CHƯƠNG 1.1 Ô nhiễm kháng sinh và phương pháp xử lý 1.1 Sự phát sinh và ô nhiễm kháng sinh trong nước Thuốc kháng sinh có lẽ là những họ thuốc thành công nhất của thuốc, cho đến nay thuốc, kháng sinh đã được nghiên cứu phát triển vô cùng mạnh mẽ để phục vụ cải thiện sức khỏe con người. Bên cạnh ứng dụng trong việc chữa trị và phòng bệnh cho con người, thuốc kháng sinh (kháng sinh nói chung) cũng đã được sử dụng để ngăn ngừa và điều trị cho động vật, thực vật cũng như đối với việc thúc đẩy tăng trưởng trong chăn nuôi gia súc [4,12]. Tất cả các hoạt động trên sẽ phát thải số lượng lớn dư lượng chất kháng sinh vào hệ sinh thái. Tuy nhiên, chúng ta ít được biết về tác động tổng thể của kháng sinh trên các biến động số lượng của các thể sinh học nhỏ microbiosphere [14].
Những vấn đề liên quan đến thuốc kháng sinh tương tự như ô nhiễm kim loại nặng. Cũng giống như kim loại nặng, thuốc kháng sinh là những hợp chất tự nhiên có trong các hệ sinh thái khác nhau. Tuy nhiên, con người khi sử dụng thuốc kháng sinh đã làm tăng khả dụng sinh học của chúng, dẫn đến những thay đổi lớn trong hệ sinh thái, làm hệ sinh thái bị ô nhiễm. Khác với các kim loại nặng, hậu quả của ô nhiễm kháng sinh đối với hệ sinh thái còn chưa được chú ý tới [11].
Ảnh hưởng của thuốc kháng sinh đến các hệ sinh thái tự nhiên. Kể từ khi thuốc kháng sinh là chất ức chế hiệu quả vi khuẩn phát triển, được sản xuất bởi các vi sinh vật có trong tự nhiên, kháng sinh đã được sử dụng rộng rãi với vai trò ức chế vi khuẩn. Sự gia tăng mạnh mẽ của hàm lượng kháng sinh trong các hệ sinh thái tự nhiên là kết quả của các hoạt động của con người (điều trị cho con người, nông nghiệp). Những thay đổi này có thể ảnh hưởng, không chỉ tới những cấu trúc của quần thể vi sinh tự nhiên và có thể làm thay đổi sinh lý của vi sinh vật.
Ngoài việc gây ra các đột biến kháng thuốc kháng sinh và ảnh hưởng đến các gen kháng kháng sinh, nó còn lây lan giữa các vi sinh vật trong môi trường, ô nhiễm 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kháng sinh có thể làm tăng số lượng vi khuẩn đề kháng, và giảm số lượng của hệ vi sinh vật nhạy cảm. Một ví dụ của tình trạng này là một nghiên cứu trong đó tác dụng của kháng sinh ciprofloxacin trên các chủng tảo nước ngọt tự nhiên đã được thử nghiệm ở thượng lưu và hạ lưu nhà máy xử lý nước thải. Sự khác biệt đáng kể đã được quan sát thấy trong năng suất sinh khối, trong cơ cấu treo và gắn tảo, trong khả năng xử lý chất dinh dưỡng và trong chuỗi thức ăn tự nhiên của hệ sinh thái. Một nghiên cứu tương tự cũng đã chứng minh rằng tetracycline có tác động tiêu cực đến các chức năng đa dạng của cộng đồng vi khuẩn đất [10].
Thuốc kháng sinh ở nồng độ cao hơn nhiều thường được tìm thấy trong các hệ sinh thái tự nhiên trong nước (ví dụ nước thải) và đất (ví dụ đất được xử lý bằng phân hữu cơ và trang trại). Tuy nhiên, những nồng độ cao thường tập trung ở những khu vực có sự hoạt động của con người, trong khi môi trường tự nhiên thường có nồng độ thuốc kháng sinh thấp. Để đánh giá được hậu quả của thuốc kháng sinh chúng ta cần phân tích chủ yếu ở các khu vực có hàm lượng chất kháng sinh cao, phân tích ảnh hưởng của ô nhiễm kháng sinh trên các hệ sinh thái tự nhiên. Có thể dự đoán rằng dư lượng từ các bệnh viện hoặc các trang trại sẽ chứa cả hai loại chất gây ô nhiễm: thuốc kháng sinh và gen kháng.
