苕溪表層水體典型抗生素污染特征與生態(tài)風險評價

徐磊 葉雪平 郝貴杰 盛鵬程 周冬仁 孫博懌 張海琪

摘要? ? 為了評價湖州地區(qū)苕溪表層水體抗生素的污染水平和生態(tài)風險，利用超高效液相色譜-串聯質譜儀，對東、西苕溪表層水體中3類典型抗生素（喹諾酮類、四環(huán)素類、磺胺類）的污染水平和污染特征開展了檢測分析。結果表明，苕溪表層水體中共檢測出8種抗生素，其質量濃度范圍≤326.6 ng/L。其中磺胺二甲基嘧啶的檢出率最高，達52.1%;磺胺甲基異噁唑的質量濃度平均值最高，為15.6 ng/L。無論是檢出率還是質量濃度，均為磺胺類>喹諾酮類>四環(huán)素類。整體而言，西苕溪污染水平低于東苕溪。與國內外其他水域相比，苕溪水體中抗生素的質量濃度總體處于較高水平。本研究的分析評價結果表明，苕溪水體中的抗生素對相應的敏感物種存在較高的生態(tài)毒性風險，其中磺胺甲基異噁唑尤為突出。

關鍵詞? ? 抗生素;表層水;污染特征;生態(tài)風險評價;苕溪

中圖分類號? ? X522? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）07-0180-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Typical? Antibiotic? Pollution? Characteristics? and? Ecological? Risk? Assessment? of? Surface? Water? in? Tiaoxi? River

XU Lei 1，2，3? ? YE Xue-ping 1，2，3? ? HAO Gui-jie 1，2，3? ? SHENG Peng-cheng 1，2，3? ? ZHOU Dong-ren 1，2，3? ? SUN Bo-yi 1，2，3

ZHANG Hai-qi 1，2，3 *

（1 Key Laboratory of Healthy Freshwater Aquaculture，Agriculture Ministry，Huzhou Zhejiang 313001; 2 Key Laboratory of Fish Health and Nutrition of Zhejiang Province; 3 Zhejiang Institute of Freshwater Fisheries）

Abstract? ? In order to evaluate the pollution level and ecological risk of antibiotics in the surface water of Tiaoxi River in Huzhou area，three kinds of typical antibiotics（quinolones，tetracyclines，sulfonamides） in surface waters of East and West Tiaoxi River were detected by UPLC-TQ/MS.The results showed that seven kinds of antibiotics were detected in the surface water of Tiaoxi River，and the concentration range was ≤326.6 ng/L.The detection rate of sulfamethazine was the highest，reached 52.1%.The average concentration of isoxazole was 15.6 ng/L，regardless of the detection rate or mass concentration，sulfonamides>quinolones>tetracyclines.Qverall，the pollution level of West Tiaoxi River was lower than that of East Tiaoxi River.Compared with other waters at home and abroad，the concentration of antibiotics in the waters of Tiaoxi River was generally at a high level.The evaluation results showed that the antibiotics in the waters of Tiaoxi River had high ecotoxicity risks to the corresponding sensitive species，the sulfamethoxazole was particularly prominent.

Key words? ? antibiotic;surface water;pollution characteristic;ecological risk assessment;Tiaoxi River

抗生素是生物（包括微生物、植物和動物）在其生命活動過程中所產生的（或由其他方法獲得的）有機代謝產物，它能在低微濃度下選擇性地抑制或影響其他生物的次級代謝產物及其衍生物[1]。目前，生產和使用最廣泛的抗生素有磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類、 β-內酰胺類、氨基糖苷類、大環(huán)內酯類和頭孢菌素類等。中國作為抗生素產量最大的國家，2013—2018年，我國抗生素平均年產量為19.3萬t。據估計，我國抗生素人均消耗量是美國的10倍[2]。在我國的藥物處方中，抗生素約占70%，遠大于西方國家30%的占比，說明我國抗生素濫用情況較為嚴重[3]。

