四环素水生生物基准及对中国部分水体的生态风险评估

2022-09-27刘萌硕陈浩林郝子垚王革林刘莹莹马云龙王莉

环境工程技术学报 2022年5期

刘萌硕，陈浩林，郝子垚，王革林，刘莹莹，马云龙，王莉*

1.郑州大学生态与环境学院

2.郑州大学综合设计研究院有限公司

自1929年Fleming[1]发现青霉素以来，世界范围内已经生产并使用了多种抗生素来治疗由病原菌引起的人类、动物和植物疾病[2]，在过去的20年里，药品的销售和消费在全球范围内增加了67%[3]。欧盟统计局2019年的数据显示，中国已成为2018年欧盟最重要的抗生素出口国，其出口量占欧盟出口总量的23%[4]。由于抗生素的广泛存在以及对生态系统和人类健康的潜在不利影响，抗生素污染已引起世界各地越来越多的关注[5-7]。四环素类抗生素是一类广谱抗生素，自20世纪80年代首次在河水样本中被检测到以来[8]，在中国、美国、西班牙等国家的地表水样本中都曾多次被检测到[9]。Kovalakova等[10]对全球四环素浓度进行了综述，结果显示全球地表水中四环素浓度主要集中在3～500 ng/L，亚洲地表水中四环素浓度（主要集中在2～1 000 ng/L）高于欧洲（主要集中在5～90 ng/L）。调查显示，中国东部地区的抗生素排放量远远高于西部，约为西部的6倍[11]，且四环素类抗生素在我国部分水体中的暴露浓度接近甚至超过国际兽药协调委员会建议的环境风险触发值（1 μg/L）[12]。水环境中抗生素浓度多处于ng/L～μg/L级别，该浓度对淡水藻类、大型植物、浮游动物和鱼类等水生生物产生急性毒性的可能性较小[13]。然而，如果水生生物的整个生命周期均暴露在该类污染物下，则可能会对其繁殖、生长等产生慢性影响。因此，在水环境中残留的抗生素具有一定的生态风险[10]。目前四环素的研究多集中在污染特征[9-11]、风险评估[10,12]等方面，如方龙飞[11]以黄浦江上游6种典型抗生素为研究对象，发现四环素不但是主要污染抗生素，而且检出率最高，存在明显生态风险；徐向月等[12]对四环素类抗生素在粪便、土壤、水等环境中的暴露现状及在环境中的吸附、解吸、降解等行为进行综述，表明了研究其环境效应的必要性。综合来看，目前研究很少关注四环素的水生生物水质基准。

笔者以四环素为研究对象，结合筛选出的中国淡水生态系统中3个营养级的生态毒理数据，采用毒性百分数排序法和物种敏感度分布法推导了四环素的水生生物水质基准，结合该水质基准，采用熵值法和安全阈值法对我国部分水体的四环素暴露生态风险进行评估，以期为我国地表水环境质量标准的制定提供建议，同时为水环境风险管控和水生态系统保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 四环素毒性数据搜集、筛选

主要利用美国国家环境保护局（US EPA）生态毒理数据库（ECOTOX）进行毒理数据搜集，运用中国知网数据库（CNKI）以及Web of Science数据库进行数据补充，将“四环素、抗生素”与“毒性、水生生物、动物、植物、生态阈值”等关键词并列后进行检索。生态毒理数据筛选过程主要依据4条原则：1）对受试生物、暴露时间、测量终点、试验状态、文献来源等信息表述明确、完整[14]；2）选择我国本土物种、国际通用物种对应的数据，删除重复数据及试验结果相差过大的数据；3）急性毒性数据选用半数致死浓度（LC50）或半数效应浓度（EC50），慢性毒性数据选用无观察效应浓度（NOEC）或最低观察效应浓度（LOEC）[15]；4）当同物种、同终点有多个毒性值可用时，取几何平均值作为物种平均毒性值[16]。

1.2 水质基准的推导方法

毒性百分数排序法是US EPA推荐的方法，该方法分别考虑了污染物的急性毒性效应和慢性毒性效应，并用统计学方法来推导基准。具体步骤如下：首先获取毒性数据；之后将得到的属平均急性值（GMAV）从低到高进行排序，并进行等级（R）分配，最大的GMAV的等级为N；最后计算GMAV对应的累积概率（P），用得到的GMAV和P计算最终急性值（FAV），FAV的1/2即为基准最大浓度（CMC）。基准连续浓度（CCC）是最终慢性值（FCV）、最终植物值（FPV）、最终残留值（FRV）中的最小值。计算公式参考陈丽红等[17]的研究。

