Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan về ô nhiễm kháng sinh 1. Giới thiệu về kháng sinh và thực trạng ô nhiễm kháng sinh Trong những thập kỉ qua, kháng sinh được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp (chăn nuôi, nuôi trồng thủy hải sản), y tế và trong các lĩnh vực hoạt động kinh tế khác. Bên cạnh những tác dụng rõ rệt của kháng sinh trong việc giảm tỷ lệ tử vong và tỷ lệ mắc các bệnh nhiễm trùng thông thường ở người, thì việc sử dụng không hợp lý kháng sinh dẫn đến dư thừa lượng lớn kháng sinh từ nước thải trong các hoạt động sinh hoạt, đặc biệt đến từ các bệnh viện, cơ sở chăn nuôi, nuôi trồng thuỷ sản, cơ sở sản xuất dược phẩm,.
làm cho môi trường ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng sống con người. Hàng trăm con sông trên khắp thế giới từ sông Thames đến Tigris đang tràn ngập những loại kháng sinh nguy hiểm. Các loại thuốc tìm đường vào sông và đất thông qua chất thải của người và động vật và rò rỉ từ các nhà máy xử lý nước thải và các cơ sở sản xuất thuốc. Thuật ngữ “kháng sinh” được sử dụng để chỉ bất kỳ loại phân tử hữu cơ nào có tác dụng ngăn chặn hoặc tàn phá vi khuẩn bằng các tương tác cụ thể với các dấu hiệu vi khuẩn mà không phân biệt bất kỳ loại hợp chất nào.
Thuốc kháng sinh được thiết kế để hoạt động rất hiệu quả ngay cả ở liều lượng thấp và trong trường hợp tiêm vào cơ thể, sẽ được đào thải hoàn toàn khỏi cơ thể sau một thời gian ngắn lưu trú. Chúng không thể phân hủy sinh học và có thể tồn tại trong môi trường nước trong thời gian dài. Sự xâm nhập của các hợp chất này vào môi trường do nguồn nhân tạo có thể dẫn đến nguy cơ tiềm ẩn cho sinh vật. Nước thải nhiễm kháng sinh 10 1.
Phân loại và ứng dụng của kháng sinh Thuốc kháng sinh có thể được phân loại dựa trên cấu trúc hóa học, cơ chế tác dụng, phổ tác dụng và đường dùng (Gothwal và Shashidhar, 2015). Để nghiên cứu sâu hơn về động học và cơ chế, việc phân loại theo cấu trúc hóa học được trình bày trong Bảng 1. Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học (Kebede và cộng sự, 2014) Đại diện tiêu biểu có tầm quan Nhóm kháng sinh Phân nhóm trọng trong thực tế 1.Aminoglycosideantibiotics Carbohydrate antibiotics Streptomycin, Neomycin 2.Macrolide antibiotics Macro cyclic lactone (lactam) 2.Polyeneantibiotics Erythromycin Amphotericin antibiotics 3. Macrolactam antibiotics Quinone and similar antibiotics Oligomycin Tetracyclines, Penicillins, Amino acid Peptide antibiotics Cephalosporins, Bacitracin, Polymyxins 1.Non-condensed (single) heterocycles Oxygen-containing Heterocyclic 2.Condensed (fused) heterocycles antibiotics 1.Small Alicyclic antibiotics Streptovitacins terpenes 3.Benzene compounds Chloramphenicol Grisefulvin Aromatic antibiotics 2.Non-benzene aromatic comp.Alkane derivatives Aliphatic antibiotics 2.Aliphatic carbocyclic acid Varitin derivatives Do cơ chế đặc hiệu của từng loại kháng sinh mà mỗi nhóm chỉ tác dụng trên một số chủng vi khuẩn nhất định.
Giới hạn này gọi là phổ kháng khuẩn của kháng sinh. Kháng sinh phổ hẹp (kháng sinh chọn lọc): Kháng sinh chỉ tác dụng trên 1 hoặc 1 số loài vi sinh vật nhất định. Ví dụ, isoniazid chỉ tác dụng trên Mycobacterium tuberculosis. 11 Kháng sinh phổ rộng: Kháng sinh có tác dụng trên nhiều loại vi khuẩn, cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương, ví dụ như nhóm quinolone, macrolide, carbapenem.
