山東省主要河流中抗生素污染組成及空間分布特征

張 慧，郭文建，朱 晨，李紅莉，王桂勛，岳太星，丁波濤

山東省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250101

自青霉素問(wèn)世以來(lái)，抗生素為人類健康及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展作出了不可替代的貢獻(xiàn)。然而，近年來(lái)因不合理使用抗生素而造成的健康問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越多。2007年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署明確提出要關(guān)注藥品和個(gè)人護(hù)理用品(PPCPs)污染問(wèn)題。2016年，G20峰會(huì)更是將抗生素耐藥性問(wèn)題上升到國(guó)際高度。進(jìn)入人、動(dòng)物體內(nèi)的抗生素有40%～90%不能被吸收，主要以原藥或藥物活性成分的形式隨尿液和糞便排出體外、進(jìn)入環(huán)境，進(jìn)而影響人類飲水、飲食安全，造成細(xì)菌耐藥性的增加。

目前，中國(guó)很多水系水體中均能檢出多種抗生素，如大遼河[1]、欽州灣[2]、黃浦江[3]、珠江[4]、九龍江[5]、北京清河[6]等，而針對(duì)山東省境內(nèi)主要河流中抗生素整體污染水平的調(diào)查研究較少。本研究選擇我國(guó)用量最大的磺胺類、喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)脂類、硝基咪唑類等6類共20種常用抗生素作為研究對(duì)象，采用固相萃取-高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)，測(cè)定其在山東省境內(nèi)主要河流中的含量，并初步研究其分布特征，以期全面反映山東省主要河流中抗生素污染狀況，并為后期的抗生素污染防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

6類共20種抗生素標(biāo)準(zhǔn)品。5種磺胺類：磺胺間甲氧嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺甲惡唑、磺胺二甲嘧啶；4種喹諾酮類：諾氟沙星、環(huán)丙沙星、氧氟沙星、氟羅沙星；3種β-內(nèi)酰胺類：青霉素G、阿莫西林、頭孢氨芐；4種四環(huán)素類：金霉素、強(qiáng)力霉素、土霉素、四環(huán)素；3種大環(huán)內(nèi)酯類：紅霉素、羅紅霉素、螺旋霉素；1種硝基咪唑類：甲硝唑，均購(gòu)自德國(guó)Dr.Ehrenstorfer公司?；厥章手甘緞夯前范籽踵奏?D6；環(huán)丙沙星-D8；紅霉素-D6。

溶劑：甲醇、乙腈均為色譜純；甲酸為質(zhì)譜專用；其他化學(xué)試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

儀器：固相萃取儀(Dionex SPE-280)；氮吹濃縮儀(Biotage)；液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜儀(Agilent 1260+6460B QQQ，配ESI離子源)。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)與樣品采集

選取流經(jīng)山東省境內(nèi)半島諸河流域、小清河流域、海河流域和淮河流域中的主要河流，這四大流域分別位于山東省的東部、中部、西北部和南部。綜合考慮流域面積、河流水量、流經(jīng)區(qū)域納污及日常監(jiān)管河流斷面等情況，在各流域干流及主要匯水支流共設(shè)置38個(gè)采樣點(diǎn)，上述四大流域分別布設(shè)7、10、4、17個(gè)點(diǎn)位，采樣時(shí)間為2016年11月。依據(jù)《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)規(guī)定的方法，每個(gè)點(diǎn)位均采用棕色瓶采集1 000 mL水樣，4 ℃冷藏保存，因四環(huán)素類和青霉素類抗生素[7]水環(huán)境中不穩(wěn)定，而且紅霉素在酸性條件下易分解為脫水紅霉素[8]，樣品須3 d內(nèi)分析完畢。

1.3 樣品前處理和分析

取500 mL水樣，過(guò)0.45 μm纖維濾膜去除懸浮顆粒物，加入回收率指示劑，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2.5左右，加入200 mg乙二胺四乙酸二鈉鹽以抑制金屬離子對(duì)抗生素的影響；選用Waters Qasis HLB SPE小柱，分別用5 mL甲醇和5 mL水活化后，以不高于10 mL/min的流速上樣；上樣結(jié)束后用5 mL水清洗小柱并氮?dú)飧稍?0 min；最后用6 mL甲醇分2次洗脫，收集洗脫液并氮吹濃縮至近干，用液相色譜初始流動(dòng)相定容至1 mL。

