Quá trình oxy hóa nâng cao đang trở nên quan trọng trong việc loại bỏ triệt để các chất kháng sinh trong môi trường nước do các ưu điểm trong xử lý các chất hữu cơ bền và không bị phân h
TỔNG QUAN
Tổng quan về kháng sinh
Thuốc kháng sinh là các hợp chất tự nhiên, tổng hợp hoặc bán tổng hợp có thể ức chế sự phát triển hoặc hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật Các hợp chất này là các phân tử có hoạt tính sinh học có tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm và chống ký sinh trùng, dùng để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn ở cả người và động vật, cũng như làm phụ gia thức ăn hoặc phòng ngừa bệnh tật trong thú y [7] Lịch sử sử dụng kháng sinh bắt đầu từ hơn 50 năm trước Trong những thập kỷ gần đây, việc sử dụng kháng sinh rộng rãi trên toàn cầu đã tăng 65% được công bố bởi Tổ chức Y tế thế Giới (WHO) [8] Phần lớn kháng sinh được sử dụng ở các nước Nam Á như Ấn Độ, Nepal, Pakistan, Bhutan và Bangladesh với dân số hơn 1,8 tỷ người tiêu thụ ~ 25,2% lượng sử dụng toàn cầu, riêng Trung Quốc với 1,4 tỷ dân đã tiêu thụ 10% tổng số thuốc kháng sinh trong giai đoạn 2000–2018 [9] Tính trong tổng lượng sử dụng,
~ 24,6 triệu pound kháng sinh được sử dụng hàng năm trong chăn nuôi động vật để tăng sản lượng thịt bằng cách ngăn ngừa nhiễm trùng và kích thích tăng trưởng [10]
Có nhiều cách phân loại kháng sinh khác nhau, trong đó phân loại theo cấu trúc hóa học được biết đến nhiều nhất và được thể hiện cụ thể ở Hình 2.1 và Bảng 2.1
Hình 2.1 Phân loại kháng sinh [11]
Bảng 2.1 Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học [11]
STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng sinh chính Đại diện
Penicillins Penicillins, ampicillin, benzylpenicillin, oxacillin, amoxicillin, azlocillin Cephalosporins Cefazolin, cephalexin, cefamandol, cefotaxime, ceftriaxone, cefoperazone
STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng sinh chính Đại diện
2 Chứa amino đường Aminoglycosides Streptomycin, amikacin, gentamicin, kanamycin, neomycin, sisomicin, tobramycin
3 Chứa các vòng 6 cạnh Tetracyclines Tetracycline, doxycycline, oxytetracycline, metacycline
4 Chứa cấu trúc phenypropanoid Amphenicols Levomycetin
STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng sinh chính Đại diện
5 Gồm các vòng lactone lớn Macrolides
Erythromycin, azithromycine, josamycin, tylosin, clarithromycin
7 Bao gồm các peptide không ribosomal vòng hoặc đa vòng được glycosyl hóa
STT Cấu trúc phân tử Nhóm kháng sinh chính Đại diện
Quinolones Ciprofloxacin, oxolinic acid, sparfloxacin, moxifloaxin
Kháng sinh khác Cycloserine, bacitracin, polymyxin, ristomycin, fusafungin, fusidic acid
- Kháng sinh β-lactam: là loại kháng sinh thương mại được sử dụng rộng rãi nhất để điều trị các bệnh truyền nhiễm do có nhiều hoạt tính kháng khuẩn [12]
- Aminoglycoside: đây là những loại kháng sinh tự nhiên hoặc bán tổng hợp có nguồn gốc từ xạ khuẩn; được sử dụng để điều trị nhiễm trùng dai dẳng ở người và động vật
- Tetracycline: được sử dụng rộng rãi trong thú y, trang trại chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản và sản xuất cây trồng
- Kháng sinh amphenicol: bao gồm florfenicol, thiamphenicol và chloramphenicol Amphenicols là kháng sinh thú y quan trọng
