鄱阳湖流域袁河水体典型抗生素分布特征及生态风险评价

2022-11-22李佳乐王瑶董一慧王萌赵齐灵周永康丁惠君尹柳权曹扬艺谢居雄孙占学

生态毒理学报 2022年4期

李佳乐，王瑶，董一慧，王萌，赵齐灵，周永康，丁惠君，尹柳权，曹扬艺，谢居雄，孙占学,*

1. 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013 2. 东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013 3. 江西省水利科学院，南昌 330029

抗生素具有预防、治疗和促进生长的特性，已被广泛用于治疗人类和家畜疾病[1]。但是，抗生素在防治疾病与推进畜牧养殖产业发展的同时，也引发了许多生态环境与健康问题。生物体内的某些微生物对药物产生“耐药性”正是滥用和过度使用抗生素的体现，这将对疾病治疗造成严重困扰；情况严重时会使体内产生“超级耐药菌”，致使生物体内菌群失调，引发过敏和变态反应，造成致命后果[2]。进入生物体内的抗生素并不能被完全吸收代谢，约有30%～90%的抗生素会随着生物体的尿液和粪便排出体外[3-5]，且大部分以原药形式输入到环境体系中[6]。

中国是抗生素的生产与使用大国[7]，且抗生素滥用现象较为严重[8]。2013年，我国的抗生素使用总量就已高达16.2万t，人用和兽用抗生素占比基本各占50%[9]。随着畜禽养殖业的快速发展，我国对抗生素的需求日益剧增[10]，同时，畜禽粪便产量也随之增多。据统计，我国的畜禽粪便总产量在2013年已达14.87亿t，其中80%未经无害化处理直接作为农作物肥料使用，进入土壤的兽用抗生素不但造成土壤污染，并且影响农作物生长[11]。经过淋溶作用，排放到土壤中的抗生素又进一步迁移，进入到环境水体中，污染地表水和地下水[12-14]。

我国的主要河流（珠江、淮河、海河和辽河等）和湖泊（太湖、巢湖等）中持续检出抗生素的存在，同时抗生素的浓度水平也远远超过了欧美等发达国家[15-16]。Li等[17]对中国北方小店污灌区的水体进行了分析，发现该地区地表水中检测出了25种抗生素，而且由于缺乏防渗的相关措施，污染物通过侧向补给的运输对土壤-地下水系统构成了潜在威胁。Jiang等[18]指出，高强度的水产养殖活动可能会导致汪洋沟流域抗生素水平的提升。魏红等[19]在检测渭河关中段（咸阳至西安）表层水体的抗生素时发现，磺胺类与大环内酯类抗生素的污染最为广泛和严重，通过来源解析判定抗生素的主要来源为居民生活废水、医疗行业废水以及畜禽养殖和水产养殖废水。Murata等[20]对日本的37条河流的抗生素来源进行解析，发现其主要来源于河流下游城市的生活污水，且大环内酯类是主要污染物，城市河流的抗生素含量高于农村河流，最高浓度为626 ng·L-1。Zuccato等[21]对意大利污水处理厂的进水进行检测，发现在未经过处理的废水中，大环内酯类和喹诺酮类是含量最多的抗生素种类，在经过水处理工艺后仍无法较好地去除，使得污水处理厂成为环境水体中抗生素的主要污染源。Tamtam等[22]对法国塞纳河中17种抗生素的污染程度进行了研究，发现磺胺甲噁唑的检出率和检出浓度最高，其最高浓度达544 ng·L-1。

赣江是江西省的第一大河流，居鄱阳湖水系五大河流之首，约占入湖总量的49.9%，整个流域全在江西省境内[23]。长期以来，我国对水环境中抗生素的污染研究情况大多集中在大型湖泊、水库和主要河流的重点河段，如鄱阳湖[24]、太湖[25]、莲花水库[26]、辽河[27]、淮河[28]、珠江[29]和渭河[19]等，但是对大型河流的支流的相关研究仍然不足。袁河是赣江最大的一级支流，流域面积为6 262 km2[23]。袁河区人口稠密，经济活动频繁，周围分布着鄱阳湖区重要的畜禽业养殖基地，养殖区产生的大部分粪便未经处理直接排放，大量抗生素随之释放到水环境中[30]。但是有关袁河地区的抗生素浓度水平及风险状况尚不清楚，目前鲜见有关于袁河流域水环境中抗生素的研究。

