大连碧流河水库及河流典型抗生素污染和分布特征研究

董 莞 莞， 何 欣， 郑 洪 波， 张 瑛， 全 燮*， 穆 海 林

( 1.大连理工大学 能源与动力学院, 辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 环境学院， 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

饮用水源作为与人体健康直接相关的水体，也不同程度受到抗生素污染．碧流河水库是大连市主要的集中式饮用水水源，其汇水区域内有人口约18.91万，农田、果园等种植面积约39.87 km2，肉鸡养殖年存栏量近80万只，由于抗生素在人类疾病治疗和畜禽养殖中广泛应用，部分以原形通过人体和动物尿液及粪便排出体外，传统的污水处理工艺无法有效去除抗生素及其代谢产物[13]，其水源水质对居民饮用水安全至关重要．碧流河水库自20世纪80年代运行以来，尚未开展过对抗生素污染状况的全面调查．

本研究以碧流河水库及其入库河流为研究对象，对饮用水源中抗生素的污染状况开展调查研究，利用LC-MS/MS法分析23种抗生素在水体和沉积物中的浓度，揭示大连市主要饮用水源的水体和沉积物中抗生素的污染现状、空间和季节分布规律，以期为识别抗生素污染来源、开展抗生素污染物健康风险评价，以及制定排放标准、进行污染防控等相关研究和管理工作提供基础数据和参考依据．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

碧流河水库位于大连市、营口市交界处的碧流河干流上，1975-10动工兴建，1983-08-26落闸蓄水．水库总库容9.34×108m3，正常库容7.14×108m3，死库容0.7×108m3，坝址以上控制流域面积2 085 km2．碧流河水库是大连市主要的集中式饮用水水源，蓄水量占大连市蓄水总量的40%以上，年供水量约占大连市区年供水总量的80%左右，涉及供水人口400余万．

1.2 样品采集

2014～2015年，按照丰水期(2014-08-05)、平水期(2014-10-27～2014-10-28)、枯水期(2015-04)3个采样时间，分别对碧流河水库库区、碧流河、蛤蜊河、卧龙泉河、八家子河等5个采样区域进行了样品采集(具体见图1)，共采集水体样品102个、沉积物样品69个．每个采样点采集水样不少于1 L，样品采集于棕色玻璃瓶中，采样后立即密封，所有水样均低温避光保存，运回实验室后储存于4 ℃冰箱中，1 d内进行检测分析．采集表层土壤和沉积物样品，深度0～20 cm，土壤和沉积物样品质量不低于200 g，装入聚乙烯PE密封袋中，低温保存，运回实验室后于-20 ℃冰箱中储存．

1.3 仪器与试剂

仪器包括Agilent 2100SL液相色谱仪(Agilent，USA)；Agilent 6410B三重串联四极杆质谱仪(Agilent，USA)；色谱柱Xterra®MS C18(3.5 μm，2.1 mm×100 mm)；AT-280固相萃取仪(Thermol Fisher，USA)；Oasis HLB固相萃取柱(6 mL，200 mg，Waters，USA)；HGC-12A氮气吹干仪(北京恒奥德仪器仪表有限公司)；电子天平(Max 120 g，d=0.01 mg，Sarturias，Germany)．

图1 碧流河水库及入库河流采样点位分布

甲醇(色谱纯)购自天津市科密欧化学试剂有限公司；乙腈(色谱纯)购自美国Sigma-Aldrich公司(Sigma-Aldrich，USA)；甲酸(分析纯)购自天津天河化学试剂厂；甲酸铵(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司；盐酸(色谱纯)购自北京化工厂；实验用超纯水(18.2 MΩ·cm)取自Milli-Q纯水仪(Millipore，USA)．

分别称量抗生素标准品0.01 g，用甲醇溶解定容至10 mL，配制成浓度1 000 ng·L-1的标准储备液，超声溶解后置于棕色瓶中，储存于-4 ℃冰箱中待用．

1.4 样品前处理

水样经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤，准确量取1 L水样，加入内标C13标记的磺胺嘧啶，用盐酸调节pH为2～2.5．HLB小柱使用前依次使用10 mL甲醇、10 mL超纯水和10 mL pH=2.5的盐酸水溶液在重力作用下进行活化．采用真空抽滤泵将水样导入固相萃取装置，水样以8～10 mL/min 的流速通过HLB小柱．上样后，用10～20 mL超纯水淋洗固相萃取柱，在真空条件下抽滤至干．用12 mL甲醇对目标物质进行洗脱，洗脱液收集至15 mL玻璃离心管中，在40 ℃水浴中氮吹至剩余液体约1 mL时加入1 mL甲醇淋洗管壁，继续氮吹至近干，用0.1%甲酸-甲酸铵水溶液复溶，并定容至1 mL，待测．

