南方某水庫水體中抗生素生態(tài)與健康風險研究

朱婷婷，宋戰(zhàn)鋒，尹魁浩，彭盛華

國家環(huán)境保護飲用水水源地管理技術(shù)重點實驗室，深圳市飲用水水源地安全保障重點實驗室，深圳市環(huán)境科學研究院，深圳 518001

南方某水庫水體中抗生素生態(tài)與健康風險研究

朱婷婷*，宋戰(zhàn)鋒，尹魁浩，彭盛華

國家環(huán)境保護飲用水水源地管理技術(shù)重點實驗室，深圳市飲用水水源地安全保障重點實驗室，深圳市環(huán)境科學研究院，深圳 518001

環(huán)境中大量殘留的抗生素將對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成潛在危害。本研究采用風險商值法(RQ)評價了林肯霉素、紅霉素(脫水)、羅紅霉素、磺胺甲噁唑、磺胺二甲嘧啶、頭孢呋辛、頭孢氨芐、甲硝唑、阿莫西林和氯霉素10種抗生素對南方某水庫水體產(chǎn)生的生態(tài)風險，并對10種抗生素進行了化學非致癌物風險評價。結(jié)果表明，7個采樣點中共檢出8種抗生素，殘留量在1.2～130.0 ng·L-1之間。紅霉素(脫水)、林肯霉素、磺胺甲噁唑這3種抗生素在豐水期、枯水期的所有采樣點均有檢出，磺胺二甲嘧啶和頭孢呋辛在枯水期的檢出率也為100%，而氯霉素和阿莫西林在7個樣點均未檢出。風險評價結(jié)果表明，除個別樣點外，該水庫抗生素殘留的整體風險不高。豐水期和枯水期A河水體中磺胺甲噁唑的生態(tài)風險商大于1，A河(豐水期和枯水期)、B河(豐水期)和庫中3號樣點(枯水期)的聯(lián)合毒性風險商大于1，表明這3個樣點的抗生素殘留對生態(tài)環(huán)境存在較嚴重的威脅，其余采樣點抗生素的聯(lián)合毒性風險商處于0.1到1之間，需長期觀測其抗生素的環(huán)境動態(tài)，以避免高風險危害的發(fā)生。該水庫10種抗生素殘留引起的非致癌物風險數(shù)量級在10-15到10-12之間，說明該水庫中10種抗生素通過飲水途徑引起的非致癌風險很低，遠低于可接受風險水平，甚至遠低于可忽略風險水平。

抗生素；飲用水源水；生態(tài)風險；健康風險；水庫

Received 15 July 2014 accepted 24 October 2014

抗生素是一類天然或者半人工合成的、能在低微濃度下有選擇地抑制或影響它種生物功能的有機物質(zhì)，人和動物使用的抗生素類藥物無法完全被機體吸收，常常未經(jīng)代謝便通過尿液和糞便以原藥的形式排出體外，進入環(huán)境中[1]。近年來許多國家的河流、湖泊、地下水中均檢出了抗生素殘留，抗生素濫用所造成的環(huán)境污染問題逐漸成為研究者關(guān)注的焦點[2-5]。目前，歐美等發(fā)達國家已經(jīng)就水環(huán)境中抗生素的殘留水平和環(huán)境行為開展了較多研究，結(jié)果表明，水環(huán)境中微量水平的抗生素即會對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生威脅[3,6-8]。目前國內(nèi)的研究主要集中在抗生素檢測方法的建立及對食品、水產(chǎn)品、污水處理廠進出水[9]、化妝品等基質(zhì)中抗生素的污染調(diào)查[10]，而抗生素在飲用水源地水體中的污染情況及生態(tài)、健康風險評估則鮮有報道。本研究對南方某主要飲用水源地型水庫及其入庫支流中β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、磺胺類等6類共10種常見的典型抗生素的污染特征進行了調(diào)查，并對水庫及支流中抗生素的生態(tài)風險和非致癌風險進行了評估，揭示水庫中抗生素的污染現(xiàn)狀和生態(tài)、健康風險水平，為后續(xù)抗生素污染防控工作提供數(shù)據(jù)支持和科學理論依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

