Tổng quan nghiên cứu

Việc sử dụng thuốc kháng sinh trên toàn cầu đã tăng khoảng 65% từ năm 2000 đến 2015, trong đó nhóm fluoroquinolone (FQ) như ciprofloxacin (CIP) và levofloxacin (LEV) được sử dụng phổ biến do hiệu quả cao trong điều trị các bệnh nhiễm khuẩn. Tuy nhiên, việc sử dụng không kiểm soát dẫn đến dư lượng kháng sinh tồn tại trong nước thải bệnh viện, gây ô nhiễm môi trường và thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc. Tại Việt Nam, nồng độ CIP và LEV trong nước thải bệnh viện được ghi nhận dao động từ 0,17 đến 68,1 µg/L và 0,21 đến 70,9 µg/L, cho thấy mức độ ô nhiễm đáng kể. Nghiên cứu nhằm xây dựng quy trình phân tích đồng thời CIP và LEV trong nước thải bệnh viện bằng kỹ thuật sắc ký lỏng ghép nối khối phổ (LC-MS/MS) với độ nhạy và chọn lọc cao, đồng thời đánh giá khả năng xử lý các kháng sinh này bằng vật liệu quang xúc tác BiOI. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mẫu nước thải bệnh viện tại Hà Nội trong năm 2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển phương pháp phân tích hiện đại và ứng dụng vật liệu mới trong xử lý ô nhiễm kháng sinh, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về nhóm kháng sinh fluoroquinolone, đặc biệt CIP và LEV, là các dẫn xuất quinolone có khả năng ức chế enzyme DNA gyrase của vi khuẩn. Các kháng sinh này có tính acid-base đặc trưng với pKa lần lượt khoảng 5,6 và 7,9, ảnh hưởng đến sự tồn tại và hấp phụ trong môi trường nước. Phương pháp phân tích LC-MS/MS được lựa chọn do ưu điểm về độ nhạy cao, khả năng phân tích đồng thời nhiều chất trong mẫu phức tạp và tính chọn lọc vượt trội. Vật liệu BiOI thuộc nhóm bismuth oxyhalide (BiOX) có cấu trúc phân lớp độc đáo, năng lượng vùng cấm nhỏ (~1,93 eV), hấp thụ mạnh ánh sáng khả kiến, giúp tăng hiệu quả quang xúc tác phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, trong đó có kháng sinh nhóm FQ. Cơ chế quang xúc tác của BiOI dựa trên sự tạo ra các cặp electron-lỗ trống dưới ánh sáng khả kiến, phân hủy các phân tử kháng sinh thành các sản phẩm không độc hại.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước thải bệnh viện lấy tại bể đầu ra hệ thống xử lý nước thải bệnh viện ở Hà Nội. Mẫu được lọc qua màng 0,45 µm, axit hóa đến pH < 2 và bảo quản lạnh trước khi phân tích. Quy trình tách và làm giàu mẫu sử dụng chiết pha rắn (SPE) với cột C18, bao gồm các bước hoạt hóa cột, nạp mẫu, rửa tạp chất, rửa giải bằng methanol và acetonitrile, sau đó hòa tan mẫu trong dung môi MeOH/H2O (60/40) có thêm chất nội chuẩn (LOM). Phân tích định lượng CIP và LEV thực hiện trên hệ thống Agilent 1290 Infinity II - 6470 LC-MS/MS với cột Agilent ZORBAX Eclipse Plus RRHD C18 (2,1×50 mm, 1,8 µm). Phương pháp phân tích được thẩm định theo tiêu chuẩn ICH và AOAC, bao gồm đánh giá tính chọn lọc, độ chính xác, độ lặp lại, giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ). Các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của lượng xúc tác BiOI (0,2-1,5 g/L), nồng độ kháng sinh ban đầu (1-5 mg/L), nhiệt độ phản ứng (25-50°C) và độ ổn định của chất xúc tác được thực hiện dưới ánh sáng khả kiến từ đèn Philips 250W. Dữ liệu được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel 2010 với các phép toán thống kê cơ bản.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu điều kiện phân tích LC-MS/MS:

    • Ion mẹ của ciprofloxacin được xác định tại m/z 331.9.
    • Chương trình pha động gradient với tỷ lệ nước (0,1% HCOOH) và acetonitrile (0,1% HCOOH) thay đổi từ 95:5 đến 5:95 giúp phân tách CIP và LEV hiệu quả trong thời gian ngắn.
    • Giới hạn phát hiện (LOD) đạt khoảng 0,1 ng/mL cho cả hai kháng sinh, giới hạn định lượng (LOQ) khoảng 0,3 ng/mL, đảm bảo độ nhạy cao cho phân tích dư lượng trong nước thải.

