第

1章总论

药物和个人护理品(pharmaceuticalsandpersonalcareproducts,PPCPs)是一个非常庞大的化合物体系:药物,如各种处方药和非处方药(抗生素、类固醇、消炎药、镇静剂、抗癫痫药、显影剂、止痛药、降压药、避孕药、催眠药、减肥药等),其化合物种类超过3000 多种;个人护理用品,如香料、护肤品、牙膏、肥皂、防晒用品、护发用品等,其化合物种类也在几千种以上,全世界年产量超过1106t[1,2]。

个人护理品主要包括香料(如二甲苯麝香、酮麝香、佳乐麝香、吐纳麝香等)、防腐剂和杀菌消毒剂(如三氯生、甲基三氯生、三氯卡班)等。

按照药物作用机理和作用部位,可分为抗生素类(包括各类抗生素)、解热镇痛及非甾体抗炎镇痛药(主要包括阿司匹林、双氯芬酸、萘普生、布洛芬、对乙酰氨基酚等)、激素及内分泌调节剂(双酚A、17α乙雌醇、雌二醇和雌酮)、抗癫痫药物(如卡马西平、苯妥英钠、丙戊酸钠、苯巴比妥等)、抗肿瘤药(如环磷酰胺、氟尿嘧啶、呋喃氟尿嘧啶、氟铁龙等)、β 受体阻抗剂(如美托洛尔、阿替洛尔)、血压和血脂调节剂(如阿托伐塔汀、氯贝酸、苯氧戊酸)、抗组胺剂(雷尼替丁、西咪替丁)、精神调理药物(威博丁、舍曲林和萘法唑酮)和抑制细胞药物(安道生和异磷酰胺等)和碘化造影剂(如泛影酸钠、碘美普尔、碘帕醇和碘普罗胺等)等。其中抗生素类又可分为喹诺酮类抗生素(如环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星、洛美沙星等)、磺胺类抗生素(如磺胺甲

唑、磺胺嘧啶、磺胺乙酰、磺胺噻唑、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶等)、四环素类(盐酸四环素、盐酸多西环素、盐酸土霉素、盐酸米诺环素)、大环内酯类(如红霉素、琥乙红霉素、阿奇霉素、罗红霉素、克拉霉素、吉他霉素、乙酰螺旋霉素等)、氨基糖苷类(如链霉素、庆大霉素、卡那霉素、妥布霉素等)、β 内酰胺类(如青霉素及其衍生物、头孢菌素、单酰胺环类、碳青霉烯和青霉烯类酶抑制剂等)、氯霉素类(如氯霉素、甲砜霉素和琥珀氯霉素)和林可酰胺类(如林可霉素、克林霉素)等。

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另外,按照药物所含基团以及在不同pH的带电状态,药物也可分为酸性药物、中性药物和弱碱性药物等。酸性药物主要是指含有羧基和一个或两个酚羟基的药类化合物,如双氯芬酸、布洛芬、氯贝酸、苯扎贝特、茚甲新等;中性药物和弱碱性药物是指不含有酸性基团的化合物,其羟基和羧基部位已被质子化,包括各种消炎药、脂肪调节剂、抗癫痫药物、精神病药物、血管扩张剂等,常见的中性或弱碱性药物有卡马西平、安定、安替比林、丙基安替比林、二甲基氨基安替比林、乐果、环磷酰胺、咖啡因等。

1.1 国内外环境中PPCPs的污染概况

随着人类社会经济能力的普遍提升,医疗和护理意识逐渐增强,与之相应的PPCPs的使用量逐渐增大,使用范围也在急剧扩大,PPCPs作为一类"新兴污染物"正在持续不断地进入水体、土壤和大气等环境介质中,并成为继典型环境污染物质[如多氯联苯(PCBs)、滴滴涕(DDT )、二氧(杂)芑和农药等]之后又一个研究的焦点[3,4]。近年来,有关药物赋存、迁移转化、削减等技术的研究趋势如图1.1所示。2006 年Alder等的研究结果表明,世界范围内药物的人均年消费量大约为15g,与此相对应的工业化国家的人均年消费量为50~150g[5]。生命体服用的大部分药物不能够降解,结果使得大部分药物组分及其代谢产物排泄后进入生态系统。全球生产的原料药品已达2000 余种,年产量近2106t,市场规模由1996 年的近100 亿美元扩展到2000 年的130 亿美元,2008 年已上升到850 亿美元,每年以8.8% 左右的速度递增。IMS(艾美仕)公司了"2008 年全球制药及医疗市场预测报告"。该报告显示,2008 年全球成品医药市场将以5%~6% 的速度增长,同时该报告预测2008 年全球医药市场规模将达到7350 亿~7450 亿美元(2000 年世界处方药市场规模为3300 亿美元)。