本研究采集了袁河流域的地表水样品，并检测水样中抗生素的浓度，探究袁河水体中抗生素的浓度水平与分布特征，并对环境系统中残留的抗生素进行生态风险评价。本研究加深了对袁河水体中抗生素浓度水平的了解，为该流域的水环境保护提供理论支持，对于维护袁河流域生态系统健康和饮水安全提供参考。

1 材料与方法（Materials and methods）

1.1 样品采集

袁河发源于江西省萍乡市武功山西麓，是赣江最大的一级支流，自西南向东北流经萍乡、宜春、新余及樟树部分地区，在樟树市张家山镇汇入赣江，全长297 km，流域面积约6 262 km2[23]，是宜春和新余这2座城市的主要工农业用水和纳污水体[31]，。作为鄱阳湖流域的重要支流，本研究将重点对袁河的水体进行研究。

结合野外调查和查阅相关资料，于2019年6月7—8日在袁河上采集了7个水样，如图1和表1所示。

图1 采样点图Fig. 1 Sampling point map

表1 采样地点信息Table 1 Sampling location information

采集1 L水样装入棕色玻璃瓶，通过加入50 mL甲醇来抑制水样中细菌的生长，减缓微生物对抗生素的降解，为提高抗生素回收率，在水样中加入100 μL浓硫酸，调节pH值至3左右，低温条件下保存并运回实验室，于24 h内对样品进行处理。

1.2 仪器与试剂

安捷伦液质联用仪（1290-6460，安捷伦科技有限公司，美国）；涡旋仪（UVS-3，北京优晟联合科技有限公司，中国）；电子天平（AR224CN，奥豪斯仪器（常州）有限公司，中国）；数控超声波清洗器（KQ-250DE，昆山市超声仪器有限公司，中国）；砂芯过滤器（SCAA-SF1000，上海安谱实验科技有限公司，中国）；干燥箱（202-00S，力辰科技有限公司，中国）；超纯水机（Direct-Q®5UV，德国默克密理博公司，德国）。

五大类27种抗生素标准品。大环内酯类（macrolides, MLs）：罗红霉素（roxithromycin-H2O, RTM），阿奇霉素（azithromycin, AZM），克拉霉素（clarthromycin, CTM），红霉素（erythromycin-H2O, ERY）。四环素类（tetracyclines, TCs）：金霉素盐酸盐（chlortetracycline hydrochloride, CTC），土霉素盐酸盐（oxytetracycline hydrochloride, OTC），强力霉素盐酸盐（doxycycline hydrochloride, DOC），四环素盐酸盐（tetracycline hydrochloride, TC）。喹诺酮类（quinolones, FQs）：司帕沙星（sparfloxacin, SPA），加替沙星（gatifloxacin, GAT），氟罗沙星（fleroxacin, FLE），氧氟沙星（ofloxacin, OFL），恩诺沙星（enrofloxacin, ENR），洛美沙星（lomefloxacin, LOM），环丙沙星盐酸盐（ciprofloxacin hydrochloride, CIP），依诺沙星（enoxacin, ENO），诺氟沙星（norfloxacin, NOR）。硝基咪唑类（nitroimidazoles, NDs）：甲硝唑（metronidazole, MDZ），二甲硝咪唑（dimetridazole, DMZ）。磺胺类（sulfonamides, SAs）：磺胺喹噁啉（sulfaquinoxaline, SQX），磺胺对甲氧嘧啶（sulfameter, SFM），磺胺甲氧哒嗪（sulfamethoxypyridazine, STP），磺胺二甲基嘧啶（sulfamethazine, SMZ），磺胺噻唑（sulfathiazole, STZ），磺胺甲噁唑（sulfamethoxazole, SMX），磺胺嘧啶（sulfadiazine, SDZ），磺胺吡啶（sulfapyridine, SPD）。以上药剂均进口自德国Dr. Ehrenstorfer公司。