采用高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)檢測(cè)。色譜分析條件：Eclipse Plus C18色譜柱(3.0 mm×100 mm，1.8 μm)，ZORBAX SB-C18保護(hù)柱(4.6 mm×12.5 mm，5 μm)，進(jìn)樣量20 μL，流速0.2 mL/min，柱溫30 ℃，流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液，流動(dòng)相B為0.1%甲酸乙腈溶液，梯度淋洗(1～2 min，85%A；2～3 min，85% A降至75% A；維持2 min；5～7 min，75% A降至65% A；維持10 min；17～18 min，65% A升至85% A；維持7 min)。質(zhì)譜分析條件：離子源為電噴霧離子源(ESI)，采用正離子模式，利用多反應(yīng)監(jiān)測(cè)(MRM)對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性和定量分析。

1.4 質(zhì)量控制

采用外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)樣品濃度進(jìn)行定量分析。20種抗生素的檢出限為0.4～1.9 ng/L。加標(biāo)量50 ng時(shí)，加標(biāo)回收率為64.5%～132%，其中5種磺胺類和4種喹諾酮類均屬于人工合成抗生素，性質(zhì)較穩(wěn)定，分別為92.0%～96.2%和92.6%～95.6%；β-內(nèi)酰胺類在水環(huán)境中易裂解，青霉素和阿莫西林分別為70.6%和 69.6%，頭孢氨芐為92.6%；四環(huán)素類易與金屬離子螯合[9]，回收率為126%～132%；大環(huán)內(nèi)酯類中紅霉素和羅紅霉素分別為98.4%和96.8%，螺旋霉素為64.5%；甲硝唑?yàn)?8.9%。

2 結(jié)果與討論

2.1 山東省主要河流中抗生素污染物組成特征

山東省主要河流38個(gè)點(diǎn)位中，1#～7#屬于半島諸河流域，8#～17#屬于小清河流域，18#～21#屬于海河流域，22#～38#屬于淮河流域。各點(diǎn)位20種抗生素檢出濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。由表1可以看出，20種抗生素在山東省境內(nèi)地表水中均有檢出，檢出率為5.26%～100%，其中環(huán)丙沙星檢出率最高，38個(gè)點(diǎn)位檢出率100%，接下來(lái)依次是諾氟沙星、阿莫西林和羅紅霉素，檢出率分別為97.4%、94.7%、92.1%；青霉素、螺旋霉素和磺胺嘧啶檢出率較低，分別為7.89%、7.89%、5.26%。從檢出濃度來(lái)看，檢出濃度最高的抗生素為四環(huán)素(質(zhì)量濃度239 ng/L)，其次為紅霉素(質(zhì)量濃度135 ng/L)、羅紅霉素(質(zhì)量濃度131 ng/L)、土霉素(質(zhì)量濃度129 ng/L)和氧氟沙星(質(zhì)量濃度107 ng/L)。檢出濃度中位數(shù)最高的分別為大環(huán)內(nèi)酯類中的紅霉素(質(zhì)量濃度14.0 ng/L)和喹諾酮類中的諾氟沙星(質(zhì)量濃度10.8 ng/L)和環(huán)丙沙星(質(zhì)量濃度10.2 ng/L)。

表1 山東省主要河流抗生素濃度水平Table 1 The concentrations of antibiotics in main rivers of Shandong province

注：表中“濃度”均為質(zhì)量濃度，單位為ng/L；ND表示測(cè)定濃度低于檢出限；SMM為磺胺間甲氧嘧啶，SDZ為磺胺嘧啶，SDM為磺胺二甲氧嘧啶，SMZ為磺胺甲惡唑，SM2為磺胺二甲嘧啶，NOR為諾氟沙星，CIP為環(huán)丙沙星，OFL為氧氟沙星，F(xiàn)L為氟羅沙星，PG為青霉素G，AMX為阿莫西林，CPL為頭孢氨芐，CTC為金霉素，DC為強(qiáng)力霉素，OTC為土霉素，TC為四環(huán)素，ERM為紅霉素，ROM為羅紅霉素，SPI為螺旋霉素，MTR為甲硝唑，∑20為20種抗生素。