土壤和沉积物样品经冷冻干燥后，研磨过60目不锈钢筛.准确称量样品1 g，加入内标C13标记的磺胺嘧啶，使用硅藻土(Florisil60目，40 μm)填满萃取池，在70 ℃条件下用甲醇静态提取5 min，提取液氮吹至近干，用0.1%甲酸-甲酸铵水溶液复溶，并定容至1 mL．

1.5 样品测定

采用高效液相色谱(Agilent 2100SL)-三重串联四极杆质谱(Agilent 6410B)联用仪对样品进行测定．目标抗生素的极性、回收率和检出限详见表1．

表1 目标抗生素极性、回收率和检出限

色谱条件：Xterra®MS C18色谱柱(3.5 μm，2.1 mm×100 mm)，进样体积10 μL，流动相A(水相)为0.1%甲酸-甲酸铵水溶液，流动相B(有机相)为乙腈，流速0.25 mL/min，进行梯度洗脱，洗脱总用时20 min.梯度洗脱程序：流动相B初始体积分数为5%，在0.1 min内升高至10%，在之后的9.9 min内升高至60%，保持2 min，然后在0.1 min内降低至10%，保持至20 min．

质谱条件：采用多重选择监测模式(MRM)，电喷雾离子源(ESI+/ESI-)，干燥气温度为350 ℃；干燥气流速为8 L/min；毛细管电压为4 000 V；电喷雾压力为0.172 MPa．

1.6 质量控制

23种抗生素标准品的纯度>98%，甲醇、乙腈、盐酸为色谱纯，甲酸、甲酸铵为分析纯，实验用水为超纯水．使用空白对照、空白回收和平行样提高质量控制．以平行样品加内标C13标记的磺胺嘧啶测定目标抗生素的回收率，范围在58.6%～141.0%．采用外标法进行定量分析，绘制目标抗生素的标准曲线，标准曲线R2>0.99，线性关系良好．方法检出限范围0.001 8～3.6 ng·L-1，相对标准偏差2.3%～12.8%．

1.7 生态风险评估

抗生素在水环境中的生态风险根据风险商值(R)来评估．抗生素在水体中的R可以通过实际检测浓度(measured environmental concentration，C)和预测无效应浓度(predicted no-effect concentration，Cpne)的比值计算．Cpne通常可以通过半致死浓度(lethal concentration 50，LC50)或者半最大效应浓度(concentration for 50% of maximal effect，EC50)与评价因子(assessment factor，Fa)的比值计算．计算公式如下：

Ri=C/Cpne

(1)

Cpne=EC50/Fa；Cpne=LC50/Fa

(2)

(3)

式中：C为实际检测浓度，ng·L-1，基于最坏情况考虑取实测抗生素浓度最大值计算；Cpne为预测无效应浓度，ng·L-1；EC50为半最大效应浓度，ng·L-1，LC50为半致死浓度，ng·L-1，EC50和LC50通过查询文献获得；Fa为评价因子，取欧盟水框架指令推荐值1 000[14]．R为总风险商值，采用简单叠加法计算．根据Sáchez-Bayo等[15]提出的环境生态风险等级分类方法，R<0.01为低风险，0.01≤R<1为中等风险，R≥1为高风险．

2 结果和讨论

2.1 抗生素的检出水平

碧流河水库库区及其入库河流中23种目标抗生素的检测结果如下．

碧流河水库库区及其入库河流水体和沉积物中检出的抗生素种类有所不同．其中，氟苯尼考和甲氧苄啶仅水体中有检出，恩诺沙星仅在沉积物中有检出．氟苯尼考是一种常用的兽用抗生素[16]，其在水体中高浓度的残留可能来源于周边区域的养殖废水或投饵、投药所携抗生素进入水体．同时，由于氟苯尼考在呈现中性的天然水体中水解速度非常缓慢[17]，并且被沉积物吸附的能力较弱，导致其在水体中检出浓度和检出频率均比较高，而在沉积物中没有检出．同样地，甲氧苄啶也不易被沉积物所吸附，当达到吸附平衡时大部分以溶解态的形式存在[18]，可能导致其在沉积物中的浓度低于检出限．而与其他类别的抗生素比较而言，沉积物对氟喹诺酮类抗生素有较强吸附能力和吸附量，因此恩诺沙星更易于在沉积物中积累[18]，可能是该区域仅在沉积物中检出恩诺沙星的原因．

