基于污水分析法的毒情評估研究及應(yīng)用進展

侯臣之，花鎮(zhèn)東，徐 鵬，蘇夢翔，狄 斌*，王優(yōu)美，徐 慧

(1中國藥科大學，南京 210009；2國家禁毒委員會辦公室中國藥科大學禁毒關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合實驗室，南京 210009；3公安部禁毒情報技術(shù)中心，北京 100741)

毒品嚴重危害人類健康，影響家庭和諧，威脅社會治安，破壞國家經(jīng)濟，已成為當今國際社會所需要面對的共同問題。聯(lián)合國毒品和犯罪辦公室(UNODC)2017年的年度毒品報告顯示，從2006年到2017年，全球吸毒人數(shù)不斷增加，毒品濫用情況日趨嚴重，而由毒品濫用導致的社會問題也愈顯突出[1]。

污水分析法于2001年首次由美國的Daughton等[2]提出，該法基于人服用藥物后，藥物的活性成分及其代謝產(chǎn)物會通過尿液和糞便排入城市排水系統(tǒng)中的原理，通過測定污水中的目標化合物和代謝產(chǎn)物的濃度，乘以污水處理廠每天的污水流量可以得出進入污水處理廠的日毒品和其代謝物的量，乘以相應(yīng)的校正因子(目標毒品和其代謝物的相對分子質(zhì)量之比與人體中毒品代謝物排出率的比值)可以計算出污水處理廠所覆蓋人口的日毒品吸食總量，最后除以污水處理廠所覆蓋人口得到日平均毒品消耗量。

污水分析法相比于傳統(tǒng)的問卷調(diào)查法和社會流行病學分析法，能夠提供更加準確、持續(xù)、真實的毒品消耗量信息，便于實時監(jiān)測毒情，以避免傳統(tǒng)方法中所涉及的倫理問題。

1 污水分析法在國內(nèi)外的應(yīng)用進展

國際上，2005年Zuccato等[3]就首次采用污水分析法對意大利國內(nèi)的可卡因消耗情況進行了評估。此后，有更多的實驗室和毒品監(jiān)測機構(gòu)將污水分析法應(yīng)用于不同國家、城市的毒情評估中，監(jiān)測的毒品種類有海洛因、苯丙胺類毒品、氯胺酮、可卡因、大麻等。2010年，歐洲組織污水分析法的核心成員國發(fā)起了污水分析法標準化活動，并對歐洲19座城市的毒情進行了評估[4]，該組織在2012和2013年又采用污水分析法對上述19座城市的毒情進行了復評，并與2010年的評估結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)除甲基苯丙胺之外的各種毒品消耗量都在增加[5]。時至今日，已有澳大利亞、比利時、荷蘭、芬蘭、法國、意大利、西班牙、斯洛伐克、葡萄牙、波蘭等國家進行了相關(guān)領(lǐng)域的研究。沙特阿拉伯、突尼斯、哥倫比亞和哥斯達黎加等發(fā)展中國家也在相關(guān)領(lǐng)域展開了研究，其中哥斯達黎加和哥倫比亞均在2016年首次采用污水分析法對本國毒品消耗情況進行評估，結(jié)果顯示可卡因是這兩國消耗量最大的毒品[6-9]。

在中國，污水分析法的首次應(yīng)用是2011年Lai等[10]對香港地區(qū)主要污水處理廠污水中的毒品情況進行監(jiān)測，檢測出氯胺酮、甲基苯丙胺和可卡因等成分。2012年，Khan等[11]采用污水分析法對北京、上海、廣州和深圳4個特大城市的毒品消耗情況進行了評估，研究表明：中國城市的毒品消耗模式不同于歐美城市；氯胺酮和和甲基苯丙胺為主要消耗毒品；新型毒品和大麻的消耗量呈上升趨勢，不容忽視；廣州、深圳的毒品消耗水平高于北京和上海。在此之后，又有更多的研究在國內(nèi)展開，Du等[12-13]在2016年通過污水分析法對國內(nèi)不同區(qū)域城市的氯胺酮、甲基苯丙胺和海洛因消耗量進行了評估，得出了中國這3種毒品消耗呈區(qū)域性差異的結(jié)論。現(xiàn)今污水分析法已被國內(nèi)禁毒相關(guān)機構(gòu)廣泛采納。