4种内标物：磺胺甲基嘧啶-D4（sulfamerazine-D4, SMR-D4），环丙沙星-D8（ciprofloxacin-D8, CIP-D8），去甲基金霉素（demeclocycline, DTC）和红霉素-13C,D3（erythromycin-13C,D3, ERY-13C,D3）均进口自德国Dr. Ehrenstorfer公司。

Waters Oasis HLB（6 mL，500 mg）固相萃取小柱、甲醇、乙腈、乙酸乙酯、二氯甲烷、乙酸铵、甲酸、Na2EDTA、磷酸氢二钠、柠檬酸、氨水和盐酸均购自上海安谱实验科技有限公司，0.7 μm（70 mm）GF/F滤膜购自英国Whatman公司。

1.3 分析方法

1.3.1 样品前处理

使用0.7 μm GF/F滤膜对1 L水样进行抽滤，加入0.5 g Na2EDTA搅拌均匀。同一批样品设置2个空白和2个质控，每个水样中加入相关的回收率指示剂使其浓度为100 ng·L-1，空白样中加回收率指示剂，质控加标准样品和回收率指示剂。用HLB固相萃取小柱进行萃取，混合水样以近似1滴·s-1的速度通过小柱，萃取完成后，2次加入含5%甲醇的50 mL超纯水过萃取小柱，抽干2 h。最后用5 mL甲醇、4 mL乙酸乙酯、3 mL二氯甲烷洗脱萃取小柱，使液体滴入试管中。将萃取液用氮气吹至近干，使用1 mL甲醇水溶液溶解并过0.22 μm有机滤膜，再次取100 μL用氮气吹至近干，用100 μL初始流动相溶液复溶，最终萃取液置于2 mL棕色小瓶以作分析。

1.3.2 检测方法

抗生素使用本实验室的超高效液相色谱串联质谱（ultra-high-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry, HPLC-MS/MS）（Agilent 1290-6460））分析测试。通过超高效液质联用仪建立抗生素的检测方法。逐步优化质谱参数和色谱参数等主要分析条件，使抗生素得到最佳分离效果和高效的检测方法。

优化后的色谱条件：ZORBAX Eclipse Plus C18柱（2.1 mm×100 mm，1.8 μm）；流动相A为0.2%甲酸和2 mmol·L-1乙酸铵超纯水溶液，流动相B为LC-MS级乙腈，流速0.2 mL·min-1；进样量4 μL；柱温箱温度25 ℃。优化后的质谱条件：选择MRM模式，ESI源，正离子模式；干燥气温度325 ℃；干燥气流速6 L·min-1；毛细管电压3 500 V；电晕电流4 μA；雾化室温度325 ℃；喷化器压力275.8 kPa，检测方法的具体参数见文献[30]。每10个样品设置1个重复样、1个空白样，回收率范围在79%～112%。

1.4 生态风险评价

采用风险商值法进行生态风险评价。本研究基于袁河流域水体中抗生素浓度数据，进行环境风险评价。根据欧盟的技术指导文件中关于环境风险评价的方法，生态风险可以采用风险商值法（risk quotient, RQ）来评估生态风险等级。风险商值（RQ）采用的计算公式如下：

RQ=MEC/PNEC

式中：MEC表示实际测定浓度（measured environmental concentration, MEC），PNEC表示无效应浓度（predicted no effect concentration, PNEC）。根据其RQ值可将风险程度分为4类：RQ值<0.01为无风险，介于0.01和0.1间的为低风险，介于0.1和1之间的为中等风险，RQ值高于1为高风险。