多數抗生素在人和動物體內都不能完全代謝，以原形或活性代謝產物的形式通過糞便排出體外[4-5]。抗生素一旦釋放進入環(huán)境中，便分布到土壤、水和空氣中，并經過吸附、水解、光降解及生物降解等過程產生一系列代謝及降解產物，而這些產物往往具有更大的毒性[6]。目前，關于抗生素污染的研究已成為國際熱點之一[7]。近年來，抗生素的大量生產及應用，已經在我國很多地區(qū)造成了相當嚴重的污染。由于我國的污水處理系統(tǒng)無法對抗生素起到很好的作用[8]，進入到水體中的抗生素嚴重阻礙了水資源的重復利用[9]?？股氐陌胨ブ芷谝话愣疾婚L，但由于頻繁使用并能輕易進入到環(huán)境中，導致了“假持續(xù)”現象的出現，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構成了潛在的危害[10-11]。整體而言，抗生素的環(huán)境污染現狀及其生態(tài)毒理效應已成為我國乃至全球所面臨的重大環(huán)境問題之一[12]。

水產養(yǎng)殖是水體中抗生素的重要來源之一[13]，高密度的水產養(yǎng)殖離不開抗生素的大量使用，從而不可避免的造成了水環(huán)境中抗生素的殘留。XU等[13]研究了珠江三角洲水環(huán)境中常見抗生素的分布、行為與歸宿。ZHENG等[14]研究了欽州灣水體中磺胺類抗生素的污染特征與生態(tài)風險。秦延文等[15]研究了大遼河表層水體的抗生素污染特征和生態(tài)風險。有研究表明，養(yǎng)殖塘中有70%～80%的抗生素最終將會進入環(huán)境中[16]。

浙江湖州自古被譽為絲綢之府、魚米之鄉(xiāng)，是我國著名的十大淡水魚養(yǎng)殖基地。漁業(yè)作為湖州農業(yè)的首位產業(yè)，2018年漁業(yè)總產值已突破100億元。苕溪作為浙江省境內的八大水系之一，貫穿湖州全境，是湖州地區(qū)最主要的水系。本研究以苕溪表層水為研究對象，對其中抗生素的組成及分布特征進行分析，并對抗生素的污染水平和生態(tài)風險進行初步評價，以了解苕溪水體抗生素的殘留狀況，以期為苕溪水體環(huán)境保護提供科學的參考依據。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 采樣點的設置

調查時間為2017年4月、8月、11月，調查區(qū)域主要為西苕溪（安吉至湖州段）、東苕溪（乾元鎮(zhèn)至湖州段）和苕溪（匯合處至太湖段）。在3個河段上總共設了16個采樣點，采樣點主要依據周邊養(yǎng)殖具體情況而布設，其中菱湖鎮(zhèn)、和孚鎮(zhèn)、鐘管鎮(zhèn)、乾元鎮(zhèn)和梅溪鎮(zhèn)都是湖州的漁業(yè)特色強鎮(zhèn)。共設16個采樣點，3個季度共采集水樣48個。具體采樣點分布見表1和圖1。

1.2? ? 樣品采集及預處理

水樣1 L，均從河流表層以下0.5 m處采集，加鹽酸200 μL調節(jié)pH值至3.0，存放于棕褐色玻璃瓶中密封保存，運回實驗室后置于4 ℃冷藏，48 h內分析。

1.3? ? 主要儀器和材料

冷凍干燥機，由美國Labconco公司生產;旋轉蒸發(fā)儀，由瑞士BUCHI公司生產;超高效液相色譜串聯質譜儀（TQ MS/I-CLASS系列），由美國Waters公司生產;固相萃取裝置，由美國SUPELCO公司生產;氮吹儀，由美國Orgnomation公司生產。

試劑包括磺胺二甲基嘧啶（SM2）、磺胺甲基異噁唑（SMZ）、磺胺多辛（SDX）、磺胺嘧啶（SD）、磺胺甲基嘧啶（SMR）、土霉素（OTC）、環(huán)丙沙星（CIP）、磺胺異噁唑（SFZ）、金霉素（CTC）、氧氟沙星（OFLX）、四環(huán)素（TC）、諾氟沙星（NOR）、培氟沙星（PEF）、恩諾沙星（ENR）、司帕沙星（SPA）、強力霉素（DXC）;內標物為氘代磺胺多辛-D3（SDX-D3）、氘代恩諾沙星（ENR-D5）和氘代諾氟沙星（NOR-D5）等，均來自德國Dr. Ehrensorfer公司。