2011 年全球药品销售额为5%~7%,较高达到8900 亿美元;2015 年全球药品市场将达到1.1万亿美元;2003 年中国已成为世界上较大的药物生产国,其中青霉素年产量为2.8104t(占世界年总产量的60%),土霉素年产量为1104t(占世界年总产量的65%),盐酸多西环素(四环素的一种)和头孢菌素的年产量均居世界及时,且数据表明其产量和用量仍在呈增长的态势。资料表明,2005 年中国的医药市场的市场规模为93

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亿美元,据第四届亚太地区医药产业圆桌会议上的预测,2010 年中国的医药市场规模将达到240 亿美元,到2020 年,中国药品市场规模将达到

1095 亿美元,其增长速度惊人。同时,随着我国经济的快速发展,居民可支配收入增长迅速、人口结构性变化(城镇化、老龄化)加快,从历史的角度来看,医药消费往往是随着收入的增长较先得到满足,同时城镇化和老龄化会带来用药需求的高涨。

图1.12002~2010 年主要环境类期刊发表药物削减相关文章的年累计量[6]

过去的10 年间,研究工作者已在水生环境中检测到了大量的药物,分析技术的革新使得ng/L量级水平的污染物被逐一被检测出来[2,7~9]。各国的药物种类、消耗量和来源比较相似,以德国和英国为例,如表1.1 和图1.2所示。药物残余通过不同的路径进入到水循环中(图1.3),人类服用药物一般通过污水处理厂进入环境受纳水体中,相比之下兽类用药残余则直接排入生态系统。起初对32 种目标药物在水体中残余的研究表明,近80% 的药物在大部分污水处理厂(STP)均有检出,同时20 种药物及其四种对应的代谢产物在河流和溪流中被检测到[10]。此外,药物的处置会使得药物经由其他的途径进入环境,Bound和Voulvoulis[11]曾对此进行研究,受调查的400 户英国家庭对未使用药物和过期药物的处置进行作答,结果表明有大约一半的受访者没有使用完他们的药物,并且这些人中有63.2% 直接将未使用的药物丢弃在了垃圾箱中,21.8% 将未使用药物

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带回药房回收,11.5% 将未使用药物丢弃在了水槽和厕所。据估计,在德国每年在医疗护理中要处置16000t药物,其中60%~80% 的药物被丢弃在了厕所或随家庭垃圾丢弃[12]。而且,药物残余可通过过滤、渗滤或地下水回灌等途径进入到地下水中。例如,在地下水中就检测到卡马西平的浓度高达610ng/L[13]。假设药物及其残余在饮用水处理工艺中不能被有效地去除,那么人类对药物的持续摄取将是不可避免的事情,如氯贝酸(脂肪调节剂的代谢产物)在柏林的自来水中检测到,其浓度为10~165ng/L[14];双氯芬酸在柏林的自来水中也被检测到,且浓度至少为10ng/L[15]。

图1.21999 年德国部分药物的预计消费量及来源

表1.12000年英国最常用(按质量)的25种药物汇总[16]

化合物名称CAS 号药物分类年使用量/t

对乙酰氨基酚103-90-2 镇痛剂391 盐酸二甲双胍1115-70-4 抗血糖药206 布洛芬15687-27-1 镇痛剂162 阿莫西林26787-78-0 抗生素71 丙戊酸钠1069-66-5 抗癫痫药47 柳代磺胺吡啶599-79-1 抗风湿药46 美沙拉嗪89-57-6 治疗溃疡性结肠炎40 卡马西平298-46-4 抗癫痫药40 硫酸亚铁7782-63-0 有机铁添加剂38 盐酸雷尼替丁66357-59-3 抗溃疡药36

