Trong nghiên cứu này, sự phân hủy của CIP trong nước sông Sài Gòn đã được thực hiện bằng phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm với các yếu tố là độ pH, thời gian và nồng độ CIP. Kết quả nghiên cứu đã xác định được phương trình hồi quy tuyến tính của hiệu suất phân hủy CIP trong nước sông Sài Gòn và tính được hiệu suất phân hủy trung bình khoảng 73,15% trong khoảng thời gian 2-9 ngày.
Trang 1NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XÁC SUẤT THỐNG KÊ ĐỂ TÍNH TOÁN
SỰ PHÂN HỦY CIPROFLOXACIN TRONG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN
Nguyễn Phú Bảo1*, Trần Tuấn Việt2, Phạm Hồng Nhật3
Tóm tắt: Chất kháng sinh được xếp vào nhóm các chất ô nhiễm mới, đang tồn tại
trong các thành phần môi trường Một số nghiên cứu về chất kháng sinh trong sông Sài Gòn cho thấy, tần suất phát hiện dư lượng kháng sinh nhóm Fluoroquinolone (FQs) là 41% trong mẫu nước và 58% trong mẫu bùn/trầm tích Ciprofloxacin (CIP) là một loại FQs mạnh có liên quan đến tác dụng phụ nghiêm trọng đến con người như gây vỡ và tổn thương thần kinh do cơn co giật Để đánh giá tác động của CIP đến môi trường và sức khỏe, một trong những nghiên cứu quan trọng và cần thiết là nghiên cứu tính phân hủy của CIP trong môi trường nước Trong nghiên cứu này, sự phân hủy của CIP trong nước sông Sài Gòn đã được thực hiện bằng phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm với các yếu tố là độ pH, thời gian và nồng độ CIP Kết quả nghiên cứu đã xác định được phương trình hồi quy tuyến tính của hiệu suất phân hủy CIP trong nước sông Sài Gòn và tính được hiệu suất phân hủy trung bình khoảng 73,15% trong khoảng thời gian 2-9 ngày
Từ khóa: Chất kháng sinh; Ciprofloxacin; Phân hủy; Sông Sài Gòn
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Do sự phát triển của khoa học và ứng dụng trong đời sống, những năm gần đây, sự xuất hiện các chất ô nhiễm được gọi là các chất ô nhiễm “mới nổi” như dược phẩm, thuốc trừ sâu, các chất gây rối loạn nội tiết (EDCs), trong môi Một trong những chất ô nhiễm mới
là chất kháng sinh, chúng hoạt tính mạnh mẽ, tác động tiêu cực rất mạnh lên cộng đồng vi sinh vật, sức khỏe con người và hệ sinh thái và một trong những nhóm kháng sinh được cộng đồng khoa học đặc biệt quan tâm là Fluoroquinolone (FQs) vì có hoạt tính mạnh, có liên quan đến tác dụng phụ nghiêm trọng đến con người như gây vỡ và tổn thương thần kinh do cơn co giật,
Ở Việt Nam, hơn 70% thuốc chất kháng sinh được sử dụng cho vật nuôi là [1] Tại thành phố Hồ Chí Minh, chỉ có 50% nước thải công nghiệp và 10% nước thải sinh họat được xử lý trước khi thải vào môi trường Một số nghiên cứu gần đây [2] đã cho thấy, nồng độ dư lượng kháng sinh FQs, TCs và chất gây rối loạn nội tiết EDCs là khá cao tại nhiều vùng thuộc sông Sài Gòn với tần suất xuất hiện fluoroquinolone (FQs) trong nước khoảng 33%, trong bùn khoảng 62%; tetracylines (TCs) trong nước khoảng 33%, trong bùn khoảng 57%; phthalate ester (PEs) trong nước khoảng 25%, trong bùn khoảng 100% Theo nghiên cứu về sự phân bố các loại chất kháng sinh trong các nguồn thải đổ vào sông Sài Gòn và xác suất xuất hiện chất kháng sinh trên