Oasis HLB固相萃取小柱（225 mg/Oasis HLB Plus Short cartridges，由美國Waters公司生產。

1.4? ? 樣品處理

水樣經0.45 μm濾膜過濾。取500 mL已過濾的水，加入內標混合標準溶液，充分混勻，然后利用225 mg/Oasis HLB Plus Short cartridges小柱（小柱上方接50 mL注射針筒）進行固相萃取富集。上樣前，HLB柱依次用5 mL甲醇和5 mL超純水進行活化平衡;上樣時，流速控制在5～8 mL/min;上樣后，用10 mL超純水淋洗HLB柱，負壓抽干后置于冷凍干燥機中干燥10 min;最后，用6 mL甲醇經行洗脫，收集洗脫液并在40 ℃下用氮氣吹干，用流動相（15%乙腈、7%甲醇、78%水）定容至1.0 mL。

1.5? ? 質量控制

采用外標法對四環(huán)素類進行定量分析，采用內標法對磺胺類和喹諾酮類進行定量分析。

加標實驗是以河水為基質進行的，加10 ng和25 ng混合標準品到500 mL水中，最低檢出限為S/N≥3。河水中的抗生素檢出限設定為2.5～10 ng/L，回收率在59.45%～109.2%之間。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 苕溪水體中抗生素的濃度

由表2可知，共檢測出8種抗生素，包括磺胺類（SD、SM2、SDX、SFZ、SMZ）、喹諾酮類（NOR、ENR、OFLX），而4種四環(huán)素類抗生素均未檢出。磺胺類的濃度與檢出率均高于其他2大類抗生素，其中SD、SM2、SMZ等3種抗生素的檢出率均超過40%，檢出的最大濃度為SM2的326.6 ng/L，SMZ的平均濃度最高，濃度為15.6 ng/L。由此可見，苕溪水體中的抗生素主要以磺胺類為主，這與其他文獻中的研究結果一致[17-18]。水體中磺胺類抗生素的濃度遠高于其余兩類，這主要與抗生素本身的吸附特性有關，崔? 皓等[19]研究發(fā)現，喹諾酮類和四環(huán)素類主要以陽離子交換吸附為吸附機理，這2類抗生素的分子結構特點決定了其在底泥中有非常強的吸附能力?；前奉惪股氐姆肿咏Y構特點使得其在底泥中的吸附能力很弱。此外，陳? 昦等[20]研究發(fā)現磺胺類抗生素在土壤中的吸附則以物理吸附為主，吸附能力弱。因此，相較于其他2大類抗生素，磺胺類抗生素的水溶性更強，在河流環(huán)境中，其更容易存在于水體中。

苕溪水體中雖然檢測出磺胺類抗生素的存在，但由于目前缺少相關的判定標準，所以無法判定磺胺類抗生素的濃度是否超標，但通過與其他天然水域做比較，仍然可以對苕溪的抗生素污染程度有大致的了解。以SD、SMZ、SFZ為例，由表3可以看出，苕溪中磺胺類抗生素與其他地區(qū)相比偏高，與渤海灣和珠江流域接近，尤其是SD和SMZ。中國科學院廣州地球化學研究所應光國課題組于2015年6月獲取首份中國抗生素使用量和排放量清單[21]，預測得出全國58個流域的“抗生素環(huán)境濃度地圖”，其中渤海灣的海河流域和廣州的珠江流域是全國抗生素污染最為嚴重的地區(qū)。杭嘉湖地區(qū)的抗生素濃度僅次于渤海灣和珠江流域。這主要歸因于這3個流域人口密度高，水產養(yǎng)殖發(fā)達，導致抗生素使用量、排放量大、排放密度高，再加上我國的污水處理水平較低，造成了大量抗生素進入河流水體中。