山東省四大流域6類抗生素占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見圖1。小清河流域、淮河流域及半島諸河流域大環(huán)內(nèi)脂類抗生素平均占比最高，分別為37.9%、35.9%、31.9%，其次為喹諾酮類抗生素，分別為30.2%、28.4%和31.8%；海河流域抗生素組成略有不同，以四環(huán)素類抗生素為主，平均占比達(dá)59.0%，喹諾酮類抗生素占比第二，為22.0%。而且結(jié)合表1可知，山東省境內(nèi)地表水中檢出的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素以羅紅霉素和紅霉素為主，喹諾酮類抗生素以氧氟沙星、環(huán)丙沙星和諾氟沙星為主，四環(huán)素類抗生素以四環(huán)素和土霉素為主。

圖1 山東省四大流域中6類抗生素占比情況Fig.1 The proportions of 6 types of antibiotics in four river basins of Shandong province

本研究測(cè)定出的山東省地表水中抗生素污染物組成與中科院廣州地化所應(yīng)光國(guó)課題組的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[10]基本一致，但β-內(nèi)酰胺類抗生素檢出量與統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在差異，這可能是因?yàn)棣?內(nèi)酰胺類化合物在環(huán)境中很不穩(wěn)定，極易發(fā)生水解，導(dǎo)致其在水環(huán)境中檢出量和檢出率偏低，其水解產(chǎn)物及對(duì)環(huán)境的影響仍有待進(jìn)一步研究；磺胺類抗生素屬于人工合成類抗生素，性質(zhì)非常穩(wěn)定，由研究結(jié)果可知，其在山東省內(nèi)用量并不是很大。

2.2 山東省主要河流中抗生素空間分布特征

各點(diǎn)位總濃度及6類抗生素占比情況詳見圖2。山東省半島諸河流域20種抗生素檢出總質(zhì)量濃度在18.0～180 ng/L之間、平均總質(zhì)量濃度61.4 ng/L；小清河流域在16.8～350 ng/L之間、平均總質(zhì)量濃度175 ng/L；海河流域在74.3～347 ng/L之間、平均總質(zhì)量濃度232 ng/L；淮河流域在36.6～265 ng/L之間、平均總質(zhì)量濃度118 ng/L。海河流域平均檢出總濃度最高，全省38個(gè)點(diǎn)位平均檢出總質(zhì)量濃度為135 ng/L。

應(yīng)光國(guó)等[10]預(yù)測(cè)出我國(guó)58個(gè)流域中涉及本文的六大類常用抗生素平均總濃度在200 ng/L左右。本研究抗生素總濃度超出該水平的點(diǎn)位共10個(gè)，4個(gè)位于小清河流域(9#、8#、12#、15#)、3個(gè)位于海河流域(20#、21#、19#)、3個(gè)位于淮河流域(35#、34#、31#)，其中9#和20#抗生素總質(zhì)量濃度最高分別達(dá)到350 ng/L和347 ng/L；檢出總質(zhì)量濃度小于40 ng/L的點(diǎn)位共6個(gè)，3個(gè)位于半島流域(1#、3#、2#)、2個(gè)位于小清河流域(11#、10#)、1個(gè)位于淮河流域(36#)。11#質(zhì)量濃度最低，為16.8 ng/L。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位20種抗生素總濃度及6類抗生素占比情況示意圖Fig.2 The total antibiotics concentrations of all sampling sites and the proportions of 6 types of antibiotics

地表水中不同類抗生素的含量組成差異，一定程度上與其環(huán)境行為和使用量有關(guān)[11]，人口越密集區(qū)的下游往往抗生素污染越嚴(yán)重；對(duì)于適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖的入海(湖)河口、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，由于外排廢水往往得不到較好處置而直接排放，抗生素濃度也會(huì)明顯增高。小清河流域的9#、8#位于小清河章丘下游段，12#位于支脈河博興縣下游段，15#位于溢洪溝墾利縣下游段；海河流域的20#、21#分別位于東營(yíng)市神仙溝及挑河下游河口附近，19#位于徒駭河莘縣下游段；淮河流域35#位于北沙河滕州市下游，34#位于寧陽(yáng)溝寧陽(yáng)縣下游段，31#位于東溝河單縣下游段，這些檢出總濃度偏高的點(diǎn)位，其上游均接納大量來(lái)自流經(jīng)區(qū)域市、縣等污水處理廠排水及沿河村鎮(zhèn)排放的分散型未經(jīng)處理的直排污水。而檢出總濃度偏低的各點(diǎn)，其上游均無(wú)大規(guī)模城市污水處理廠外排廢水匯入或主要以工業(yè)廢水為主，如位于小清河流域淄博段主要排水口的10#、11#，主要以齊魯石化工業(yè)園區(qū)工業(yè)廢水為主，園區(qū)生活污水占比不大；半島流域的1#～3#，淮河流域36#，上游均無(wú)大的人口密集區(qū)，主要以地面徑流及沿河村鎮(zhèn)少量分散型直排污水為主。