污水分析法除了可用于計算毒品的消耗量外，還被擴展應(yīng)用于追蹤毒品濫用隨時間的變化情況，監(jiān)測特定活動或節(jié)假日毒品濫用情況和小范圍內(nèi)特定人群或特定區(qū)域毒品濫用信息[14]。

2 污水分析法的主要研究內(nèi)容

2.1 毒品代謝目標分析物(DTR)的選擇

毒品在進入人體后，有些以原型的形式排出，而大部分則以代謝產(chǎn)物的形式排出，且代謝物多達數(shù)種。在這種情況下，有必要選取一種或幾種代謝產(chǎn)物作為該毒品代謝目標分析物(drug target residue，DTR)進行測定，從而反推出該毒品的消耗量。DTR多選取最主要、量最大、在污水中穩(wěn)定性良好、且易于進行檢測的毒品代謝物。如選擇海洛因的人體代謝物嗎啡和6-單乙酰嗎啡作為海洛因消耗量評估的DTR[15-16]。但是，這些DTR也存在著以下許多的問題：例如，作為海洛因的DTR之一，嗎啡不僅可由人非法吸食海洛因后代謝排出，也可在合法作為臨床治療藥物使用時由人體排出。有報道顯示，污水中只有0.01%的嗎啡是由非法使用海洛因產(chǎn)生的[17]。此外，嗎啡易被污水中的固體懸浮顆粒吸附，故采用嗎啡作為海洛因的DTR并不準確。

另一種常用的海洛因的DTR，是其次代謝產(chǎn)物6-單乙酰嗎啡，雖只能通過非法吸食海洛因排泄進入污水，但由于其排出率低(0.5%左右)，導致校正因子高，對定量下限的要求高，從而會導致反推誤差增大，故選擇6-單乙酰嗎啡作為海洛因的DTR也不盡合理。

氯胺酮可作為獸藥使用[17]，隨動物體排泄進入環(huán)境水體中，故選用其原型和代謝物去甲氯胺酮作為DTR也會導致反推結(jié)果的誤差。所以更加合理的DTR仍有待進一步篩選和研究。

2.2 DTR校正因子的估算

采用DTR濃度反推毒品消耗量需要用到校正因子。校正因子=原型藥物相對分子質(zhì)量/DTR相對分子質(zhì)量×DTR排出率。由于原型藥物和DTR的相對分子質(zhì)量是確定的，所以DTR的排出率是影響校正因子準確性的最大不確定性因素。DTR的排出率是根據(jù)藥物的藥代動力學實驗和排泄實驗數(shù)據(jù)進行估算的。DTR排出率估算結(jié)果會因不同的吸食或給藥方式導致的毒品在人體的吸收分布代謝排泄的差異而出現(xiàn)誤差。目前文獻報道中所使用的DTR排泄率大多只在考察了一種吸食或給藥方式后得出，而由于大部分毒品的吸食方式有多種，這種情況下得出的DTR排出率是不準確的[18-19]。人種、年齡、性別、身體健康情況等也是影響DTR排出率的重要因素，故在估算時也需考慮這些因素以盡可能保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.3 DTR穩(wěn)定性研究

DTR的穩(wěn)定性是影響反推結(jié)果的又一重要因素，主要包括：DTR在排水系統(tǒng)中的穩(wěn)定性；樣品采集、運輸、儲存過程中的穩(wěn)定性；分析過程中的穩(wěn)定性；污水中的懸浮固體顆粒(suspended solid particles,SPM)和淤積物對DTR的吸附等。Baker等[17]、Mccau等[20]以及Nuijs等[21]對各種毒品及DTR在污水樣品采集、運輸、儲存、前處理過程中的穩(wěn)定性和SPM對DTR的吸附率進行了考察，匯總并得出了相應(yīng)的參數(shù)。

城市污水進入污水處理廠之前需要流經(jīng)各種不同情況的排水系統(tǒng)，排水系統(tǒng)的溫度、pH、含氧量、淤積物和菌群狀況均會對DTR的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，故考察DTR在排水系統(tǒng)中的穩(wěn)定性非常必要[22-23]。城市地下排水系統(tǒng)主要有兩種類型：一種是重力排水系統(tǒng)，在這種排水系統(tǒng)中，污水不能充滿整個管道，管道上方會有部分空氣，管道內(nèi)壁同時寄生有厭氧菌和好氧菌菌群；另外一種排水系統(tǒng)是密封式的排水系統(tǒng)，在這種排水系統(tǒng)中，污水充滿下水管道，管道中沒有空氣，管道內(nèi)壁的寄生菌群絕大部分為厭氧菌群。Thai等[22]采用下水系統(tǒng)反應(yīng)器模擬了兩種不同的排水系統(tǒng)，對可卡因、6-單乙酰嗎啡、甲基苯丙胺、氯胺酮和3,4-亞甲基二氧甲基苯丙胺(3,4-methylene dioxy methamphetamine,MDMA)等毒品和其DTR在排水系統(tǒng)中的穩(wěn)定性進行研究并繪制了降解動力學曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6-單乙酰嗎啡、可卡因、氯胺酮在排水系統(tǒng)中穩(wěn)定性較差，甲基苯丙胺和MDMA穩(wěn)定性良好。

