Luận án Nghiên cứu đánh giá dư lượng một số chất kháng sinh trong nước và động vật thủy sinh trong một số hồ Hà Nội

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 I 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 II 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 III 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 IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 1 A2O Anaerobic Anoxic Oxic Công nghệ gồm 3 quá trình yếm khí, thiết khí, hiếu khí 2 AF Assessment factor Hệ số đánh giá 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 8 CIP Ciprofloxacin Ciprofloxacin 9 EC50 Effective concentration Nồng độ ảnh hưởng 50% 10 EMEA European Medicines Evaluation Agency Tổ chức đánh giá y học Châu Âu 11 ENR Enrofloxacin Enrofloxacin 12 COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học 13 FDA Food and Drug Administration Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ 14 HNK Hồ Ngọc Khánh 15 HQ Hazard quotients Thương số nguy hại 16 HT Hồ Tây 17 HTB Hồ Trúc Bạch 18 HTL Hồ Thủ Lệ 19 HYS Hồ Yên Sở 20 KOW Octanol - water partition coefficient Hệ số phân bố octanol - nước 21 LC50 Lethal concentration Nồng độ gây chết 50% 22 LC/MS/MS Liquid chromatography 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 V STT Ký hiệu Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 26 MDL Method detection limits Giới hạn phát hiện của phương pháp 27 MQL Method quantification limits Giới hạn định lượng của phương pháp MRL Maximum residue limit Giới hạn dư lượng tối đa 28 MSPD Matrix solid-phase dispersion Phân tán mẫu pha rắn 29 Nd Not detected Không phát hiện thấy 30 NOEC No observed effect concentration Nồng độ ảnh hưởng không quan sát được 31 NOR Norfloxacin Norfloxacin 32 OFL Ofloxacin Ofloxacin 33 OHTBL Ốc hồ Trúc Bạch cỡ lớn 34 OHTBN Ốc hồ Trúc Bạch cỡ nhỏ 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 38 QNS Quinolones Nhóm kháng sinh quinolone 39 R2 Correlation coefficients Hệ số tương quan 40 RSD Relative standard deviation Độ lệch chuẩn tương đối 41 SAS Sulfonamides Nhóm kháng sinh sulfonamide 42 SMR Sulfamerazine Sulfamerazine` 43 SMX Sulfamethoxazole Sulfamethoxazole 44 SMZ Sulfamethazine Sulfamethazine 45 SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng sinh học hoạt động theo mẻ 46 SPE Solid phase extraction Chiết pha rắn 47 STZ Sulfathiazole Sulfamethiazole 48 TN Nồng độ N tổng số (nitơ Kjeldahl) 49 TP Nồng độ photpho tổng số 50 TRI Trimethoprim Trimethoprim 51 USE Ultrasonic-assisted extraction Chiết siêu âm 52 U Measurement uncertainty Độ không đảm bảo đo của phương pháp 53 VSV Vi sinh vật VI 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 3.17. Nồng độ kháng sinh trong trầm tích của hồ Tây .............................................. 71 VII 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 ng