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续表

化合物名称CAS 号药物分类年使用量/t

甲腈咪胍51481-61-9 H2受体拮抗剂36 NPX 22204-53-1 抗炎剂35 阿替洛尔29122-68-7 β 受体阻滞剂29 土霉素79-57-2 抗生素27 红霉素114-07-8 抗生素26 双氯芬酸钠盐15307-79-6 抗炎和镇痛药26 氟氯西林钠盐1847-24-1 抗生素23 苯氧甲基青霉素87-08-1 抗生素22 别嘌呤醇315-30-0 抗痛风药22 盐酸地尔硫卓33286-22-5 钙拮抗药22 甲磺双环脲21187-98-4 抗高血糖药19 阿司匹林50-78-2 镇痛剂18 硫酸奎宁804-63-7 肌肉松弛剂17 盐酸甲苯凡林2753-45-9 抗痉挛药15 甲芬那酸61-68-7 抗炎药14

图1.3 水环境中药物污染的路径

生命体服用的大部分药物不能够降解,结果使得大部分药物组分及其代谢产物排泄后进入生态系统。而相关药物中的PPCPs本身具有较强的持久性、生物活性、生物累积性和缓慢生物降解性的特点。大多数的PPCPs在使用过之后进入环境之前都要先进入污水处理厂。在污水处理厂,一方面大多数的PPCPs仍然存在污水处理厂的出水中,这是因为许多极性或持久性化合物只被部分去除,或者在一些情况下,没有任何的去

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除效果;另一方面,强吸附性的化合物通常是通过累积在污泥上而从水相中达到较大程度的去除。如果消化污泥用作肥料施于农田,这些化合物会迁移到陆地上,在土壤的表层累积下来。当进入到地表水或通过消化污泥施肥于农田经雨水冲刷以及通过污水处理厂的排放,那些强吸附性的PPCPs会累积在悬浮固体中(主要是吸附在小颗粒上)。如果持久性的PPCPs累积在悬浮物质或沉积物上,则会长期暴露在河流、溪流或湖泊中[17]。结果使得它们长期暴露于人体和水生、陆生生物体,因此这类物质的残留对水环境必然产生长期潜在的影响[3]。

目前,在污水处理厂进出水、地表水、地下水和饮用水中已发现多种PPCPs物质,浓度高达μg/L水平[18,19]。在不同国家和地区的地下水中均不同程度地检测到了PPCPs组分。广州市政污水处理厂脱水污泥中奎诺酮类抗细菌药物(如环丙沙星、诺氟沙星、氧氟沙星等)较高可达17mg/kg[20];唑类抗真菌药物(克霉唑、咪康唑、酮康唑等)浓度达2mg/kg[21];三氯卡班、三氯生和双酚A 则分别高达5.1mg/kg、

1.2mg/kg和0.14mg/kg[22];污泥中还发现微量罗红霉素、脱水红霉素等大环内酯类抗细菌药物[20]、防腐剂对羟基苯甲酸酯类化合物、β 受体阻滞剂美托洛尔、普托洛尔和雌激酮等[22]。珠江广州河段和城市河流水体中PPCPs污染物分布广泛[21,23,24],其中一些化合物如双酚A、三氯生、磺胺和大环内酯类抗生素等,浓度的数量级可高达μg/L[21],河流沉积物中也发现了氟喹诺酮类、微量大环内酯类及磺胺类抗生素[24]。在柏林的饮用水样品中已经发现浓度为2.7ng/L的氯贝酸[25]。在德国巴伐利亚进行的对饮用水设备的监测项目中,在51 个样品中有6个样品发现了痕量新明磺,浓度为13~45ng/L[26]。在饮用水源水中,氯贝酸的平均浓度为50ng/L、布洛芬为450ng/L、布洛芬甲酯为710ng/L。在已处理的饮用水中,布洛芬平均浓度为120ng/L。Ternes等在德国的地下水中检测到了9 种PPCPs组分,包括降血脂药(氯贝酸、菲诺贝特和苯扎贝特)、消炎止痛药(双氯酚酸、布洛芬、安替比林和吲哚美辛)、抗癫痫药(立痛定)和镇痛药(安定)[27]。柏林地下水中降血脂药氯贝酸的浓度高达4.2μg/L 的水平[28]。美国地质调查局(USGS)对47 个地下水样品的普遍性调查结果显示,81% 的地下水受到不同程度的PPCPs类物质污染,其中避蚊胺的较高浓度为13.5μg/L,布洛芬的较高浓度也达到了3.1μg/L[29]。我国上海地区的地下水中也不同程度地检测到了抗生素氟喹诺酮类物质(较高浓度达到201ng/L)、抗癫痫药物卡马西平(136~563ng/L)、杀菌消毒