2.4 樣品的采集

取樣是污水分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，科學取樣是獲得準確監(jiān)測數(shù)據(jù)的前提。污水樣品的采集方式主要包括連續(xù)式和非連續(xù)式兩種。其中連續(xù)式又分為流量比例連續(xù)取樣法和恒量連續(xù)取樣法；非連續(xù)式分為時間比例法，流量比例非連續(xù)取樣法、體積比例法和隨機單次取樣法[24-25]。不同的取樣方法所需的儀器設(shè)備不同。

Ort等[25]于2010年對不同污水采集方法進行了比較，并通過實驗對各種方法進行了優(yōu)化和不確定性分析。結(jié)果表明，流量比例連續(xù)取樣法是最佳采樣方法。這種方法連續(xù)無間隔取樣，根據(jù)實時污水進廠的流量對所取污水的量進行調(diào)整，使污水采集量和污水進廠量成比例，從而消除了其他方法因每時段污水進廠流量不同或每時間段污水中毒品種類和濃度不同而導致的反推誤差。但該法對采樣儀器要求較高，需要配備有流速/流量控制器泵的在線自動取樣儀。

污水樣品的取樣量一般為1 L，但0.05 L到10 L的取樣量在文獻中均有報道，具體采樣體積應(yīng)根據(jù)采樣方法、當天的污水流量以及分析所需的量進行調(diào)整。

所有樣品存儲在硅烷化玻璃瓶、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE)容器內(nèi)，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2，于采樣72 h內(nèi)分析測定。如果無法及時檢測，在調(diào)節(jié)樣品pH至2后，-20 ℃冷凍儲存，并避免多次凍融。是否過濾對樣品的保存無太大影響。

2.5 污水樣品的前處理

污水樣品的前處理一般選擇MCX柱和HLB柱進行固相萃取，這兩種柱適合于極性化合物和堿性化合物的吸附，可凈化復雜的樣品基質(zhì)，使用pH范圍為0～14，適合大多數(shù)毒品的前處理[26-30]。文獻報道中，多采用甲醇或乙腈以及合適pH的水活化和平衡固相萃取柱，上樣體積從10 mL到500 mL不等，流速不宜過快，一般選擇1～2 mL/min，上樣完成后，多采用pH 2純水沖洗固相萃取柱，洗脫溶液多選擇含有一定比例氨水的甲醇或乙腈，洗脫流速一般為1～2 mL/min，最后，洗脫液在40～50 ℃的條件下氮氣吹干，初始比例流動相復溶，進儀器分析。但絕大多數(shù)文獻報道顯示，部分毒品，尤其阿片類毒品在這種固相萃取條件下，提取回收率很低，故方法仍需優(yōu)化。除此之外，微固相萃取、分散固相萃取和磁固相萃取在污水樣品前處理中的應(yīng)用也有待開發(fā)。

Asimakopoulos等[31]則考察了液液萃取法在污水樣品前處理中的應(yīng)用，設(shè)置了兩種液液萃取方法，但兩種方法均不能同時滿足所有類型毒品的提取回收率要求，且操作步驟繁瑣，操作過程中樣品損耗較多、耗時長，故不適用于大批量樣品的前處理。

2.6 污水樣品的定量測定

污水樣品中的DTR定量分析多采用同位素內(nèi)標-LC-MS/MS法，也有文獻報道中使用了柱前衍生化聯(lián)合GC-MS法測定，此外，LTQ-Orbitrap和TOF MS也被應(yīng)用于相關(guān)分析中[27]。

