánh, hồ Thủ lệ, hồ Yên Sở

và hồ Tây của Hà Nội 77

Bảng 3.22 Hệ số octanol - nước (KOW), hệ số hấp phụ (Kd) của các kháng sinh nghiên cứu trong trầm tích hồ Tây và hồ Trúc Bạch 87

Bảng 3.23 Nồng độ kháng sinh trong mẫu trầm tích lấy vào tháng 6 năm 2015 tại hồ Tây

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tổng lượng kháng sinh tiêu thụ ở một số quốc gia năm 2000 và 2010 12

Hình 1.2.Tổng kháng sinh sử dụng tại 15 bệnh viện Việt Nam năm 2008 14

Hình 2.1 Công thức cấu tạo của vật liệu làm cột Oasis HLB 31

Hình 2.2 Cột chiết pha rắn Water Oasis® PlusHLB 31

Hình 2.3 Cột chiết pha rắn Water Oasis HLB 6cc, 200mg 31

Hình 2.4 Thiết bị LC/MS-MS TSQ Quantum Access của hãng Thermo 32

Hình 2.5 Vị trí lấy mẫu nước ở hồ Ngọc Khánh, hồ Thủ Lệ và hồ Yên Sở 34

Hình 2.6 Vị trí lấy mẫu nước và trầm tích của hồ Tây và hồ Trúc Bạch 34

Hình 2.7 Sắc đồ khối phổ ion mẹ của kháng sinh ciprofloxacin 36

Hình 2.8 Sắc đồ khối phổ ion con của kháng sinh TRI 37

Hình 2.9 Sơ đồ xác định đồng thời kháng sinh QNs, SAs, TRI trong nước 39

Hình 2.10 Quy trình phân tích kháng sinh trong trầm tích 40

Hình 2.11 Sơ đồ xác định đồng thời kháng sinh QNs, SAs, TRI trong động vật thủy sinh 41

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn cường độ tín hiệu của kháng sinh họ QNS, SAS, TRI ở điều kiện pha động khác nhau với nồng độ chất chuẩn là 25 µg/L 45

Hình 3.2 Ảnh hưởng của thể tích mẫu chiết đến cường độ tín hiệu kháng sinh SAs, TRI 47 Hình 3.3 Ảnh hưởng của thể tích mẫu chiết đến cường độ tín hiệu kháng sinh QNs 47

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH mẫu tới hiệu suất thu hồi kháng sinh họ SAS 48

Hình 3.5 Ảnh hưởng của pH mẫu tới hiệu suất thu hồi kháng sinh họ QNS và TRI 48

Hình 3.6 Quy trình phân tích kháng sinh trong nước hồ 51

Hình 3.7 Ảnh hưởng của dung môi tới hiệu suất thu hồi kháng sinh 53

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất chiết kháng sinh SAs, TRI và QNs trong mẫu trầm tích 54

Hình 3.9 Sắc đồ phân tích kháng sinh SMX và TRI trong trầm tích nồng độ 0,5 μg/L 55

Hình 3.10 Sơ đồ phân tích đồng thời kháng sinh SAs, QNs, TRI trong trầm tích 57

Hình 3.11 Ảnh hưởng của môi trường axit tới hiệu suất thu hồi kháng sinh trong cá rô phi 58

Hình 3.12 Quy trình phân tích kháng sinh trong cá 62

Hình 3.13 Nồng độ trung vị của các kháng sinh trong trầm tích hồ Tây và hồ Trúc Bạch 73 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa nồng độ kháng sinh trong nước với trầm tích của hồ Tây 75

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa tổng nồng độ kháng sinh trong nước với trầm tích của HTB 75

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa tổng nồng độ kháng sinh trong nước và trong cá của HTL 78 Hình 3.17 Mối quan hệ giữu tổng kháng sinh trong nước với kháng sinh trong cá và ốc của HTB 79

Hình 3.18 Mối quan hệ giữu tổng kháng sinh trong trầm tích với kháng sinh trong cá và

ốc của HTB 79

Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi tổng nồng độ kháng sinh trong nước theo vị trí lấy mẫu của hồ Tây vào T9/2014, T11/2014, T3/2015 và T6/2015 80

Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi tổng nồng độ kháng sinh trong nước theo vị trí lấy mẫu của hồ Trúc Bạch vào T9/2014, T11/2014, T3/2015 và T6/2015 81

Hình 3.21 Sự biến đổi nồng độ kháng sinh theo thời gian của Hồ Tây 82

Hình 3.22 Sự biến đổi nồng độ kháng sinh theo thời gian của hồ Trúc Bạch 83

Hình 3.23 Sự biến đổi nồng độ kháng sinh theo thời gian của hồ Thủ Lệ 83

Hình 3.24 Sự biến đổi nồng độ kháng sinh theo thời gian của hồ Ngọc Khánh 83

Hình 3.25 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và nồng độ từng kháng sinh trong nước hồ Tây 84

Hình 3.26 Mối quan hệ giữa nhiệt độ với tổng nồng độ kháng sinh trong nước hồ Tây 85

Hình 3.27 Mối quan hệ giữa nồng độ các kháng sinh trong nước hồ Tây với lượng mưa 86 Hình 3.28 Sự biến đổi kháng sinh trong trầm tích hồ Tây theo thời gian 89

Hình 3.29 Sự biến đổi kháng sinh trong trầm tích hồ Trúc Bạch theo thời gian 91

Hình 3.30 Tổng nồng độ kháng sinh trong trầm tích hồ Tây và hồ Trúc Bạch 92

Hình 3.31 Thương số nguy hại trong nước của các kháng sinh ở hồ Hà Nội 95

Hình 3.32 Thương số nguy hại trong trầm tích của các kháng sinh ở hồ Tây và hồ Trúc Bạch 97

Hình 3.33 Mối quan hệ giữa logBAF trong cá rô phi và ốc với logKow của các kháng sinh ở HTB 98

Hình 3.34 Mối quan hệ giữa logBAF trong cá rô phi với logKow của các kháng sinh ở HNK 99

Hình 3.35 Sơ đồ cải tạo hệ thống xử lý nước thải đô thị của thành phố Hà Nội 102

Hình 3.36 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội 106

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Kháng sinh đóng vai trò vô cùng quan trọng, nhờ có kháng sinh mà con người đã thoát khỏi nhiều bệnh tật hiểm nghèo, còn với động vật chúng không chỉ được dùng trong phòng và điều trị bệnh tật mà còn dùng để kích thích tăng trưởng Tuy nhiên với sự hạn chế về hiểu biết và nhận thức, kháng sinh được xem là thần dược, nên con người đã sử dụng kháng sinh quá mức, với lượng tiêu thụ hàng năm trên thế giới khoảng 100.000 đến 200.000 tấn [58] Kháng sinh sau khi đi vào cơ thể người sẽ có khoảng 30 - 90% các chất được đào thải qua phân hoặc nước tiểu [161] Đối với động vật khoảng 50 - 90% lượng dùng sẽ được đào thải, trong đó thành phần thuốc ban đầu là 9 - 30% tùy thuộc vào hình thức sử dụng thuốc, tuổi và loài động vật [57] Trong môi trường tự nhiên một số kháng sinh dễ dàng bị phân hủy như penicillin, nhưng một số nhóm lại khó bị phân hủy như fluoroquinolones và tetracyclines, do đó chúng tồn tại lâu, lan truyền trong môi trường hoặc có thể được tích lũy trong sinh vật và trầm tích Nhiều nghiên cứu đã phát hiện thấy

sự có mặt của kháng sinh trong môi trường nước (nước thải, nước mặt, nước ngầm và nước uống), trong phân thải của động vật, trong đất, trong trầm tích và trong động vật thủy sinh

có những nơi nồng độ lên đến vài trăm mg/L hoặc mg/kg trọng lượng khô

Kháng sinh tồn lưu trong môi trường, thậm chí ở nồng độ thấp chưa gây ảnh hưởng tức thời tới sinh vật, nhưng sự tiếp xúc lâu dài của sinh vật với kháng sinh và các chất chuyển hóa của chúng có thể dẫn đến sự tích tụ trong các mô và gây tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến quần thể sinh vật Đặc biệt là sự tiếp xúc lâu dài với kháng sinh sẽ dẫn đến sự tiến hóa của các vi khuẩn gây bệnh và vi khuẩn thông thường, sự biến đổi di truyền

và chuyển giao kháng thuốc kháng sinh (ARGs) Đây là vấn đề được các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam quan tâm, nó đã được Tổ chức Y tế Thế giới xếp là một trong

ba mối đe dọa nghiêm trọng nhất đối với sức khoẻ cộng đồng trong thế kỷ 21 Trong số các nhóm ô nhiễm hóa học mới nổi, kháng sinh được xếp vào nhóm nguy cơ ưu tiên Sulfonamides (SAs), trimethoprim (TRI) và quinolones (QNs) là những kháng sinh phổ rộng, chúng được sử dụng phổ biến trong y học ở người, thú y và nuôi trồng thuỷ sản, nhằm mục đích ngăn ngừa hoặc điều trị nhiễm khuẩn [90, 150] Chúng được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam bởi giá thành rẻ, có khả năng chống lại một số bệnh nhiễm khuẩn thông thường và có hiệu quả cao trong việc thúc đẩy tăng trưởng ở động vật Các kháng sinh này

có thời gian bán hủy dài nên chúng đã được phát hiện thấy ở nồng độ cao trong nhiều môi trường khác nhau trên thế giới như Trung quốc, Địa Trung Hải, Ý, Việt Nam Do đó luận

án đã lựa chọn kháng sinh SAs, QNs và TRI làm đối tượng nghiên cứu

Hà Nội với mạng lưới các hồ dày đặc, chúng tạo nên cảnh quan đặc trưng của thành phố và góp phần không nhỏ trong việc điều hòa khí hậu vùng Bên cạnh đó các sông hồ Hà Nội được đánh giá là rất phong phú và đa dạng về các chủng loại sinh vật, nơi đây tập

về hồ Hà Nội năm 2015 cho thấy trong 30 hồ nghiên cứu có 6 hồ ô nhiễm rất nặng, 8 hồ ô nhiễm nặng và 11 hồ có dấu hiệu ô nhiễm [8], mà nguyên nhân chính là do các hồ thường xuyên tiếp nhận nước thải Các nguồn nước thải này gồm nước thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt và một phần nước thải chăn nuôi chưa được xử lý hoặc xử lý không triệt để nên

đã và đang là nguy cơ ô nhiễm kháng sinh trong các hồ Chính vì vậy nghiên cứu đã tiến hành đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước, trầm tích, cá rô phi đen

(Oreochromis mossambicus) và ốc nhồi (Pila polita) trong một số hồ Hà Nội

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Tối ưu hóa quy trình phân tích đồng thời ba nhóm kháng sinh quinolones, sulfonamides

và trimethoprim trong nước, trầm tích và cá rô phi

- Xác định hàm lượng kháng sinh trong nước, trầm tích, cá rô phi và ốc tại hồ Tây, hồ

Trúc Bạch, hồ Thủ Lệ, hồ Ngọc Khánh và hồ Yên Sở

- Bước đầu đánh giá sự nguy hại của kháng sinh với sinh vật trong nước, trầm tích

- Đề xuất phương pháp xử lý nước thải có chứa kháng sinh và các chất dược phẩm khác Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là hàm lượng kháng sinh SAs, QNs và TRI trong nước, trầm tích, cá rô phi và ốc tại 5 hồ của Hà Nội

- Sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường (lấy mẫu, bảo quản mẫu, khảo sát hiện trạng các hồ), trong phòng thí nghiệm (xử lý mẫu và phân tích trên sắc ký lóng hai lần khối phổ LC/MS/MS) để xác định hàm lượng kháng sinh trong nước, trầm tích, cá rô phi và ốc tại 5 hồ của Hà Nội; sử dụng phương pháp thống kê để xử lý số liệu phân tích; phương pháp kế thừa các số liệu thu thập được trong các tài liệu và các kết quả đã được nghiên cứu; phương pháp đánh giá dựa trên các số liệu thực nghiệm đo được để rút ra các kết luận

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Đã ứng dụng sắc ký lỏng hai lần khối phổ (LC/MS/MS) để phân tích hàm lượng kháng sinh họ quinolones, sulfonamides và trimethoprim

- Đánh giá được hiện trạng ô nhiễm kháng sinh trong 5 hồ Hà Nội, trên cơ sở đó xác định nguyên nhân và đề xuất một số biện pháp giảm thiểu nồng độ kháng sinh vào hồ