sông Sài Gòn [3] đã cho thấy, nồng độ Ciprofloxacin chiếm ưu thế với tần suất xuất hiện cao nhất ( 3%) Ciprofloxacin được phát hiện thường xuyên trong nước sông Sài Gòn là do được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn trong chăn nuôi, thủy sản, y tế và là các chất kháng sinh khả năng bền vững trong môi trường nước [4] Kết quả nghiên cứu về độc tính của Ciprofloxacin [5] đối với vi khuẩn bằng phương pháp xét nghiệm vi khuẩn tiêu chuẩn (Pseudomonas putida) đã chỉ ra rằng, trong họ Quinolones thì Ciprofloxacin có độc tính cao đối với vi khuẩn Chất này là có độc tính hơn so với Sulfonamides Do tính chất độc hại của Ciprofloxacin và sự xuất hiện với tần suất cao của nó trong sông Sài Gòn nên Ciprofloxacin được lựa chọn nghiên cứu về sự phân hủy trong nước sông Sài Gòn bằng phương pháp xác suất thống kê
2 NỘI DUNG VÀ TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết
Trang 2Giới thiệu chất kháng sinh Ciprofloxacin
Công thức hóa học : C17H18FN3O3
Công thức cấu tạo:
Khối lượng phân tử : 331,346 pKa1: 6,09, pKa2: 8,62
Loại thuốc: Kháng sinh nhóm quinolon (acidic quinolone)
Ciprofloxacin là thuốc kháng sinh bán tổng hợp, có phổ kháng khuẩn rộng, được gọi là
các chất ức chế DNA girase Do ức chế enzym DNA girase nên thuốc ngăn sự sao chép
của chromosom khiến cho vi khuẩn không sinh sản được nhanh chóng
Cơ sở lý thuyết:
Để xác định điều kiện tối ưu của các yếu tố tác động đến hiệu suất phân hủy của
Ciprofloxacin trong môi trường nước sông Sài Gòn, cách tiếp cận trong nghiên cứu này sử
dụng phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm yếu tố toàn phần được dùng để tạo nên mô tả toán học của
quá trình dưới một đoạn của chuỗi Taylor Thêm vào đó, chỉ giới hạn ở phần tuyến tính
của khai triển và ở các số hạng có chứa tích của các yếu tố trong lũy thừa bậc một Nhờ
điều này mà có thể tìm ra phương trình của một khu vực hạn chế trong bề mặt đáp ứng,
nếu như độ cong của nó không quá lớn Do là phương trình tìm được dựa trên cơ sở các số
liệu thực nghiệm do đó chúng cũng có những sai số của thực nghiệm Như vậy, nhờ có
thực nghiệm yếu tố toàn phần mà mô tả toán học của quá trình được tìm dưới dạng
phương trình hồi quy đa biến [6]:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + …… + bnxn (1) Phương trình (1) được gọi là phương trình hồi quy tuyến tính và các hệ số được gọi là
hệ số hồi quy Để đơn giản cho việc tính toán các hệ số hồi quy, người ta biến đổi tất cả
các yếu tố trên hai mức tương ứng với các giá trị của biến số mã hóa +1 (điều kiện biên
cực đại) và -1 (điều kiện biên cực tiểu)
2.2 Xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính
Trong điều kiện khảo sát về sự phân hủy của Ciprofloxacin, điều kiện thí nghiệm được
lựa chọn của thực nghiệm ba yếu tố toàn phần được trình bày trong một ma trận quy hoạch
thực nghiệm Ma trận quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu như sau:
Bảng 1 Ma trận quy hoạch thực nghiệm
Yếu tố 1 (X1) Yếu tố 2 (X2) Yếu tố 3 (X3) Mức trên (điều kiện biên cực đại)
Mức dưới (điều kiện biên cực tiểu)
Mức cơ sở (mức trung gian)
+1 -1 (-1; +1)
+1 -1 (-1; +1)
+1 -1 (-1; +1) Phương trình hồi quy đa biến (1) được chuyển thành:
Hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin:
Yếu tố X1 là nồng độ Ciproofloxacin ban đầu
Yếu tố X2 là độ pH của nước sông ban đầu
Yếu tố X3 là thời gian phân hủy chất kháng sinh ban đầu
Trang 3Trên cơ sở ma trận quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần, các hệ số hồi quy của phương trình (2) được tính theo các công thức sau:
N 1
N 1
Một hệ số hồi quy có thể bị bỏ qua vì quá nhỏ hoặc chúng được xem là không có ý nghĩa Để xác định một hệ số hồi quy có ý nghĩa hay không phải dựa vào so sánh giá trị của hệ số Student thực nghiệm (ttn) với giá trị của hệ số Student lý thuyết (tP; f) tương ứng với xác suất tin cậy (P) và số bậc tự do f (f=n-1) được xác định bởi các tính toán phân tích phương sai có liên quan tới hệ số hồi quy [7, ]:
n: Số thí nghiệm xác định sự phân hủy Cipofloxacin (43 thí nghiệm)
Sy: Độ lệch chuẩn của hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin
KTC: Khoảng tin cậy (0,05)
Hệ số hồi quy có ý nghĩa nếu thỏa mãn điều kiện ttn tlt (tlt là hệ số chuẩn Student) Trong trường hợp ngược lại thì hệ số hồi quy không có nghĩa và loại trừ hệ số hồi quy tương ứng ra khỏi phương trình hồi quy tuyến tính (2)
Các giá trị của kết quả thực nghiệm được tính toán và phân tích phương sai (Analysis
of Variance) bằng phần mềm Excel [7]
2.2 Thực nghiệm
2.2.1 Số liệu đầu vào
Mẫu nước sông Sài Gòn cho thí nghiệm được lấy tại nguồn nước tiếp nhận cách vị trí hợp lưu giữa kênh T2 và kênh Rạch Tra 100m về phía hạ lưu do Viện Nhiệt đới khảo sát, lấy mẫu (QT.18.0757)
Để xác định hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin, các điều kiện thí nghiệm được thiết lập theo ma trận quy hoạch thực nghiệm như sau:
Yếu tố X1: là nồng độ Ciproofloxacin ban đầu được thực hiện thí nghiệm, thay đổi trong khoảng từ 0,00013 9 mg/l (mức dưới) đến 0,0013 92 mg/l (mức trên)
Yếu tố X2: là độ pH của nước sông ban đầu được thực hiện thí nghiệm, thay đổi trong khoảng từ 4,41 (mức dưới) đến ,60 (mức trên)
Yếu tố X3: là thời gian phân hủy chất kháng sinh ban đầu được thực hiện thí nghiệm, thay đổi trong khoảng từ 02 ngày (mức dưới) đến 09 ngày (mức trên)
Theo phương pháp quy hoạch tối ưu hóa thực nghiệm [6, 8] thì số thí nghiệm tối thiểu cần phải thực hiện là 2n
(trong đó, n là số yếu tố) Như vậy, trong thí nghiệm xác định sự phân hủy Ciprofloxacin, số thí nghiệm tối thiểu cần thực hiện là 0 thí nghiệm Trong nghiên cứu này, số thí nghiệm thực nghiệm là 43, gồm có 02 thí nghiệm có nồng độ Ciprofloxacin ở mức dưới (0,00013 9 mg/l), 23 thí nghiệm có nồng độ Ciprofloxacin ở mức trung gian (0,0002676 - 0,00070 2 mg/l) và 1 thí nghiệm có nồng độ Ciprofloxacin
ở mức trên (0,0013 92 mg/l)
2.2.2 Phương pháp phân tích Ciprofloxacin
Phương pháp phân tích: sử dụng phương pháp phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp với khối phổ (HPLC-MS) Thiết bị: LC/MS Agilent 1200
Điều kiện phân tích: Cột C1 (3µm, 4.6 x 150mm), cột có khả năng tách tốt, thời gian lưu ngắn
Chương trình pha động: pha động gồm có dung môi ACN có 0.1% Acid Formic và
H2O (nước cất 2 lần) có 0.1% Acid Formic với tỷ lệ (15/ 5)
Trang 4Tốc độ dòng: 0.7 ml
