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编译：贺圆珍     校稿：金慧

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原名：Systematic Evaluation of the In-Sample Stability of Selected Pharmaceuticals, Illicit Drugs, and Their Metabolites in Wastewater

译名：系统评价污水样品中选定药物、非法药物及其代谢物的稳定性

第一作者：Xialu Lin

通讯作者：Kevin V. Thomas & Jake W. O’Brien

研究机构：

The University of Queensland, Xi’an Jiaotong University

期刊：Environmental Science and Technology

发表时间：2021

研究背景

基于废水的流行病学 (Wastewater-based epidemiology, WBE) 是用于调查人口水平上化学品暴露和使用情况的一种有用且创新的方法。其原理是基于接触的化学物质经尿液排入下水管道，通过检测废水中特定化学物质的目标标志物，结合废水量、生物标志物浓度、药代动力学排泄率和人口规模等数据，反推污水产生区域人均药物消耗量。目前已在世界范围内非法药物监测中广泛应用。但是WBE结果的可靠性存在许多不确定性，其一是废水中生物标记物的稳定性问题。虽然目前已有对非法药物和药物生物标记物在下水道的稳定性进行系统性的调查研究，但大多集中在未经处理或过滤的废水中进行且存储时间较短。为了解生物标记物在样本内稳定性的改变以减少消费估计的不确定性，便于提供更准确的WBE结果。本研究系统地评估了无菌过滤、盐酸 (HCl) 酸化、保护剂焦亚硫酸钠 (Na₂S₂O₅)的添加以及温度等条件对样品中药物转化的影响。最后，利用建立的模型估计目标药物从取样、现场保存、运输、储存，解冻到预分析多个阶段可能发生的变化。

研究方法

结果与讨论

1、废水预处理中目标化合物初始浓度的比较

6组预处理方法试验中，可卡因、安非他明类兴奋剂、阿片类药物及其代谢产物等20种化合物的初始检测浓度在1.4 ~ 7.1 μg/L之间，其他9种化合物浓度在5.9 ~ 180 μg/L之间，包括药物、烟草和人造甜味剂。其中酸化和酸化加过滤两种预处理方法中目标化合物相对浓度无显著差异（见原文补充信息Figure S1和Table S1）。

2、预处理方法对化合物在样品中稳定性影响

在-20-35 ℃温度条件下的测试周期内，化合物的最终相对浓度如图1 (原文图2) 所示，对于大多数化合物，酸化或过滤加酸化的保存效果优于其他预处理。根据Pseudo-First-Order动力学绘制化合物在-20-35 ℃储存的特定拟合曲线，如图2 (原文图3)，并报道了其50%转化的时间 (Table 1)。下面将详细对每种预处理方法进行讨论。

图1. 预处理方法组中稳定性不同的化合物数量。化合物的稳定性通过他们的最终相对浓度来评估，在这个测试周期内，35 °C (28天)，22 °C  (56天)，4和-20 °C  (196天)；*P<0.05，与未处理的废水相比有显著性差异；# P < 0.05，与过滤后的废水相比有显著性差异。

1）未处理污水 (图1，2和表1)：扑热息痛、6-MAM、吗啡、可卡因、可待因、去甲羟考酮、羟考酮和氢氯噻嗪在4-35 ℃未处理的废水中是最不稳定的化合物，即使是未处理废水在-20℃冷冻，在196天内也观察到集中化合物99%的转化，同时在未处理的废水中也观察到一些化合物的生成。另外，安赛磺胺、卡马西平、可替宁、甲基苯丙胺、MDMA、氯胺酮、去甲芬太尼、MDEA和去丁丙诺啡9种化合物被认定在-20-35℃的未处理废水中高度稳定。

2）投加保护剂Na₂S₂O₅ (图2和表1)：0.5 g/L Na₂S₂O₅对所测化合物的保护效果并不明显，且会引起部分化合物的转化。提高Na₂S₂O₅添加量可能会提高其对废水中某些化合物的保护效果，但也可能加剧其对其他化合物稳定性的不利影响。

3）酸化 (图2和表1)：除了6-MAM和吗啡之外，酸化可极大地或中等程度地减缓可卡因、苯甲酰爱康宁、6-MAM、吗啡、可待因、EDDP、美沙酮的转化，并保持这些化合物中等至高的稳定性。但是在4-35 ℃范围内，酸化可导致甲氧麻黄酮的增加，并加速安非他明和丙二醛的降解。

表1. 估计化合物在22 °C储存时50%转化的时间^a

a 化合物转化50% 的时间由具有显著转化率的化合物的Pseudo-First-Order动力学或通过观察数据估计。如果化合物的转化趋势增加，则时间以150%相对浓度估计；如果减少，以50%估计。NA：不可用，估计的转化率在Pseudo-First-Order动力学模型中不显著，相关的 50% 转化的时间基于实验数据。

4）过滤 (图2和表1)：0.2 μm RC过滤可提高安非他明、吗啡、可待因、去氧可酮、去氧可酮、美沙酮、对乙酰氨基酚、去氯胺酮、和替诺洛尔的稳定性，但加速了可卡因、甲基酮、甲氧麻黄酮、丁丙诺啡和去氧丙诺啡在-20-35 ℃下 (56天) 的转化，以及 MDMA在4 ℃和20 ℃条件下 (196天) 的转化。另外，初始阶段可观察到苯甲酰爱康宁和吗啡的增加，但在35 ℃条件下，随着冻融循环，废水中MDMA会逐渐降解。