- Bước đầu nghiên cứu khả năng tích tụ kháng sinh trong ốc và cá rô phi qua hệ số tích lũy sinh học để đưa ra các khuyến cáo với người dân trong sử dụng ốc và cá rô ở các hồ

có nguồn nước thải vào làm thực phẩm

- Dự đoán được loại kháng sinh có nguy cơ ảnh hưởng mạnh tới quần thể sinh trong năm

hồ Hà Nội thông qua thương số nguy hại HQ

Những điểm mới của luận án

- Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam đưa ra những kết quả về ô nhiễm một số họ kháng sinh QNs, SAs, TRI trong nước, trầm tích, cá rô phi và ốc ở các hồ Hà Nội

- Đã đưa ra kết quả dự báo về mức độ ảnh hưởng của các kháng sinh QNs, SAs, TRI đối với quần thể sinh vật trong nước và trầm tích của 5 hồ Hà Nội

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.Tổng quan về thuốc kháng sinh

Kháng sinh được phát hiện đầu tiên vào năm 1928 do Alexander Flemming, sau này các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng chúng trong phòng và điều trị bệnh Năm 1942 Waksman đã đưa ra khái niệm đầu tiên về kháng sinh “Một chất kháng sinh hay một hợp chất có tính kháng sinh là một chất do các vi sinh vật sản xuất ra, có khả năng ức chế sự phát triển hoặc thậm chí tiêu diệt các vi khuẩn khác” Hiện nay kháng sinh không chỉ được chiết tách từ động vật hoặc thực vật mà còn được tổng hợp, vì vậy giới y học đã đưa ra một khái niệm kháng sinh hoàn chỉnh hơn “Thuốc kháng sinh là những chất có nguồn gốc vi sinh vật, được bán tổng hợp hoặc tổng hợp hóa học Với liều thấp có tác dụng kìm hãm hoặc tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh” [6]

Cơ chế tác động của kháng sinh là ức chế quá trình tổng hợp của vi khuẩn (vỏ); ức chế chức năng của màng tế bào; ức chế quá trình sinh tổng hợp protein; ức chế quá trình tổng hợp acid nucleic; ức chế tổng hợp acid folic (kháng chuyển hóa) [26, 85]

Có nhiều cách phân loại kháng sinh khác nhau tùy theo mục đích nghiên cứu và cách

sử dụng nhưng phổ biến hơn cả là dựa vào cấu tạo hóa học Dựa vào cấu trúc hóa học kháng sinh được chia thành 9 nhóm sau [6]: Kháng sinh -lactam; Kháng sinh aminoglycosid (gọi tắt là aminosid); Kháng sinh tetracyclin; Nhóm phenicol; Kháng sinh macrolid; Kháng sinh lincosamid; Kháng sinh peptid; Kháng sinh quinolones; Nhóm Co – trimoxazol Ở Việt Nam, trong các nhóm kháng sinh sử dụng cho người thì -lactam được

sử dụng nhiều nhất chiếm tới 87,5% tổng lượng kháng sinh kế đến là ST-mixture 5,7%, SAx và QNs là 2 họ kháng sinh tồn dư nhiều nhất trong thực phẩm [16] Trong môi trường các kháng sinh họ -lactam dễ bị phân hủy còn các kháng sinh sulfonamides, quinolones

và TRI có độ bền cao Vì vậy nghiên cứu đã lựa chọn kháng sinh TRI và một số kháng sinh

họ QNs (CIP, ENR, NOR, OFL), SAs (SMX, SMZ, STZ, SMR) để đánh giá nồng độ trong nước, trầm tích và động vật thủy sinh của các hồ Hà Nội

1.1.2 Thuốc kháng sinh họ sulfornamides và trimethoprim

Kháng sinh họ sulfonamides (SAs) là những kháng sinh nằm trong nhóm Co – trimoxazol, có tác nhân kháng khuẩn tổng hợp Các dẫn xuất của sulfanilamide không chỉ được sử dụng chủ yếu trong nuôi trồng thủy sản và chăn nuôi thâm canh mà còn được dùng để chữa bệnh cho con người Trước kia sulfonamides là một trong những họ kháng khuẩn tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới, đứng thứ hai sau kháng sinh họ tetracycline được

sử dụng trong thú y ở các nước Châu Âu với lượng tiêu thụ khoảng 11-23% [97] Hiện nay nhiều loại vi khuẩn trước đây nhạy cảm với SAs nhưng đã kháng lại thuốc và việc tìm ra những kháng sinh hiệu quả hơn đã làm giảm bớt sự hữu dụng của các sulfonamides Ở các nước phát triển sulfonamides ít được sử dụng trên người, nhưng ở các quốc gia phát triển

như Việt Nam chúng vẫn được sử dụng thường xuyên do giá thành rẻ (Macrolides là 1-3 USD/viên, trong khi sulfonamides là 2 cent/viên tại Việt Nam) [131]

Sulfonamides bài tiết ra từ người và động vật dưới dạng hóa chất ban đầu hoặc các chất chuyển hóa chủ yếu là N-acetyl hóa (với acetyl hóa xảy ra ở nhóm amin thơm) [150] Chúng cũng như các kháng sinh khác khi tồn dư trong môi trường gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng ở người như có khả năng gây dị ứng, tạo các phản ứng độc hại, sinh ra các vi khuẩn kháng thuốc hay SAs còn được dự báo là chất có nguy cơ gây ung thư [141] Cấu trúc phân tử của kháng sinh họ sulfornamides tương tự như axít p-aminobenzoic (PABA) gồm có một nhóm amin (-NH2) và một nhóm sulfonamide (-SO2NH-) [26] Do đó chúng là những chất lưỡng tính với đặc điểm của axit yếu và kiềm yếu, giá trị pKa1 trong khoảng từ 2 đến 2,5 và pKa2 từ 5 đến 8, tương ứng với nhận proton ở nhóm anilin và khử proton của nhóm sulfonylamido Như vậy SAs tích điện dương khi môi trường axit (pH

<2), trung tính khi pH từ 2 đến dưới 5, điện tích âm ở pH trên 5 [150] Tính chất của một

số kháng sinhh SAs:

Sulfathiazole (STZ) tan ít trong nước, methylen cloride, khó tan trong ethanol 96%

và chloroform, tan trong dung kiềm và dung dịch axít vô cơ loãng Nó ổn định, không tương thích với các tác nhân oxy hóa mạnh, nhạy cảm với nhiệt, không khí và ánh sáng trong thời gian lưu trữ lâu dài Ngày nay, thỉnh thoảng STZ vẫn còn được sử dụng kết hợp với sulfabenzamide và sulfacetamise để điều trị cho gia súc nhưng không còn được sử dụng trong con người

Sulfamethazine (SMZ) khó tan trong ethanol 96%, tan nhiều trong nước, aceton và dung dịch axít vô cơ loãng, độ tan tăng lên khi tăng pH Nó bị phân hủy 20% sau 180 ngày trong trầm tích [19]

Sulfamethoxazole (SMX) tan trong nước và ít tan chloroform, ethanol 96%, tan tự do trong aceton, dung dịch kiềm và axít loãng Ở các quốc gia đang phát triển nó thường được

sử dụng để điều trị bệnh ở người và khi đào thải ra bên ngoài có khoảng 15% SMX ở dạng ban đầu [29] Kháng sinh SMX tồn lưu lâu trong môi trường, có thời gian bán hủy là trên

365 ngày [146]

Sulfamerazine (SMR) là một sulfonamid thường được sử dụng trong thuốc thú y, để điều trị và ngăn ngừa bệnh truyền nhiễm như tiêu hóa và hô hấp nhiễm trùng và thúc đẩy tăng trưởng của vật nuôi và cá [85] Sulfamerazine bị hấp thụ mạnh trong tubuli thận và lượng bài tiết qua nước tiểu là rất ít, nên khả năng đào thải ra của sulfamerazine là rất chậm Vì vậy các nghiên cứu hiện nay đã được chỉ định để điều tra tác động của sulfamerazine về gan, thận và huyết thanh học [136]

Trong thực tế, một số sulfonamides thường được kết hợp với diaminopyrimidines tổng hợp (nhóm Co – trimoxazol ) như baquiloprim, ormetoprim đặc biệt là trimethoprim

để làm giảm độc tính và tăng khả năng hoạt động Kháng sinh TRI là chất tĩnh khuẩn khi dùng một mình, khi phối hợp với sulfonamides cho tác dụng sát khuẩn, nó rất ít tan trong nước (độ tan trong nước khoảng 0,04%), tan tốt trong ethanol, tan vừa trong methanol Nó

được sử dụng rộng rãi trong điều trị nhiễm trùng đường hô hấp, nhiễm trùng đường tiểu nặng và nhiễm khuẩn đường ruột [130] Trimethoprim chuyển hóa ở gan và thải trừ qua thận khoảng 50% ở dạng hoạt chất ban đấu [146] Nó có độ bền tương đối cao với thời gian bán hủy trong môi trường 20 – 100 ngày [146], loại bỏ không đáng kể trong hệ thống

xử lý nước thải, vì vậy đây cũng là một chất đáng lo ngại đối với môi trường sinh thái

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tính chất hóa lý của kháng sinh họ SAs và TRI [19, 129, 135, 136]

Tên kháng sinh Công thức cấu tạo Tính chất hóa lý

Sulfathiazole

4-amino-N-(1,3-thiazol-2-yl) benzenesulfonamide

4-amino-N-(4,6-Công thức hóa học: C12H14N4O2S

(M=278,34 g/mol)

Độ hòa tan: 1500 mg/L pKa1=2,65; pKa2=7,65 log Kow=0,89

Sulfamethoxazole

3-yl)-benzenesulfonamide

4-amino-N-(5-methylisoxazol-Công thức hóa học: C10H11N3O3S; (M=253,279 g/mol )

Độ hòa tan trong nước 1382 mg/L pKa1=1,4±0,1;pKa2=6,4±0,5

logKow = 0,89

Sulfamerazine

sulfanilamidopyrimidine4

4-methyl-2-Công thức hóa học: C11H12N4O2S (M=264,30358 g/mol)

Độ hòa tan trong nước: 202 mg/L pKa1=1,58-2,22; pKa2=6,77-7,15

logKow =0,14;

Tên kháng sinh Công thức cấu tạo Tính chất hóa lý

Trimethoprim

5-(3,4,5-trithoxybenzyl) pyrimidine-2,4-diamane

Công thức hóa học: C14H18N4O3 (M = 290,3 g/mol)

Độ hòa tan trong nước 400 mg/L pKa1 = 3,23; pKa2 =6,76 Log Kow=0,91

1.1.3 Thuốc kháng sinh họ quinolones

Kháng sinh họ quinolones (QNs) không có nguồn gốc tự nhiên, được điều chế bằng phương pháp tổng hợp Hoạt động của chúng được dựa trên sự ức chế sự hoạt động của các enzyme DNA gyrase hoặc topoisomerase II, topoisomerase IV trong vi khuẩn [66, 67, 68]

Cơ chế này cũng có thể ảnh hưởng đến nhân bản tế bào ở động vật có vú Nghiên cứu gần đây đã chứng minh sự tương quan giữa khả năng gây độc tế bào động vật có vú của các quinolones và cảm ứng của micronuclei, nhưng cơ chế gây độc như thế nào thì vẫn chưa được biết Ngoài ra chúng còn có khả năng gây sẩy thai khi sử dụng cho động vật mang thai, rối loạn phát triển sương, sụn (gót asin ở người)