儀器：Agilent 1100型高效液相色譜儀(美國, Agilent)；API 2000三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(美國, AB Sciex)；多通道固相萃取儀(美國, Waters)；BridgeTMC18色譜柱(2.1 mm×50mm, 5μm, 美國,Waters)；EYELAMG-2200氮吹濃縮儀(日本,Rikakikai)，AllegraX-22R高速臺式離心機(美國,BackmanCoulter)，Q-POD型MILLI-Q超純水儀(德國,Millipore)。

試劑：標準品甲硝唑(純度為99.5%)、頭孢呋辛鈉(純度為97.5%)均購自德國DrEhrenstorferGmbH公司，阿莫西林(純度>99%)、紅霉素(純度>99%)、磺胺甲惡唑(純度>99%)、磺胺二甲嘧啶(純度為99%)均購自美國Sigma-Aldrich公司，羅紅霉素(純度≥95%)、林肯霉素鹽酸鹽(純度≥95%)均購自瑞士Fluka公司，頭孢氨芐(純度為99.9%)、氯霉素(純度為99.8%)均購自德國RiedeldeHa?n公司)，磺胺甲惡唑-C13(純度為99%)，氯霉素-d5(純度為98%)均購自美國CambridgeIsotopeLaboratory，Na2EDTA溶液(純度為99.0%～101.0%)、NaN3溶液(純度為99.5%)均購自美國Sigma-Aldrich公司，甲酸(純度為99%～100%，美國VWRInternational)。甲醇為色譜純，其他試劑為分析純，試驗用水為超純水。

1.2 水樣中抗生素的測定

分別于2012年9月(豐水期)和2013年1月(枯水期)進行采樣。根據(jù)水庫及其主要入庫支流的環(huán)境與水文基本特征，本研究布設(shè)了7個采樣點，包括水庫庫中3個點、主要入庫支流3個點(A河、B河、C河)，以及境外引水工程的供水渡槽。水樣采集與保存程序符合國家標準(GB/T5750.2-2006)。所有水樣在分析前均儲存于4 ℃冰箱，在采集后一周內(nèi)完成檢測。

采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS-MS)法測定水樣中抗生素的濃度，方法的檢出限為0.40～0.70ng·L-1，回收率為81.90%～110.00%，RSD為1.80%～7.10%。

1.3 生態(tài)風險評價方法

水環(huán)境中殘留藥物的生態(tài)風險可以通過風險商值(RQ)來評價[11-12]。計算公式如下：

RQ= MEC / PNEC

(1)

PNEC= LC50/AF或EC50/AF

(2)

RQsum= ΣRQi

(3)

式中：MEC，環(huán)境實測濃度，即藥物在水環(huán)境中的實測質(zhì)量濃度，ng·L-1；PNEC，預測無效應濃度，是在現(xiàn)有認知下不會對環(huán)境中微生物或生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利效應的最大藥物濃度，ng·L-1；LC50為半致死濃度，EC50為半最大效應濃度，ng·L-1，LC50和EC50均由文獻中取得，當存在多個值時，取最小值；AF為評價因子，取water framework directive的推薦值(1 000)；RQsum：聯(lián)合毒性風險商，無量綱；RQi：抗生素i的RQ值，無量綱。

僅僅對單一污染物進行生態(tài)風險評價來確定對水環(huán)境是否“安全”，這不符合復合污染的實際情況，需根據(jù)各殘留藥物的總風險商RQ評價其在水環(huán)境中的生態(tài)風險[13]。當0.01RQ<0.10，為低風險；0.10RQ<1.00，為中風險；RQ1.00，為高風險[11,14]。

水環(huán)境中抗生素一般不是單一存在，而是多種抗生素共同存在的。目前關(guān)于抗生素環(huán)境風險的研究多集中在單一藥品效應研究，缺乏對藥品聯(lián)合效應的考察，少量研究表明，水環(huán)境中多種抗生素共存時，抗生素的環(huán)境危害作用會因共存而加強[23-24]。因此，本文采用簡單疊加模型(式3)計算抗生素的聯(lián)合毒性風險商[25]。

1.4 健康風險評價方法

采用USEPA推薦的化學非致癌物通過飲用水途徑所致的人體年均健康危害風險計算模型，評估抗生素的非致癌物風險[26]。

(4)