5）过滤 + Na₂S₂O₅ (图2和表1)：在22 ℃下，6-MAM、EDDP、扑热息痛、诺克他明和阿替洛尔的降解速度较纯过滤或纯添加Na₂S₂O₅的废水有所降低。但对可卡因、甲基酮、甲氧麻黄酮和去丁丙诺啡，过滤只会加速它们的降解；与单独过滤相比，过滤加Na₂S₂O₅可提高其稳定性，但与单独添加Na₂S₂O₅相比，其稳定性降低。在其他储存温度下也可观察到类似的效果。对于其他化合物的稳定性类似于只添加Na₂S₂O₅或只过滤的预处理方法。

6）过滤＋酸化 (图2和表1)：在22 °C下，过滤和酸化结合对扑热息痛具有更强的保护效果，但仅与酸化相比，大多数化合物的稳定性相似。

图2. 目标化合物在22 °C存储时的相对浓度，这些点表示实验数据和/或插值数据的平均值 (n=2)。

3、冻融循环过程对化合物在样品中稳定性的影响

与 22 °C储存相比，大多数化合物在冻融循环中也会发生类似的转化 (图3)。其中发现未处理废水中的苯丙胺、阿替洛尔、丁丙诺啡、甲氧麻黄酮和甲酮，添加Na₂S₂O₅废水中的苯丙胺和尼古丁，酸化废水中的吗啡和过滤废水中的去甲羟考酮，转化较快。相反的是，观察到在未处理的废水中可待因、去甲羟考酮和羟考酮，添加Na₂S₂O₅的废水中去甲氯胺酮，酸化废水中的苯丙胺、MDA 和扑热息痛，过滤废水中的扑热息痛，转化较慢，其背后的原因需要进一步探索。不过，通过对冻融循环或实际场景等多阶段过程下的样本中化合物的稳定性评估可以提高对生物标志物实际多阶段转化的理解。

图3. 冻融循环储存时目标化合物的相对浓度。以“cycle”为单位，比较连续存储22 ℃或-20 ℃前后冻融循环的变化曲线；每个循环包括在22 °C (2天)，-20 °C (5天)；在22 °C储存2天，-20 °C下储存5天。拟合曲线和95%置信区间均基于Pseudo-First-Order动力学。

4、存储温度对化合物在样品中稳定性的影响

采用重新参数化的 Arrhenius 方程拟合浓度、时间和温度之间的关系，发现预处理废水中大多数化合物在样品内的转化率与温度有关，以EDDP为例 (图4)。虽然在低温和更长时间内测试可能更好地反映储存样品中化合物的稳定性，但这会耗时且可能不会观察到化合物的显著转化。因此，通过测试分析物在多个常见和较高储存温度下的稳定性，借助Arrhenius方程可以预测其低温下的转化速率，并估算可能的转化时间，为长期保存提供参考。

图4. EDDP在-20℃-35℃条件下相对浓度随时间的变化。拟合曲线和95%置信带是基于Pseudo-First-Order动力学 (灰色带) 和重新参数化的Arrhenius方程 (黄色带)。

5、基于Pseudo-First-Order动力学和Arrhenius方程的多阶转化估算模型

基于化合物和预处理特有的Pseudo-First-Order动力学或重新参数化的Arrhenius方程，开发了一个六阶段转化估计模型，用于从 WWTP 采样点到实验室处理点样品中化合物稳定性的评估，并建立一个开源交互工具，用于计算和展示。当前版本保留了Pseudo-First-Order动力学和重新参数化Arrhenius 方程拟合模型的所有化合物建模。虽然在某些温度和预处理下对稳定化合物转化率的估计可能不显著，但预测浓度与实验期间所有获得的浓度平均值没有差异。以冻融循环为例对开发的模型进行验证，结果发现对大部分选择的化合物在大多数预处理方法中的估计结果与第7、14和21天冻融循环的拟合或实验结果相似。

在对模型进行验证后，我们进一步探讨了对典型多阶段场景中废水样品的预测能力。该模型假设样本在4 ℃下收集1天，在-20 ℃运输7天，在实验室-20 ℃储存7天，4 ℃解冻1天，最后在22 ℃环境中处理1天，对同预处理条件下目标化合物的相对浓度进行估算。结果发现24天后，除了经过不同预处理的6-MAM、扑热息痛和吗啡及过滤废水中的可卡因、甲氧麻黄碱和甲基酮 (图5)， 大多数化合物 (无论预处理方法如何) 在假定的多阶段过程中仍然高度稳定。

图5. 估计从取样到预分析的多阶段过程后化合物的最终浓度估计。显示了基于Pseudo-First-Order动力学的多级转化估计模型在95%置信区间内化合物最终相对浓度。该模型假设样本在4 ℃收集1天，在-20 ℃运输7天，在实验室-20 ℃储存7天，4 ℃解冻1天，最后在22 ℃温度环境中处理1天。

意义与展望

除了储存温度之外，冻融循环的影响以及由预处理引起的目标分析物初始浓度的变化在当前建模中被忽略，因为大多数分析化合物受这些影响较小。然而，这些影响因素可以在更广泛的废水样本中进一步探索，并作为相关修正因子，用于进一步开发多级转化模型。由于样本内化合物的稳定性是WBE研究中的不确定性因素之一，本研究的结果及多阶段转化估计模型将会有助于进一步理解和改进这种不确定性。

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