Nguồn ion hóa phun điện tử ESI
Thiết bị được test bởi Tune gốc và các giá trị m/z đều đạt yêu cầu kỹ thuật trước khi
phân tích và test chất chuẩn Ciprofloxacin
Hình 1 Kết quả test máy bằng Tune gốc Hình 2 Phổ chuẩn của Ciprofloxacin
Phương pháp tính toán hiệu suất phân hủy Ciproflloxacin, trong nghiên cứu dựa vào
tính phân hủy: là sự giảm nồng độ một hợp chất hóa học thành một ít phức tạp hơn, bằng
cách tách ra một hoặc nhiều nhóm do các điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo
Công thức tính hiệu suất phân hủy:
C0: Nồng độ Ciprofloxacin ban đầu (mg/l)
C: Nồng độ Ciprofloxacin sau thời gian t (ngày)
3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả phân tích nồng độ Ciprofloxacin trong thí nghiệm để xác định điều kiện phân
hủy và hiệu suất phân hủy của từng thí nghiệm được xử lý thống kê với xác suất có độ tin
cậy P=95%
Phương pháp sắp xếp các yếu tố trong ma trận quy hoạch thực nghiệm được dựa vào sự
tăng dần về độ lớn của giá trị các yếu tố Trong cách sắp xếp được thể hiện trong bảng 2,
yếu tố thời gian thí nghiệm phân hủy được lựa chọn với giá trị thay đổi từ 2 đến 4, 7 và 9
ngày Tương tự, các yếu tố về nồng độ Cipofloxacin và độ pH cũng được sắp xếp tương
ứng theo yếu tố thời gian nhưng vẫn đảm bảo tính tăng dần về độ lớn của giá trị
Bảng 2 Kết quả phân tích nồng độ và tính toán hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin
mẫu
Hiệu suất phân hủy (%)
Nồng độ CIP ban đầu (mg/L)
Giá trị pH ban đầu
Thời gian thí nghiệm (ngày)
Nồng độ CIP sau thí nghiệm (mg/L)
Trang 53 3.3 (13) 52,00 0,0007082 6,75 2 0,0003400
Nhận xét:
- Hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin theo thời gian là khá cao, hầu hết đều có độ phân hủy đạt trên 65%;
- Hiệu suất phân hủy trung bình của CIP là tăng dần đều theo thời gian, mức độ phân
Trang 6hủy nhanh trong khoảng 05 ngày đầu tiên và sau đó có xu hướng chậm dần;
- Giữa hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin với thời gian phân hủy trong thời gian 09 ngày
là có mối quan hệ tuyến tính thuận chặt chẽ Phương trình hồi quy tuyến tính ghi nhận là
có R2=0,967 (hình 3)
Hình 3 Diễn biến hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin theo thời gian
- Theo công bố khoa học của Đại học Stockholm [9], Ciprofloxacin là chất không dễ bị
phân hủy sinh học và có sự phân hủy trong đất là rất chậm với 0,9% Ciprofloxacin được
khoáng hóa sau 93 ngày
- Tuy nhiên, trong điều kiện tự nhiên, Ciprofloxacin có thể bị tác động bởi quá trình
quang hóa và phân hủy nhanh với 50% từ vài phút đến vài tuần [10], tùy thuộc vào cường
độ ánh sáng và quang phổ Kết quả của nghiên cứu về sự phân hủy Ciproflixacin trong
nước sông Sài Gòn cho thấy bề mặt cho thấy Ciprofloxacin bị phân hủy nhanh (hiệu suất
phân hủy đạt tới 69,60%) trong 04 ngày và phù hợp với công bố của Bayer AG, nồng độ
giảm nhanh trong khoảng 0,31 - 3,7 ngày [11]
Như vậy, kết quả nghiên cứu về sự phân hủy Ciprofloxacin trong nước sông Sài Gòn đã
cho thấy là có sự khác biệt với kết quả của một số nghiên cứu về sự phân hủy của
Cipofloxacin trên thế giới, hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin của nước sông Sài Gòn là cao