Trong cấu trúc phân tử, các kháng sinh quinolones thế hệ thứ nhất gồm chủ yếu là axít oxolinic và axít nalidixic (chứa nhóm cacboxyl) nên các hợp chất có tính axít, có hiệu lực chống lại các vi khuẩn gram âm Còn đối các kháng sinh QNs thế hệ thứ hai trong phân

tử có chứa một nguyên tử flo ở vị trí C-3 và một nhóm piperazinyl ở vị trí C-7 nên có tính

bazơ, chúng có khả năng chống lại các vi khuẩn gram dương và gram âm [106] Như vậy, QNs có thể được chia thành hai nhóm theo tính chất axít-bazơ Quinolones có tính axít giá trị pKa trong khoảng từ 6,0 đến 6,9 và ở môi trường axít chúng ở dạng trung tính Ngược lại, các quinolones piperazinyl có hai hằng số phân ly pKa1 và pKa2 nằm trong khoảng 5,5 - 6,3 và 7,6 - 8,5, tương ứng [26] Trong môi trường axít fluoroquinolone tồn tại ở dạng cation, đó là điều quan trọng để giữ chúng trong các cột chiết, còn các quinolone có tính axit không tích điện trong dung dịch và ít được giữ lại trên cột C18 Trong môi trường kiềm, dạng anion của cả hai nhóm quinolones được giữ lại trong cột HLB kém hơn so với dạng cation, zwitterionic và trung tính, nhưng chúng có thể được giữ lại trên cột SAX tốt Điều này quan trọng để thực hiện quá trình chiết mẫu ở môi trường axit mạnh, xa giá trị

pKa của các chất kháng sinh và đảm bảo dạng tồn tại của chúng theo ý muốn Tuy nhiên ở môi trường axit quá mạnh thì không thích hợp cho quá trình làm giàu mẫu [46]

Các kháng sinh QNs hấp thụ không hoàn toàn trong cơ thể sinh vật và con người, nên sau khi sử dụng chúng sẽ bị đào thải ra ngoài qua đường nước tiểu và phân dưới dạng ban đầu từ 30 – 85% [63] Trong môi trường tự nhiên, kháng sinh QNs tương đối bền

nhiệt, ít bị thủy phân và khó bị phân hủy bởi sinh vật nhưng bị phân hủy bởi ánh sáng tử ngoại ( <330nm) [45], một số chất không bền trong không khí ẩm, thời gian bán hủy trong nước tinh khiết đối với CIP và NOR là 90 phút và 105 phút tương ứng Tuy nhiên, trong trầm tích floquinonol tương đối ổn định do chúng có thể bị hấp phụ lên các hạt rắn, như axít oxolinic và flumequine có thể được giữ lại trong trầm tích từ 9,5 - 15 và 3,6 - 6,4 ngày tương ứng [131] Trong môi trường pH từ 6 đến 8 chúng hòa tan trong nước ít nhưng tan tốt trong chất béo và dung môi hữu cơ, do đó có thể thâm nhập vào các mô [54] Trong

hệ thống xử lý nước thải, fluoroquinolones được loại bỏ một lượng lớn (79-87%) do chúng

có khả năng hấp phụ mạnh và liên kết với bùn thải [48] Mặc dù hoạt tính của thuốc kháng sinh có thể bị giảm khi hấp phụ trên đất sét và các chất humic nhưng chưa có nghiên cứu nào công bố về vấn đề này Tính chất của một số kháng sinh quinolones:

Norfloxacin là một kháng sinh phổ rộng hoạt động với cả vi khuẩn gram dương và vi khuẩn gram âm Nó thường được sử dụng để chữa các bệnh về đường tiết niệu thông thường như viêm bàng quang, viêm bể thận, viêm tuyến tiền liệt, …, viêm dạ dày-ruột non cấp Kháng sinh NOR bài tiết qua đường nước tiểu dưới dạng ban đầu là 30%, thời gian bán hủy trong môi trường 101 – 364 ngày [146]

Enrofloxacin (ENR) hấp thu nhanh chóng từ đường tiêu hóa và thâm nhập vào tất cả các mô của cơ thể Nó được dùng rộng rãi trong chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản, không sử dụng trên người [123] Việc sử dụng kháng sinh này cho thực vật (rau, cỏ) sẽ làm cho cơ thể của con người rất dễ bị nhờn thuốc

Ciprofloxacin (CIP) tan tốt trong dung dịch axít acetic loãng, tan một phần trong nước ở pH = 7, tan rất ít trong ethanol, methylen chloride Nó được sử dụng phổ biến trong

y học ở con người trên toàn thế giới và được phép sử dụng trong thú y Trong nuôi trồng thủy sản CIP được sử dụng để dự phòng và có xu hướng ngày càng tăng đặc biệt là ở các quốc gia như Chile, Trung Quốc [61] Khi đi vào cơ thể người qua đường uống thì có khoảng 40 - 50% đào thải dưới dạng không đổi qua nước tiểu nhờ lọc ở cầu thận và bài tiết

ở ống thận, khoảng 75% liều tiêm tĩnh mạch đào thải dưới dạng không đổi qua nước tiểu

và 15% theo phân Theo kết quả nghiên cứu của Esther Turiel và cộng sự (2004) cho thấy thời gian bán hủy của CIP phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường, trong môi trường nước tinh khiết có ánh sáng là 90 ngày, trong nước sông có ánh sáng là 275 ngày [46] Ofoxacin là thuốc kháng sinh diệt khuẩn phổ rộng, có tác dụng mạnh hơn ciprofloxacin, đào thải qua đường nước tiểu ở dạng ban đầu là 75% và thời gian bán hủy trong môi trường 101 – 364 ngày [146]

Bảng 1.2 Bảng tổng hợp tính chất hóa lý của các kháng sinh họ quinolones [26, 61, 110, 129, 139]

Norfloxacin

4oxo-7-(1-piperazinyl)-3-quinolinecarboxylic acid

1-Ethyl-6-fluoro1,4-dihydro-Công thức hóa học:C16H18FN3O3

(M=319,33 g/mol)

Độ hòa tan: 178.000 mg/L pKa1=6,22; pKa2 = 8,38

logKOW = -1,03

Enrofloxacin

piperazinyl)-6-fluoro-1,4-dihydro-4-oxo-3-quinolinecarboxylic acid

1-Cyclopropyl-7-(4-ethy-1-Công thức hóa học: C19H22FN3O3

(M = 359,4 g/mol)

Độ hòa tan: 849,7 mg/L pKa1 = 5 và pKa2 = 8-9 logKOW=1,10

Ciprofloxacin

dihydro-4-oxo-7-1-piperazinyl3-quinolinecarboxylic acid

1-Cyclopropyl-6-6fluoro-1,4-Công thức hóa học: C17H18FN3O3

(M = 331,346 gam/mol)

Độ hòa tan: 30.000 mg/L pKa1 = 5,76; pKa2 = 8,68 logKOW = 0,28

Ofloxacin

10-94-methyl-1-piperazinyl)-7oxo-7H-pyrido[1,2,3-de]1,4-benzorazine-6-carboxylic acid

(±)9-Fluoro-2,3-dihyro-3-methyl-Công thức hóa học: C18H20FN3O4

(M = 361,38 gam/mol)

Độ hòa tan: 28300 mg/L pKa1=5,97; pKa2= 8,28 logKOW = 0,35

1.2 Tổng quan về hồ Hà Nội và động vật thủy sinh

1.2.1 Tổng quan về năm hồ Hà Nội

Theo báo cáo về hồ Hà Nội năm 2015 cho biết năm 2010 Hà Nội có 120 hồ và ao trong nội thành, nhưng đến năm 2015 số hồ còn lại là 112 với tổng diện tích là 6.959.305

m2 [8] Các hồ ở Hà Nội có chức năng chủ yếu là điều tiết dòng chảy, thoát lũ, xử lý sơ bộ nước thải, cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường, tạo cảnh quan văn hóa cũng như không gian nuôi trồng thủy sản Theo nhận xét của các chuyên gia, hiện nay lưu lượng nước thải chảy vào các hồ đã vượt quá khả năng tự làm sạch dẫn đến tình trạng ô nhiễm, phú dưỡng,

đã và đang dẫn đến sự suy thoái chất lượng nước, thiếu ôxy, gia tăng lớp bùn đáy hồ và đe dọa tới sự đa dạng sinh thái của hồ Chính vì các hồ Hà Nội có vai trò đặc biệt quan trọng

và nguy cơ ô nhiễm cao nên nghiên cứu đã chọn hồ Tây, hồ Trúc Bạch, hồ Ngọc Khánh,

Bảng 1.3 Tên các cống thải và lưu lượng nước thải vào hồ Tây [18]

m3/ngày đêm từ các phố: Phó Đức Chính, Châu Long, Ngũ Xã, Phạm Hồng Thái, Đặng

Bạch), vì vậy mà nước hồ đã bị ô nhiễm nặng nề Năm 2005 trạm xử lý nước thải Trúc Bạch công suất 2.300 m3/ngày đêm đã đi vào hoạt động nhưng chỉ xử lý được 1/5 tới 1/3 lượng nước thải đổ ra hồ từ hai cống thải của mương Ngũ Xã nên nước hồ vẫn bị ô nhiễm

4/ Hồ Ngọc Khánh

Theo kết quả điều tra khảo sát của Sở tài nguyên và Môi trường Hà Nội cho thấy, hồ Ngọc Khánh có nhiều cửa xả nhỏ của các hộ dân sống quanh hồ xả vào Ngoài ra, hồ có một cửa lưu thông lớn nhất nằm phía bên đường Nguyễn Chí Thanh, nơi để nước chảy từ trong hồ ra và khi trời mưa lớn nước trên đường Nguyễn Chí Thanh đổ ngược vào Từ tháng 6/2015 hồ đã được cải tạo, các nguồn nước thải chỉ chảy vào hồ khi có mưa lớn trên

15 phút, nhưng theo quan sát cho thấy xung quang hồ vẫn có các mạch nước thải rò rỉ vào, điều này sẽ là những nguy cơ làm cho nước hồ tái ô nhiễm

5/ Hồ Yên Sở

Hồ Yên Sở hoặc đầm Yên Sở thuộc quận Hoàng Mai, thành phố Hà Nội, gồm có 5

hồ nối thông với nhau có vai trò điều tiết khí hậu, trữ nước nhằm chống ngập úng cho thành phố và điều hòa lưu lượng nước thải của thành phố Hà Nội Đây là vùng rốn nước của thành phố và có các đường cống nối thông với sông Sét, sông Kim Ngưu chứa đầy nước thải đổ về Vì vậy, cứ mưa to là nước ô nhiễm từ sông Sét và Kim Ngưu lại chảy tràn vào, mang theo các chất ô nhiễm như xác súc vật, rác thải, túi ni-lông chảy vào hồ Chính điều này đã làm cho hệ thống hồ trở nên bị ô nhiễm nặng, tù đọng với chất thải và phát ra mùi hôi thối khó chịu Năm 2014 hồ Yên sở đã được cải tạo xong, với việc đưa vào vận

hành nhà máy xử lý nước thải Yên Sở lớn nhất Hà Nội góp phần hoàn chỉnh mạng lưới

thoát nước chung của thành phố

1.2.2 Động vật thủy sinh

Hà Nội có hơn 100 hồ tự nhiên với diện tích mặt nước từ vài đến hàng trăm héc ta, ngoài chức năng tạo nên cảnh quan, điều hòa khí hậu, các hồ còn là nơi lưu trữ sự đa dạng sinh thái của thủ đô Tuy nhiên, do sự phát triển nhanh nhưng thiếu bền vững của Thành phố nên các chất ô nhiễm trong đó có kháng sinh đã đi vào hồ, tích tụ trong động vật thủy sinh, trầm tích và gây ảnh hưởng ngày càng nghiêm trọng đối với sinh vật thủy sinh Vì vậy nghiên cứu lựa chọn ốc và cá rô phi để đánh giá khả năng tích tụ kháng sinh

Ốc nhồi Pila polita là loài động vật thân mềm thuộc lớp chân bụng, sống trong môi

trường nước ngọt Khi ăn mùn bã hữu cơ có kích thước nhỏ chìm dưới đáy, ốc sẽ bò trên nền đáy và đưa vòi miệng ra thu lấy thức ăn, đối với các loại thức ăn tinh nổi trên mặt nước

thì ốc bò lên sát mặt nước rồi đưa vòi ra thu lấy thức ăn hoặc treo mình lên trên mặt nước rồi thu thức ăn Mùa khô/lạnh ốc đóng nắp, vùi bùn một phần hoặc toàn bộ cơ thể dưới mặt bùn 5 - 20 cm, khi có nước ngập thì trồi lên sinh sống và phát triển ở môi trường nước Tuổi thọ trung bình của ốc từ 3 đến 4 năm Kích thước tối đa ốc nhồi cái đạt 6 - 7 cm (chiều cao), 5 - 6 vòng, ốc nhồi đực 4 - 5 cm (chiều cao), 3 - 5 vòng soắn [11]

Có nhiều loại cá rô phi khác nhau nhưng được chia thành ba giống là Tilapia,

Sarotherodon và Oreochromis, trong các hồ Hà Nội lại tồn tại nhiều cá rô phi đen Oreochromis mossambicus (cá rô phi cỏ) Khi còn nhỏ, cá rô phi ăn sinh vật phù du (tảo và