物种敏感度分布法是HJ 831—2017《淡水水生生物水质基准制定技术指南》中推荐采用的方法，该方法充分利用所获得的毒理数据，具体步骤如下：首先对数据或对数转换数据进行正态分布检验，若不符合正态分布应搜集更多数据；之后以种平均急性值（SMAV）的l g值为横轴，物种的P为纵轴，通过软件进行模型拟合；最后通过拟合曲线得出能保护95%物种的浓度（HC5），HC5经过一定的校正因子（一般取1～5）校正即可得出短期水质基准，运用同样的方法计算长期水质基准。当慢性毒性数据不足时，可采用急慢性比（ACR）推导长期水质基准。

1.3 生态风险评估方法

熵值法是一种简单易行、使用范围广泛的半定量风险评估方法，在选取毒性数据时未综合考虑干扰因素的影响，具有初步的风险评估意义[18]。其计算公式如下：

式中：RQ为风险熵值；MEC为测定的抗生素浓度；PNEC为预测无效应浓度，等于EC50或LC50或NOEC与评价因子（AF，一般取1～5）的比值。

RQ＜0.01时，基本无风险；0.01≤RQ＜0.10时，为低风险；0.10≤RQ＜1时，为中风险；RQ≥1时，为高风险[19]。

安全阈值法是一种可从图上分析污染物对水生生物影响程度的定量风险评估方法，可直观地估计污染物影响一定比例物种的概率，是在熵值法基础上的延伸。其计算公式如下：

式中：MOS10为安全阈值；SSD10为物种敏感度曲线中P为0.1时对应的毒性数据；ECD90为暴露浓度分布曲线中P为0.9时对应的暴露浓度。

MOS10＞1，表明暴露浓度和毒性数据重叠程度较低；MOS10＜1，表明暴露浓度和毒性数据重叠程度高，污染物潜在风险大[20]。曲线越靠近坐标轴，生物受到伤害的潜在风险越小。

2 结果与讨论

2.1 毒性数据

经过筛选整理得到急性毒性数据12条、慢性毒性数据9条。毒性数据满足HJ 831—2017中物种要求，涵盖了水生植物/初级生产者、无脊椎动物/初级消费者、脊椎动物/次级消费者3个营养级。急性毒性数据涵盖了推导水质基准的主要生物类群（脊索动物、扁形动物、节肢动物、原生动物、被子植物、蓝藻、绿藻），慢性毒性数据涵盖了脊索动物、扁形动物、节肢动物、软体动物、被子植物、蓝藻、绿藻等生物类群，包括至少3门8科的生物分类单元，且均已通过K-S正态分布检验（显著性水平大于0.05），因此由急、慢性毒性数据推导的水质基准较为可信[21]。选用毒性百分数排序法、物种敏感度分布法2种方法进行水质基准推导，所需急性毒性数据见表1，慢性毒性数据见表2。

由表1、表2可以看出，在急性试验与慢性试验中藻类均为敏感物种，其原因主要在于藻类是水生食物链的基础，其任何重大变化都会对较高的营养水平产生强烈影响[34]。受试物种中均含大型溞，它是水生浮游动物的代表，是连接水生食物链的重要中间体，对环境因子的变化尤为敏感，因此常被用作水生生物毒理学研究的标准测试生物[35]。在急性数据的受试物种中，三角涡虫最不敏感，其LC50为465.111 mg/L；水蕴草最为敏感，其EC50为0.280 mg/L。在慢性受试物种中，近头状伪蹄形藻最敏感，其NOEC为0.125 mg/L；奥里亚罗非鱼最不敏感，其LOEC为94.732 mg/L。

表 1 四环素的水生生物急性毒性值Table 1 Acute toxicity data of tetracycline for freshwater species

表 2 四环素的水生生物慢性毒性值Table 2 Chronic toxicity data of tetracycline for freshwater species