2.2? ? 東西苕溪水體中抗生素比較

將3個季度檢測到的抗生素總量相加，以采樣點W1為例，該采樣點位于安吉縣城區(qū)，4月份水樣中測得抗生素有SM2 4.28 ng/L、SDX 2.08 ng/L、SMZ 18.18 ng/L，8月水樣中未測得抗生素，11月水樣中測得抗生素SD 6.68 ng/L、OFLX 4.04 ng/L。在3個季度采集的1.5 L水樣中共測得抗生素總量17.63 ng。根據抗生素總量，在圖1中繪制柱狀圖。西苕溪抗生素總量最大的點是W2，總量為45.6 ng，其周邊有幾家黃顙魚和泥鰍的養(yǎng)殖大戶。E1和E2是東苕溪段內測得抗生素最高的2個點，分別是80.98 ng和81.92 ng，其中E1是乾元鎮(zhèn)鎮(zhèn)內，E2周邊是幾家青蝦養(yǎng)殖塘。

整體來看，西苕溪的6個采樣點抗生素總量平均值為47.48 ng，東苕溪8個采樣點抗生素總量平均值為91.67 ng?？梢?，東苕溪中的抗生素含量要高于西苕溪。東、西苕溪水量接近，每年汛期也接近，造成抗生素含量差異的原因可能在于東苕溪周圍的養(yǎng)殖面積更大。相較于安吉地區(qū)，德清縣的乾元鎮(zhèn)、鐘管鎮(zhèn)，南潯區(qū)的菱湖鎮(zhèn)、和孚鎮(zhèn)都是湖州地區(qū)有名的養(yǎng)殖大鎮(zhèn)，菱湖鎮(zhèn)更是被授予中國淡水漁都。更大的養(yǎng)殖面積意味著更多抗生素的投入，從而流入水體環(huán)境中。

2.3? ? 苕溪水體中抗生素的季節(jié)變化規(guī)律

選取了檢出頻率最高的5種抗生素，分析了5種抗生素在3個季節(jié)中含量變化情況，見表4?？梢园l(fā)現，磺胺類抗生素在11月的檢測率和濃度要略高于其他2個季節(jié)。一方面，可能是因為冬季苕溪水位較低，水流量也低于春、夏季，導致水體中的抗生素濃度會偏高一些;另一方面，溫度對獸藥抗生素的降解影響很大。在55 ℃的條件下，金霉素在牛糞中30 d降解98%～99%;而在25 ℃的條件下，30 d僅降解了40%～49%[22]。冬季低溫使得水體中的抗生素不易被微生物分解而在環(huán)境中停留更長時間，因而更容易被檢測到。此外，喹諾酮類抗生素并沒有明顯的季節(jié)變化。

2.4? ? 抗生素的生態(tài)風險評估

根據歐盟的技術指導文件（TGD）中關于環(huán)境風險評價的方法[23]，藥品在環(huán)境中的生態(tài)風險可以根據風險商值（RQs）大小來評估。RQs的計算可以通過污染物的環(huán)境預測濃度（predicted environmental concentration，PEC）或者實際監(jiān)測濃度（measured environmental concentration，MEC）與預測無效應濃度（predicted no-effect concentration，PNEC）的比值獲得[24]：

RQs=MEC/PNEC或RQs=PEC/PNEC（1）

PNEC=LC50/AF或PNEC=EC50/AF（2）

式中，PEC為環(huán)境預測濃度（ng/L）;MEC為環(huán)境實測濃度（ng/L）;PNEC為預測無效濃度（ng/L）;LC50為半致死濃度（ng/L）;EC50為半最大效應濃度（ng/L），RQs為風險商值。

本研究中，SD、SM2、SMZ、ENR、OFLX等5種抗生素的檢出率和檢出濃度遠高于其他種類，故風險評估以這5種抗生素為主。PNEC值主要是通過從文獻中收集抗生素對一些物種的急性和慢性毒理數據求得，也有部分PNEC數據直接來源于其他文獻。基于最壞情況考慮，PNEC計算篩選使用最敏感物種獲得，同時環(huán)境中實測抗生素濃度選擇最大值計算[24]，計算結果見表5。

