成都市地表水典型抗生素分布特征及生态风险评估

2022-08-08文峰曲洁婷陈历铌罗霜闫静蒋雅莉

当代化工研究 2022年14期

＊文峰曲洁婷陈历铌罗霜闫静* 蒋雅莉

（1.四川省成都生态环境监测中心站四川 610000 2.成都市污染源监测中心四川 610000）

引言

抗生素是一类兼具疾病治疗和促进生物体生长代谢功能的化合物，被广泛应用于医学、农业、畜牧及水产养殖等领域[1]，据统计全球每年抗生素消耗量在10万吨～20万吨间，且消耗水平呈逐年上升趋势。我国作为抗生素生产和消费大国，产量和消费量均居世界首位，仅2013年我国抗生素使用总量就高达16.2万吨，其中人用和兽用抗生素的比重基本各占50%[2]。研究表明，抗生素水溶性极强同时挥发性较弱，医药、生活废水等通过不同途径进入水环境后不断富集于食物链、食物网，进而愈发明显影响生态环境，因此近年来各界越来越关注地表水抗生素污染状况。目前国内已有对江西锦江河流[3]、贵州赤水河流[4]等地表水抗生素的研究，但成都地区仅王若男等[5]研究了沱江干流地表水抗生素分布特征，因而此研究确有必要。

试验选择成都市人民渠、岷江外江、沙河、府河、南河地表水为研究对象，选择环境中检出率相对较高的6类（四环素类、氟喹诺酮类、磺胺类、氯霉素类、大环内酯类、β-内酰胺类）12种典型抗生素为分析目标物。从空间分布、季节变化两方面阐明成都市地表水典型抗生素分布特征；采用主成分分析结合多元线性方式对其进行来源解析，探讨抗生素主要来源；同时利用风险熵值法进行生态风险评估。通过实验研究达到全面了解成都地表水抗生素分布特征的目的，为成都市地表水抗生素污染防治提供科学依据和参考。

1.实验部分

(1)仪器与试剂

高效液相色谱－三重四极杆质谱联用仪（液相：Thermo UltiMate 3000，质谱：ABSCIEX API 4000）；默克Millipore超纯水机；微量注射器（1000μL、100μL、10μL）；pH计；分析天平；固相萃取装置（SUPELCO）；快速氮吹仪；0.22μm滤膜针式过滤器和0.22μm水相滤膜；Waters Oasis HLB小柱（6CC，500mg）。

12种抗生素标准品100mg/L（农业部）：四环素类（盐酸四环素，TC；强力霉素，DOC）、氟喹诺酮类（诺氟沙星，NOR；氧氟沙星，OFL）、磺胺类（磺胺甲噁唑，SMX；磺胺吡啶，SPD；磺胺嘧啶，SDZ）、氯霉素类（氯霉素，CAP）、大环内酯类（红霉素，ERY；罗红霉素，RTM）、β-内酰胺类抗生素（阿莫西林，AMX；头孢替安，CTM）。乙腈（HPLC级，Honeywell），乙酸铵（德国Merk），甲酸（德国Merk），甲醇（HPLC级，Honeywell，EDTA二钠盐（天津光复），重铬酸钾（天津光复），超纯水（电阻率18.2MΩ·cm，美国Millipore公司）。

(2)水样采集与保存

2019-2020年四个季度分别在成都市人民渠、岷江外江、沙河、府河、南河五条河流采集了20个地表水样品，采样点位覆盖成都城、郊地区，且均位于城市集中污水处理厂上游500m处。

采集前用蒸馏水洗净棕色玻璃瓶，并浸泡于重铬酸钾溶液24h，待超纯水冲洗后于250℃烘干2h，冷却后再以EDTA二钠盐甲醇饱和溶液冲洗后采集样品，每个点位均使用采水器采集水面下0.5m的表层水1L，装入棕色玻璃瓶，样品采集后于0～4℃下避光保存，尽快分析。

(3)实验分析

①仪器条件

Aglient Poroshell 120 EC-C18色谱柱（2.1×100mm，2.7μm）；进样量5μL；柱温40℃；流速0.4mL/min；流动相为乙腈：2.5mmol乙酸铵&0.1%甲酸水溶液；洗脱方式采用梯度洗脱，洗脱程序见表1；串联四极杆质谱选择ESI作为离子源，氯霉素（CAP）在负离子模式下进行分析检测，其他类化合物均在正离子模式下分析，质谱参数根据抗生素具体种类进行调整。

