CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình ô nhiễm kháng sinh trong nước Nguồn nước uống là tài nguyên quý giá cho con người và đóng vai trò quan trọng trong nông nghiệp, sản xuất, năng lượng, giao thông, cũng như duy trì hệ sinh thái và môi trường sống của nhiều loài sinh vật. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều dòng sông bị ô nhiễm nghiêm trọng trên toàn thế giới, trong khi nhu cầu nước ngọt toàn cầu ước tính sẽ tăng 1/3 vào năm 2050. Các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt do con người gây ra được coi là nguyên nhân chính dẫn đến suy thoái môi trường và đang gây áp lực đáng kể lên hệ sinh thái dưới nước.
Theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), vào năm 2022, ít nhất 1,7 tỷ người trên toàn cầu sử dụng nguồn nước uống bị ô nhiễm [1]. Ở các nước đang phát triển, khoảng 80 % tổng lượng nước thải phát sinh được thải vào các kênh nước, gây ô nhiễm môi trường và đe dọa sức khỏe con người và đời sống thủy sinh [2]. Một báo cáo do UN Water, UNESCO công bố năm 2017 cho thấy khoảng 70 % nước thải đô thị và công nghiệp được xử lý tại các nước có thu nhập cao, trong khi tỷ lệ này chỉ đạt 38 % ở các nước có thu nhập trung bình khá, 28 % ở các nước có thu nhập trung bình thấp và chỉ 8 % ở các nước có thu nhập thấp. Dự báo hiện tại cho thấy khoảng 80 % nước thải toàn cầu không được xử lý trước khi thải ra môi trường [3].
Việc sử dụng nguồn nước không an toàn hoặc nước bị ô nhiễm có thể gây ra sự tích tụ các vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn kháng kháng sinh, gen kháng kháng sinh và chất độc trong cây trồng và sản phẩm chăn nuôi. Ô nhiễm kháng sinh đến từ nhiều nguồn khác nhau, Hình 1.1 mô tả các nguồn gây ô nhiễm kháng sinh.1: Một số nguồn phát thải kháng sinh vào môi trường nước 1 Phần lớn các loại kháng sinh được sử dụng cho con người, động vật và thực vật được thải ra ngoài môi trường thông qua nhiều cách khác nhau, chẳng hạn như nước thải sinh hoạt, dòng chảy từ đất trong quá trình canh tác nông nghiệp. Tồn dư kháng sinh trong môi trường khiến quần thể vi khuẩn phải đối mặt với áp lực chọn lọc. Điều này khiến vi khuẩn kháng thuốc trở nên phổ biến, ngay cả ở nồng độ thấp.
Ngoài ra, nước thải thô bị nhiễm kháng sinh thường mang theo vi khuẩn gây bệnh cho cả người và động vật, và nhiều sinh vật chứa gen kháng sinh. Do đó, không chỉ vi khuẩn kháng kháng sinh mà còn cả các gen kháng thuốc, những gen này đã biến đổi về mặt di truyền trong hệ sinh thái vi khuẩn tự nhiên, có thể lan truyền qua nước. Nhiều loại kháng sinh đã được phát hiện trong nước, với hàm lượng khác nhau từ ng. Dư lượng kháng sinh được phát hiện trong nước mặt và nước thải với nồng độ khác nhau được tìm thấy và thống kê trong Bảng 1.1: Nồng độ một số kháng sinh ở các khu vực khác nhau trên thế giới.