2.2 四环素水质基准推导

2.2.1 毒性百分数排序法推导的基准

按照物种敏感度对四环素急性毒性数据进行排序，结果如表3所示。对四环素最敏感的4个属分别是水蕴草属（P=0.077）、金鱼藻属（P=0.154）、浮萍属（P=0.231）、衣藻属（P=0.308）。根据表3 数据计算得到 FAV 为 122.040 μg/L，CMC 为 61.020 μg/L，即基于毒性百分数排序法的四环素基准最大浓度为61.020 μg/L。

表 3 四环素的属平均急性值及相关计算结果Table 3 Average acute value and related calculation results of tetracycline

按照物种敏感度对四环素慢性毒性数据进行排序，结果如表4所示。对四环素最敏感的4个属分别是伪蹄形藻属（P=0.100）、微囊藻属（P=0.200）、狐尾藻属（P=0.300）、浮萍属（P=0.400）。根据表 4数据计算得到FCV为5.258 μg/L。FPV是用藻类或水生维管束植物所做的慢性试验得出的结果中的最小值，铜绿微囊藻的毒性值（0.150 mg/L）最小，故FPV为0.150 mg/L；FRV是最大允许组织浓度与生物富集因子的比值，由于四环素的生物富集因子较低[36]，因此可忽略体内残留值的影响。CCC为FCV、FPV、FRV的最小值，故四环素的CCC为5.258 μg/L，即基于毒性百分数排序法的四环素基准连续浓度为5.258 μg/L。

表 4 四环素的属平均慢性值及相关计算结果Table 4 Average chronic value and related calculation results of tetracycline

2.2.2 物种敏感度分布法推导的基准

使用Origin软件进行物种敏感度分布曲线推导，在推导时以急性数据的对数值为横坐标，P为纵坐标，进行曲线拟合。分别使用SGompertz、Gaussian、Doseresp、Boltzmann模型进行拟合，拟合曲线见图1，各模型拟合参数及计算结果见表5。

表 5 拟合公式及相关参数Table 5 Fitting formula and related parameters

图 1 不同模型拟合的物种敏感度曲线Fig.1 Sensitivity curves of species fitted by different models

上述所有模型中的决定系数较接近，为0.980左右，但SGompertz模型拟合得到的HC5与其他模型差距较大，Gaussian、Doseresp、Boltzmann模型的残差平方和相对更小，得出的HC5也更接近，故将其平均值(123.300 μg/L)作为最终的HC5，校正因子取2[37]，则基于物种敏感度分布法的四环素短期水质基准为 61.650 μg/L。

采用物种敏感度分布法推导长期水质基准时，由于数据量不足，尝试多种模型以后仍未能得到较合适的拟合结果，故采用ACR进行长期水质基准推导。根据近头状伪蹄形藻、大型溞、三角涡虫、尾草履虫4个物种急、慢性毒性值计算ACR，将其几何平均值作为最终ACR（表6），计算得到ACR为13.063，与朱小奕[30]得到的四环素类抗生素的ACR（12.68）较接近，由HC5与ACR的比值得到CCC（9.439 μg/L），即基于物种敏感度分布法的四环素长期水质基准为9.439 μg/L。

表 6 急慢性比率Table 6 Ratio of acute and chronic toxicity

2.2.3 水质基准推导结果对比分析

GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中未包含抗生素的浓度限值。利用毒性百分数排序法、物种敏感度分布法分别推导四环素的水质基准，结果发现2种方法推导的水质基准虽然数量级一致，但数值存在一定差异。基于毒性百分数排序法的四环素基准最大浓度、基准连续浓度分别为61.020、5.258 μg/L，而基于物种敏感度分布法的四环素短期、长期水质基准分别为61.650、9.439 μg/L。毒性百分数排序法最终用于计算基准的只有P接近0.05的4个属数据，很大程度上依赖于敏感物种，不能够全面表征对整个水生生态系统的影响；物种敏感度分布法更多地依赖整体毒性数据对基准的影响，使用的模型不同，拟合出的物种敏感度分布曲线不同，因而得出的基准也可能不同。综上，考虑到物种敏感度分布法所用有效数据较多，能降低结果的不确定性，而且推导出的短期水质基准（61.650 μg/L）与基准最大浓度（61.020 μg/L）十分接近，因此建议采用物种敏感度分布法的推导结果。