  2. Hiệu quả xử lý kháng sinh bằng vật liệu BiOI:

    • Lượng xúc tác BiOI 1 g/L cho hiệu suất phân hủy CIP và LEV cao nhất, đạt trên 85% sau 120 phút chiếu xạ.
    • Nồng độ kháng sinh ban đầu ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý; với nồng độ 1 mg/L, hiệu suất đạt trên 90%, giảm còn khoảng 70% khi nồng độ tăng lên 5 mg/L.
    • Nhiệt độ phản ứng tăng từ 25°C lên 50°C làm tăng hiệu suất phân hủy khoảng 10-15%, cho thấy nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy quá trình quang xúc tác.
    • Chất xúc tác BiOI duy trì độ ổn định cao sau 6 lần sử dụng liên tiếp, hiệu suất giảm không quá 5%, chứng tỏ khả năng tái sử dụng tốt.

  3. Độ chính xác và lặp lại của phương pháp:

    • Độ thu hồi CIP và LEV trong mẫu tự tạo đạt 95-105%, với hệ số biến thiên (RSD) dưới 2%, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của phương pháp.
    • Phương trình hồi quy tuyến tính có hệ số tương quan (R²) trên 0,998 trong khoảng nồng độ 10-500 ppb, phù hợp cho phân tích định lượng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả phân tích LC-MS/MS cao nhờ khả năng chọn lọc ion mẹ và ion con đặc trưng, kết hợp với quy trình chiết pha rắn làm giàu mẫu, giúp phát hiện dư lượng kháng sinh ở mức vết trong nước thải bệnh viện. So với các phương pháp truyền thống như HPLC-UV hay điện hóa, LC-MS/MS cho độ nhạy và độ chính xác vượt trội, phù hợp với yêu cầu giám sát môi trường. Vật liệu BiOI thể hiện khả năng quang xúc tác hiệu quả nhờ cấu trúc phân lớp và năng lượng vùng cấm nhỏ, hấp thụ ánh sáng khả kiến tốt hơn TiO2 truyền thống. Kết quả tương tự các nghiên cứu quốc tế về xử lý kháng sinh bằng BiOI và các vật liệu BiOX khác, tuy nhiên nghiên cứu này bổ sung dữ liệu thực nghiệm tại Việt Nam, góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải bệnh viện. Việc duy trì hiệu suất cao ở nhiệt độ phòng và khả năng tái sử dụng chất xúc tác là ưu điểm lớn cho ứng dụng thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sắc ký LC-MS/MS, đồ thị hiệu suất phân hủy theo thời gian và nồng độ, cũng như bảng thống kê các thông số thẩm định phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng quy trình LC-MS/MS trong giám sát nước thải bệnh viện:

    • Đào tạo nhân viên kỹ thuật vận hành thiết bị và quy trình chuẩn.
    • Mục tiêu giảm thiểu dư lượng kháng sinh trong nước thải xuống dưới ngưỡng an toàn trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển công nghệ xử lý nước thải sử dụng vật liệu BiOI:

    • Thiết kế hệ thống quang xúc tác quy mô pilot tại các bệnh viện lớn.
    • Mục tiêu đạt hiệu suất xử lý kháng sinh trên 85% trong 6 tháng thử nghiệm.

  3. Nâng cao nhận thức và quản lý sử dụng kháng sinh:

    • Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về sử dụng kháng sinh hợp lý cho cán bộ y tế và cộng đồng.
    • Giảm tỷ lệ kháng sinh bán không theo đơn xuống dưới 50% trong 2 năm.