例如，VazquezRoig等[27]采用LC-MS/MS法對地表水中的14種非法藥物成分進行了測定，采用ESI源，正離子模式，MRM通道監(jiān)測；C18色譜柱分離；流動相A為0.1%甲酸-甲醇溶液；流動相B為10 mol/L甲酸銨水溶液；梯度洗脫。各待測物檢測限和定量限分別為0.01～1.54 ng/L和0.03～5.13 ng/L；提取回收率在71%～102%的范圍內(nèi)；日內(nèi)精密度和中間精密度分別在1%～8%和2%～11%之間。該法在西班牙瓦倫西亞的地表水中檢測出了可待因、可卡因、苯丙胺、甲基苯丙胺、嗎啡等毒品。

2.7 人口標記物的研究

反推毒品消耗量需要掌握污水處理廠覆蓋的人口數(shù)量，這也是影響最終反推結(jié)果的重要不確定性因素之一。

目前常用的人口估算方法有兩種：De Jure法和De facto法。De Jure 法基于相關(guān)部門給出的人口普查數(shù)據(jù)直接得出污水處理廠所覆蓋的人口數(shù)量，該方法較為簡單，但由于城市人口流動量較大，不能保證每天都能覆蓋相同的人數(shù)，故偏差較大。De facto 法則是基于選定的人口標記物在污水中的含量，對采樣日污水處理廠所覆蓋的人口數(shù)量(即產(chǎn)生污水的人口數(shù)量)進行較為準確的估算。

人口標記物主要分為3種：(1)污水中總氮、總磷和總氧(化學、生物總需氧量)等無機物[36-41]；(2)處方藥[40]；(3)人體的內(nèi)源性物質(zhì)[36,40]；(4)嗜好品代謝物：茶和咖啡的代謝物咖啡因和尼古丁的代謝物可替寧等[40-42]。

選用氮、磷、氧等無機物作為人口標記物時，測定方法簡便快捷，有一套標準的操作規(guī)范，各污水處理廠一般都會對污水中無機物的含量進行慣例分析，故數(shù)據(jù)易得。但不容忽視的一點是，這些無機物往往不僅由人體排泄產(chǎn)生，也可能是由工業(yè)廢料或其他生物體產(chǎn)生，故其特異性較差，所計算出的人口數(shù)量并不準確，代入反推公式會引起較大的偏差。

選擇處方藥做為人口標記物需遵循以下原則：(1)應(yīng)用廣泛；(2)日消耗量，年消耗量可查詢；(3)在污水樣品中頻繁被檢出，且濃度較高，不需要進行萃取處理，直接進樣分析；(4)穩(wěn)定性好，不會在污水中大量降解；(5)具有代表性，即在該地區(qū)或全國范圍內(nèi)消耗量差別不大；(6)不易被污水中的固體顆粒和濾紙吸附；(7)排泄率穩(wěn)定且排泄與人口數(shù)量相關(guān)性良好。在對選作人口標記物的處方藥進行含量測定之后，可以代入相關(guān)公式進行人口的評估[39]。該法的缺點是，處方藥的年消耗量并不容易準確獲得，而且很難保證某種處方藥在全國各省市的消耗量差別不大，這樣一來，人口標記物也失去了其原有的意義。Lai等[39]對阿替洛爾、加巴噴丁、咖啡因、安賽蜜、卡馬西平、可待因、二氫氯噻嗪、萘普生、水楊酸等處方藥進行篩選，最終選取阿替洛爾作為最合適的人口標記物用于污水分析法中，并對相關(guān)不確定性因素進行了分析。但該標記物僅在澳大利亞適用，在別的國家并沒有相關(guān)研究。

選擇內(nèi)源性物質(zhì)或嗜好品代謝物作為人口標記物需遵循以下幾點原則：可被測定；不易被吸附；在污水中穩(wěn)定；排泄率穩(wěn)定；僅由人體排泄，不會受其他環(huán)境因素影響，在污水中的含量應(yīng)達到ng/mL。Daughton等[36]在2012年提出了以人體內(nèi)源性物質(zhì)作為人口標記物對人口進行評估的設(shè)想，并提出了兩種潛在的內(nèi)源性人口標記物：肌酐和糞甾烷-3-醇。Chen等[40]和Rico等[41]進一步對Daughton等[36]的設(shè)想進行了研究，考察了皮質(zhì)醇、甾醇、肌酐、雄烯二酮、膽固醇、5-羥吲哚乙酸等內(nèi)源性物質(zhì)和咖啡因、可替寧等嗜好品代謝物作為人口標記物的可行性。Chen等[40]的結(jié)果表明，肌酐、皮質(zhì)醇和雄烯二酮在污水中的穩(wěn)定性差，大部分在24 h內(nèi)降解；甾醇極易被污水中的固體顆粒和沉積物吸附；而5-羥吲哚乙酸和可替寧全部符合人口標記物選擇原則。Rico等[41]則發(fā)現(xiàn)與人口普查數(shù)據(jù)和無機物作為人口標記物估算結(jié)果相比，咖啡因、可替寧和5-羥吲哚乙酸作為人口標記物估算的人口數(shù)據(jù)最為準確，故可作為合適的人口標記物使用，但作者同時也提醒，可樂等軟飲料制造廠產(chǎn)生的廢水中的咖啡因也可能會影響人口估算的準確性。