động vật nhỏ) là chủ yếu (cá 20 ngày tuổi, kích thước khoảng 18 mm), cá trưởng thành ăn mùn bả hữu cơ lẫn các tảo lắng ở đáy ao, ăn ấu trùng, côn trùng, thực vật thuỷ sinh Trong

tự nhiên cá thường ăn từ tầng đáy có mức sâu từ 1 – 2 m Cá rô phi thuộc loài cá sống ở tầng giữa, ăn tạp, nguồn dinh dưỡng đa dạng Nó có thể sống được trong ao, đầm có màu nước đậm, mật độ tảo dày, có hàm lượng chất hữu cơ cao, thiếu oxy Cá rô phi đực khi nuôi trong môi trường thuận lợi có thể đạt khối lượng 200 gam trong 3 đến 4 tháng nuôi,

400 gam trong 5 đến 6 tháng, 700 gam trong 8 đến 9 tháng, kích thước cá cái thường chỉ bằng ½ cá đực khi ở cùng độ tuổi [3]

1.3 Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh

1.3.1 Hiện trạng sử dụng kháng thuốc sinh trên thế giới

1.3.1.1 Kháng sinh sử dụng cho người

Theo kết quả nghiên cứu cho thấy các nước có thu nhập cao có xu hướng sử dụng nhiều thuốc kháng sinh trên đầu người hơn các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình, nhưng lượng tiêu thụ kháng sinh hàng năm hầu như ổn định hoặc giảm Kết quả khảo sát ở

71 quốc gia có thu nhập thấp và trung bình từ giữa năm 2000 đến năm 2010 cho thấy lượng kháng sinh sử dụng đã tăng lên 30% trong đó penicillin và cephalosporin chiếm gần 60% tổng tiêu thụ trong năm 2010 [60] Quốc gia tiêu thụ thuốc kháng sinh nhiều nhất trong năm 2010 là Ấn Độ với 13 tỷ SU (standard units) tiếp đến là Trung Quốc 10 tỷ SU

và Hoa Kỳ 7 tỷ SU Tuy nhiên, nếu tính theo bình quân đầu người thì Hoa Kỳ là dẫn đầu với 22 SU/Người, Ấn Độ 11 SU/Người, Trung Quốc 7 SU/Người [60] Việc tiêu thụ kháng sinh dùng cho người cũng chịu ảnh hưởng lớn bởi thời tiết, ở Bắc Mỹ và Tây Âu lượng tiêu thụ lớn nhất là từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau, các quốc gia Nam Mỹ vào tháng 6 và tháng 7, còn ở các vùng nhiệt đới là tháng 8 và tháng 9 [60]

Người ta ước tính có khoảng 80% thuốc kháng sinh được sử dụng bên ngoài bệnh viện, ở các quốc gia đang phát triển tỷ lệ kháng sinh bán không theo đơn là rất cao, như ở Saudi Arabia là 78% và Syria là 87-97%, còn Hoa Kỳ và Liên minh Châu Âu khoảng từ 19

- 90% [60] Tỷ lệ kê đơn thuốc không phù hợp trong bệnh viện ở quốc gia đang phát triển

là tương đối cao như ở Nepal khoảng 10-42%, Việt Nam con số này chiếm khoảng một

56% bệnh nhân ở 323 bệnh viện sử dụng kháng phổ rộng trong thời gian điều trị [60] Hình 1.2 biểu diễn lượng kháng sinh tiêu thụ ở một số quốc gia

Hình 1.1 Tổng lượng kháng sinh tiêu thụ ở một số quốc gia năm 2000 và 2010 [60]

1.3.1.2 Kháng sinh sử dụng trong nông nghiệp

Tỷ lệ sử dụng kháng sinh trong sản xuất nông nghiệp đã tăng lên hàng năm do nhu cầu điều trị và phòng ngừa bệnh ở động vật 50% các quốc gia trên thế giới, sử dụng kháng sinh ban đầu không bắt nguồn từ việc điều trị mà nhằm đích dự phòng (như giảm thiểu lây nhiễm và lây lan của dịch bệnh) và thúc đẩy tăng trưởng [23] Năm 2010, tổng lượng kháng sinh tiêu thụ toàn cầu trong chăn nuôi là khoảng 63.200 tấn, chiếm gần hai phần ba lượng kháng sinh được sản xuất hàng năm trên toàn thế giới [60] và hầu hết các loại thuốc kháng sinh được sử dụng trong nông nghiệp thì cũng được sử dụng cho người Kết quả thống kê cho thấy ở Mỹ năm 2009 có khoảng 11.200 tấn thuốc kháng sinh được sử dụng làm chất kích thích tăng trưởng cho gia súc và gia cầm, năm 2011 có khoảng ba phần tư các trại chăn nuôi dùng ít nhất một kháng sinh cho kích thích tăng trưởng, phòng hoặc chữa bệnh Tại Hàn Quốc năm 2004 có 14.791 kg SMX và 7.575 kg TRI đã được dùng trong chăn nuôi gia súc [122, 165] Trung Quốc là quốc gia tiêu thu nhiều kháng sinh nhất trong chăn nuôi tiếp đến là Hoa Kỳ, Brazil, Đức, và Ấn Độ [60]

Hiện nay ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Liên Minh Châu Âu, Nhật Bản đã đưa ra những quy định rất nghiêm ngặt trong sử dụng kháng sinh và dư lượng các kháng sinh trong các sản phẩm nông nghiệp Ở EU có bảy kháng sinh quinolones (danofloxacin, difloxacin, enrofloxacin, flumequine, marbofloxacin, axít oxolinic, và sarafloxacin) được

sử dụng trong sản xuất thực phẩm động vật (trừ động vật có trứng được dùng cho người)

và nuôi trồng thủy sản Tại Mỹ có hai kháng sinh fluoroquinolones được sử dụng là enrofloxacin cho lợn, bò sữa (dưới 20 tháng tuổi) và bò thịt (không bao gồm bê) và danofloxacin cho bò thịt (không bao gồm bê), dư lượng sulfonamides cho phép là không phát hiện được đối với sulfamerazine trong mô cá hồi, sulfathiazole và sulfaethoxypyridazine trong mô và ở mức 100 mg/kg cho bảy sulfonamides trong trâu, bò, lợn, gia cầm và/hoặc mô cá ăn được

2010

2000

1.3.2 Hiện trạng sử dụng thuốc kháng sinh ở Việt Nam

1.3.2.1 Kháng sinh dùng trong điều trị bệnh ở người

Kháng sinh là nhóm thuốc đặc hiệu, được sử dụng để điều trị những bệnh nhiễm khuẩn do vi khuẩn gây ra, nhưng chỉ cần đau đầu, sổ mũi hoặc đau họng là nhiều người không ngần ngại mua ngay thuốc kháng sinh để uống, không cần sự chỉ dẫn của thầy thuốc hay bất kỳ lời khuyến cáo nào Hiệu thuốc là địa chỉ đầu tiên người bệnh tìm đến khi đau

ốm với mục đích tiết kiệm thời gian và chi phí Hiện nay trên thị trường Việt Nam có khoảng 39.016 hiệu thuốc, hầu hết thuốc bán không có đơn thuốc kèm theo [14] Người bệnh chỉ cần mô tả triệu chứng bệnh, người bán với kiến thức hạn chế về y, dược sẽ đưa ra các hướng dẫn lựa chọn Theo số liệu nghiên cứu năm 2003, 78% kháng sinh được mua tại các nhà thuốc tư nhân mà không cần đơn, 67% khách hàng tham khảo tư vấn của nhân viên bán thuốc, 11% tự quyết định về việc sử dụng kháng sinh, chỉ có 27% số nhân viên bán thuốc có kiến thức về sử dụng kháng sinh và vi khuẩn kháng kháng sinh [81] Mặc dù Luật Dược được ban hành năm 2005 có ghi rõ: “Nghiêm cấm bán lẻ thuốc kê đơn không có đơn thuốc” nhưng người bệnh vẫn có thể mua thuốc kháng sinh và nhiều loại thuốc khác trực tiếp từ các nhà thuốc và quầy thuốc bán lẻ

Ở các quốc gia phát triển, bệnh nhân thường được xét nghiệm để định danh vi khuẩn trước khi bác sĩ kê toa thuốc kháng sinh Nhưng ở Việt Nam, nhiều bệnh viện tuyến trên và hầu hết các bệnh viện tuyến quận huyện trở xuống đều không thực hiện các xét nghiệm, bác sĩ sử dụng kháng sinh trong điều trị cho bệnh nhân dựa trên kinh nghiệm là chính, thuốc kháng sinh vẫn là loại thuốc được sử dụng hàng đầu Một số loại kháng sinh dùng phổ biến trong 15 bệnh viện ở Việt Nam được thể hiện trong hình 1.2 cho thấy mặc dù bệnh viện Chợ Rẫy và Bạch Mai là hai bệnh viện có tổng chi phí cho thuốc kháng sinh là lớn nhất nhưng tính lượng kháng sinh sử dụng trong 100 ngày trên một giường bệnh là ở mức thấp mà cao nhất là bệnh viện Bình Định kế đến là bệnh viện Thanh Nhàn Theo nghiên cứu của Truong Anh Thu và cộng sự (2012) thấy 67,4% bệnh nhân nhập viện được dùng kháng sinh và 30,8% không đúng chỉ định, con số này cao hơn nhiền so với các quốc gia khác như ở Malaysia (4,0%), Thổ Nhĩ Kỳ (14,0%) và Hồng Kông (20,0%) [145] Kết quả của việc sử dụng kháng sinh quá mức không chỉ khiến người bệnh thiệt hại

về kinh tế mà có thể đẩy bệnh nhân tới tình trạng vô phương cứu chữa do xuất hiện các vi khuẩn kháng kháng sinh Ngoài ra nó còn là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự tồn lưu kháng sinh trong môi trường, do kháng sinh chỉ bị hấp thụ một phần trong cơ thể Hàm lượng kháng sinh CIP và NOR đo được trong nước thải bệnh viện tại 6 bệnh viện lớn của Hà Nội lên đến 25,5 μg/L, 15,2 μg/L theo thứ tự [1], SMX và TRI trong nước thải từ các kênh rạch của Hà Nội ra sông Hồng 612,00 – 4.330 ng/L; 23,00 – 1.808 ng/L theo thứ tự [117] Tổng hàm lượng kháng sinh trong nước thải đô thị tại Việt nam cao hơn nhiều so với các nước khác trong khu vực đông Nam Á: Việt Nam – 3220 ng/L, Philippin – 1576 ng/L, Indonesia

Hình 1.2.Tổng kháng sinh sử dụng tại 15 bệnh viện Việt Nam năm 2008 [13]

1.3.2.2 Kháng sinh sử dụng trong nông nghiệp

Việt Nam cũng như các quốc gia khác, kháng sinh sử dụng trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản với mục đích phòng, trị bệnh và kích thích tăng trưởng Hiện nay quy mô sản xuất nông nghiệp của Việt Nam vẫn còn nhỏ lẻ, nên việc kiếm soát sử dụng kháng sinh trong người dân là rất khó khăn Việc lựa chọn kháng sinh và quyết định liều dùng trong chăn nuôi chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của chủ hộ chiếm 44%, hướng dẫn của bác sỹ thú

y là 33% và hướng dẫn của nhà sản xuất 17% [14] Kết quả khảo sát tại 30 trang trại chăn nuôi lợn thịt và 30 trang trại chăn nuôi gà thịt của tỉnh Hưng Yên, Hà Tây (cũ) cho thấy 100% các trang trại này sử dụng kháng sinh với mục đích trị bệnh [14] Trong thức ăn chăn nuôi người ta cũng phát hiện thấy nhiều loại kháng sinh khác nhau và hàm lượng lớn Kết quả thông kê cho thấy để nuôi một kg thịt lợn và thịt gà sống thì cần phải cho vào thức ăn chăn nuôi 286,6 mg và 77,4 mg kháng sinh tương ứng [109] Hay trong 1462 mẫu thức ăn thì có 55,4% mẫu thức ăn cho lợn, 42,2% mẫu thực ăn cho gà, 18,9% mẫu thức ăn cho chim cút là bị nhiễm kháng sinh [108] Kháng sinh sử dụng không đúng cách sẽ tồn dư trong thực phẩm, vì vậy người ta đã phát hiện thấy tỷ lệ cao các mẫu thực phẩm dương tính với kháng sinh như thịt gà - 17,3%, thịt lợn - 8,8% thịt bò - 7,4% [108] Ngoài ra chúng sẽ được đào vào môi trường theo nước tiểu hoặc phân Kết quả phân tích kháng sinh trong nước thải tại các trạng trại nuôi lợn ở Hà Nội và đồng bằng sông Mê Kông cho thấy nồng