- Macrolide: là một trong những loại thuốc ít độc nhất nên chúng thường được kê đơn trên toàn thế giới và được sử dụng để điều trị nhiều loại bệnh nhiễm trùng ở người, động vật, chim và cá [13]
- Ansamycins: nhóm kháng sinh phổ rộng để điều trị hiệu quả bệnh lao và các bệnh về đường hô hấp khác nhau Khi dùng phối hợp với các kháng sinh khác hiệu quả sẽ tăng lên
- Glycopeptide: được sử dụng rộng rãi để chống lại vi khuẩn kháng thuốc
- Lincosamid: bao gồm kháng sinh tự nhiên lincomycin và clo hóa bán tổng hợp tương tự clindamycin Phân tử lincomycin chứa các đơn vị cấu trúc: vòng pyranoside (d-galactose) với 3 nhóm hydroxy và chu trình pyrrolidine được nối với nhau bằng liên kết peptide
- Sulfonamid: hợp chất lưỡng tính, phân cực, chịu nhiệt và chịu quang, có nguồn gốc từ axit 4-aminobenzensulfonic Chúng được sử dụng để điều trị các bệnh nhiễm trùng ở người và động vật do chi phí thấp và phạm vi ứng dụng rộng rãi
- Quinolone: một trong những nhóm có cấu trúc dị vòng chứa nitơ Chúng là dược điển được sử dụng rộng rãi trong điều chế thuốc nên cấu trúc của quinolone được tìm thấy trong nhiều loại thuốc
2.1.3 Nguồn gốc kháng sinh trong môi trường nước
Việc sản xuất và tiêu thụ thuốc kháng sinh trong y học, thú y và nông nghiệp đang gia tăng trên toàn thế giới (xem Hình 2.2) Thuốc kháng sinh đã được sử dụng thành công để điều trị cho con người trong nhiều năm [14] Các kháng sinh β-lactam được sử dụng phổ biến nhất và chiếm khoảng 60% tổng số kháng sinh được sử dụng trên toàn thế giới [15] Trung tâm phòng ngừa và kiểm soát dịch bệnh Châu Âu (ECDC) cung cấp thông tin về việc tiêu thụ kháng sinh cụ thể cho con người ở Châu Âu, được biểu thị bằng liều xác định hàng ngày (DDD) Mức tiêu thụ kháng sinh trung bình ở các nước Liên minh Châu Âu (EU) là khoảng∼23 DDD trên 1000 dân mỗi ngày [16] Việc tiêu thụ kháng sinh bên ngoài bệnh viện chiếm tới 90% tổng lượng thuốc sử dụng trong y học của con người Ngoài ra còn có sự gia tăng mạnh mẽ trong việc tiêu thụ kháng sinh trên toàn thế giới [17] Mức tiêu thụ ở một số nước châu Á như Iran, Jordan và Sudan lần lượt là 38,8; 8,9 và 35,7 DDD trên 1000 người Giá trị khá cao của liều xác định hàng ngày cũng được ghi nhận ở Mông Cổ (64,4 DDD) và Hàn Quốc (27,7 DDD) Loại kháng sinh được sử dụng phổ biến nhất là penicillin [11]
Thuốc kháng sinh cũng được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp bao gồm ở các trang trại chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản Trong số hơn 1 triệu tấn thuốc kháng sinh đã đi vào sinh quyển trong hơn 50 năm qua khoảng 50% đến từ hoạt động thú y và nông nghiệp [18] Sự phát triển của sản xuất kháng sinh dẫn đến sự gia tăng chất thải và sự xâm nhập ồ ạt của chúng vào môi trường cùng với nước thải Hàng nghìn tấn kháng sinh và các sản phẩm biến đổi của chúng xâm nhập vào hệ sinh thái mỗi năm Các cơ sở xử lý không có đủ khả năng loại bỏ kháng sinh khỏi nước thải, do đó tình trạng kháng kháng sinh trở thành điểm nóng phổ biến Có những nguồn kháng sinh gián tiếp khác xuất hiện trong thủy quyển Hầu hết các loại thuốc kháng sinh thú y đều tan trong nước và không được động vật hấp thụ hoàn toàn; tỷ lệ cao trong số chúng được