2.8 反推模型的建立

標準反推模型的建立：

在測得污水中DTR濃度后，經(jīng)過反推，可以得到日均毒品消耗量。公式如下[45-35]：

3 結(jié)論和展望

毒品濫用信息監(jiān)測的傳統(tǒng)手段是通過人口統(tǒng)計結(jié)合涉毒犯罪統(tǒng)計數(shù)據(jù)、醫(yī)療記錄和問卷調(diào)查進行綜合統(tǒng)計分析，對毒品濫用情況進行評估[15-16,18]，該法由于調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)可能不具普遍性(如僅在特定地區(qū)調(diào)查)或帶有主觀性，需要耗費大量人力、物力和財力，樣品采集和統(tǒng)計調(diào)查不具有實時性，可能造成毒情監(jiān)測的偏差。污水分析法測定污水中毒品DTR的濃度，通過反推得到毒品的日均消耗量。污水樣品可以在多個地區(qū)實時采集，具有普遍性和實時性，樣品前處理和儀器分析簡便快捷，儀器檢測出的毒品濃度客觀準確，能夠為毒情的監(jiān)測提供客觀、實時、準確、有效的信息。對于及時開展禁毒工作，打擊毒品犯罪具有重要意義。

結(jié)合上文中所綜述污水分析法中的各種不確定性因素，筆者認為，污水分析法在日后的應(yīng)用中可從以下幾個方面進行改進和探討：(1)對各種類型毒品進行更全面綜合的體內(nèi)外代謝規(guī)律研究，找出更多合適的DTR，估算出更加合理的DTR排泄率，得到更加準確的DTR校正因子用于反推中；(2)對DTR的穩(wěn)定性進行更加系統(tǒng)的研究，包括儲存穩(wěn)定性、在排水系統(tǒng)中的穩(wěn)定性、吸附率、在前處理和分析過程中的穩(wěn)定性等，并根據(jù)DTR各方面的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)得到一個綜合，準確的穩(wěn)定性數(shù)值；(3)盡快開發(fā)出一種帶有流量/速控制裝置的在線污水采集儀器，以便采用流量比例連續(xù)取樣法從污水處理廠采集污水樣品，減少因污水流量變化而引起的反推誤差；(4)采集后的污水樣品應(yīng)先用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2左右，-20 ℃儲存?zhèn)溆茫?5)對于部分毒品用傳統(tǒng)萃取方法處理提取回收率低的問題，可考慮采用新型材料作為固相萃取吸附劑，相關(guān)材料還有待開發(fā)；(6)選擇一種或多種物質(zhì)作為人口標記物，系統(tǒng)考察這些物質(zhì)的穩(wěn)定性，前處理方法，分析方法，建立一套完整的人口數(shù)量評估方法，對污水處理廠所覆蓋的人口數(shù)量進行更為準確的評估；(7)對于污水分析法中存在的其他不確定性因素，可采用 Monte Carlo Simulation(一種統(tǒng)計模擬方法)進行評估；或更進一步采用貝葉斯統(tǒng)計框架內(nèi)的MCMC法(Markov chain Monte Carlo within Bayesian statistical framework)進行更加準確的評估。最后，將這些模擬方法模型中得到的數(shù)值應(yīng)用于反推中。

污水分析法作為一種客觀、實時、準確、便捷、有效的毒情監(jiān)測方法，應(yīng)在我國推廣應(yīng)用，并推動更多的國家和地區(qū)使用，以促進全球范圍毒情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建立和禁毒工作的合作。除此之外，污水分析法還可以延伸應(yīng)用于地表水、海水、環(huán)境土壤中毒品成分的監(jiān)測，從而建立更加完善的基于環(huán)境樣品分析的毒品濫用信息監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。