độ kháng sinh SMX và TRI gần như không phát hiện thấy, nhưng kháng sinh sulfamethazine là rất cao (Hà Nội: 6,78 - 6662,00 ng/L, đồng bằng sông Mê Kông: 18.512

- 19.153 ng /L) [117] Vậy có thể thấy SMX và TRI không sử dụng trong chăn nuôi lợn, nhưng SMZ là kháng sinh sử dụng nhiều trong nuôi lợn

Theo đánh giá của tổ chức Lương thực và Nông nghiệp của Liên hợp quốc (FAO), Việt Nam là quốc gia sản xuất thủy sản thứ 3 trên thế giới Nuôi trồng thủy sản được xem

là một công cụ xóa đói giảm nghèo ở Viêt Nam, như việc sử dụng kháng sinh thiếu hiểu biết, thiếu bền vững đã và đang dẫn người nông dân trở nên trắng tay Kết quả khảo sát 94

trang trại nuôi cá, tôm nước ngọt ở Việt Nam cho thấy có 68 trang trại (72,3%) sử dụng ít nhất một kháng sinh ở bất cứ lúc nào trong chu trình sản xuất [39] Tại đồng bằng sông Cửu Long, nơi tập trung các trang trại nuôi cá, tôm lớn nhất cả nước để phục vụ cho xuất khẩu vẫn phát hiện thấy kháng sinh, như tại trang trại nuôi cá ở An Giang và Cần Thơ năm

2011 và 2012 đã phát hiện thấy SMX, TRI và ENR trong nước với nồng độ 12 – 21 ng/L [34] Trước kia kháng sinh Oxytetracycline là loại được sử dụng phổ biến nhất, nhưng trong năm trở lại đây kháng sinh họ quinolones và sulfonamides kết hợp với trimethoprim lại được sử dụng nhiều hơn Trong nuôi trồng thủy sản kháng sinh được sử dụng theo phương thức hòa trực tiếp vào nguồn nước nuôi hoặc trộn vào thức ăn Người ta ước tính khoảng 0,15 kg thuốc kháng sinh đã được sử dụng cho mỗi tấn cá nuôi, đồng thời các trang trại nuôi cá đã xả nước thải trực tiếp ra sông (63%), và kênh chính (19%) [34] Kết quả phân tích kháng sinh trong nước nuôi trồng thủy sản tại một trang trại của Việt Nam là: OFL – 255 ppb, NOR – 41,1 ppb, CIP – 162 ppb [117] Năm 2015, Margot Andrieu và cộng sự đã phát hiện thấy sự nguy hại của kháng sinh CIP và ENR trong nước và trầm tích

của ao nuôi cá ở đồng bằng sông Cửu Long đối với vi khuẩn Cyanobacteria (giá trị HQ>1)

[86]

Nhận thấy những tác hại to lớn do việc sử dụng kháng sinh thiếu hiểu biết, thiếu ý thức của người dân, năm 2017 chính phủ đã ban hành nghị định số: 39/2017/NĐ-CP về quản lý thức ăn chăn nuôi, thủy sản Nghị định đã đưa ra những quy định rất nghiêm ngặt

về sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản, như từ năm 2018 Việt Nam cấm sử dụng kháng sinh trong thức ăn thủy sản, thức ăn chăn nuôi chứa kháng sinh nhằm mục đích phòng bệnh cho gia súc, gia cầm non được phép lưu hành đến hết năm 2020

1.4 Ô nhiễm thuốc kháng sinh và ảnh hưởng đến môi trường sinh thái

1.4.1 Thuốc kháng sinh trong môi trường

Con người và động vật hấp thụ không hoàn toàn các hợp chất kháng sinh, do đó chúng sẽ đi vào môi trường qua đường nước tiểu, phân ở dạng ban đầu và dạng chất chuyển hóa Kết quả nghiên cứu cho thấy có những trường hợp 80% thuốc kháng sinh dùng đường uống cho gia súc sau khi đi vào cơ thể động vật không thay đổi mà vẫn giữa nguyên dạng ban đầu trong nguồn thải [24], như tetracycline 75-80%, lincosamide 60%, macrolides 50-90% [23] Trong môi trường kháng sinh có thể tồn tại ổn định và lâu dài, sự tồn tại phụ thuộc vào độ bền của chúng với ánh sáng, khả năng hấp phụ, tốc độ phân hủy

và sự hòa tan trong nước Kháng sinh có tính hấp phụ mạnh, thường có xu hướng tích lũy trong đất hoặc trầm tích (như tetracylin, floquinonol) và ngược lại nhưng dược phẩm có tính linh động cao (như SAs), ít bị phân hủy thì thường có xu hướng thấm vào nước ngầm

và được vận chuyển cùng với nước ngầm hay theo các đường thoát nước chảy tràn vào nước mặt [106, 119]

1.4.1.1 Kháng sinh trong môi trường nước

Kháng sinh xâm nhập vào môi trường nước ngầm và nước mặt là từ quá trình thẩm thấu các nguồn thải vào đất, rửa trôi hoặc chảy tràn Đối với các quốc gia phát triển, cơ sở

hạ tầng tốt, thì nguồn nước thải vào sông, hồ, biển thường được loại bỏ đáng kể kháng sinh Nồng độ kháng sinh trong nước mặt ở các quốc gia này thường chỉ vài chục ng/L, như sông Arno và sông Po ở miền trung và miền bắc Italy nồng độ <25,4 ng/L [47]; sông Cache La Poudre ở Mỹ < 17,9 ng/L [154]; trong nước biển tại vịnh Victoria – Hồng Kông

< 50 ng/L [64] Ở các quốc gia đang phát triển như Việt Nam, trình độ hiểu biết và ý thức

sử dụng kháng sinh còn hạn chế, cộng thêm cơ sở hạ tầng chưa hoàn chỉnh nên nước thải sinh hoạt, nước thải y tế, nước thải trong chăn nuôi phần lớn không được xử lý mà đổ thẳng trực tiếp vào các sông và hồ, vì vậy nồng độ kháng sinh trong các nguồn nước tiếp nhận thường cao Kết quả phân tích kháng sinh trong nước tại các khu vực thượng lưu, trung lưu và hạ lưu của các kênh dẫn nước thải chính ở thành phố Hà Nội ra sông Hồng có nồng độ SMX: 612 - 4330 ng/L; SMZ: 16,1 - 66,2 ng/L; TRI: 23 - 1808 ng/L [117]; Kháng sinh nhóm macrolites, sulfonamides và trimethoprim đã phát hiện trong nước mặt, nước thải chăn nuôi lợn tại lưu vực sông Mêkông với nồng độ từ 15 đến 328 ng/L [132]; Hàm lượng kháng sinh trong nước của sông Huangpu – Thượng Hải - Trung Quốc < 313 ng/L [82] Hiện nay nguồn nước ngọt ngày càng cạn kiệt nên một số quốc gia đã sử dụng nước mặt có tiếp nhận nước thải làm nguồn cung cấp nước sinh hoạt, vì vậy nguy cơ dược phẩm nói chung và kháng sinh nói riêng đi vào cơ thể người là rất cao

Trong nước mặt dưới tác dụng của các điều kiện tự nhiên, kháng sinh sẽ được chuyển hóa theo các con đường khác nhau, như phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, kết hợp với các chất khác có trong môi trường hoặc được tích lũy trong động thực vật thủy sinh và trầm tích hay tồn dư trong môi trường nước Kháng sinh sulfonamides trong nước hồ Baiyangdian - Trung Quốc đã phát hiện thấy ở nồng độ từ 0,86 đến 1563 ng/L [151]; Ở các cửa sông hoặc bên trong dòng sông Seine của Pháp đã phát hiện thấy ít nhất một lần 17 loại thuốc kháng sinh thuộc 4 nhóm quinolones, sulfonamides, nitroimidazoles

và diaminopyrimidines [49] Trong nước ngầm mật độ vi sinh vật thấp và các điều kiện oxy hóa khử nói chung là nghèo, nếu các chất kháng sinh đi vào được chúng có thể bị biến đổi không hoàn toàn hoặc chuyển hóa thành các chất độc hại hơn, hay thậm chí không thay đổi trong nước ngầm trong thời gian dài, nên có những nơi phát hiện thấy nồng độ kháng sinh họ SAs trong nước ngầm gần khu chôn lấp chất thải rắn lên tới từ 10 μg/L đến 1 mg/L [119]

1.4.1.2 Sự tích tụ kháng sinh trong sinh vật, trong đất và trầm tích

Nhiều nghiên cứu cho thấy kháng sinh có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật, như kết quả phân tích 231 mẫu thịt gà và bò lấy tại các siêu thị ở Ankara của Thổ Nhĩ kỳ đã phát hiện thấy 51,1% mẫu nhiễm kháng sinh QNs [33] Hay ở Việt Nam các sản phẩm thủy sản xuất khẩu được kiểm soát rất chặt chẽ từ khâu nuôi trồng đến khi xuất khẩu nhưng

nhiều lô sản phẩm xuất khẩu vẫn phát hiện thấy kháng sinh như tháng 8/2011 cơ quan kiểm tra chất lượng thực phẩm Canada (CFIA) vẫn phát hiện thấy dư lượng kháng sinh ENR trong một số lô hàng cá tra, cá basa vượt quá 0,6 µg/kg Do kháng sinh có khả năng tích tụ trong sinh vật nên các nước trong liên minh Châu Âu (EU) đã ngừng sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi từ năm 2006, Mỹ và Thái Lan sẽ ngừng sử dụng kháng sinh trong chăn nuôi từ năm 2017, còn Việt Nam theo dự kiến sẽ ngừng sử dụng vào năm 2018 Dự lượng kháng sinh không chỉ phát hiện thấy trong các sinh vật nuôi mà còn có trong sinh vật sống hoang dã, như ở các loài cá sống hoang dã xung quang các trang trại nuôi cá hồi đã phát hiện thấy dư lượng các kháng sinh tetracycline và quinolones [52]; trong thực vật và động vật của hồ Baiyangdian ở miền bắc Trung Quốc dự lượng kháng sinh QNs và SAs có những mẫu lên đến 6310 μg/kg khối lượng khô [151]

Kháng sinh được sử dụng nhiều trong điều trị, phòng bệnh và kích thích tăng trưởng trong chăn nuôi, vì vậy không nghi ngờ khi tìm thấy sự tồn dư kháng sinh và các chất chuyển hóa của chúng trong phân và đất của các cánh đồng có sử dụng chất thải động vật làm phân bón Kháng sinh enrofloxacin là kháng sinh sử dụng chủ yếu trong chăn nuôi, CIP là chất chuyển hóa chính của nó được sử dụng trong cả người và nông nghiệp đã phát hiện thấy trong chất thải gia cầm và đất canh tác ở nồng độ 8,3 mg/kg và 0,37 mg/kg theo thứ tự [105]; kết quả nghiên cứu phân heo ở Áo, Trung Quốc, Đức, Thụy Sĩ, và Hoa Kỳ đã phát hiện thấy 11 kháng sinh sulfonamides và nồng độ ENR trong chất thải gia cầm ở Trung Quốc, Ai Cập, Áo lên đến 1421 mg/kg, 31 mg/kg và 8 mg/kg theo thứ tự [23]; ở tây bắc nước Đức đối với đất cát có độ sâu từ 0 – 30 cm và phân lỏng hàm lượng kháng sinh là

27 μg/kg (OTC), 443 μg/kg (TC), 93 μg/kg (CTC) và 4,5 μg/kg (SMZ) [116]