表1 梯度洗脱程序

②水样处理与分析

将采集水样经0.45μm纤维滤膜过滤去除大颗粒杂质后，加入适量Na2EDTA溶液摇匀，并加酸调节pH至3左右。先后加入10mL甲醇和纯水活化HLB小柱后，取500mL样品于小柱进行富集，控制流速3～5mL/min，重复一次，富集完成后用10mL超纯水淋洗HLB小柱并进行氮吹干燥，干燥后加入10mL甲醇洗脱，收集洗脱液。待洗脱液氮吹浓缩至近干，用甲醇复容至1mL，经0.22μm的有机针头过滤器过滤后移入棕色进样小瓶，使用LC-MS-MS上机分析。

用甲醇将12种抗生素储备液配制成1000μg/L的混合标准液，冷藏保存，临用时以水为溶剂逐级稀释成浓度分别为：1μg/L、2μg/L、5μg/L、10μg/L、20μg/L、50μg/L、100μg/L、200μg/L、500μg/L的混合标准液。在上述仪器条件下分别测定各点浓度，采用外标法以响应值绘制标准曲线，同时将处理好的样品直接进样测定，根据保留时间和特征离子定性，峰面积定量。

③质量控制

看来，这个小胡还真是不简单。既然这样，我只能“擒贼先擒王”了。那一整天，我都把小胡“捆”在我身边。放晚学后，我骑上电动车，载着他去家访。通过和其父母的交谈，我才明白小胡如此“强大”的原因：他家离学校较远，父亲做机械维修，母亲在家忙着带二胎，根本没时间陪他。为了让他不受委屈，大方的父亲每天送他上学时都要给10至20元零花钱。小胡为人也大方，经常买东西给同学，久而久之，大家都听他的吩咐，加上他本人平时也无心学习，于是便带出了“白虎队”。

通过内标法完成目标抗生素的定量：线性方程浓度范围为0.05～100mg/L，且R2值均大于0.99。以3倍信噪比得出待检测抗生素检出限为0.01～0.08ng/L；采用平行实验进行误差控制，相对标准偏差均小于10%，重现性良好；同时对水样进行加标回收实验，各抗生素在水样中的回收率为72.1%～123.7%，准确性较高。

2.结果与讨论

(1)典型抗生素分布特征

①空间分布特征

成都市5条河流地表水中抗生素普遍存在，6类典型抗生素中仅CAP和CTM未检出，其他10种抗生素均不同程度检出且所有目标物检出率均超过50%，其中NOR、SMX、DOC达到100%检出。各典型抗生素质量浓度水平及检出率详见表2，各典型抗生素在成都5条河流地表水中的平均浓度及差异性统计见图1。

表2 各典型抗生素浓度特征及检出率（N=20）

图1 各典型抗生素浓度差异性统计图

据表2数据及统计图1可知，氯霉素类抗生素均未检出，所检出的5类抗生素质量浓度大小依次为：磺胺类、氟喹诺酮类、大环内酯类、四环素类、β-内酰胺类。在12种典型抗生素中，磺胺甲恶唑平均检出浓度最高，达到3118.0ng/L；阿莫西林平均检出浓度最低，仅为4.6ng/L。根据研究[6-7]可知，四环素类抗生素多在沉积物中检出而β-内酰胺类在环境中极易降解，即使大量使用也极少在水体中检出，与该研究中两类抗生素检出较小质量浓度类似。

目前国内已有对贵州赤水河、江西锦江等河流地表水抗生素的研究，研究结果见表3。对比可知成都地表水典型抗生素浓度含量处于中等偏高水平，其中磺胺类、四环素类、大环内脂类均处于相对较高水平，而β-内酰胺类抗生素和氯霉素类则处于较低浓度水平。总体研究来看SMX、DOC、RTM三种典型抗生素浓度较高、污染相对严重，应重点关注。

表3 国内其他城市河流地表水抗生素浓度水平单位：ng/L

②季节变化特征

由图2可知，典型抗生素浓度值总体呈现春季＞夏季＞秋季＞冬季的季节变化特点，而秋冬季节整体浓度差异不大。随着季节的变化，不同流域单一目标抗生素浓度差异较大，但在10种检出典型抗生素中磺胺类占比最高，基本都超过50%，其中该类抗生素又以磺胺甲噁唑为主。对于5个采样点位所在的5条河流而言，沙河、府河点位位于成都城区，其他点位均位于郊区，城区主要以生活排放为主，而郊区则主要以农业生产、产物代谢为主，因此在农业生产大量播种的春季典型抗生素浓度含量最高；同时磺胺类作为典型人畜共用类抗生素，极易以原药或产物代谢的形式进入水环境中，因此在秋冬枯水季节中磺胺类浓度值相对较低，进而导致12种典型抗生素浓度值总和最低。