Việc sử dụng kháng sinh phổ rộng không hợp lý có thể gây ảnh hưởng đến hệ vi khuẩn thường trú ở cơ thể và gây ra nhiễm khuẩn (ví dụ nhiễm Clostridium difficile) sau khi dùng kháng sinh. Vi khuẩn gram âm và gram dương Ứng dụng của kháng sinh trong chăm sóc người và thú y Kể từ khi thuốc kháng sinh được phát hiện, thị trường sử dụng chúng đã phát triển và không ngừng mở rộng. Chúng đã được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong các loại thuốc dành cho người và thú y, đồng thời lợi ích của kháng sinh cũng đã được công nhận trong nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, nuôi ong và chăn nuôi với vai trò là chất kích thích tăng trưởng (Gothwal và Shashidhar, 2015). Nhưng việc sử dụng quá mức các hợp chất hóa học này để chăm sóc con người và cựu chiến binh đang gây lo ngại do hậu quả của nó.
Việc sử dụng kháng sinh ở người đang gia tăng trên toàn thế giới đối với các loại kháng sinh dòng đầu và một số loại kháng sinh dòng cuối. Chỉ có khoảng 20% được sử dụng trong bệnh viện và việc sử dụng kháng sinh không kê đơn chiếm khoảng 90% bên ngoài Hoa Kỳ và Châu Âu. Các nước có thu nhập cao có xu hướng tiêu dùng thuốc kháng sinh bình quân đầu người cao hơn, nhưng các nước có thu nhập thấp và trung bình lại có mức sử dụng kháng sinh tăng cao hơn. Mặc dù mức tiêu thụ thuốc kháng sinh để chăm sóc con người nhìn chung đã giảm trong năm 2018-2019 tại EU (Trung tâm Phòng ngừa và Kiểm soát Dịch bệnh Châu Âu, 2019), việc mở rộng sử dụng thuốc kháng sinh trong chăn nuôi, một trong những 12 hậu quả của nhu cầu thịt ngày càng tăng, là xu hướng toàn cầu.
Ước tính 80% tổng lượng kháng sinh tiêu thụ ở Hoa Kỳ được sử dụng làm thực phẩm cho động vật (Gelband và Miller-petrie, 2016). Như Van Boeckel và cộng sự, ước tính mức tiêu thụ thuốc kháng sinh toàn cầu trong sản xuất thức ăn chăn nuôi là 63.560) tấn vào năm 2010, tăng gấp đôi vào năm 2013 (~131,109 tấn) và dự kiến sẽ đạt 200. Tiêu thụ kháng sinh toàn cầu trong chăn nuôi 2010 (Van Boeckel, 2015) 1. Tác hại của kháng sinh đối với môi trường và sức khoẻ con người “Kháng sinh rất đáng sợ.
Chúng ta có thể thấy nhiều khu vực môi trường có kháng sinh ở mức đủ cao gây ảnh hưởng đến sức đề kháng”, Alistair Boxall, nhà khoa học môi trường tại Đại học York, Canada. Theo Liên Hợp Quốc, sự gia tăng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh là một tình trạng khẩn cấp về sức khỏe toàn cầu có thể giết chết 10 triệu người vào năm 2050. Mặc dù kháng sinh tồn tại ở mức dư lượng nhưng chúng có thể gây ra tình trạng kháng thuốc ở quần thể vi khuẩn, khiến chúng không còn tác dụng trong điều trị một số bệnh trong tương lai gần. Và chúng gây ra tác dụng gây rối loạn nội tiết khi chúng được các sinh vật sống tiêu thụ.
Kháng sinh can thiệp vào quá trình tổng hợp, bài tiết, vận chuyển, liên kết, hoạt động và đào thải hormone trong cơ thể con người. Việc sử dụng kháng sinh hàng năm được xác định từ 100.000 tấn trên toàn cầu. Các hợp chất này không được chấp nhận là chất gây ô nhiễm môi trường, nhưng sự tồn tại của chúng trong hệ sinh thái dưới nước đã trở thành mối lo ngại vì tác động sinh học và mối đe dọa tiềm tàng đối với môi trường. Hơn nữa, người ta đã 13 chứng minh rằng kháng sinh di truyền còn sót lại có thể hỗ trợ việc lựa chọn các biến thể của vi sinh vật, bao gồm cả sự tồn tại của mầm bệnh kháng kháng sinh.