hơn trong cùng khoảng thời gian Vấn đề này có thể là do đặc tính của nước sông Sài Gòn
khác với các nguồn nước khác được thí nghiệm về sự phân hủy Ciprofloxacin
Kết quả phân tích phương sai phương sai (Analysis of Variance) với xác suất P=0,05
của các kết quả thực nghiệm đạt được như sau:
Bảng 3 Kết quả kiểm định Anova
Thống kê hồi quy Ghi chú
Giá trị thống kê F (P=0,05) 21,98
Giá trị R2
Hệ số hồi quy t (0,95; 42) t tn
1,684
4.526
Trang 7Kết quả kiểm định Anova cho thấy:
So sánh các kết quả tính toán hệ số Student thực nghiệm của nghiên cứu với giá trị hệ
số Student lý thuyết (xác suất p=0,95 và số bậc tự do f=42) được các kết quả như sau:
- Hệ số hồi quy tự do b0: có hệ số Student thực nghiệm (ttn = 4,526) lớn hơn hệ số Student lý thuyết (tlt = 1,6 4) nên hệ số b0 có ý nghĩa
Các hệ số Student thực nghiệm của nồng độ Ciprofloxcin (b1) và thời gian (b3) có có giá trị tương ứng là 7,235 và 4,066 đều lớn hơn hệ số Student lý thuyết (tlt = 1,6 4) nên hệ
số hồi quy b1 và b3 có ý nghĩa Riêng hệ số Student của độ pH (b2) có giá trị (0,466) là nhỏ hơn hệ số Student lý thuyết (tlt = 1,6 4) nên hệ số hồi quy b2 là không có ý nghĩa Như vậy, hiệu suất phân hủy Ciprofloxcin không phụ thuộc tuyến tính vào độ pH (4,41 – 8,60)
mà chỉ phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ Ciprofloxacin ban đầu và thời gian phân hủy Như vậy, phương trình hồi quy tuyến tính biểu diễn hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin phụ thuộc vào nồng độ Ciprofloxaciin ban đầu và thời gian phân hủy được xác định như sau: Hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin:
Trong đó: X1 là nồng độ Ciprofloxacin ban đầu C0 (0.0001389 - 0.0013892 mg/l);
X3 là thời gian phân hủy (2-9 ngày)
Kết quả kiểm định Anova cũng cho thấy, giá trị thống kê F (chuẩn Fisher) thực nghiệm (Ftn = 21,9 ) lớn hơn giá trị thống kê F lý thuyết (Flt = 2, 4) nên phương trình hồi quy (6) được đề xuất là thích hợp
Kết quả tính toán hiệu suất trung bình dự báo về sự phân hủy Ciprofloxacin trong nước sông Sài Gòn cũng cho thấy, trong tùy điều kiện khác nhau mà hiệu suất phân hủy cũng khác nhau
4 KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã xác định được hiệu suất phân hủy Ciprofloxacin trong nước sông Sài Gòn với hiệu suất khá cao, 65% Hiệu suất phân hủy trung bình khoảng 73,15% trong khoảng thời gian phân hủy 09 ngày
Kết quả xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính về sự phụ thuộc của sự phân hủy vào nồng độ Ciprofloxacin, độ pH và thời gian cũng cho thấy, sự phân hủy Ciprofloxacin chỉ phụ thuộc vào nồng độ Ciprofloxacin và thời gian mà không phụ thuo65cc vào độ pH của nước sông
Với cơ sở lý thuyết được xây dựng và kết quả thực nghiệm cho thấy, hoàn toàn có thể
áp dụng phương pháp tối ưu hóa thực nghiệm và phương trình hồi quy được đề xuất (5) cho các nghiên cứu về sự phân hủy của các chất kháng sinh khác và nghiên cứu sự phân hủy Ciprofloxacin trong các công trình xử lý nước thải bị nhiễm Ciprofloxacin
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] N Q An “Report of antibiotic use in animal in Vietnam” Presentation in the 1st
GARP's workshop (2009)
