水体中盐酸环丙沙星的风险等级分析

董玉瑛，赵颖慧，邹学军，崔玉波，George Zhang

(1.大连民族学院环境与资源学院，辽宁大连116605;2.美国康宁公司生命科学部药物相互作用研究中心)

盐酸环丙沙星是第三代喹诺酮类药物，其分子式为 C17H18FN3O3·HCl·H2O，分子量为385.82，是氟喹诺酮类药物中抗菌活性强的品种，可直接作用于细菌的细胞核，抑制细菌的DNA旋转酶，导致细菌快速死亡，因而被广泛应用于渔业生产中以防治水生动物的各种传染性疾病［1］。研究表明，盐酸环丙沙星具有较严重的肝肾毒性，摄入量较多时会造成人体内脏损伤、消化系统出血、肝肾功能异常炎症及衰竭、血液系统白血球减少等症，神经系统的疾病和过敏症也有发生［2-3］。这些施于水体的药物不仅作用于靶生物以防治病害，而且对非靶生物也产生影响和毒害，从而导致水体微生态失衡以及生态系统结构、功能的破坏［4］。目前，关于盐酸环丙沙星对不同食物链水生生物的急性毒性以及对水生生态环境的潜在风险尚未有明确清晰的分析。

发光菌、小球藻、大型蚤和孔雀鱼分别是自然水体中单细胞生物、浮游植物、浮游动物和鱼类四个营养级上的代表生物，也是目前水生生物毒理学研究的标准测试生物。本研究通过分析盐酸环丙沙星对发光菌、小球藻、大型蚤和孔雀鱼的急性毒性，获得对不同食物链生物影响的预测无效应浓度，结合大连开发区的人口消费、医药生产企业、污水处理工艺等情况，评价盐酸环丙沙星在大连湾水域中的风险等级。

1 材料与方法

1.1 水源

大连开发区污水处理厂排水口出水;大连湾养殖区水域。

1.2 仪器及试剂

仪器:DXY-2型生物毒性测试仪(中国科学院南京土壤研究所);85-2型恒温磁力搅拌器(上海司乐仪器厂);THZ-82气浴恒温振荡器(江苏金坛仪器厂);DHP-9082电热恒温培养箱(上海一恒科技有限公司);LDZX-40CI型立式自动电热压力蒸汽灭菌锅(上海申安医疗器械厂);BS214D型电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司);不同量程的精密移液器(Thermo公司，美国);SJH型洁净工作台(沈阳市净化仪器厂二分厂)等。

主要试剂:盐酸环丙沙星片(哈药集团制药总厂);明亮发光杆菌(Photobacterium phosphoreum)冻干粉(中国科学院南京土壤研究所微生物室)。发光菌冻干粉剂的复苏、斜面菌种的培养、摇瓶菌液的培养、工作菌液的制备等过程见文献［5］。

1.3 发光菌毒性实验方法

根据预试验的结果，将盐酸环丙沙星溶液用3%NaCl溶液稀释配制成10～15个浓度梯度，各取4.5 mL加入具塞磨口比色管，以4.5 mL 3%NaCl溶液作空白对照，每个浓度梯度设3组平行对照。将培养好的工作菌液取0.5 mL于各比色管中(控制空白对照管发光强度300～900 mV范围内)，加塞充分振荡，去塞，暴露15 min，用生物毒性测试仪测定暴露于不同浓度梯度盐酸环丙沙星溶液中发光菌的发光强度。

对其他食物链生物的毒性数据源自文献［4，6］。

1.4 预测无效应浓度(PNEC)的估算方法

应用基于生物毒性实验的PNEC经验估算方法［7-8］，表达式如下:

式中，评价因子分别为1 000(对单纯营养级进行单次急性实验);100(对不同的营养级进行3次急性实验);10(进行慢性实验)［9］。

1.5 预测环境浓度(PEC)的估算方法

药物评价与迁移评估模型(Pharmaceutical Assessment and Transport Evaluation，简称 PhATETM)基于质量守恒方法建模进行水环境中APIs的浓度估算［10］。若不考虑大连经济技术开发区污水处理厂的排水经过其他河流的迁移稀释情况，则默认为直接排入海中。估算PEC简易PhATETM模型描述如下:

式中，A(kg·a-1)为盐酸环丙沙星年均排放量，R(%)为污水处理厂的去除率，P(人)为污水处理厂的服务人口，V(m3·d-1)为日人均废水排放量，D为稀释因子(无量纲)，PEC 单位为 g·L-1［9］。

1.6 环境风险等级甄别方法

对于环境生态评价标准，通过环境暴露浓度与效应浓度的比值，可以确定化学物质对生态环境的风险商(Risk Quotient，RQ)。商值法数学表达式为RQ=PEC/PNEC［11］。当风险商值 RQ为0.1～1.0时，表明需对生态环境进行观察;当RQ在1.0以上时需采取相应的风险削减措施。

2 结果与讨论

2.1 对发光菌发光强度的抑制作用

测定盐酸环丙沙星对发光菌的毒性效应，其测试曲线如图1。

图1 盐酸环丙沙星对发光细菌的毒性影响

从图1中可以观察到，盐酸环丙沙星对发光菌发光强度的抑制曲线整体呈现单调非线性递增趋势，当质量浓度达到40 mg·L-1时，盐酸环丙沙星对发光菌发光强度的相对抑制率大于20%;当质量浓度达到75 mg·L-1时，其相对抑制率接近80%。因此，盐酸环丙沙星对发光菌发光强度影响的突跃范围为40～75 mg·L-1。通过效应浓度相关分析得知，其EC50值为63.27 mg·L-1。

2.2 对不同食物链水生生物的急性毒性分析

盐酸环丙沙星对小球藻、发光菌、大型蚤和孔雀鱼的毒性数据汇总见表1。由表1可知，其急性毒性 EC50或者 LC50数值分别为 20.61，63.27，135.15，365.00 mg·L-1。毒性作用规律结果显示，随着生物链等级的升高，生物对环丙沙星的耐受程度升高。

表1 盐酸环丙沙星对水生生物的急性毒性作用

2.3 PNEC的估算

结合 Cunningham V.L.［7］和 Marie P.H.［8］课题组的研究成果，基于生物毒性实验的PNEC简易估算方法，若对每种生物进行单一急性实验时，则评价因子取1 000。结合急性毒性测定结果，由方程(1)计算不同水生物的PNEC值，所得结果见表1。

2.4 PEC的估算

简易的PhATETM模型可对河流中盐酸环丙沙星进行环境风险评价，能够较好地预测医药品暴露的PEC值。应用该模型需要获得化合物的特性参数和地域参数，包括药品的年销售量和药品在不同过程的去除率等信息。由于盐酸环丙沙星被大量应用于渔业养殖中，其在鱼体内的代谢速度较慢，富集后残留在鱼体有一个较长的过程(对生物体的危害是通过药物在鱼体的残留)，又经过食物链进入人体，因此，考虑盐酸环丙沙星是作为兽药大量进入水体，本研究中应用方程(2)分别计算污水处理后入海口以及近海岸养殖区海水水质中盐酸环丙沙星的风险。

截至2012年底，大连经济技术开发区户籍人口统计约35万人，流动人口近5万人，即区域服务人口总数为40万，家畜年养殖量视为定值。开发区污水处理一厂和开发区排水公司污水处理二厂共同承担着全区污水处理工作。处理一厂日处理污水量为10万m3;处理二厂日处理污水量为8万m3，污水处理后排海(即日处理污水总量为18万m3·d-1)。大连经济技术开发区污水处理厂的出水未经过河流的迁移稀释而直接排入海中，不考虑河流迁移的稀释作用，故简易PhATETM模型中的稀释因子取1。区内没有生产盐酸环丙沙星片的制药厂，因此，不考虑药物制备车间的处理废水这一项。根据对全区的分析，未经污水处理厂而直接排放的废水和对未使用的药品进行不合理处置进入环境的药品量远远小于病人的直接排放量，因而不纳入本研究的模型因子中。根据Golet等［12-13］的研究，污水处理厂普遍采用微生物厌氧和耗氧处理技术对常见医药品的均处理效率R为83%。在渔业养殖过程中，以大连湾海域大连湾口以北海区养殖面积与养殖深度的乘积为总体积(养殖面积约13.3×106m2，养殖深度大约在20 m之内)。将上述有关数据代入方程(2)中，计算获得的PEC结果见表2。