從表5可以看出，SM2的生物毒性最小，OFLX的生物毒性最大，整體而言，喹諾酮類的毒性大于磺胺類。根據表2中測得的抗生素實際濃度最大值與表5中的PNEC值，結合公式（1）得到苕溪水體中磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲基異噁唑、恩諾沙星、氧氟沙星的RQs分別為0.034、0.017、5.32、0.89、3.23。環(huán)境生態(tài)風險的高低根據Hernando等[28]提出的RQs分類方法來評估生態(tài)風險等級：RQs<0.1為最低風險;0.1≤RQs<1為中等風險;RQs≥1為高風險?？梢钥闯?，SD和SM2屬于最低風險，ENR為中等風險，SMZ和OFLX屬于高風險。結合表2，SMZ的檢測率高達45.8%，而且在48個樣品中，SMZ的平均濃度為15.6 ng/L，是本研究中16種抗生素中的最大值。因此，可以認為SMZ對苕溪水體中的水生生物有比較高的毒性風險。

3? ? 結論

（1）在苕溪中采集的48個水樣，共檢測到8種抗生素，濃度為“ng/L”數量級，其中SD、SM2、SMZ等3種抗生素檢出率均超過40%。SM2檢測到最大濃度為326.6 ng/L，SMZ的平均濃度最高，為15.6 ng/L。苕溪水體中的抗生素以磺胺類為主，這與磺胺類本身的親水特性有關。與國內其他河流比較，苕溪水體抗生素污染較為嚴重。

（2）在西苕溪的6個采樣點抗生素總量平均值為47.48 ng，東苕溪8個采樣點抗生素總量平均值為91.67 ng。整體來看，東苕溪中的抗生素含量要高于西苕溪。這可能與河流周圍的養(yǎng)殖模式和養(yǎng)殖面積有關。

（3）苕溪水體中的抗生素與季節(jié)并無明顯關系。

（4）根據風險商值（RQs）大小來對苕溪水體中的抗生素進行評估，其中SMZ和OFLX屬于高風險，并且SMZ對苕溪水體中的水生生物威脅最大。整體而言，苕溪水體中抗生素的污染不容忽視。

4? ? 參考文獻

[1] 梁惜梅，施震，黃小平.珠江口典型水產養(yǎng)殖區(qū)抗生素的污染特征[J].生態(tài)環(huán)境學報，2013（2）：126-132.

[2] JIANG Y，LI M，GUO C，et al.Distribution and ecological risk of antibiotics in a typical effluent-receiving river（Wangyang River）in north China[J].Chemosphere，2014，112：267-274.

[3] RICHARDSON B J，LAM PKS，MARTIN M.Emerging chemicals of concern：pharmaceuticals and personal care products（PPCPs）in Asia，with particular reference to Southern China[J].Marine Pollution Bulletin，50（9）：913-920.

[4] 劉偉，王慧，陳小軍，等.抗生素在環(huán)境中降解的研究進展[J].動物醫(yī)學進展，2009（3）：93-98.

[5] LIU Y，GUAN Y，GAO B，et al.Antioxidant responses and degradation of two antibiotic contaminants in Microcystis aeruginosa[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2012，86（6）：23-30.

[6] 李偉明，鮑艷宇，周啟星.四環(huán)素類抗生素降解途徑及其主要降解產物研究進展[J].應用生態(tài)學報，2012，23（8）：2300-2308.

[7] ZOU S，XU W，ZHANG R，et al.Occurrence and distribution of antibiotics in coastal water of the Bohai Bay，China：impacts of river discharge and aquaculture activities[J].Environmental Pollution，2011，159（10）：2913-2920.

[8] CEANE M，BOXALL A B，BARRET K.Veterinary medicines in the environment [M].New York：CRC Press，2004.

[9] 周啟星，羅義，王美娥.抗生素的環(huán)境殘留、生態(tài)毒性及抗性基因污染 [J].生態(tài)毒理學報 2007，2（3）：243-251.