động vật bài tiết qua chất thải để xâm nhập và tồn tại trong môi trường Việc sử dụng phân động vật làm phân hữu cơ lâu dài dẫn đến ô nhiễm đất và nước Ngoài ra còn có hành vi vi phạm phổ biến trong lĩnh vực sử dụng kháng sinh, ví dụ như trường hợp sử dụng thuốc bị cấm: 20 loại kháng sinh thực tế được sử dụng trong nuôi trồng thủy sản Trung Quốc, nhưng chỉ có 13 loại được cấp phép sử dụng [19] Thuốc kháng sinh thường không được đưa vào hệ thống giám sát môi trường vì các phương pháp phân tích và kiểm soát chúng rất phức tạp và tốn kém Nồng độ trung bình của các loại kháng sinh cụ thể trong môi trường nước khác nhau thay đổi từ vài ng/L đến vài àg/L (Bảng 2.2) và phụ thuộc vào loại mụi trường nước và khu vực địa lý [20]
Khi tổng mức tiêu thụ kháng sinh tăng nhanh, WHO kêu gọi giảm sử dụng kháng sinh (đặc biệt là trong ngành thú y và nuôi trồng thủy sản) và phát triển các phương pháp hiệu quả để xử lý nước thải có chứa kháng sinh [21]
Hình 2.2 Các nguồn kháng sinh chính xuất hiện trong môi trường nước [22]
Bảng 2.2.Nồng độ kháng sinh được tìm thấy trong tự nhiên và nước thải [11]
Nhóm kháng sinh Kháng sinh Nồng độ
Quốc gia, theo môi trường nước
GB, nước sông Trung Quốc, nước thải
Hy Lạp, nước thải Aminoglycosides Gentamicin
Nhóm kháng sinh Kháng sinh Nồng độ
Quốc gia, theo môi trường nước
Trung Quốc, nước thải Trung Quốc, nước sông Amphenicols Chloramphenicol 1,1
Tunisia, nước thải Tunisia, nước biển
Tunisia, nước thải Tunisia, nước biển Macrolides Clarithromycin 0,02
1,89 Ý, nước sông Slovakia, nước thải Erythromycin 3,98 Tây Ban Nha, nước sông Azithromycin 1,22 Slovakia, nước thải Glycopeptides Vancomycin 0,664 Đức, nước thải
Mỹ, nước ngầm Ý, nước sông Úc, nước thải Sulfonamides Sulfamethazine 0,472
Hoa Kỳ, nước sông Tây Ban Nha, vùng nước ngầm La Selva
Mỹ, nước ngầm Tây Ban Nha, vùng nước ngầm La Selva
Việt Nam, nước sông Tây Ban Nha, vùng nước ngầm La Plana de Vic Quinolones Enrofloxacin
Trung Quốc, nước sông Úc, nước sông Ciprofloxacin 0,7 Tây Ban Nha, nước thải
Nhóm kháng sinh Kháng sinh Nồng độ
Quốc gia, theo môi trường nước
Ofloxacin 7,87 Trung Quốc, nước thải
Bỉ, nước biển Kenya, nước sông
Tổng quan về kháng sinh Oxytetracycline (OTC)
Kháng sinh tetracyclines (TCs) được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới (Hình 2.4) Trong đó, Oxytetracycline (OTC, C22H24N2O9) là một trong những kháng sinh tetracyclines được sử dụng phổ biến nhất, TCs bao gồm: OTC, tetracycline (TC) và chlortetracycline (CTC) [23] OTC là một hợp chất hữu cơ đại phân tử zwitterionic phức tạp và bao gồm một hệ thống bốn vòng phức tạp với một số nhóm chức ion hóa (Hình 2.3) Các vòng B, C và D chủ yếu hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 250–300 và 340–380 nm
Hình 2.3 Công thức hóa học của kháng sinh Oxytetracycline [24]
OTC được sử dụng rộng rãi không chỉ trong chăn nuôi, mà còn trong nuôi trồng thủy sản vì giá rẻ, tính sẵn có và hiệu quả của nó Là phụ gia thức ăn chăn nuôi, hàm lượng OTC có thể đạt đến mức mg/kg [25] Thông qua việc tiêu thụ thức ăn của động vật, hầu hết OTC được hấp thụ kém trong ruột động vật và 30-90% kháng sinh được sử dụng trong chăn nuôi được bài tiết dưới dạng các hợp chất ban đầu