2.3 中国部分水体四环素生态风险评估

2.3.1 基于熵值法的生态风险评估

PNEC是保护生物的安全阈值，由HC5与AF的比值计算得到[17]，为保守评估四环素的生态风险，AF 取最大值 5[19]，最终得到 PNEC为 24.660 μg/L。搜集中国多个水域的四环素浓度，主要包括长江、东江、辽河、黄浦江等流域，这些水系主要涵盖我国长江流域与东北的大部分区域。将各水域四环素污染浓度的均值/中位数作为MEC，将MEC代入式（1）进行计算，得到中国部分水体的四环素风险评估结果（表 7）。

由表7可以看出，四环素在我国多个水域RQ小于0.01，基本无风险，仅辽河流域、贵阳南明河分别为低风险和中风险。Bai等[42]研究发现，辽河流域地表水环境中四环素类抗生素的浓度普遍较低，因为该类抗生素更容易吸附在沉积物表面，因此四环素在地表水环境中的风险水平较低。贵阳南明河检测到的四环素浓度较高，主要是因为在夏季高温时，抗生素稳定性下降，降解速率加快；而冬季是各种疾病的高发期，用药量增大导致水体中四环素浓度升高[43]。

表 7 中国部分水体的四环素风险评估结果Table 7 Tetracycline risk assessment result of some watersheds in China

2.3.2 基于安全阈值法的生态风险评估

以四环素的暴露浓度为x轴，以其在我国不同水体的P为y轴，使用Doesresp作为推导模型，通过Origin拟合曲线，评估我国部分水体四环素的风险程度，评估结果见图2。由图2可知，当P为0.9时，四环素的暴露浓度为6.221 μg/L，物种敏感度曲线中P为0.1时，对应的毒性数据为221.091 μg/L，代入式（2）得到 MOS10为 35.539（＞1），即暴露浓度与毒性数据重叠程度很低，潜在生态风险较小。

图 2 我国水体四环素的暴露浓度和毒性数据的累积概率分布Fig.2 Cumulative probability distribution of tetracycline exposure concentrations and toxicity data in water bodies of China

2.3.3 生态风险评估结果对比分析

采用熵值法进行的风险评估结果显示，我国多数水体基本无风险，仅有部分水体呈中风险或低风险水平；采用安全阈值法进行的风险评估结果显示，我国水体中四环素的生态风险较小。2种评估方法的结论存在一定差异，主要原因是熵值法更注重水体的受污染程度，而安全阈值法通过拟合曲线的方法得出代表我国淡水环境四环素的生态风险水平。虽然安全阈值法在统计学上更具代表意义，但因数据量有限，且未能充分考虑水生生态环境的诸多因素对四环素分布的影响，故采用熵值法评估我国淡水水体四环素的生态风险状况。

熵值法、安全阈值法评估结果均显示，多数水体中四环素的生态风险较低，该现象主要与四环素在弱酸和中性条件下相对稳定和持久[44]的特性相关。我国部分水体呈弱碱性，在该条件下四环素稳定性有所降低，且可能被吸附在沉积物中[42,45]，因此大多数水体四环素的检出浓度偏低。风险评估结果显示，长江流域四环素风险较低，但其抗生素污染仍不容忽视。Wang等[46]对长江中下游饮用水源中四环素的主要来源进行分析，结果显示畜禽养殖废水、农村生活污水是其主要来源，支流对四环素污染的贡献也较高，有必要减少四环素的使用，并对其污染排放进行有效控制。

同样是以中国部分水体为研究对象，利用熵值法进行生态风险评估，张姚姚等[14]对氟喹诺酮类抗生素进行评估发现，除黄河、渤海湾、大辽河中诺氟沙星呈低风险外，其他水体中该类抗生素均无风险；陈丽红等[17]对大环内酯类抗生素进行评估发现，辽河、海河、珠江呈高风险，黄河、白洋淀湖、太湖呈中风险；汪涛等[47]对磺胺类抗生素进行评估，发现白洋淀、渤海、河海、辽河、珠江呈中低风险，其余大多数地区无风险。与氟喹诺酮类、磺胺类抗生素类似，四环素也呈较低风险水平，但考虑到进行风险评估时采用的污染物暴露浓度多为前期监测数据，不能及时反映当前的污染水平，因此亟须进行多区域、高精度的系统监测，以保证我国水体中抗生素保持在较低的风险水平。