Nồng độ Nguồn ô STT Địa điểm Kháng sinh TLTK (ng.L−1) nhiễm 1 Lagos, Chloramphenicol 3.0 x 104 Trimethoprim 2 Morelos, Sulfamethoxazole 1.22 x 103 Nước mặt [5] Mexico Trimethoprim 0.395 x 103 3 Tây Ban Nha Sulfa-pyridine 1.2 x 104 Sulfamethazine 6192 Nước thải Sulfamethoxypyridazi 3704 thú y và [6] ne 2312 nông nghiệp Sulfadiazine 4 Hàn Quốc Oxytetracycline 390 – 1410 Florfenicol 17 – 340 Nước mặt [7] Chlortetracycline 13 – 793 Enrofloxacin 10 – 133 5 Hà Nội, Việt Cefixime 19.33 Nước thải Nam nhà máy [8] dược phẩm 6 Hà Nội, Việt Ceftazidime 5 Nước thải [9] Nam bệnh viện 7 Trung Quốc Sulfacetamide 5 Nước thải Sulfadiazine 10 dược phẩm [10] Sulfamonomethoxine 6 đã qua xử lý Sulfadimethoxine 9 2 Nồng độ Nguồn ô STT Địa điểm Kháng sinh TLTK (ng.L−1) nhiễm Sulfamethoxypyridazi 4 ne 287 Sulfamerazine 9 Sulfamethoxazole 21 Sulfathiazole 8 Kajang, Triclosan 0.1145 Nước thải Malaysia Sulfamethoxazole 0.2345 dược phẩm [11] được xử lý 9 Romania Macrolide 568 Nước ngầm, Sulfonamide 579 nhà máy xử Piperacillin 571 lý nước [12] Trimethoprim 730 thải, bón phân nông nghiệp 10 Northern Benzylpenicillin 1.31x 103 Đầm phá và Colorad, Cloxacillin 5.05 x 103 nước thải [13] USA Cephalosporin 0.97 x 103 công nghiệp Polyether ionophore 945–1077 x 103 11 Hà Lan Sulfonamides 1–275 Nhà máy xử [14] trimethoprim lý nước thải 1. Tổng quan về kháng sinh Thuốc kháng sinh đã được sử dụng trên toàn cầu để điều trị và phòng ngừa các bệnh truyền nhiễm ở người và động vật, cũng như các chất kích thích tăng trưởng trong nông nghiệp và chăn nuôi. Các hợp chất kháng khuẩn trong môi trường đã được phát hiện từ nhiều nguồn khác nhau như hộ gia đình, các trung tâm chăm sóc sức khỏe, ngành dược phẩm, nhà máy xử lý nước thải và nông nghiệp. Sự tồn tại của dư lượng kháng sinh trong môi trường, ngay cả ở nồng độ thấp, có thể đóng vai trò là áp lực chọn lọc cho sự phát triển và lây lan của vi khuẩn và gen kháng kháng sinh trong cộng đồng vi sinh vật, do đó đe dọa sức khỏe động vật và con người trong hệ sinh thái.
Trong chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản, mười ba loại kháng sinh được sử dụng tại các bệnh viện ở TP. Tại Việt Nam, thông qua việc khảo sát 39 cơ sở y tế ở Thành phố Hồ Chí Minh đã phát hiện 7 loại kháng sinh phổ biến tồn tại trong tất cả các mẫu như sulfamethoxazole (2.9 μg/L), dư lượng kháng sinh cao hơn 4 – 53 lần so với nước thải từ bệnh viện ở các nước châu Á khác như Trung Quốc và Úc [16]. Tiếp xúc liên tục với nồng độ kháng sinh thấp (ng.L-1 ) có thể dẫn 3 đến tăng tình trạng kháng kháng sinh ở người khỏe mạnh, hoặc trong trường hợp xấu nhất là hiện tượng “đa kháng thuốc”. Vi khuẩn kháng kháng sinh được phát hiện ở cả nước thải đô thị và nước thải nhà máy xử lý nước thải [17].
Tetracycline được phát hiện lần đầu tiên từ các chủng vi khuẩn Streptomyces vào những thập niên 1940. Streptomyces là một chi vi khuẩn hiếu khí, sống trong đất và có khả năng sản xuất nhiều chất kháng sinh, bao gồm cả tetracycline. Các chủng Streptomyces sản xuất tetracycline ban đầu được tìm thấy từ các mẫu đất ở Texas và Pennsylvania, Hoa Kỳ [18]. Phát hiện này mở ra kỷ nguyên mới trong điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn, góp phần cứu sống vô số sinh mạng và đặt nền móng cho sự phát triển của nhiều loại kháng sinh khác sau này.
Tetracycline là một nhóm kháng sinh có tác dụng ức chế tổng hợp protein ở vi khuẩn gram dương và gram âm bằng cách ngăn chặn sự liên kết của aminoacyl-tRNA với vị trí chấp nhận ribosome (A) [19]. TC liên kết đặc biệt với ribosome của vi khuẩn nhưng không phải của sinh vật nhân chuẩn. TC thuộc nhóm hợp chất có hoạt tính sinh học và có giá trị thương mại đáng kể. Thực tế này có thể được giải thích dễ dàng bằng cách đề cập đến ứng dụng lâm sàng chính của TC, cụ thể là việc sử dụng nó như một loại kháng sinh kháng khuẩn phổ rộng cho người và động vật.