图2 典型抗生素季节变化特征

(2)来源解析

根据不同使用对象可将抗生素分为人用、兽用、人兽共用三大类。磺胺类抗生素是一类人畜共用型抗生素，进入人与动物体内不能被完全吸收，以原药或代谢产物的形式排出体内进入水环境中[10]；ERY、CTM为主要用于人类疾病治疗的抗生素[11]；OFL和NOR是国内水环境中检出频率和检出浓度较高的典型喹诺酮类抗生素，其中OFL为人用抗生素，NOR为人畜共用抗生素；四环素类DOC、TC和氯霉素类CAP是典型的兽用抗生素。

为更精确了解成都地表水典型抗生素类别与来源，选择检出率超过50%且平均检测浓度大于1ng/L的10种典型抗生素采用主成分分析法进行因子分解，见表4。

表4 典型抗生素的主成分矩阵

表4可知，三个主成分解析了成都地表水抗生素93.22%的来源。第一主成分主要为：SMX、SPD、DOC、ERY、RTM，解释了总方差48.25%，包括2种磺胺类、1种四环素类和2种大环内酯类抗生素；第二主成分解释总方差28.20%，主要由氟喹诺酮类和AMX贡献；第三主成分主要为TC，解释总方差16.77%。对照前文抗生素来源特征，初步判断主成分一为人兽共用抗生素、主成分二为人用抗生素、主成分三为兽用抗生素。为更加准确判断各典型抗生素来源，利用PCA-MLR计算出各成分回归系数Bi，再由Bi/∑Bi计算出各源平均贡献比率[12]，即各来源占比关系，见式（1）和式（2）。

式中，Bi为方程回归系数；FSi为主成分因子得分；Z^为目标抗生素总浓度Z的标准正态偏差；σ为Z标准差。将因子得分定义为自变量，抗生素总量视为因变量，采用SPSS 23进行多元线性回归分析可得：Z^=0.825FS1+0.489FS2+0.217FS3，再结合Bi/∑Bi计算可得出每个源平均贡献比率。图3所示，成都地表水典型抗生素中人用、兽用、人兽共用类抗生素占比依次为31.9%、14.2%、53.9%。根据来源解析结果可知，人兽共用抗生素使用量较大，占比最高，因此需要更加规范使用人兽共用类抗生素，同时重点关注此类抗生素的排放。

图3 成都地表水典型抗生素来源占比关系图

(3)生态风险评估

风险熵值法（Risk Quotients，RQs）是欧盟指导文件中关于新型污染物造成生态环境风险评价的主要方法，现被广泛应用于水生态环境中痕量抗生素暴露剂量产生的生态风险评估[1]，见式（3）和式（4）。

式中：RQs为风险系数；MEC为抗生素实测浓度，ng/L；PNEC为预测无效应浓度，ng/L，PNEC值通过查阅文献获得各目标物急、慢型毒性评估因子（AF）与半数效应浓度（EC50，ng/L）计算而得。基于最大影响考虑，本研究采用各抗生素的最大实测浓度进行RQs值计算，12种典型抗生素生态风险值详见表5。为更好评判成都地表水体抗生素生态风险大小，按Hernando等[13]提出的RQs值进行风险评估，分类标准为：RQs＜0.1为低风险，0.1≤RQs＜1为中风险，RQs≥1为高风险。各抗生素风险等级见图4。

图4 典型抗生素生态风险等级图

表5 典型抗生素毒理性系数及风险熵值

续表

结合表5抗生素风险熵值和图4抗生素风险等级可知，成都地表水12种典型抗生素中CAP和CTM完全未检出，不存在生态风险，检出的10种典型抗生素中处于高、中、低风险等级的比例依次为60.0%、30.0%、10.0%。12种典型抗生素中大环内酯类（ERY、RTM）和氟喹诺酮类（NOR、OFL）均对研究区域水环境构成较重生态风险，磺胺类与四环素类部分抗生素也会构成一定生态风险，而β内酰胺类在检测区域均不存在任何风险。