Rign=(Dig/RfDig)×10-6/70

(5)

Dig=2.2Ci/70

(6)

式(4-6)中，Rign，非致癌物i經(jīng)飲用水途徑所致平均個人健康危害風險，a-1；Dig，非致癌i經(jīng)飲用水途徑的單位體重日均暴露劑量，μg·kg-1·d-1；RfDig，為非致癌污染i經(jīng)飲水途徑的參考劑量，μg·kg-1·d-1；70為人的平均壽命，a；Ci，非致癌物濃度，μg·L-1。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 水庫水體中抗生素的濃度水平

由表2和表3可見，在水庫及主要支流的水樣中，無論枯水期、豐水期均檢出了抗生素殘留，濃度范圍在1.20～130.00 ng·L-1，與珠江、深圳河、深圳灣的檢測結(jié)果[27-28]相比，該水庫的抗生素殘留處于較低的水平。在豐水期，除了氯霉素、頭孢呋辛與阿莫西林外，其余7種抗生素均有檢出，濃度水平在1.40～45.00 ng·L-1范圍內(nèi)，其中庫中殘留的抗生素種類主要為紅霉素(脫水)、磺胺甲噁唑、磺胺二甲嘧啶和林肯霉素，殘留濃度均低于15.00 ng·L-1。外部供水與庫中檢測出的種類一致，濃度在3.90～8.50 ng·L-1之間。3條入庫支流中，A河與B河水體中抗生素含量較高?？菟谒畼又校寺让顾睾桶⒛髁滞?，其余8種抗生素均有檢出，濃度水平在1.20～130.00 ng·L-1范圍內(nèi)?？菟趲熘胁蓸狱c的抗生素平均殘留量為45.20 ng·L-1，高于豐水期(18.10 ng·L-1)。

林肯霉素、紅霉素(脫水)和磺胺二甲嘧啶是檢出率最高且濃度最高的3種抗生素，除了由于這幾種藥物的用量大外，還因為這幾種抗生素穩(wěn)定性較高、親水性強，很容易通過排泄和雨水沖刷等方式進入環(huán)境。阿莫西林在所有樣品中均未被檢出，根本原因是阿莫西林極易發(fā)生水解，降解速率很快，因而自然水體中一般無阿莫西林殘留[29-30]。在豐水期和枯水期都沒有檢出氯霉素，分析是因為我國近年來在畜牧業(yè)等行業(yè)已禁止使用氯霉素原料及產(chǎn)品，因此環(huán)境中氯霉素的殘留很少[29]。水庫水體中抗生素的污染狀況隨著季節(jié)不同而有所變化，枯水期各采樣點的抗生素殘留均比豐水期嚴重，主要原因是在枯水期，正屬冬春季節(jié)，病毒活躍，疾病高發(fā)，抗生素使用種類更多、用量更大；同時，由于受地形的影響，幾條入庫支流都比較短小，屬于雨源型河流，流量在枯豐其差異懸殊，枯水期降水少，河流流量小，自凈能力弱，導致枯水期水體中抗生素的殘留濃度明顯高于豐水期。

表1 各目標抗生素的預測無效應濃度(PNECs)Table 1 The predicted no effect concentration (PNECs) of the selected antibiotics (ng·L-1)

水庫的污染物主要來源于水庫附近的幾個自然社區(qū)，水源保護區(qū)內(nèi)主要的污染源有生活源、私人加工廠、餐飲、大排檔、養(yǎng)殖場、果場、魚塘及療養(yǎng)院等，主要入庫支流為A河、B河與C河。3條入庫支流的抗生素殘留種類比水庫庫中更豐富，濃度普遍更高。一方面隨著河流兩岸地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，大量生活污水、生產(chǎn)廢水未經(jīng)處理直接排入河道，污染河水水質(zhì)，另一方面，由于這幾條河流水量比較小，且自凈能力較弱，所以污染物濃度相對較高。

表2 豐水期水庫水體中抗生素的濃度水平Table 2 Concentration of antibiotics in the reservoir in wet season (ng·L-1)

注：ND為未檢出。

Note: ND, not detected.