Do đó, tetracycline được dùng rộng rãi để chống viêm [20]; trong các bệnh phá hủy mô có tác dụng giống như thuốc chống tạo sợi [21]; Ức chế biểu hiện caspase-1 và caspase-3 trong bệnh Huntington [22]; Bệnh Parkinson [23] và các bệnh thoái hóa thần kinh khác; thuốc kháng virus và thuốc chống ung thư [24];… Tetracycline có công thức phân tử C22H24N2O8 và trọng lượng phân tử là 444. Cấu trúc hóa học của TC bao gồm gồm 4 vòng thơm liên kết với nhau, tạo nên khung chính của phân tử. Ngoài ra, phân tử tetracycline còn chứa các nhóm chức như nhóm hydroxyl (-OH) tại vị trí C-6 và C-12, nhóm keto (-C=O) tại vị trí C-11, và nhóm dimethylamino (-N(CH3)2) tại vị trí C-4.2: Cấu trúc kháng sinh tetracycline 4 Bởi vì đem đến nhiều công dụng hữu ích, dược tính mạnh nên việc sử dụng thuốc kháng sinh TC ngày càng tăng cao đã dẫn đến nguy cơ ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Chúng được thải ra môi trường thông qua nhiều con đường khác nhau, bao gồm nước thải từ các nhà sản xuất thuốc trong quá trình sản xuất, thải bỏ các loại thuốc chưa sử dụng và hết hạn có chứa TC, đáng chú ý là trong quá trình trao đổi chất của con người và động vật, khoảng 60% và 17–80% liều TC dùng không được hấp thụ nên được bài tiết qua nước tiểu và phân [25].
Các quy trình xử lý nước thải thông thường phần lớn không hiệu quả trong việc loại bỏ nó, dẫn đến ô nhiễm đáng kể nước mặt và nước ngầm bởi loại kháng sinh này. Cần có các biện pháp thiết thực để kiểm soát việc sử dụng kháng sinh và bảo vệ tài nguyên nước cho các thế hệ tương lai. Một số phương pháp xử lý ô nhiễm kháng sinh Để đối phó với ô nhiễm kháng sinh, nhiều phương pháp xử lý đa dạng đã được nghiên cứu, bao gồm phương pháp sinh học [26, 27], lọc [28], đông kết [29], keo tụ [30] và lắng [31], hấp phụ, sử dụng màng [32], và quá trình sử dụng các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) [33]. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, nhưng đều hướng đến mục tiêu giảm thiểu sự hiện diện của kháng sinh trong môi trường, bảo vệ sức khỏe con người và hệ sinh thái, các phương pháp được hệ thống trong Hình 1.Trong đó, sử dụng quang xúc tác là một phương pháp đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề ô nhiễm kháng sinh trong nước.3: Các phương pháp thông thường để loại bỏ kháng sinh ra khỏi nguồn nước 5 1.
Phương pháp vật lý Các phương pháp vật lý xử lý nước/nước thải sử dụng hiện tượng vật lý để thực hiện quá trình loại bỏ và không có thay đổi sinh học hoặc hóa học nào được sử dụng trong quá trình này. Các phương pháp vật lý phổ biến nhất để kiểm soát ô nhiễm nước là: lắng đọng, khử khí, lọc [34]. Lắng đọng là một quá trình quan trọng trong xử lý nước thải, trong đó các hạt rắn lơ lửng bị kẹt lại và lắng xuống do trọng lực khi tốc độ dòng chảy giảm. Kích thước hạt ảnh hưởng đến tốc độ lắng, và quá trình này giúp giảm nồng độ chất rắn trước các quá trình xử lý tiếp theo.
Trong lắng đọng hóa chất hữu cơ, một số chất hóa học được hấp phụ vào các vật liệu rắn lơ lửng, sau đó chúng bị lắng xuống đáy do tỉ trọng lớn hơn nước. Quá trình này còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng vật lý và thủy động học trong dòng nước.