[10] CHRISTEN V，HICKMANN S，RECHENBERG B，et al.Highly active human pharmaceuticals in aquatic systems：a concept for their identification based on their mode of action[J].Aquatic Toxicology，2010，6（3）：167-181.

[11] KHETAN S K，COLLINS T J.Human pharmaceuticals in the aquatic environment：a challenge to green chemistry[J].Chemical Reviews，2007， 107（6）：2319-2364.

[12] 劉建超，陸光華，楊曉凡，等.水環(huán)境中抗生素的分布、累積及生態(tài)毒理效應[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2012（4）：18-24.

[13] XU W H，ZHANG G，ZOU S C，et al.Determination of selected antibiotics in the Victoria Harbour and the Pearl River，South China using high-performance liquid chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry[J].Environmental Pollution，2007，145（3）：672-679.

[14] ZHENG Q，ZHANG R，WANG Y，et al.Occurrence and distribution of antibiotics in the Beibu Gulf，China：impacts of river discharge and aquaculture activities[J].Marine Environmental Research，78（8）：26-33.

[15] 秦延文，張雷，時瑤，等.大遼河表層水體典型抗生素污染特征與生態(tài)風險評價[J].環(huán)境科學研究，2015，28（3）：361-368.

[16] JOHNSON A C，BELFROID A，CORCIA A D.Estimating steroid oestro-gen inputs into activated sludge treatment works and observations on their removal from the effluent[J].Science of the Total Environment，2000，256（2-3）：163-173.

[17] 徐維海，張干，鄒世春，等.模擬水流環(huán)境中抗生素的行為特征與歸宿[J].環(huán)境科學研究，2009，22（10）：1213-1217.

[18] DRILLIA P，STAMATELATOU K，LYBERATOS G.Fate and mobility of pharmaceuticals in solid matrices[J].Chemosphere，2005，60（8）：1034-1044.

[19] 崔皓，王淑平.環(huán)丙沙星在潮土中的吸附特性[J].環(huán)境科學，2012，33（8）：2895-2900.

[20] 陳昦，張勁強，鐘明，等.磺胺類藥物在太湖地區(qū)典型水稻土上的吸附特征[J].中國環(huán)境科學，2008，28（4）：309-312.

[21] ZHANG Q Q，YING G G，PAN C G，et al.Comprehensive evaluation of antibiotics emission and fate in the river basins of China：source analysis，multimedia modeling，and linkage to bacterial resistance[J].Environmental Science & Technology，2015，49（11）：6772-6782.

[22] 鄭佳倫，劉超翔，劉琳，等.畜禽養(yǎng)殖業(yè)主要廢棄物處理工藝消除抗生素研究進展[J].環(huán)境化學，2017（1）：37-47.

[23] EUROPEAN C.Technical guidance document on risk assessment in support of commission directive 93/67/EEC on risk assessment for new notified substances[R].Ispra，Italy：European Chemicals Bureau，European Commission Joint Research Center，European Comminities，2003.

[24] XUE B，ZHANG R，WANG Y，et al.Antibiotic contamination in a typical developing city in south China：occurrence and ecological risks in the Yongjiang River impacted by tributary discharge and anthropogenic activities[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2013，92：229-236.

[25] 武旭躍，鄒華，朱榮，等.太湖貢湖灣水域抗生素污染特征分析與生態(tài)風險評價[J].環(huán)境科學，2016，37（12）：4596-4604.

[26] FERRARI B，MONS R，VOLLAT B，et al.Environmental risk assessment of six human pharmaceuticals：are the current environmental risk asses-sment procedures sufficient for the protection of the aquatic environment？[J].Environmental Toxicology & Chemistry，2004，23（5）：1344-1354.

[27] BACKHAUS T，SCHOLZE M，GRIMME L H.The single substance and mixture toxicity of quinolones to the bioluminescent bacterium Vibrio fisheri[J].Aquatic Toxicology，2000，49（1）：49-61.

[28] HERNANDO M D，MEZCUA M，FERN？魣NDEZ-ALBA A R，et al.Environmental risk assessment of pharmaceutical residues in wastewater effluents，surface waters and sediments[J].Talanta，2006，69（2）：334-342.