表3 枯水期水庫水體中抗生素的濃度水平Table 3 Concentration of antibiotics in the reservoir in dry season (ng·L-1)

注：ND為未檢出。

Note: ND, not detected.

2.2 水庫水體中抗生素生態(tài)風險評價

生態(tài)風險商評價結(jié)果見圖1和圖2?？梢钥闯?，不同時期水庫水體中甲硝唑、頭孢氨芐、磺胺二甲嘧啶和頭孢呋辛的生態(tài)風險商均低于0.01，無明顯生態(tài)風險，A河的磺胺甲噁唑生態(tài)風險商大于1.00，對生態(tài)環(huán)境存在較高的危害性，其余采樣點的林肯霉素、磺胺甲噁唑和紅霉素生態(tài)風險商介于0.01和1之間，存在一定生態(tài)風險。

風險簡單疊加模型計算結(jié)果顯示，豐水期時，外部供水和庫中的抗生素聯(lián)合生態(tài)風險在0.32～0.84之間，3條支流中，C河的RQsum最低，為0.48，處于中風險水平，B河與A河的RQsum均大于1.00，抗生素對生態(tài)環(huán)境的危害較大?？菟跁r，水庫水體中抗生素聯(lián)合毒性風險水平較高，庫中3號樣點和A河的RQsum大于1.00，其中A河中抗生素RQsum高達5.39，對生態(tài)環(huán)境可能會產(chǎn)生較嚴重的危害，其余樣點的RQsum在0.10～1.00之間，對生態(tài)環(huán)境存在中風險。

2.3 水庫水體中抗生素健康風險評價

由表4和表5可知，10種抗生素對人體的非致癌風險介于7.25×10-15～1.63×10-11范圍內(nèi)，10種抗生素的總健康風險介于1.59×10-13～1.63×10-11范圍內(nèi)。在所有采樣點，林肯霉素和紅霉素(脫水)是其中的主要健康風險因素，阿莫西林和氯霉素在豐水期和枯水期均不存在非致癌風險。各采樣點中，豐水期B河的總非致癌風險最高，枯水期C河的總非致癌風險最高。

國內(nèi)針對飲用水源地水體中抗生素殘留的非致癌風險評價研究還未見報道，目前尚無國際機構(gòu)制定飲用水源地抗生素健康風險水平的評判標準，與不同國際機構(gòu)制定的飲用水源地水質(zhì)健康風險水平閾值(見表6)相比，該水庫中抗生素污染引起的非致癌風險遠低于可接受風險水平，甚至遠低于可忽略風險水平，說明該飲用水源水體中這些抗生素的殘留不會對人體構(gòu)成明顯的非致癌性危害。

圖1 豐水期水庫各點位的抗生素生態(tài)風險商

圖2 枯水期水庫各點位的抗生素生態(tài)風險商

表4 豐水期水庫各點位抗生素對人體的非致癌風險Table 4 Non-cancer risk of the selected antibiotics in the reservoir in the wet season (ng·L-1)

表5 枯水期水庫各點位抗生素對人體的非致癌風險Table 5 Non-cancer risk of the selected antibiotics in the reservoir in the dry season (ng·L-1)

表6 不同國際機構(gòu)制定的飲用水源地水質(zhì)健康風險最大可接受風險水平和可忽略風險水平[26]Table 6 The maximum acceptable limit and ignorable limit of health risk of potable water source established by international institutions[26] (a-1)

根據(jù)國際輻射防護委員會(ICRP)、英國皇家學會(TRS)、瑞典環(huán)境保護局(TSEPA)、荷蘭建設(shè)和環(huán)境部(VROM)規(guī)定的飲用水源地水質(zhì)健康風險最大可接受風險水平和可忽略風險水平見表6。

綜上所述，可知：

(1)南方某水庫水體中共檢出了8種抗生素，濃度范圍在1.20～130.00 ng·L-1，處于較低的殘留水平。紅霉素(脫水)、林肯霉素、磺胺甲噁唑這3種抗生素在豐水期、枯水期的所有采樣點均有檢出，在枯水期磺胺二甲嘧啶和頭孢呋辛的檢出率也為100%，而阿莫西林和氯霉素在所有水樣中均未檢出。水庫庫中抗生素的殘留種類和分布規(guī)律與外部供水水源一致，庫中濃度略低于供水水源。3條入庫支流的抗生素污染程度普遍高于庫中，其中，A河的污染最嚴重?？菟诒蓉S水期殘留的抗生素種類更多、殘留濃度也更高。