Thuốc kháng sinh tồn tại trong nước thì cũng có thể được tích tụ vào trần tích bằng cách trao đổi ion, tạo phức với ion kim loại hoặc tương tác với các chất ưa nước khác Cơ chế hấp phụ kháng sinh vào trong trầm tích ngoài phụ thuộc vào bản chất của kháng sinh

và trầm tích, nó còn phụ thuộc vào quá trình tạo phức của kháng sinh với các ion kim loại như Fe3+, Al3+, … Các hợp chất humic có trong bùn cũng có thể làm thay đổi tính chất bề mặt và khả năng hấp phụ cũng như phản ứng của các kháng sinh, kết quả này đã được quan sát thấy trong phản ứng hấp phụ của kháng sinh tetracycline lên oxit nhôm dưới ảnh hưởng của axít humic [56] Chính sự liên kết với các hạt rắn hoặc tạo phức của kháng sinh mà có thể làm giảm khả năng nhận biết chúng trong môi trường, cũng như làm giảm hoạt tính kháng khuẩn [77] Nhiều nghiên cứu cho thấy các kháng sinh fluoroquinolone có khả năng hấp thụ mạnh trong pha rắn, do đó chúng khó bị phân hủy bởi sinh vật và tồn tại trong môi trường đất, trầm tích và bùn lâu hơn [105] Quá trình hấp phụ kháng sinh từ pha nước vào pha rắn được đặc trưng bởi hệ số hấp phụ Kd, ngoài ra nó còn có thể được đánh giá qua hệ

số phân bố octanole- nước (KOW) Nếu giá trị logKow <2,5 thì tiềm năng hấp phụ thấp (ví

dụ như tetracycline, sulfonamides, aminoglycosides), giá trị 2,5 < logKow <4,0 (ví dụ lactam, macrolides) tiềm năng hấp phụ là vừa, nếu Kow> 4,0 (ví dụ: glycopeptides) tiềm

β-kháng sinh vào chất rắn hoặc trầm tích chủ yếu vẫn dựa vào sự không phân cực của các hợp chất, trong khi dự báo tính phân cực hay không phân cực của các hợp chất thường là không chính xác, như ciprofloxacin (fluoroquinolone) có Kow =1,8 nhưng khả năng hấp phụ vào trầm tích lên đến 80% [85] Kháng sinh trong trầm tích không chỉ phát hiện trong các ao hồ nuôi nhân tạo như ở Nam Định từ 426,31 mg/kg đến 2615,96 mg/kg bùn ướt [1],

mà còn thấy trong trầm tích của các sông hồ tự nhiên Trong hồ Baiyangdian ở miền bắc Trung Quốc đã phát hiện thấy hàm lượng kháng sinh QNs, TRI và SAs trong trầm tích của với nồng độ từ nhỏ hơn giới hạn phát hiện đến 255 μg/kg bùn khô [151], sông Naerincheon ở Hàn Quốc nồng độ của kháng sinh SAs từ nhỏ hơn giới hạn phát hiện đến 0,73 μg/kg [161]

1.4.2 Ảnh hưởng của kháng sinh trong môi trường

Tốc độ phát triển ngày càng tăng của các vi khuẩn kháng kháng sinh, đang là mối đe dọa lớn tới sức khỏe con người, do đó kháng sinh ngày càng được quan tâm về sự hiện diện, sự bền bỉ và số phận của chúng Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ở nồng độ thấp, thuốc kháng sinh có thể thuận lợi cho sự phát triển của các vi khuẩn kháng kháng sinh và ở một mức độ nhất định có thể tăng cường sức đề kháng của vi sinh vật kháng thuốc [73]

Kết quả nghiên cứu ở Kenya đã phát hiện thấy vi khuẩn Neisseria gonorrhoea trước đây

nhạy cảm với penicillin, nhưng nay đã đề kháng với thuốc này [60] Theo số liệu báo cáo của 15 bệnh viện trực thuộc Bộ Y tế, bệnh viện đa khoa của Hà Nội, Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Hồ Chí Minh,… về sử dụng kháng sinh và kháng kháng sinh ở Việt Nam giai đoạn

2008 – 2009 cho thấy: năm 2009, 30 – 70% vi khuẩn gram âm đã kháng với kháng sinh nhóm cephalosporin thế hệ 3 và thế hệ 4, gần 40 – 60% vi khuẩn kháng với nhóm aminoglycosid và fluoroquinolon [14] Trong một số nghiên cứu về sông hồ ở Mỹ cho thấy

đã tìm thấy các vi khuẩn kháng kháng sinh SAs và TRI [79] Chính vì vậy việc phát triển

và lan rộng các vi khuẩn kháng kháng sinh, các gen kháng thuốc đang được coi là một trong ba mối đe dọa toàn cầu đối với sức khỏe con người và môi trường sinh thái được tổ chức Y tế Thế giới xếp hạng [32]

Kháng sinh có trong các hệ thống xử lý nước thải sẽ ức chế sự tăng trưởng của các vi sinh vật và phá vỡ toàn bộ cấu trúc của các cộng đồng vi khuẩn trong môi trường đó Do

đó chúng có thể ảnh hưởng tới việc phân hủy các chất hữu cơ và loại bỏ các hợp chất nitơ độc hại có trong nước Điều này xảy ra là do các kháng sinh trong nước thải đã ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa sinh học được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải, như kháng sinh ofloxacin và sulfamethoxazole có khả năng ức chế hoạt động của vi khuẩn nitrit

hóa [43]; dược phẩm có trong nước sẽ gây ức chế nhẹ đối với nhóm vi khuẩn Acetoclastic

methanogenes, đây là nhóm vi khuẩn có ý nghĩa quan trọng trong quá trình phân hủy yếm

khí [53] Trong môi trường nước tự nhiên kháng sinh phá vỡ chu trình vi khuẩn quan trọng của hệ sinh thái thủy sinh như vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn khử nitơ [24], ảnh hưởng tới động vật không xương sống, cá và đặc biệt là tảo Điều này được thể hiện trong các nghiên cứu gần đây về giá trị EC50 của ofloxacin, sulfamethoxazole, flumequine hoặc

oxytetracycline, trên các sinh vật đại diện (vi khuẩn, tảo và động vật không xương sống) cho thấy chúng có thể có những tác động có hại hoặc thậm chí rất độc (Kháng sinh

ofloxacin là độc với vi khuẩn Pseudomonas putida (EC50 = 0,010 mg/L), sulfamethoxazole

độc với tảo Synechococcus leopolensis (EC50 = 0,0268 mg/L) [30]) Hay trong nghiên cứu của Brittana.Wilson và cộng sự (2003) cho thấy nếu trong nước có chứa dư lượng kháng sinh ciprofloxacin thì nó có khả năng ảnh hưởng cả về cấu trúc và chức năng của cộng đồng tảo trong nước ngọt tự nhiên [32] Vậy có thể nói rằng sự xuất hiện của kháng sinh trong môi trường nước sẽ có nguy cơ gây ảnh hưởng tới môi trường sinh thái, do chúng có khả năng làm thay đổi hệ sinh thái và đặt ra một mối đe dọa lớn và ngày càng tăng về sự thành công của y học hiện đại

Việc sử dụng kháng sinh trong nông nghiệp chăn nuôi thiếu hiểu biết, thiếu kiểm soát không chỉ làm gia tăng các chủng vi khuẩn kháng thuốc gây bệnh trong động vật mà còn có khả năng tác động đến sức khỏe con người [112, 137], do các gen kháng và/hoặc vi khuẩn kháng kháng sinh có thể chuyển từ động vật sang người Ngoài ra, vi khuẩn có thể phát triển kháng chéo giữa các kháng sinh dùng trong thú y với những cấu trúc tương tự như sử dụng độc quyền trong y học của con người Thêm nữa một số kháng sinh có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật sau đó đi vào cơ thể con người qua đường thực phẩm hoặc do con người sử dụng trực tiếp sẽ gây ra các bệnh như độc tủy xương (bone marrow toxicity), thiếu máu bất sản và gây ung thư [137]

Đất sau một thời gian sử dụng thường bị thoái hóa, con người đã cải tạo bằng cách sử dụng phân chuồng, bùn thải hoặc nước thải để bổ sung các chất dinh dưỡng cho đất, vì vậy đất có thể là một điểm nóng cho các ảnh hưởng của kháng sinh đến cộng đồng vi khuẩn trong đó Trong đất hoạt động của các vi khuẩn diễn ra mạnh nên đã kích thích quá trình trao đổi di truyền, điều này có thể nâng cao sự phát triển của các vi khuẩn kháng thuốc, hay cấu trúc cộng đồng vi khuẩn có thể thay đổi khi tiếp xúc với thuốc kháng sinh Các vi khuẩn kháng thuốc trong đất sẽ đi vào nước ngầm, nước mặt và tác động đến con người Hay các nhóm sinh vật phát triển mạnh trong đất như nấm hoặc vi khuẩn, và một số loại sinh vật đơn độc sẽ bị thu hẹp lại [160]

1.5 Đánh giá nguy hại môi trường

1.5.1 Tích lũy sinh học

Tích lũy sinh học (bioaccumulation) là tổng hợp của hai quá trình tích tụ sinh học (bioconcentration) và phóng đại sinh học (biomagnification) Tích tụ sinh học là các hóa chất từ nước được hấp thụ bởi các sinh vật thủy sinh thông qua da hoặc bề mặt hô hấp Phóng đại sinh học là sự tích tụ các chất độc qua các bậc dinh dưỡng trong chuỗi thức ăn

Vì vậy, sự tích lũy sinh học (bioaccumulation) là các hóa chất đi vào và giữ lại trong sinh vật từ hai đường: trực tiếp từ môi trường (qua da hoặc bề mặt hô hấp) và gián tiếp qua thức

ăn [74] Tích lũy sinh học cũng là sự hấp thu cạnh tranh của các chất vào sinh vật từ quá

đổi hô hấp, đào thải qua phân, biến đổi sinh học do quá trình trao đổi chất của các hợp chất gốc và pha loãng tăng trưởng Đại lượng đặc trưng cho khả năng tích lũy sinh học của sinh vật là hệ số tích lũy sinh học (BAF)

Sự tích lũy sinh học các độc chất môi trường chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trước hết là tính bền vững trong môi trường của độc chất, các chất dễ dàng bị đào thải ra khỏi môi trường thì khả năng tích lũy sinh học yếu Tiềm năng tích lũy sinh học các hóa chất còn liên quan tới sự hòa tan trong lipid của các chất Tính tan trong lipid cũng là một nhân

tố quyết định cho khả năng tích lũy sinh học của một chất Tuy nhiên, các chất có ái lực với lipid thường có xu hướng hấp phụ vào trầm tích, vì thế làm cho chúng ít sẵn sàng cho việc tích lũy sinh học Sinh vật thủy có thể tích lũy sinh học các hóa chất có ái lực với lipid

và đạt đến nồng độ cao hơn nồng độ chất đó có trong môi trường Sự hấp thu các chất hòa tan trong lipid từ môi trường phụ thuộc chủ yếu vào thành phần lipid của các cơ quan, bởi

vì lipid của cơ thể là nơi đầu tiên lưu lại hóa chất Vậy có thể thấy rằng sự tích lũy sinh học làm chậm quá trình biểu hiện độc tính của hóa chất, do lúc đầu độc chất được tích lũy trong lipid, nhưng vẫn di chuyển đến mục tiêu Khi lipid được sử dụng thì hóa chất này mới biểu hiện độc tính

1.5.2 Độc tính sinh học và thương số nguy hại

Hầu hết các dược phẩm sau khi đi vào cơ thể người và động vật một phần sẽ được đào thải qua phân, nước tiểu mà vẫn giữ nguyên tính chất ban đầu, một phần sẽ bị chuyển hóa Quá trình chuyển hóa chia thành hai gia đoạn: Giai đoạn thứ nhất là quá trình oxy hóa, khử hoặc thủy phân, giai đoạn tiếp theo là quá trình kết hợp với các chất khác như axit glucornic, sulfat, axit axetic hoặc axit amin [65] Các quá trình này sẽ tạo thành các chất chuyển hóa phân cực được bài tiết qua đường nước tiểu và có hoạt tính dược lý không đáng kể Vì vậy dược phẩm được xem là những chất ô nhiễm hóa học mới nổi và nhận được sự quan tâm ngày càng lớn trên thế giới Trong số các dược phẩm, kháng sinh là chất nhận được sự quan tâm nhất, bởi số lượng tiêu thụ lớn và sinh ra vi khuẩn kháng kháng sinh