[2] N Đ Tuấn, “Nghiên cứu sự tích lũy của các dư lượng kháng sinh và các chất gây
rối loạn nội tiết tại lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai và đề xuất giải pháp giám sát, kiểm soát ô nhiễm” Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN, Trường Đại học Tài nguyên và
Môi trường thành phố Hồ Chí Minh (2012)
[3] Đ Q Túc “Phát triển phương pháp "Passive Sampling" để phân tích kháng sinh
trong môi trường nước” Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN, Đại học Quốc gia Tp
HCM (2017)
Trang 8[4] Tamtam, F et at “Occurrence and fate of antibiotics in the Seine River in various
hydrological conditions” Science of The Total Environment Vol 393(1), p 84e95,
2008
[5] Marjan Akhyany “Effects of individual antibiotics and their mixtures on single
bacterial species, artificial and natural microbial communities” Department of
Biological and Environmental Sciences, University of Gothenburg, 2013
[6] S.N Saytin “Quy hoạch thực nghiệm trong hóa học và công nghệ hóa học” Tủ sách
Đại học Tổng hợp, 1991 Người dịch Nguyễn Thanh Hồng
[7] Đặng Văn Giáp “Phân tích dữ liệu khoa học bằng chương trình MS – Excel” Nhà
xuất bản giáo dục, 1997
[8] C T Long “Giáo trình Xử lý thống kê trong thực nghiệm hóa học” Trường Đại học
Tổng hợp thành phố Hồ Chí Minh, 1991
[9] Sara Sahlin, D G Joakim Larsson, Marlene Ågerstrand “Ciprofloxacin EQS data
overview” Department of Environmental Science and Analytical Chemistry,
Stockholm University, 2018
[10] Toolaram AP, Haddad T, Leder C, Kümmerer K “Initial hazard screening for
genotoxicity of photo-transformation products of ciprofloxacin by applying a
combination of experimental and in- silico testing” Environmental Pollution 211
(2016): pp 148-156
[11] Bayer AG “Business group corp science Direct photodegradation of ciprofloxacin
in water” Report No 3351 (1990a) Unpublished data
ABSTRACT
STUDY ON USING STATISTIC FACTORS TO CALCULATE
DEGRADATION OF CIPROFLOXACIN IN SAIGON RIVER WATER
Nowadays, antibiotic pollution has become a new challenge for the environment
In some previous studies, Fluoroquinolone (FQs) in water and sediment of Saigon
River have detected with the frequency of 41% and 58%, respectively Ciprofloxacin
(CIP) is one of the strong FQs which has found that it could influence the human
nervous system Therefore, this study aims to determine the degradation of CIP in
water to assess the effects of CIP on the environment and human health The
degradation of CIP was evaluated using experimental optimization methods for pH,
time and CIP concentrations The result showed that the average of CIP degradation
efficiency was 73.15% in 2 to 9 days Besides, in this study, the linear regression
equation of CIP degradation efficiency in Saigon River water was found
Keywords: Antibiotics; Ciprofloxacin; Degradation; Saigon river
Nhận bài ngày 29 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 18 tháng 8 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 24 tháng 8 năm 2020
2 Viện Nhiệt đới môi trường;
3 Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp Hồ Chí Minh (HUFI)
*Email: nguyenphubaohien@yahoo.com