Nồng độ OTC, TC và CTC trong phân lần lượt là 2,98, 3,00 và 4,62 mg/kg theo nghiên cứu của Shen và cộng sự [26] Trong số ba trang trại bò sữa được lấy mẫu ở Trung Quốc, CTC chiếm 86% tổng số kháng sinh do bò bài tiết OTC cũng đã được phát hiện trong môi trường nước và đất OTC được phát hiện trong ô nhiễm nước mặt ở mức 46,91 mg/L ở Áo, nồng độ OTC đạt 425,1 ng/L trong các nước rỉ rác ở Thượng Hải, Trung Quốc và nó là cao nhất trong số các TCs Chỉ số rủi ro của OTC trong môi trường nước ở Trung Quốc được ước tính là 27,78–94,81 μg/L, cao thứ 11 trong số
85 dược phẩm OTC còn lại cũng được tìm thấy trong đất Mặc dù nồng độ rất thấp, sự xuất hiện của chúng ở tần số cao có thể gây ra sức đề kháng trong quần thể vi khuẩn và thúc đẩy sản xuất các gen kháng kháng sinh Do đó, chúng có thể được chuyển vào cây trồng và dần dần xâm nhập vào chuỗi thức ăn, do đó ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm và sức khỏe con người [24]
Hình 2.4 Tỷ lệ kháng sinh tetracyclines được dùng ở từng quốc gia [27] Hiện nay, ngày càng có nhiều sự chú ý tập trung vào việc loại bỏ kháng sinh, chẳng hạn như OTC, khỏi môi trường Sau khi kháng sinh như OTC xâm nhập vào môi trường, một loạt các phản ứng sinh hóa phức tạp xảy ra giữa OTC và môi trường chẳng hạn như nước tự nhiên, đất, trầm tích, phân chuồng Thông thường gốc tetracycline không thể được phát hiện trong các mẫu từ nước thải nhà máy xử lý, nước mặt và nước ngầm vì sự chuyển hóa của chúng Do đó, hiểu biết rõ ràng về các cơ chế phân hủy của OTC sẽ rất hữu ích cho việc đẩy nhanh quá trình phân hủy OTC và cũng để đánh giá hợp lý hơn các rủi ro sinh thái của OTC trong môi trường OTC được thương mại hóa dưới dạng oxytetracycline hydrochloride và là dạng phổ biến nhất trong các sản phẩm thuốc thú y dạng tiêm và hòa tan trong nước (FAO 1990) Bảng 2.3 trình bày các đặc điểm tính chất hóa lý chính của oxytetracycline hydrochloride Ba trạng thái cân bằng ion hóa với giá trị pKa là 3,22, 7,46, 8,94 và bốn trạng thái proton (H3OTC + , H2OTC ± , HOTC - , OTC 2- ) của OTC được trình bày ở Hình 2.5
Bảng 2.3 Tính chất vật lý và hóa học của Oxytetracycline [28]
Cấu trúc phân tử C22H24N2O9.HCl
Khối lượng phân tử 496,8949 g/mol Độ hòa tan trong nước (25 °C) >100 g/L
Tỷ trọng (20 °C) 1,634 Điểm nóng chảy 180 °C
Hằng số Henry 3,91 × 10 −26 atm m 3 / mol log Kow (octanol/nước) -1,12
Giá trị pKa pKa1 = 3,22; pKa2 = 7,46; pKa3 = 8,94 pKa1 = 3,3; pKa2 = 7,3; pKa3 = 9,1 pKa1 = 3,57; pKa2 = 7,49; pKa3 = 9,88 Absmax trong nước tinh khiết 275 and 350 nm
Hình 2.5 Cấu trúc phân tử OTC và các trạng thái cân bằng proton/khử proton [29]
Rủi ro môi trường và con người về dư lượng kháng sinh
Thuốc kháng sinh có tác động tiêu cực đến động vật hoang dã Với sự tăng trưởng liên tục trong sản xuất và tiêu thụ thuốc trong khi không có các biện pháp thích hợp để đánh giá và giảm thiểu nguy cơ tác động tiêu cực của chúng đối với môi trường, tình hình có thể sẽ xấu đi hơn nữa Thuốc kháng sinh có thể bị biến đổi dưới tác động của các yếu tố sinh học và phi sinh học trong môi trường Một số hợp chất không chỉ có khả năng chống lại sự phân hủy tự nhiên mà còn có thể thay đổi hoạt tính của chúng bằng cách hình thành các chất ô nhiễm thứ cấp thậm chí còn phức tạp hơn chất ô nhiễm ban đầu Tích lũy sinh học và kháng sinh tác động lâu dài lên sinh vật sống có thể dẫn đến ức chế sự phát triển của thực vật, phát triển ung thư, rối loạn gan và thận ở động vật có vú, Tuy nhiên, kết quả tác dụng của kháng sinh đối với vi sinh vật đất còn ít được nghiên cứu [11]