2 结果与讨论（Results and discussion）

2.1 袁河水体中抗生素的浓度水平

袁河流域水体中抗生素广泛存在，所有水样中均检测出抗生素，除7种抗生素外，其他20种抗生素均被不同程度地检出，检出率如图2所示。

其中，五大类抗生素中，除喹诺酮类和硝基咪唑类，其他三类抗生素的检出率达到了100%，如图3所示。抗生素浓度水平如表2所示。袁河水体中抗生素平均浓度最高为四环素类，该类抗生素是从链霉菌培养液中提取或半合成的[32]，其结构含并四苯基本骨架，是一类广谱抗生素，由于其价格低廉，广泛应用于预防、治疗细菌和真菌等感染性疾病中[33]，在袁河水体中的平均浓度达到了8.70 ng·L-1；其次依次为磺胺类4.32 ng·L-1，硝基咪唑类2.45 ng·L-1，大环内酯类1.37 ng·L-1，喹诺酮类最低，为0.25 ng·L-1。单个点位检出浓度最高的是OTC，浓度达到了156.64 ng·L-1，位于采样点CR-12处，OTC作为四环素类的一种，低廉的成本使其成为畜禽养殖业中使用最广的抗生素[34]。各个点位检出浓度平均值较高的抗生素按高低排列依次为OTC（27.05 ng·L-1）、SMX（19.64 ng·L-1）、DOC（5.68 ng·L-1）、DMZ（4.89 ng·L-1）、SMZ（4.74 ng·L-1），其余抗生素的平均浓度值均低于2.69 ng·L-1。

水样中磺胺类占抗生素的比例为29.62%，检出率为100%，其中SMX平均浓度为19.64 ng·L-1，远高于其他磺胺类抗生素的检出水平。喹诺酮类所占比例为33.33%，其中ENO的检出率最高，为85.71%，平均浓度0.49 ng·L-1，SPA、GAT、LOM、CIP和NOR均未检出，这是由于大部分的喹诺酮类抗生素具有很强的吸附能力，较能吸附在河流的沉积物或悬浮物上，使其检出率较低[35]。ENR虽然检出率远低于ENO，但其平均浓度1.54 ng·L-1却远高于ENO，说明该种抗生素在个别点位存在较高浓度。四环素类所占比例为14.81%，OTC具有极强的吸附性且易与阳离子结合[36]，因而检出率和平均浓度都相对较高，CTC、DOC和TC的平均浓度都相对较低。大环内酯类所占抗生素比例为18.52%，检出率为100%。硝基咪唑类占抗生素比例最低，为7.41%，其中DMZ的检出率和平均浓度都高于MDZ。

图2 袁河水体中27种抗生素检出率注：RTM表示罗红霉素，AZM表示阿奇霉素，CTM表示克拉霉素，ERY表示红霉素，CTC表示金霉素，OTC表示土霉素，DOC表示强力霉素，TC表示四环素，SPA表示司帕沙星，GAT表示加替沙星，FLE表示氟罗沙星，OFL表示氧氟沙星，ENR表示恩诺沙星，LOM表示洛美沙星，CIP表示环丙沙星，ENO表示依诺沙星，NOR表示诺氟沙星，MDZ表示甲硝唑，DMZ表示二甲硝咪唑，SQX表示磺胺喹恶啉，SFM表示磺胺对甲氧嘧啶，STP表示磺胺甲氧哒嗪，SMZ表示磺胺二甲基嘧啶，STZ表示磺胺噻唑，SMX表示磺胺甲恶唑，SDZ表示磺胺嘧啶，SPD表示磺胺吡啶。Fig. 2 Detection rate of antibiotics in water of Yuanhe RiverNote: RTM means roxithromycin, AZM means azithromycin, CTM means clarthromycin, ERY means erythromycin, CTC means chlortetracycline, OTC means oxytetracycline, DOC means doxycycline, TC means tetracycline, SPA means sparfloxacin, GAT means gatifloxacin, FLE means fleroxacin, OFL means ofloxacin, ENR means enrofloxacin, LOM means lomefloxacin, CIP means ciprofloxacin, ENO means enoxacin, NOR means norfloxacin, MDZ means metronidazole, DMZ means dimetridazole, SQX means sulfaquinoxaline, SFM means sulfameter, STP means sulfamethoxypyridazine, SMZ means sulfamethazine, STZ means sulfathiazole, SMX means sulfamethoxazole, SDZ means sulfadiazine, and SPD means sulfapyridine.