表2 简易PhATETM模型估算盐酸环丙沙星的PEC

2.5 环境风险分析

根据风险评价的原理，风险是毒性效应和暴露水平的函数，即暴露在环境中的有毒物质达到一定水平时才能产生风险。在这里，毒性效应PNEC是可能对生物和生态系统造成潜在影响的估测浓度，表征物质产生风险的可能性;暴露浓度PEC是综合了化合物分子的物理、化学、生物特性以及污水和地表水流量的水文信息而得到的浓度数据，表征物质产生风险的现实性［14］。基于药品风险管理的设计思路，计算盐酸环丙沙星的综合评价因子PEC/PNEC的比值，结果见表3。

表3 盐酸环丙沙星的环境风险综合评价

根据计算出的综合评价因子的范围值，对大连开发区污水处理厂排水的检测可以看出，评价因子的数值以小球藻最高，已达到6.102～7.291，小球藻可以作为评价水体中盐酸环丙沙星残留风险等级的生物标志物。

3 结论

(1)本实验通过发光菌的毒性实验，得到其EC50值为 63.27 mg·L-1，与文献［4，6］所得小球藻、大型蚤、孔雀鱼的EC50或者LC50数值进行比较分析，发现随着生物等级升高，不同食物链受试生物毒性数值升高，即表明对外来污染物的耐受程度升高。

(2)将综合评价因子(PEC/PNEC)作为环境风险表征参数，应用PEC和PNEC的估算模型，采用不同食物链水生生物对大连开发区污水处理厂排水及大连湾沿海养殖区中盐酸环丙沙星的含量进行环境风险分析，发现小球藻的风险商数值达到6.102～7.291，可作为评价水体中盐酸环丙沙星残留风险等级的生物标志物。

［1］BURKE M D，CUNHA A.Antibiotic side effects［J］.Medical Clinics of North America，2001，85(1):149-185.

［2］邝志坚.环丙沙星的不良反应研究［J］.广东微量元素科学，2001，8(2):15-20.

［3］王翔，聂湘平，李凯彬.三氯异氰尿酸和环丙沙星对水生生物的急性毒性［J］.生态科学，2006，25(2):155-157，161.

［4］夏天骄，夏训峰，徐东耀，等.基于固相萃取-高效液相色谱法的畜禽粪便中四环素类抗生素残留量检测［J］.安全与环境学报，2013，13(2):121-125.

［5］董玉瑛，雷炳莉，马静，等.助溶剂对发光菌生物毒性测试的影响［J］.化工学报，2006，57(3):635-639.

［6］房英春，齐跃，李莹，等.盐酸环丙沙星、恩诺沙星和诺氟沙星对孔雀鱼急性毒性试验研究［J］.沈阳大学学报，2012，24(3):15-17.

［7］ CUNNINGHAM V L，CONSTABLE D J，HANNAH R E.Environmental risk assessment of paroxetine［J］.Environ Sci＆ Technol，2004，38(12):3351-3359.

［8］MARIE P H，RORTAIS A，ARNOLD G，et al.New risk assessment approach for systemic insecticides:the case of honey bees and imidacloprid［J］.Environ Sci＆Technol，2006，40(7):2448-2454.

［9］董玉瑛，邹学军，陈峥，等.三种药品联合毒性作用及其环境风险分析［J］.环境化学，2013，32(7):1257-1262.

［10］PAUL D A，VINCENT J D，PETER S，et al.Screening analysis of human pharmaceutical compounds in U.S.surface waters［J］.Environ Sci＆ Technol，2004，38(3):838-849.

［11］雷炳莉，黄圣彪，王子健.生态风险评价理论和方法［J］.化学进展，2009，21(2/3)，350-358.

［12］GOLET E M，ALDER A C，GIGER W.Environmental exposure and risk assessment of fluoroquinolone antibacterial agents in wastewater and river water of the Glatt Valley Watershed，Switzerland ［J］.Environ Sci ＆Technol，2002，36(17):3645-3651.

［13］TAUXE W A，ALENCASTRO D L F，GRANDJEAN D，et al.Occurrence of several acidic drugs in sewage treatment plants in Switzerland and risk assessment［J］.Water Research，2005，39(9):1761-1772.

［14］董玉瑛，张阳，曹瑛.综合评价法筛析水体中高风险医药品［J］.西南民族大学学报:自然科学版，2008，34(1):115-119.