Do những ảnh hưởng to lớn của kháng sinh đối với môi trường nên đã có một lượng lớn các nghiên cứu được thực hiện để đánh giá sự xuất hiện và số phận môi trường của các kháng sinh đối với sinh vật thủy sinh Kết quả phân tích hàm lượng kháng sinh quinolones trong các sông hồ tự nhiên phần lớn nằm trong khoảng từ ng/L đến μg/L (sông Po của Italy: CIP – 8,8 ng/L; Ofl – 10,9 ng/L [47], sông Huangpu của Trung Quốc QNs nhỏ hơn giới hạn phát hiện [82]), so với giá trị EC50 đo được trên một số loài sinh nhậy cảm trong

nước (V.fischeri, P.subcapitata, L.minor, D.magna) là >3,75 mg/L [111] thì nhỏ hơn

nhiều; giá trị EC50 của của kháng sinh SMX là >74,2 mg/L đối với các sinh vật (vi khuẩn

V.fischeri, động vật không xương sống D.magna, cá O.latipe) [165], trong khí đó nồng độ

SMX đo được ở các sông tự nhiên luôn nhỏ hơn mg/L (sông Ebro ở miền tây nam Tây Ban Nha SMX – 89,8 ng/L [103], sông Arc ở miền nam nước Pháp SMX không phát hiện thấy

[69]) Như vậy có thể thấy nồng độ kháng sinh trong môi trường nước tự nhiên thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng ảnh hưởng cấp tính đến sinh vật Nhưng kết quả cũng cho thấy kháng sinh không chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn mà chúng liên tục được đưa vào môi trường từ hoạt động của con người Điều đó có nghĩa là các sinh vật thủy sinh nuôi cũng như sinh vật thủy sinh hoang dã luôn sống trong môi trường nhiễm kháng sinh, do đó chúng sẽ liên tục bị phơi nhiễm kháng sinh Dư lượng các kháng sinh trong môi trường có thể ở nồng độ rất thấp, không thể phát hiện ra hoặc chưa gây ảnh hưởng tới sinh vật ngay tại thời điểm đó hay tốc độ tích lũy trong cơ thể sinh vật diễn ra rất chậm nhưng đến một lúc nào đó nồng độ tích lũy đủ lớn trong sinh vật thì chúng sẽ tác động đến quần thể sinh vật đó Như trong một số nghiên cứu về ảnh hưởng của kháng sinh đối với vi khuẩn Lam

và cộng đồng vi sinh vật không quang hợp cho thấy ở ngưỡng nồng độ thấp hơn so tiêu chuẩn loài chúng đã bị tác động [158, 162] Vì vậy, cần có những nghiên cứu được thực hiện để đánh giá các tác dụng phụ tiềm năng của thuốc kháng sinh vào các chức năng sinh thái và vào cấu trúc của cộng đồng sinh vật thủy sinh

Ngay từ năm 1980, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã yêu cầu đánh giá rủi ro môi trường đối với các loại thuốc dùng cho con người và thú y lên các sinh vật thủy sinh và các sinh vật trên cạn trước khi sản phẩm được bán trên thị trường, một quy định tương tự cũng được áp dụng ở EU vào năm 1997 Theo hướng dẫn của tổ chức Châu

Âu về đánh giá các sản phẩm dược phẩm (EMEA) năm 2006, quá trình đánh giá rủi ro sinh thái gồm có 2 giai đoạn: Giai đoạn I là đánh giá sự phơi nhiễm môi trường để ước tính nồng độ môi trường được dự đoán (PEC) và các yếu tố ảnh hưởng đến tính độc hay dược

lý lên các quần thể sinh vật của hóa chất trong môi trường, chẳng hạn như độc di truyền (genotoxicity), độc thần kinh, immunotoxicity, độc tính tế bào, hoặc sự rối loạn nội tiết trong các bộ phận (endocrine disrupting events) Giai đoạn II là mô tả các đặc tính rủi ro,

đó là phân tích dự đoán hoặc quan sát những ảnh hưởng lên hệ sinh thái liên quan đến việc đánh giá các điểm kết thúc Đặc tính rủi ro môi trường có thể được hiển thị bằng nhiều cách khác nhau như định tính (có hoặc không có rủi ro), bán định lượng (rủi ro yếu, trung bình hoặc cao) hoặc rủi ro theo xác suất (rủi ro là x%) Mô tả đặc tính rủi ro môi trường theo phương pháp bán định lượng có thể dựa trên thương số nguy hại HQ Theo nhận định của Carlsson và cộng sự (2006) cho thấy việc sử dụng thương số nguy hại HQ trong đánh giá độc tính sinh thái thích hợp hơn là sử dụng dữ liệu độc cấp tính Bởi vì dựa vào đại lượng này ta có thể phát hiện ra các tác động sinh thái có ý nghĩa đối với các hợp chất thử nghiệm [139] Hiện nay dữ liệu về các hóa chất nguy hại đặc biệt là các hóa chất mới nổi còn rất ít, thêm nữa là những hạn chế về sự chắc chắn của các phương pháp sử dụng để đánh giá nguy hại cấp tính Vì vậy, nhiều nghiên cứu đã sử dụng thương số nguy hại để đánh giá mức độ nguy hại của kháng sinh trong các môi trường khác nhau Như trong nghiên cứu của Margot Andrieu và cộng sự (2015) đã sử dụng thương số nguy hại HQ để đánh giá mức độ nguy hại của kháng sinh ENR và CIP đối với quần thể sinh vật trong

kháng sinh này đều ảnh hưởng mạnh tới vi khuẩn Cyanobacteria trong trầm tích và nước

(HQ > 1,39) [86]; Thương số nguy hại HQ được sử dụng để đánh giả ảnh hưởng của kháng sinh QNs, SAs đối với quần thể sinh vật (tảo, thực vật, động vật không xương sống và cá) trong một số sông ở Bắc Kinh – Trung Quốc, kết quả cho thấy tảo là loài bị ảnh hưởng nhiều nhất (HQ>1,189), cá, thực vật và động vật không xương sống ít bị ảnh hưởng [153]

Vì vậy nghiên cứu cũng sử dụng thương số nguy hại HQ để đánh giá ảnh hưởng của kháng sinh tới quần thể sinh vật trong nước và trầm tích Thương số nguy hại HQ theo hướng dẫn của tổ chức Châu Âu về đánh giá các sản phẩm dược phẩm (EMEA) năm 2006 được tính

là tỷ số giữa nồng độ môi trường được dự đoán (PEC) với nồng độ không gây tác động được dự đoán (PNEC) Nồng độ dự đoán môi trường (PEC) tính theo công thức [92, 30]:

(μg/L) (1.1) Trong đó:

DOSEai (mg/người/ngày): Liều tối đa hàng ngày của các hóa chất được sử dụng cho một người

Fpen (%): Hệ số xâm nhập được tính bằng tỷ lệ số người được điều trị mỗi ngày (thường lấy 1%)

WASTEWinhab (L/người/ngày): Số lượng nước thải trên đầu người mỗi ngày (thường lấy là 200)

Dilution: hệ số pha loãng (pha loãng nước thải vào nước mặt thường lấy là 10) Tuy nhiên việc xác định giá trị HQ dựa trên nồng độ môi trường được dự đoán (PEC)

là chưa thực sự phù hợp vì nó không xét đến quá trình di chuyển của chất và quá trình phân hủy chất trong tự nhiên [147] Vì vậy giá trị HQ đã được tính là tỷ số giữa nồng độ chất ô nhiễm đo được (MEC) tại hiện trường với nồng độ không gây tác động được dự đoán (PNEC) như công thức 1.2 [165, 166]

(1.2) Trong đó: - MEC: Nồng độ chất ô nhiễm trong môi trường nước (đất)

- PNEC: Nồng độ không gây tác động được dự đoán Giá trị PNEC được xác định dựa trên cơ sở sau [127]:

Khi chỉ có dữ liệu về nồng độ ảnh hưởng 50%/ Nồng độ gây chết 50% (EC50 / LC50) thì việc tính toán PNEC được lấy bằng cách xác đinh giá trị EC50/LC50 của vi khuẩn, tảo, động vật không xương sống, cá theo hướng dẫn của tổ chức OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) về phương pháp xác định độc tính sinh thái, lựa chọn giá trị nhỏ nhất, sau đó chia cho một hệ số đánh giá là 1000

Nếu có các dữ liệu về nồng độ ảnh hưởng không quan sát được (NOEC) cho một, hai hoặc ba mức dinh dưỡng thì giá trị PNEC được tính bằng giá trị NOEC chia cho hệ số đánh giá là 100, 50 hoặc 10 tương ứng

Hiện nay phần lớn các nghiên cứu đều sử dụng cách tính giá trị PNEC theo phương pháp thứ nhất, mặc dù hệ số đánh giá đã làm giảm mức độ không chắc chắn trong ngoại

suy các số liệu thực nghiệm trên một số loài so với thực tế Vì vậy trong nghiên cứu cũng lựa chọn các giá trị nồng độ không gây tác động được dự đoán (PNECnước) theo công thức sau [151, 165]:

- AF: Hệ số đánh giá (lấy là 1000)

1.6 Các phương pháp loại bỏ kháng sinh

Việc loại bỏ không hiệu quả kháng sinh trong các hệ thống xử lý thông thường và những ảnh hưởng nghiêm trọng của chúng tới môi trường sinh thái, đã và đang trở thành một thách thức với các nhà khoa học Trong tự nhiên kháng sinh có thể tự loại bỏ khỏi môi trường nước bằng cách hấp phụ lên bề mặt chất rắn lơ lửng, sau đó xa lắng xuống trầm tích Sự hấp phụ bị ảnh hưởng lớn bởi các tương tác tĩnh điện giữa các hợp chất mang điện tích dương và các sinh vật mang điện tích âm [25] Ngoài ra một số kháng sinh còn có khả năng tạo phức với kim loại như tetracylin, quinolones nên nó cũng có tác dụng trong loại

bỏ kháng sinh khỏi môi trường nước Vì vậy trong các hệ thống xử lý nước thải kháng sinh tetracycline có thể bị loại bỏ đến 74% [71], quinolones có thể bị loại bỏ trên 80% ở quá trình bùn hoạt tính [1] Phân hủy sinh học cũng là một yếu tố làm suy giảm nồng độ kháng sinh, nhưng không phải chất nào cũng bị loại bỏ bởi quá trình này Như trong nghiên cứu

về khả năng loại bỏ TRI trong các hệ thống xử lý nước thải bằng sinh học cho thấy, TRI chỉ có thể bị loại bỏ bởi vi khuẩn nitrat hóa [25], nồng độ kháng sinh SMX trước và sau hệ thống xử nước thải bằng phương pháp sinh học tại Bắc Kinh – Trung Quốc là 496 ng/L và

235 ng/L theo thứ tự [152] Vậy có thể thấy nếu trong công nghệ xử lý nước thải chỉ sử dụng quá trình lắng và sinh học thì loại bỏ không triệt để kháng sinh trong nước

Vì vậy để loại bỏ hiệu quả kháng sinh nói riêng và dược phẩm nói chung khỏi môi trường, các công nghệ xử lý tiên tiến sử dụng như phản ứng oxy hóa (O3/H2O2, O3/UV,

H2O2/UV, Fenton (Fe2+/H2O2), phản ứng quang hóa sử dụng TiO2, clo hóa), chiếu tia UV,

sử dụng các màng siêu lọc, hấp phụ lên than hoạt tính đã được bổ sung vào sau quá trình

xử lý sinh học Trong nước thải thường chứa các chất ô nhiễm khó phân hủy, hàm lượng cặn lớn, vì vậy phương pháp oxy hóa tiên tiến là thích hợp nhất Các kết quả nghiên cứu trước cho thấy phương pháp AOPs có thể loại bỏ hoàn toàn 560 mg/L ofloxacin trong 2 phút [76] Kết quả này cũng được chứng minh trong hệ thống xử lý nước tại nhà máy xử lý nước thải Urumqi và Shihezi ở Tân Cương Trung Quốc [71], nhà máy xử lý nước thải tại Bắc kinh – Trung Quốc [152], nhà máy xử lý nước thải ở miền tây – Nam Phi [121] Cơ chế của phản ứng AOPs là sự hình thành các gốc OH● theo phản ứng 1.4-1.12

Phản ứng ozon hóa:

3O3 + OH- + H+ → 2OH● + 4O2 (1.4) Phản ứng ozon kết hợp với hydroperoxit (O /H O – peroxone)

H2O2 HO2- + H+ (1.9)

H2O2 HO• + O•- (1.10)