Một số thuốc kháng sinh là các hợp chất tự nhiên mà có tiếp xúc với vi sinh vật môi trường hàng triệu năm mới phân hủy sinh học, thậm chí nó đóng vai trò như là một nguồn thức ăn cho một số vi sinh vật. Kháng sinh tổng hợp (ví dụ quinolone) là chất khó để phân hủy sinh học. Tuy nhiên, chúng vẫn đang bị suy thoái ở mức độ khác nhau trong môi trường tự nhiên. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng ciprofloxacin hiện diện trong mẫu nước sông sẽ hoàn toàn bị phân hủy sau 3 tháng, trong khi chỉ có 20% axit oxolinic trong các mẫu được phân hủy sau 5 tháng [11].
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sự gắn kết của các quinolone đất và trầm tích làm chậm quá tình phân hủy sinh học của chúng. Tuy nhiên, xử lý nước thải của các vùng nước ô nhiễm quinolone không đạt hiệu quả loại bỏ các kháng sinh bởi các quá trình bao gồm : không chỉ phân hủy sinh học mà còn xảy ra sự suy thoái của các 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các nghiên cứu cho thấy, nồng độ các kháng sinh trong tầm tích thường dưới giới hạn phát hiện và thường ổn định khi hấp phụ. Vì lý do này, các mẫu trầm tích từ các môi trường kháng sinh bị ô nhiễm có nồng độ kháng sinh cao hơn so với các mẫu nước từ cùng một khu vực [7].
Trên thực tế, sự suy thoái kháng sinh trong các hệ sinh thái tự nhiên không có nghĩa là chúng không gây ô nhiễm môi trường. Ví dụ, quá trình thoái hóa chậm ở nhiệt độ thấp vào mùa đông, vậy các thành phần và độ ẩm của đất ảnh hưởng rõ ràng đến suy thoái kháng sinh. Quan trọng hơn, một số hệ sinh thái phát sinh liên tục thuốc kháng sinh vào môi trường (ví dụ nước thải bệnh viện). Lindberg và các đồng nghiệp đã tiến hành kiểm tra các chất độc môi sinh nhận thấy nồng độ các chất kháng sinh tăng cao trong một thời gian ngắn.
Kể từ khi ở nồng độ nhỏ ức chế của thuốc kháng sinh đã gây ra phản ứng phiên mã cụ thể trong vi khuẩn, sự hiện diện của kháng sinh sẽ sửa đổi các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật hiện diện trong những môi trường bị ô nhiễm. Cuối cùng, tác động vào cấu trúc của quần thể vi khuẩn. Sự ảnh hưởng của kháng sinh có thể vẫn còn ngay cả khi các kháng sinh đã được khoáng hóa. Trong mọi trường hợp, ảnh hưởng của kháng sinh trong các hệ sinh thái tự nhiên là giảm nếu việc sử dụng kháng sinh được kiểm soát một cách chặt chẽ, nó sẽ giảm việc gây ô nhiễm cho các hệ sinh thái tự nhiên.
Kháng sinh sẽ bị thoái hóa nhiều hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào điều kiện môi trường, kháng sinh phát thải trong đất thường thấp hơn trong môi trường nước. Hầu hết các loại thuốc kháng sinh được sử dụng để ngăn ngừa hoặc điều trị các bệnh nhiễm trùng ở người và động vật cũng như để thúc đẩy tăng trưởng nhanh hơn của thực vật. Khi sử dụng, kháng sinh chỉ được chuyển hóa một phần và sau đó được thải ra qua đường bài tiết, dư lượng kháng sinh hoặc là được xử lý trong các nhà máy xử lý nước thải hoặc đơn giản là quá trình tự phân hủy trong nước hoặc đất. Bên cạnh đó, các hợp chất kháng sinh sử dụng trong nuôi cá thâm canh được thêm trực tiếp vào nước làm nồng độ kháng sinh trong nước ở khu vực và trong trầm tích liền kề tăng cao.