Nguồn kháng sinh Các kháng sinh hầu hết đều thể hiện hiệu quả phân hủy < 30% sau 7 ngày, ngoại trừ tetracycline là < 44% sau 7 ngày. Tetracycline tương đối trơ trong cơ thể con người (Hirsch và cộng sự, 1999). Khi đó, kháng sinh còn sót lại trong môi trường sẽ trở thành chất gây ô nhiễm lâu dài và tích tụ trong sinh khối. Dư lượng kháng sinh xâm nhập vào môi trường chủ yếu thông qua chất thải của con người, động vật và từ quá trình sản xuất (Gelband và Miller-petrie, 2016).
Thuốc kháng sinh dùng trong chăm sóc con người và thú y được bài tiết ra ngoài, đôi khi được sử dụng làm phân bón nông nghiệp, hầu hết đều thải ra môi trường. Có tới 90% liều kháng sinh có thể được bài tiết qua nước tiểu động vật và tới 75% qua phân của chúng. Kết hợp với thuốc công nghiệp hết hạn sử dụng, toàn bộ kháng sinh không sử dụng được đưa vào các nhà máy xử lý nước thải và bãi chôn lấp. Một số nghiên cứu báo cáo rằng các kỹ thuật xử lý thông thường không thể loại bỏ hoàn toàn các hợp chất khó phân hủy này, do đó một lượng đáng kể xâm nhập vào môi trường nước, cuối cùng là ảnh hưởng đến các nhà máy xử lý nước sử dụng kỹ thuật kém hiệu quả.
Con đường kháng sinh xâm nhập vào nước (Trinh, 2020) Nguồn kháng sinh trong nước Aus der Beek và cộng sự (2016) đã thu thập dữ liệu của hơn 1000 ấn phẩm về nồng độ dược phẩm và phát hiện ra rằng dược phẩm trong môi trường thực sự là chủ đề được toàn cầu quan tâm khi được phát hiện ở 71 quốc gia trên toàn thế giới. Theo Bu và cộng sự (2013), sulfonamid, fluoroquinolones, macrolide, tetracycline và các 14 loại kháng sinh khác được phát hiện trong nước mặt, sông, nước biển và trầm tích với nồng độ chủ yếu ở mức μg/L lên tới hàng chục μL. Nồng độ của các chất gây ô nhiễm này có liên quan đến các thành phố có mật độ dân số cao. Một số nồng độ cực cao đã được tìm thấy ở một số khu vực nhất định cho thấy các nguồn điểm cục bộ hoặc sự kém hiệu quả của WWTP trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm này trong nước thải (Bu và cộng sự, 2013).
Tổng quan này cũng cho biết, tại lưu vực sông Grand River, miền nam Ontario, 14 trong 28 loại dược phẩm được khảo sát được phát hiện có nồng độ cao nhất thuộc về monensin và sufamethazine dùng cho chăn nuôi. Tại Tinkers Creek, 12 loại kháng sinh đã được phát hiện ở 18 khu vực thượng nguồn và hạ nguồn từ nhà máy xử lý nước thải đến dòng chính. Các hợp chất dược phẩm được phát hiện nhiều nhất ở gần nơi xả nước thải hoặc sản xuất nông nghiệp, ở những vùng nước ít loãng hơn. Wilkinson và cộng sự (2019) đã phát hiện 31 hoạt chất dược phẩm bao gồm kháng sinh trong nước máy, bề mặt, nhà máy xử lý nước thải (WWTP) và nước thải WWTP được thu gom trên toàn cầu.
Số liệu thống kê cho thấy càng nhiều khu vực được khảo sát, chẳng hạn như Châu Âu, Mỹ, Trung Quốc, thì càng phát hiện nhiều trường hợp ô nhiễm kháng sinh, cũng có nghĩa là những khu vực ít được khảo sát hơn, như các nước thu nhập thấp và trung bình thì ít bị ô nhiễm hơn. Ảnh hưởng của dư lượng kháng sinh Các nghiên cứu trước đây tiết lộ rằng một số hợp chất dược phẩm có nồng độ nằm trong khoảng độc tính mãn tính và cấp tính trong hệ sinh thái. Có những báo cáo về loài kền kền gần như tuyệt chủng do ăn gia súc chết được xử lý bằng thuốc (Oaks và cộng sự, 2004).