Gốc tự do hydroxyl (OH●) là chất oxy hóa mạnh, không chọn lọc, nó phản ứng nhanh với hầu hết các chất hữu cơ Tốc độ phản ứng của nó phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ Có hai kiểu phản ứng tương tác của gốc OH● với hợp chất hữu cơ là gốc OH●rút nguyên tử H từ nước giống như các alken hoặc alcohol hoặc có thể cộng vào chất ô nhiễm như trong trường hợp của olefin hoặc các hợp chất vòng thơm Phản ứng phổ biến là phản ứng rút nguyên tử hydro để kích hoạt một chuỗi oxy hóa:

Sự tấn công của gốc tự do HO● khi có mặt của oxy sẽ khơi mào một dãy phản ứng phức tạp dẫn đến vô cơ hóa hợp chất hữu cơ Nitơ trong các hợp chất hữu cơ thường bị oxy hóa thành nitrat hoặc nitơ tự do, lưu huỳnh thành SO42-, …

1.7 Phân tích kháng sinh

1.7.1 Kỹ thuật xử lý mẫu

Mặc dù các phương pháp phân tích công cụ hiện đại đã và đang phát triển mạnh mẽ, nhưng việc xác định trực tiếp hàm lượng vết các chất trong mẫu phân tích là rất khó, vì vậy cần có quá trình xử lý mẫu Những tương tác trong quá trình xử lý mẫu được xác định dựa trên tính chất vật lý và tính chất hóa học của cả chất phân tích và nền mẫu, điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng áp dụng các kỹ thuật xử lý mẫu và phương pháp phân tích cũng như hiệu quả, độ chụm của chúng Do đó, tính chất hóa lý của các chất ban đầu trong mẫu

là điều kiện để lựa chọn phương pháp xử lý và dung môi chiết Như để xác định dung môi chiết ta phải dựa vào giá trị Kow, các chất có giá trị logKow thấp thì khả năng hòa tan trong

hυ

λ= 254 nm

nước tốt, ngược lại giá trị logKow cao thì có tính kỵ nước Đối với những chất lưỡng tính như kháng sinh thì còn phải xét đến hằng số phân ly axit (pKa)

Ảnh hưởng của nền mẫu là một trong những vấn đề chính trong phân tích, việc xử lý mẫu sẽ giúp loại bỏ được phần lớn các chất gây nhiễu tiềm năng, làm giàu chất phân tích

và có thể chuyển chất phân tích về một dạng thích hợp hơn Các phương pháp được sử dụng để chiết và làm sạch kháng sinh trong các mẫu môi trường là chiết lỏng – lỏng (LLE), chiết pha rắn (SPE), phân tán mẫu pha rắn (MSPD), chiết lỏng áp cao (PLE), trong bản luận án lựa chọn hai phương pháp là chiết lỏng – lỏng và chiết pha rắn để xử lý mẫu

1 Xử lý mẫu bằng phương pháp chiết pha rắn (SPE)

Nguyên tắc của chiết pha rắn là quá trình phân bố các chất giữa hai pha, trong đó chất mẫu ở dạng lỏng (pha nước hoặc hữu cơ), còn chất chiết ở dạng rắn, là những hạt nhỏ

và xốp có đường kính từ 25 – 70 µm

Sự lựa chọn chất hấp phụ là điểm quan trọng trong chiết pha rắn, vì nó có thể quyết định tính chọn lọc, mối quan hệ và khả năng lưu giữ Việc quyết định chất hấp phụ lại phụ thuộc rất nhiều vào chất phân tích, thành phần các chất có trong mẫu [101] Các loại cột chiết thường sử dụng trong chiết pha rắn là cột C18, HLB, cột trao đổi cation hỗn hợp (MCX), cột trao đổi anion hỗn hợp (MAX), cột SAX, cột SCX, cột Strata®-X, cột Floresil Như cột HLB đã được sử dụng để tách 14 kháng sinh QNs trong cá với hiệu suất thu hồi từ

65 - 86% ở nồng độ thêm chuẩn là 50 và 100 µg/kg [51], cột Strata-X được dùng để chiết

và làm giàu kháng sinh QNs, SAs và TRI trong mẫu nước thải với độ thu hồi trên 50% [129] Phần lớn các nghiên cứu khảo sát về các loại cột cho thấy các kháng sinh hấp thụ tốt trên cột HLB do nó có độ thu hồi cao khoảng 70 – 120%, nên nó thường được sử dụng để chiết kháng sinh trong các mẫu môi trường [103, 126, 150]

2 Xử lý mẫu bằng phương pháp chiết lỏng – lỏng (LLE)

Nguyên tắc của phương pháp chiết lỏng – lỏng là dựa trên sự phân bố của chất phân tích vào hai pha lỏng (hai dung môi) không trộn lẫn vào nhau (trong hai dung môi, có một dung môi chứa chất phân tích) được để trong một dụng cụ chiết như phễu chiết, bình chiết Hiệu quả của dung môi chiết phụ thuộc vào ái lực của chất tan với dung môi chiết (KD), tỷ pha (V) và số lần chiết (n) Trong một số trường hợp có thể thay đổi giá trị KDtheo yêu cầu bằng cách điều chỉnh pH của mẫu để ngăn chặn sự ion hóa của các axit hoặc bazơ, tạo các cặp ion với các chất tan ion hóa, tạo phức kỵ nước với các ion kim loại, thêm các muối trung tính vào nước để giảm độ hòa tan của các chất hữu cơ Có hai phương pháp chiết: Chiết pha tĩnh và chiết dòng chảy liên tục

1.7.2 Các phương pháp phân tích kháng sinh

1.7.2.1 Phương pháp ELISA

ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) hay EIA (Enzyme ImmunoAssay)

trong đó kháng thể được gắn với một enzyme Khi cho thêm cơ chất thích hợp (thường là nitrophenol phosphate) vào phản ứng, enzyme sẽ thủy phân cơ chất thành một chất có màu

Sự xuất hiện màu chứng tỏ đã xảy ra phản ứng đặc hiệu giữa kháng thể với kháng nguyên

và thông qua cường độ màu để nhận biết được nồng độ kháng nguyên hay kháng thể cần phát hiện

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là sự liên kết không rõ ràng giữa chất phân tích mục tiêu và kháng thể, vì vậy dễ bị ảnh hưởng của nền mẫu Do các hợp chất hóa học như protein, chất béo, dung môi,… có trong mẫu có thể ảnh hưởng tới sự gắn kết của kháng thể vào chất phân tích Ngoài ra phương pháp ELISA không phân biệt được riêng rẽ từng kháng sinh của một lớp mà cung cấp một ước tính bán định lượng của "tổng" dư lượng phát hiện [26] Vì vậy, phương pháp ELISA chỉ là một phương pháp bán định lượng,

có độ chọn lọc cũng như độ nhạy thấp Nhưng phương pháp này có ưu điểm là nhanh chóng, đơn giản, chi phí thấp do không cần có quá trình xử lý mẫu Hiện nay phương pháp ELISA được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như y học, nông nghiệp và đặc biệt là được sử dụng để đánh giá nhanh chất lượng thực phẩm, không dùng để đánh giá

dư lượng kháng sinh trong các mẫu môi trường Phương pháp ELISA đã sử dụng để xác định tetracycline trong mô động vật lấy tại sông Mê Kông và sông Hồng của Việt Nam với giới hạn phát hiện 20 μg/kg [39]

1.7.2.2 Phương pháp von - ampe

Phương pháp phân tích cực phổ hay phương pháp phân tích vôn-ampe là phương pháp dựa vào việc nghiên cứu đường cong von – ampe (đường cong phân cực) biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng điện vào điện thế khi điện phân đặc biệt, trong đó có một điện cực có diện tích bề mặt bé Quá trình khử (hay oxi hóa) các ion chủ yếu xảy ra trên vi điện cực, xây dựng đồ thị I = f(E) (I là cường độ dòng điện chạy qua mạch, E là điện thế đặt vào 2 cực của bình điện phân) Quá trình phân tích theo phương pháp von-ampe hoà tan gồm 2 giai đoạn là làm giàu và hòa tan

Phương pháp von - ampe có ưu điểm trong phân tích các chất hữu cơ, dược phẩm bao gồm những chất có hoạt tính điện hóa có khả năng hấp phụ trên bề mặt điện cực giọt thủy ngân, các chất không có hoạt tính điện hóa trực tiếp trên điện cực giọt cũng có thể xác định bằng cách gắn với các nhóm như nitro, nitroso… hoặc thủy phân tạo thành chất mới

có hoạt tính điện hóa Phương pháp cực phổ sóng vuông đã được ứng dụng để xác định hàm lượng kháng sinh erythromycin A trong tôm càng xanh và cá rô phi ở khu vực sông

Mê Kông với giới hạn phát hiện của phương pháp (LOD) là 0,52 µg/kg và 0,57 μg/kg tương ứng [101]

1.7.2.3 Phương pháp điện di mao quản (CE)

Nguyên tắc của kỹ thuật điện di mao quản (CE) là dựa trên cơ sở tính chất điện di (sự

di chuyển) của các phân tử chất tan (các ion chất tan, chất phân tích) trong ống mao quản

(đường kính 30 - 200 μm) trên nền dung dịch chất điện ly và chất đệm pH thích hợp, dưới tác dụng của một từ trường xác định được cung cấp bởi một nguồn cao thế một chiều ( 10

– 50 KV) đặt vào hai đầu mao quản

Phương pháp CE có ưu điểm là lượng mẫu phân tích nhỏ, tốc độ phân tích nhanh, thao tác đơn giản hơn nhiều so với kỹ thuật phân tích HPLC Dung dịch pha động cũng như mẫu phân tích thường được pha trong nước cất khử ion (nước deion) và sử dụng rất ít Cột tách là ống mao quản nhỏ, rẻ, cho hiệu suất tách cao, dễ tái sinh hơn nhiều so với phương pháp HPLC Ngoài ra CE có thể phân tích định lượng cùng một lúc hàng trăm chất chỉ một lượng nhỏ mẫu [143]

Nhược điểm của phương pháp là do tế bào dòng chảy (flowcell) nằm ngay trên mao quản nên độ nhạy của phương pháp thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác Máy làm việc ở vùng có điện áp rất cao nên phải cẩn trọng khi làm việc Lượng mẫu sử dụng nhỏ là một ưu điểm của phương pháp cũng đồng thời là nhược điểm của nó Khi lượng mẫu nhỏ dẫn đến sai số lớn khi phân tích hàm lượng lớn do hệ số pha loãng cao Đối với mẫu có hàm lượng nhỏ, khi tăng thời gian bơm mẫu thì gây ra hiện tượng doãng pic, hiệu suất tách không cao Thời gian lưu của dung dịch phụ thuộc rất nhiều vào thành phần đệm, dung dịch điện ly vì vậy đòi hỏi phải cẩn thận và tỉ mỉ [143]

Phương pháp này thường được áp dụng để phân tích các mẫu mà không thể xác định được bằng sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng, do giới hạn phát hiện cao nên thích hợp trong phân tích các chất kháng sinh trong dược phẩm CE đã được ứng dụng trong một số các nghiên cứu, như xác định bốn kháng sinh họ aminoglycosides trong mẫu sữa với giới hạn xác định

là từ 0,5 đến 1,5 µg/kg bằng derector huỳnh quang [143]

1.7.2.4 Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)

Sắc ký lỏng hiệu năng cao là một phương pháp hóa lý dựa vào ái lực khác nhau của các chất giữa hai pha luôn tiếp xúc với nhau Pha động là chất lỏng chảy qua cột với một tốc độ nhất định dưới áp suất cao còn pha tĩnh là chất nhồi cột làmnhiệm vụ tách hỗn hợp chất phân tích, đó là những chất rắn, xốp và kích thước hạt rất nhỏ, từ 3 - 7 μm Một số loại detector dùng trong HPLC như: Detector quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS), detector huỳnh quang (RF), detector độ dẫn, detector mảng diot (DAD), detector khối phổ (MS) Trong những năm gần đây, phương pháp HPLC với cột tách pha đảo đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc tách và phân tích các chất trong mọi lĩnh vực khác nhau, nhất là trong việc tách và phân tích lượng vết các chất Như trong nghiên cứu của Dương Hồng Anh và cộng sự (2008) sử dụng HPLC với đầu dò huỳnh quang để xác định các kháng sinh QNs trong nước thải bệnh viện [1] Ngoài ra HPLC với đầu dò huỳnh quang còn được sử dụng để xác định 14 kháng sinh quinolones trong cá [51] Đối với phân tích hàm lượng vết, detector khối phổ (MS) là một sự lựa chọn ưu tiên do có thể phát hiện và phân tích chất trong các đối tượng phức tạp