Thuốc kháng sinh được sử dụng trong các cây trồng nông nghiệp gây ra các ô 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nhiễm ở các khu vực đó, mặc dù số lượng thuốc kháng sinh sử dụng trong cây trồng nông nghiệp thường thấp hơn so với phục vụ con người, trong thú y và chăn nuôi [4] Để giảm bớt những ảnh hưởng mà sự phát thải các loại thuốc kháng sinh, năm 1998 Liên minh châu Âu đã cấm sử dụng một số loại kháng sinh trong việc thúc đẩy sự tăng trưởng của gia súc. Năm 2006, lệnh cấm đã được mở rộng cho tất cả các loại thuốc kháng sinh và các thuốc liên quan. Tương tự như vậy, nhiều quốc gia đã hạn chế việc sử dụng kháng sinh trong nuôi trồng thủy sản, bao gồm hạn chế mạnh mẽ trong việc sử dụng kháng sinh dự phòng, và cấm sử dụng thuốc kháng sinh mà vẫn còn hữu ích trong việc điều trị các bệnh nhiễm trùng của con người. Ví dụ, việc sử dụng các quinolone cho nuôi trồng thủy sản đã bị cấm ở một số nước công nghiệp phát triển, vì kháng sinh thuộc họ quinolone có thể tồn tại trong các trầm tích trong thời gian dài [11].3 Một số nghiên cứu về thuốc kháng sinh phát sinh trong môi trường Để phục vụ cho chăm sóc sức khỏe con người và động vật, việc sản xuất dược phẩm đã tăng lên nhanh chóng trong vài thập kỷ qua.
Sau khi sử dụng, số lượng lớn dược phẩm được thải vào nước. Sự phát tán dược phẩm vào môi trường đã nhận được rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây vì dược phẩm được biết là có nguy cơ rủi ro cho hệ sinh thái thủy sinh như phá vỡ trật tự nội tiết và tác dụng phụ nghiêm trọng, bởi vì chúng tác động trực tiếp tới môi trường sinh thái [17]. Trong rất nhiều loại dược phẩm, thuốc kháng sinh là một họ đặc biệt quan trọng được sử dụng rộng rãi trong y học nhằm phục vụ cho công tác phòng và chữa bệnh của con người và thú y. Sau khi tiêu thụ kháng sinh có thể được chuyển hóa một phần, các chất chuyển hóa này sau đó được bài tiết vào nước tiểu hoặc phân [13].
Hiện nay, nhiều nhà máy xử lý nước thải thông thường không được thiết kế và vận hành để loại bỏ nồng độ rất thấp của các chất ô nhiễm, chẳng hạn như dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân [13]. Kết quả là, các dư lượng dược phẩm tập trung có thể thải vào môi trường bằng cách thải ra ngoài môi trường [17]. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Với sự phát triển của kỹ thuật phân tích trong những năm gần đây, có nhiều bằng chứng cho thấy sự hiện diện của dược phẩm trong hệ thống thủy sản trên thế giới. Y Chen et al., [18] chỉ ra rằng nồng độ các chất trung gian của các dược phẩm có trong các mẫu nước thải bùn thu thập từ 45 nhà máy xử lý nước thải ở Trung Quốc có nồng độ cao trong nước thải.
Sự xuất hiện của các hợp chất dược phẩm trong bùn có thể là kết quả của việc sử dụng dược phẩm của con người. Các hợp chất như ofloxacin (24 760 µg kg-1), norfloxacin (5 280 µg kg-1) và ketoprofen (4 458 µg kg- 1 ) đã được tìm thấy.