(2)根據(jù)MEC/PNEC風險綜合評價體系，A河豐水期和枯水期磺胺甲噁唑的RQ均大于1，對生態(tài)環(huán)境具有高風險，其他采樣點的林肯霉素、磺胺甲噁唑、紅霉素(脫水)的RQ處于0.01與1之間，具有一定的生態(tài)風險。風險簡單疊加模型計算結(jié)果表明，豐水期A河與B河的聯(lián)合毒性風險商大于1，枯水期庫中3號樣點和A河的聯(lián)合毒性風險商大于1.00，對生態(tài)環(huán)境可能會產(chǎn)生較嚴重的危害，其余樣點的聯(lián)合毒性風險商在0.10和1之間，對生態(tài)環(huán)境存在中風險。

(3)各采樣點抗生素污染引起的非致癌總風險數(shù)量級在10-15～10-11，都遠遠低于國際機構(gòu)制定的最大可接受和最大可忽略風險水平，說明該水庫水體中這些抗生素的殘留不會對人體產(chǎn)生明顯的非致癌性健康危害。

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Assessments of Ecological and Health Risk Induced by Antibiotics in Source Water of a Reservoir in a Southern City

Zhu Tingting*, Song Zhanfeng, Yin Kuihao, Peng Shenghua

State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Management and Technology, Shenzhen Key Laboratory of Drinking Water Source Safety Control, Shenzhen Academy of Environmental Sciences, Shenzhen 518001, China

A large amount of environmental residues of antibiotics cause hazards and risks to the ecological environment and human health. In this paper, the ecological and health risk assessments were performed to evaluate the risk of 10 kinds of antibiotics, including lincomycin, erythromycin-H2O, roxithromycin, sulfamethoxazole, sulfadimidine, cefuroxime, cefalexin, metronidazole, amoxicillin and chloromycetin, in a reservoir in a southern city, China. Results showed that 8 kinds of antibiotic were detected in 7 sampling points, with the concentrations ranged from 1.2 to 130 ng·L-1. The detection frequency of erythromycin-H2O, lincomycin, sulfamethoxazole reached 100% both in high flow period and low flow period, while sulfadimidine and cefuroxime could only be detected in low flow period. However, chloromycetin and amoxicillin could not be detected in the selected 7 sampling points． Further risk assessment results showed that the overall risk was not high except some points. The risk quotients exceeded 1 for the sulfamethoxazole in River A (both high flow and low flow periods). Among sampling points, the combined risk quotients of all 10 antibiotics in River A (both high flow and low flow periods), River B (high flow period) and point 3 in the reservoir (low flow period) were higher than 1. It indicated that the residuals of antibiotics had high ecological risk in these stations. The risk quotients of other stations ranged from 0.10 to 1.00, illustrating that the long-term observations for antibiotics residuals in water are necessary. The sum of non-carcinogenic risks for the 10 antibiotics was in range of 10-15to 10-12, suggesting the acceptable health risks associated with antibiotics in the source water of the reservoir.

antibiotic; source water; ecological risk; health risk; reservoir

深圳市環(huán)境科研項目(SZCG2012033773)；深圳市知識創(chuàng)新計劃(JCYJ20120618154913166)

朱婷婷(1983-), 女, 博士, 研究方向為飲用水源保護研究, E-mail: xiaozhu.tt@163.com；

10.7524/AJE.1673-5897.20140715003

2014-07-15錄用日期：2014-10-24

1673-5897(2015)5-124-08

X171.5

A

朱婷婷, 宋戰(zhàn)鋒, 尹魁浩, 等. 南方某水庫水體中抗生素生態(tài)與健康風險研究[J]. 生態(tài)毒理學報，2015, 10(5): 124-131

Zhu T T, Song Z F, Yin K H, et al. Assessments of ecological and health risk induced by antibiotics in source water of a reservoir in a Southern City [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(5): 124-131(in Chinese)