  4. Nghiên cứu tiếp tục cải tiến vật liệu BiOI:

    • Tối ưu hóa cấu trúc nano, pha tạp để tăng hiệu suất quang xúc tác và độ bền.
    • Thực hiện các nghiên cứu đánh giá tác động môi trường và kinh tế trước khi ứng dụng rộng rãi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa phân tích, Môi trường:

    • Học hỏi quy trình phân tích LC-MS/MS hiện đại và ứng dụng trong giám sát ô nhiễm kháng sinh.
    • Áp dụng phương pháp thẩm định và xử lý số liệu trong nghiên cứu khoa học.

  2. Chuyên gia và kỹ sư xử lý nước thải bệnh viện:

    • Tham khảo công nghệ quang xúc tác BiOI để phát triển hệ thống xử lý nước thải hiệu quả.
    • Đánh giá khả năng ứng dụng vật liệu mới trong thực tế.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và y tế:

    • Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm kháng sinh.
    • Định hướng giám sát và quản lý sử dụng kháng sinh trong bệnh viện.

  4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị phân tích và vật liệu quang xúc tác:

    • Nắm bắt xu hướng công nghệ phân tích và xử lý nước thải hiện đại.
    • Phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường và tiêu chuẩn môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn LC-MS/MS để phân tích kháng sinh trong nước thải?
    LC-MS/MS có độ nhạy và chọn lọc cao, cho phép phát hiện đồng thời nhiều kháng sinh ở nồng độ rất thấp trong mẫu phức tạp như nước thải bệnh viện, vượt trội hơn các phương pháp truyền thống như HPLC-UV.

  2. Vật liệu BiOI có ưu điểm gì so với TiO2 trong xử lý kháng sinh?
    BiOI có năng lượng vùng cấm nhỏ (~1,93 eV) nên hấp thụ ánh sáng khả kiến mạnh hơn, hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời hoặc đèn khả kiến, đồng thời dễ thu hồi và tái sử dụng, khắc phục hạn chế của TiO2 chỉ hoạt động dưới tia cực tím.

  3. Quy trình chiết pha rắn SPE có vai trò gì trong nghiên cứu?
    SPE giúp làm giàu mẫu, loại bỏ tạp chất và tăng độ nhạy phân tích, đảm bảo phát hiện chính xác dư lượng kháng sinh ở mức vết trong nước thải, đặc biệt khi hàm lượng rất thấp.

  4. Ảnh hưởng của nồng độ kháng sinh ban đầu đến hiệu quả xử lý như thế nào?
    Nồng độ kháng sinh càng cao thì hiệu suất phân hủy bằng BiOI giảm do bão hòa bề mặt xúc tác và cạnh tranh hấp phụ, do đó cần tối ưu nồng độ để đạt hiệu quả xử lý cao nhất.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại kháng sinh khác không?
    LC-MS/MS có thể điều chỉnh để phân tích nhiều loại kháng sinh khác nhau, còn vật liệu BiOI có tiềm năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ khác, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu điều kiện cho từng loại.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công quy trình phân tích đồng thời ciprofloxacin và levofloxacin trong nước thải bệnh viện bằng LC-MS/MS với độ nhạy cao, LOD khoảng 0,1 ng/mL và LOQ khoảng 0,3 ng/mL.
  • Vật liệu quang xúc tác BiOI thể hiện hiệu quả xử lý cao, đạt trên 85% phân hủy kháng sinh ở điều kiện tối ưu với khả năng tái sử dụng ổn định.
  • Nồng độ kháng sinh ban đầu và nhiệt độ phản ứng là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý.
  • Phương pháp và vật liệu nghiên cứu có tiềm năng ứng dụng trong giám sát và xử lý ô nhiễm kháng sinh tại các bệnh viện ở Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu tiếp tục cải tiến vật liệu để nâng cao hiệu quả xử lý.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ sở y tế và phòng thí nghiệm môi trường áp dụng quy trình phân tích và công nghệ xử lý BiOI để kiểm soát ô nhiễm kháng sinh. Đầu tư nghiên cứu phát triển vật liệu quang xúc tác mới phù hợp với điều kiện Việt Nam.