2.2 抗生素的时空分布特征

从季节上看，丰水期水中抗生素检出种类少、浓度低；土壤中抗生素检出种类少，但浓度高．丰水期水中仅检出4种抗生素，与平水期和枯水期比较，丰水期检出的抗生素种类最少，抗生素总的平均浓度(5.6 ng·L-1)也最低．平水期和枯水期检出的抗生素总的平均浓度相近，分别是21和22 ng·L-1．河流中抗生素主要有水解、光降解、生物降解和沉积物吸附等迁移转化途径[28]，夏季温度较高，生物活性增强，生物降解作用增大，同时由于丰水期受到降雨量的稀释作用和温度影响，丰水期抗生素污染物浓度比平水期和枯水期低；而由于枯水期处于人、畜疾病多发的冬季和春季，抗生素使用量增加，同时较低的温度不利于生物降解，因此抗生素污染物浓度高[29]．相反，尽管丰水期沉积物中抗生素的检出种类最少，但是与平水期(1.8 ng·g-1)和枯水期(3.3 ng·g-1)抗生素总的平均浓度相比，丰水期沉积物中抗生素总的平均浓度较高(29 ng·g-1)．其中磺胺嘧啶的最大浓度为48 ng·g-1，检出率达82%．水中的磺胺嘧啶倾向于被有机质含量高的沉积物所吸附，导致磺胺嘧啶容易在沉积物中富集[30]．

表2 本文及文献中水和沉积物抗生物浓度

(a) 水体

(b) 沉积物

图2 抗生素在各采样区域水体和沉积物中空间分布情况

Fig.2 The antibiotic spatial distribution in water and sediment of each sampling region

2.3 抗生素的生态风险

碧流河水库库区及其入库河流水环境中检出的抗生素的生态风险商值计算结果见表3．

表3 碧流河水库及其入库河流水体中抗生素的生态风险商值

Tab.3 RQs of antibiotics in the water from Biliuhe Reservoir and its inflow rivers

抗生素Cme/(ng·L-1)EC50/(μg·L-1)FaCpne/(μg·L-1)RR贡献率/%依诺沙星1.3×1020.049 3[33]1 0000.049 32.7 87.9恩诺沙星N.D.0.049[34]1 0000.04900磺胺嘧啶5.40.135[35]1 0000.1350.0401.3磺胺甲嘧啶6.011.9[36]1 00011.90.000 500磺胺二甲嘧啶4.219.52[37]1 00019.520.000 220磺胺地索辛0.909.85[36]1 0009.850.000 0910磺胺甲唑151.53[38]1 0001.530.009 50.3甲氧苄啶7.216[35]1 000160.000 450氯霉素170.13[39]1 0000.130.134.2氟苯尼考1.2×1022.3[40]1 0002.30.0511.7林可霉素9.60.07[41]1 0000.070.144.6

3 结 论

碧流河水库及其入库河流均存在不同程度的抗生素污染．各区域抗生素污染水平与该地区流域人口数量呈现一致性．碧流河水库及其入库河流抗生素浓度在夏季较低，春冬季偏高，与东北地区气候关系呈现出相关性，部分主要用于呼吸道感染治疗的抗生素在春冬季使用量较大．水库及周边区域养殖业对水环境中抗生素污染的影响显著．碧流河水库及其入库河流抗生素浓度水平与长江下游水源地及三峡库区重庆段基本一致，低于太湖及洞庭湖区域，说明碧流河水库抗生素污染状况与国内其他水源地相比较轻，显著低于美国加利福尼亚地区的地下水，但略高于西班牙埃布罗河和法国罗纳-阿尔卑斯大区的河流水体．生态风险评价结果显示，该区域水环境中首要生态风险来源为依诺沙星，处于高风险．碧流河水库库区及其入库河流水环境中其他抗生素处于中、低风险．应进一步开展碧流河水库抗生素风险评价，采取措施减少抗生素的使用和排放．