目前大環(huán)內(nèi)脂類抗生素被廣泛用于人類疾病治療[12]，諾氟沙星和環(huán)丙沙星等喹諾酮類抗生素不僅在人類醫(yī)療中占有較重地位，也大量用于畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，土霉素、四環(huán)素、強(qiáng)力霉素等四環(huán)素類抗生素由于副作用較大，在畜禽養(yǎng)殖中應(yīng)用較多，一般作為抗病藥物、生長(zhǎng)促進(jìn)劑等添加于飼料中[13]。因此，分析地表水中抗生素組成可從一定程度上反映出其污染來(lái)源。本研究中，地表水中目前臨床常用的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素在檢出總濃度中占比超60%的點(diǎn)位有小清河的9#、北沙河的35#、墨水河的4#、梁濟(jì)運(yùn)河入南四湖的22#，分別達(dá)到72.0%、67.5%、67.4%、60.1%，這應(yīng)與上述點(diǎn)位正位于濟(jì)南、滕州、青島、濟(jì)寧等城市人口密集區(qū)下游，河流接納了來(lái)自城區(qū)污水處理廠大量外排污水有關(guān)；各流域中位于縣市區(qū)等人口密集區(qū)下游、但距離城區(qū)匯水口較遠(yuǎn)河段的點(diǎn)位(8#、19#、23#、24#、25#、33#、34#、38#)，因同時(shí)接納沿河村鎮(zhèn)排放的分散型直排生活、畜禽養(yǎng)殖污水，呈現(xiàn)地表水中大環(huán)內(nèi)酯類與喹諾酮類抗生素占比相當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，這應(yīng)與近年諾氟沙星、氧氟沙星等喹諾酮類藥物亦大量用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)有關(guān)。此外，位于東營(yíng)市河口區(qū)下游的神仙溝(20#)及挑河(21#)四環(huán)素類抗生素在檢出總濃度中占比最高，分別達(dá)到80.8%、67.8%，這應(yīng)與該區(qū)域近渤海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)、分散養(yǎng)殖廢水排放影響有關(guān)；且本研究發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素類抗生素在檢出總濃度中占比超過(guò)50%的點(diǎn)位大都位于河流入海(湖)口附近水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，比如小清河流域位于支脈河墾利段的14#、淮河流域位于泗河入湖河口附近的30#及龍王河河口附近的37#、半島流域乳山河河口附近的6#，這與李壹等[14]研究結(jié)果基本一致。

3 結(jié)論

1)抗生素的特性和用量決定了其污染狀況和空間分布。山東省境內(nèi)主要河流中6類20種抗生素均有檢出，地表水中大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素整體檢出濃度占比相對(duì)較高；檢出的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素以羅紅霉素和紅霉素為主，喹諾酮類抗生素以氧氟沙星、環(huán)丙沙星和諾氟沙星為主，四環(huán)素類抗生素以四環(huán)素和土霉素為主?？股匚廴疚锏慕M成與國(guó)內(nèi)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

2)山東省半島流域、淮河流域、小清河流域和海河流域20種抗生素平均總質(zhì)量濃度分別為61.4、118、175、232 ng/L，全省平均總質(zhì)量濃度為135 ng/L; 半島諸河流域抗生素污染較小，海河流域污染相對(duì)較為嚴(yán)重。臨床常用的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素在人口密集區(qū)濃度較高，與生活污染源緊密相關(guān)；四環(huán)素類抗生素的高濃度主要集中在河流入海(湖)口等畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，與畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖有關(guān)。

3)應(yīng)加強(qiáng)抗生素污染的監(jiān)管。雖然近年山東省城鎮(zhèn)污水收集率及處理能力均顯著提高，境內(nèi)主要河流水質(zhì)有了較大改善，但水中抗生素濃度仍處于較高水平，畜牧養(yǎng)殖業(yè)廢水排放的貢獻(xiàn)不容忽視，管理仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。