Từ môi trường, các chất kháng sinh còn có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua nước uống và thức ăn, gây kháng kháng sinh, dị ứng, gây độc, tác dụng gây độc thần kinh Do đó, việc đánh giá rủi ro môi trường do ô nhiễm kháng sinh là một quá trình phức tạp, được thực hiện qua nhiều giai đoạn Nguyên tắc chung và hướng dẫn đánh giá rủi ro môi trường của các hóa chất mới và hiện có đã được giới thiệu bởi Cơ quan đánh giá thuốc Châu Âu, Cơ quan quản lý thực phẩm và dược phẩm (FDA) Đánh giá rủi ro được sử dụng phổ biến nhất dựa trên việc so sánh các tác động nồng độ môi trường dự báo (PEC) và nồng độ dự báo không gây tác động (PNEC) của kháng sinh, được tính toán trên cơ sở phân tích độc tính tiêu chuẩn [30] Đồng thời, cần lưu ý rằng việc đánh giá PNEC được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau, oxytetracycline có tỷ lệ (PEC/PNEC h + > 1 O2 > SO4 •- > OH • Ngoài ra, trong quá trình phản ứng TiO2/PDS/UV, các electron (e - ) chứ không phải các lỗ photon (h + ) đóng vai trò chính trong sự phân hủy OTC
Hình 4.15 Hiệu suất xử lý OTC khi bổ sung các chất nhận diện gốc oxy hóa tự do
Kiểm tra độ bền vật liệu
Khả năng tái sử dụng của chất xúc tác quang được coi là một trong nhưng ưu điểm chính của mục tiêu áp dụng công nghiệp Độ ổn định của chất xúc tác quang là một thông số quan trọng ứng dụng thực tế của vật liệu Theo đó, chất quang xúc tác vẫn phải duy trì khả năng phản ứng cao sau mỗi chu kỳ Trong nghiên cứu, khả năng tái sử dụng của hạt nano TiO2/500 đã được thử nghiệm cho bốn chu kỳ liên tiếp Sau mỗi chu kỳ, vật liệu rắn được thu thập rồi sấy khô trước khi bắt đầu lần xử lý tiếp theo Thí nghiệm phân hủy quang xúc tác cũng được tiến hành như các quy trình tương tự trước đó Điều kiện phản ứng thực hiện thí nghiệm: [OTC] = 10mg/L; [TiO2/500] = 300 mg/L; [PDS] = 500 mg/L; pH = 4,8 (không điều chỉnh); nhiệt độ phòng; có đèn UVA; thời gian 180 phút
Việc loại bỏ OTC sau bốn chu kỳ tái sử dụng được minh họa trong Hình 4.16 Kết quả chứng minh rằng khả năng phản ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2/500 vẫn được duy trì ở mức lớn hơn 95% sau bốn chu kỳ liên tiếp Điều này giải thích rằng khả năng hấp phụ OTC của vật liệu TiO2/500 trong bốn chu kỳ giảm không đáng kể do đó các phân tử OTC hấp phụ trên bề mặt hạt nano TiO2 sau đó sẽ bị phân hủy bởi quá trình
H iệu su ất xử lý ( % )
Thời gian (phút) p-benzoquinon - 5mMAmino oxalate - 5mMSodium azide - 5mMMethanol - 5mM Tert-butanol - 5mMKhông chất nhận diện quang xúc tác để tái sinh các vị trí hấp phụ hoạt động Những kết quả này đã cung cấp thông tin về độ ổn định hóa lý và khả năng quang hóa của chất xúc tác quang TiO2/500 Ngoài ra, kết quả còn cho thấy tiềm năng của việc tái sử dụng chất xúc tác TiO2/500 cho các ứng dụng quang xúc tác
Hình 4.16 Hiệu suất xử lý OTC sau quá trình tái sử dụng vật liệu TiO2/500
1 8 0 TSD lần 1 TSD lần 2 TSD lần 3 TSD lần 4 99,03%
H iệu su ất xử lý ( % )