对比袁河与国内其他河流，袁河共有20种抗生素被检出，浓度范围为ND～156.64 ng·L-1，27种抗生素的平均浓度为3.04 ng·L-1。有10种抗生素在大辽河[37]的表层水体中被检测出，浓度检出范围为ND～1 380 ng·L-1，其中NOR的检出率和平均浓度均最高，分别为92%和214 ng·L-1。袁河的抗生素平均浓度低于太湖流域的35.4 ng·L-1[38]和日内瓦湖的130.0 ng·L-1[39]。相较而言，目前袁河的抗生素浓度水平属于中等水平。

2.2 抗生素空间分布

流域内抗生素浓度整体较低，总体趋势为升高-降低-升高，支流的汇入对袁河干流抗生素含量有重要影响，如图4所示。采样时正值雨季且采样前一天有降雨，雨水稀释后抗生素浓度相对较低。沿河流流向，7个点检测出的抗生素浓度如图5～图9所示。

图3 袁河五大类抗生素检出率注：MLs表示大环内酯类，TCs表示四环素类，FQs表示喹诺酮类，NDs表示硝基咪唑类，SAs表示磺胺类。Fig. 3 The detection rate of five categories of antibiotics in Yuanhe RiverNote: MLs means macrolides, TCs means tetracyclines, FQs means quinolones, NDs means nitroimidazoles, and SAs means sulfonamides.

表2 袁河水体中抗生素浓度Table 2 Concentrations of antibiotics in water in the Yuanhe River

整体来看，7个采样点中有5个采样点的磺胺类抗生素浓度高于其他四类，因其具有抗菌谱较广、使用简洁方便等优点，同时在水产养殖和畜禽养殖业的动物疾病的预防和治疗方面起着十分重要的作用[40]，磺胺类抗生素有稳定的结构，环境中降解较慢，在水环境中会存在较长时间[41]，光降解是磺胺类抗生素降解的主要途径[40]，采样期间正值雨季，多阴雨天，削弱了光降解等自然降解过程，从而使磺胺类抗生素浓度明显偏高。CR-10和CR-13采样点都位于居民点附近，生活污水的排入对河流造成污染。CR-11采样点位于城市污水处理厂下游，污水经过处理厂一系列的沉淀、净化后，水质有所改善，抗生素浓度较低。采样点CR-12位于省道与袁河交汇处，此地抗生素浓度整体水平高于其他六地，四环素类尤为明显，浓度接近200 ng·L-1。四环素类能较好地抑制细菌蛋白质合成，并且对由细菌产生的腹泻和呼吸系统疾病有较好的治疗效果，属于人畜共用类抗生素。CR-12点周边有养鸡场，不可避免地会增加抗生素的使用量，未被完全吸收的抗生素会以尿液、粪便等方式排出体外，随着雨水冲刷而流入袁河。同时，该点附近有水产养殖业，村民围网养殖，向水中投放饲料等，造成河水的污染，致使该点四环素类抗生素浓度高于其他采样点。随着逐渐进入到袁河下游地区，众多支流汇入干流，水量增大引起河水的交换能力和自净能力显著增强，通过稀释和自净作用，抗生素浓度在采样点CR-12到CR-14逐渐减小。再往下游，河流流入南昌市区，沿岸多为居民区，人口增多势必会引起抗生素用量的增多，经排泄，大部分抗生素最终流入河流，使抗生素浓度在CR-15到CR-16间又呈现略微升高的趋势。

图4 沿袁河流向五大类抗生素浓度注：CR-10～CR-16为水流方向。Fig. 4 Concentrations of five categories of antibiotics along the Yuanhe RiverNote: CR-10～CR-16 is flow direction.

图5 沿袁河流向大环内酯类浓度Fig. 5 Concentrations of macrolides along the Yuanhe River

图6 沿袁河流向四环素类浓度Fig. 6 Concentrations of tetracyclines along the Yuanhe River

图7 沿袁河流向喹诺酮类浓度Fig. 7 Concentrations of quinolones along the Yuanhe River

2.3 抗生素来源解析

根据抗生素在袁河水体中的检出率及浓度水平对该流域内抗生素来源进行解析，流域内磺胺类和四环素类的浓度普遍较高。在畜牧业和水产养殖业中，为预防和治疗动物疾病，每年全球至少有一半的磺胺类被投放其中，未被生物体完全吸收代谢的抗生素会随粪便和尿液而排入到自然环境。对于水产养殖业而言[40]，抗生素被直接投放到水中，未被吸收利用抗生素将直接排入到水环境中。该流域内SMX具有较高的检出率和浓度，如图9所示。有研究表明，SMX能有效抑制细菌生长繁殖，对呼吸道的葡萄球菌和大肠杆菌能产生较好的疗效，因此被应用于畜禽尿路感染、呼吸道感染等疾病[25]。四环素类因有较强的吸附效果，易被沉积相吸附而形成污染源。除此之外，大环内酯类的检出率和浓度水平也相对较高，该类抗生素主要为人用抗生素。对比图5发现，CR-12点的CTM和ERY浓度明显高于其他采样点。在我国，CTM被规定为人用抗生素，但由于民众对抗生素的不全面认识，不规范用药的现象仍然存在，在一些水产养殖地区仍能检测出CTM；ERY在我国属于禁用的抗生素，但国内一些研究仍表明其在水环境中有很高的残存量，在一些水产养殖区仍会检测出较高值[42]，因此ERY所测较高值可能并不是源于人用，而是由于民众对信息的认知不全面而导致的不规范用药。作为人兽共用药，喹诺酮类是治疗肠道疾病的有效药，该类抗生素在水环境中的降解速度要比磺胺类和四环素类抗生素要快。ENR在采样点CR-13处浓度相对较高，恰恰佐证了喹诺酮类浓度的高低与沿岸人口密度存在直接关系。

图8 沿袁河流向硝基咪唑类浓度Fig. 8 Concentrations of nitridazoles along the Yuanhe River

图9 沿袁河流向磺胺类浓度Fig. 9 Concentrations of sulfonamides along the Yuanhe River

袁河上游社会经济相对发达，污水排放量较大[43]，袁河干流上有江口和山口岩2座大型水库，水域面积较大，饲养鱼类较多，投放的饲料中含有抗生素。新余市内，乡镇和城市人口众多，污水处理厂不能接收全部的生活污水，部分沿河乡镇的排污口将含抗生素的污水直排进入袁河，造成袁河水质受到污染[31]。宜春市存在众多养殖基地，部分养殖户未设置废水处理设施，含抗生素的养殖废水排放汇入袁河。袁河中下游人口密集，生活污水排放量大，最终汇入河流，因此，沿岸人口集中的地区人用抗生素的浓度往往高于其他地区。综上所述，养殖废水和生活污水排放后流入袁河，是该流域抗生素的主要来源。

2.4 生态风险评价

查阅相关文献，收集到抗生素对某一物种的急性或慢性毒理数据，计算出其PNEC值，结果如表3所示。

基于最坏情况，采用筛选出最敏感物种的PNEC值和浓度的最大值进行计算，结果如表4所示。

本研究对袁河水体中的12种抗生素进行了生态风险评价，结果发现，RTM、TC和SDZ这3种抗生素的RQ值低于0.01，该地区受到这3种抗生素的威胁很小，无明显生态风险；OFL、SMZ、SMX和SPD的RQ值高于0.01但低于0.1，其污染水平处于低风险；ERY、OTC、ENR和STZ这4种抗生素的RQ值高于0.1但低于1，处于中等风险；CTM的RQ值高于1，处于高风险。

生态风险评价结果表明，袁河地表水水体中大部分抗生素的生态风险处于中低水平，12种抗生素中有1种抗生素的生态风险处于高风险，应对该种抗生素的生态风险予以重视，本研究为后续袁河水体及周边生态环境保护提供了相关依据。