不同水處理工藝對典型喹諾酮類抗生素的去除規(guī)律及潛在風(fēng)險(xiǎn)評估

張國芳

(上海城投〈集團(tuán)〉有限公司，上海 200020)

喹諾酮類抗生素(quinolones，QNs)是一類化學(xué)合成的抗菌藥物，具有抗菌譜廣、高效低毒、作用機(jī)制獨(dú)特、藥物動力學(xué)好以及目標(biāo)生物無交叉耐藥性等特點(diǎn)。自1962年第一代喹諾酮類藥物—-萘啶酸(nalidixic acid)[1]問世以來，QNs已經(jīng)歷40多年的發(fā)展，從最初只能對大腸桿菌等革蘭氏陰性菌有活性的萘啶酸發(fā)展到能對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌均有較好的殺滅活性，包括殺滅金黃色葡萄球菌、支原體和衣原體等微生物的第二代、第三代、第四代藥物，目前第三代藥物諾氟沙星等在臨床廣泛使用。

QNs能夠?qū)?xì)菌DNA合成中的DNA促旋酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶II和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV選擇性抑制，使細(xì)菌繁殖過程中的DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和重組受到阻礙，從而起到殺菌抑菌的效果[2]。在革蘭氏陽性菌細(xì)胞內(nèi)，拓?fù)洚悩?gòu)酶IV是拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用靶點(diǎn)，而在革蘭氏陰性菌細(xì)胞內(nèi)，DNA促旋酶則被作為目標(biāo)靶點(diǎn)[3]。由于在治療細(xì)菌疾病方面的優(yōu)良特性，QNs被廣泛應(yīng)用于人類疾病治療、動物養(yǎng)殖和農(nóng)作物種植中[2]。然而，研究表明，目前使用的抗生素約有58.2%以母體形式通過糞便直接排到自然環(huán)境中[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)直接將抗生素投加到水體中，因此，QNs在地表水的污染更為嚴(yán)重。人類自身使用的抗生素多集中于醫(yī)療衛(wèi)生和家庭，部分未被分解的抗生素藥物通過醫(yī)院排水和生活污水直接排入城市污水管網(wǎng)，經(jīng)由污水處理廠處理后排入水體[5]。QNs的酸堿特性使其在環(huán)境中具有較好的遷移能力[6]，能夠通過地表徑流進(jìn)入飲用水中，從而對人類健康造成潛在的影響。Zou等[7]在渤海灣沿岸水域中檢測出諾氟沙星及氧氟沙星濃度高達(dá)6 800 ng/L和5 100 ng/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他流域[8-10]。珠江廣州河段QNs最高檢測濃度達(dá)到510 ng/L，遠(yuǎn)高于國內(nèi)其他地表水域。QNs不僅能在地表水中檢出，在地下水中也能檢出。Calinman等[11]對地下水中殘留抗生素情況進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)氧氟沙星、加替沙星及其代謝產(chǎn)物在地下水中大量存在，部分地下水中QNs濃度達(dá)到μg/L水平。西班牙東北部巴塞羅那地下水中檢出氧氟沙星、諾氟沙星、環(huán)丙沙星、依諾沙星、恩諾沙星、單諾沙星這6種QNs，濃度在264～ 543 ng/L[12]。瑞典某制藥廠附近村莊井地下水中檢出環(huán)丙沙星和依諾沙星，濃度分別為14 000 ng/L和1 900 ng/L。天津地下水中也報(bào)道了QNs的檢出，檢出濃度為31.8～42.5 ng/L[12]。

因此，本研究對華東地區(qū)某水廠QNs殘留情況進(jìn)行調(diào)查，研究QNs在水廠中的去除特征，并基于風(fēng)險(xiǎn)商，初步評價(jià)QNs對人體健康可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 試劑與設(shè)備

抗生素標(biāo)準(zhǔn)品：諾氟沙星(norfloxacin，NOR，>98%)、環(huán)丙沙星(ciprofloxacin，CIP，>99%)、氧氟沙星(ofloxacin，OFL，>99%)、恩諾沙星(enrofloxacin，ENR，>99%)、洛美沙星(lomefloxacin，LOM，>98%)、沙拉沙星(sarafloxacin，SAR，>98%)、達(dá)氟沙星(danofloxacin，DOF，>98%)、氟甲喹(flumequine，F(xiàn)JK，>99%)、惡喹酸(oxolinic acid，OXO，>99%)、環(huán)丙沙星-D8(CIP-D8)和13C3-咖啡因(13C3-caffeine)均購自Dr. Ehrenstorfer GmbH(Augsburg，Germany)。甲醇(99.9%，色譜純)和乙腈(99.9%，色譜純)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

12孔固相萃取裝置(Supelco，USA)；固相萃取柱：UniElut C18HCE [1 000 mg/(6 mL)，華譜新創(chuàng)科技有限公司)]；抽濾裝置(Whatman，UK)；玻璃纖維濾紙(GF/F，47 mm，Whatman，UK)；固相萃取小柱連接管(PTFE)、GM-1.0 A無油隔膜真空泵和DC-12氮?dú)獯蹈蓛x均購自上海安譜科學(xué)儀器有限公司。

Agilent Zorbax Eclipse Plus C18色譜柱(2.1 mm×150 mm，3 μm)；Agilent 1260高效液相色譜(Agilent Technologies，USA)；Agilent 6430三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(Agilent Technologies，USA)。

1.2 水廠概述及采樣點(diǎn)設(shè)置

本研究選取華東地區(qū)某水廠作為研究對象。該水廠包括常規(guī)(A線)和深度(B線)兩種飲用水處理工藝(圖1)。A線運(yùn)行具體參數(shù)：預(yù)絮凝/混凝為16～20 mg/L的聚合氯化鋁；氯消毒為1.0 mg/L的次氯酸鈉。B線運(yùn)行具體參數(shù)：預(yù)臭氧為0.1 mg/L臭氧；絮凝/混凝劑為10～15 mg/L聚合氯化鋁以及 0.1 ～ 0.15 mg/L聚丙烯酰胺；氯消毒為1.0 mg/L的次氯酸鈉。

水樣分別采集于水廠原水、常規(guī)處理工藝的沉淀池出水、砂濾池出水、氯消毒出水處和深度處理工藝的沉淀池出水、砂濾池出水、臭氧出水、活性炭濾池出水、氯消毒出水處，共計(jì)9個采樣點(diǎn)，具體采樣位置如圖1所示。使用5 L棕色瓶采樣，投加5 mL 0.1 mol/L的硫代硫酸鈉，冰袋保持低溫，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，24 h內(nèi)完成固相萃取等前處理操作。采樣時間為2017年9月和2018年1月。

圖1 水廠工藝流程圖及采樣點(diǎn)設(shè)置Fig.1 Flow Chart of Water Treatment Process and Sampling Points

1.3 樣品分析

1.3.1 水樣前處理

水樣前處理參考文獻(xiàn)[13-14]并進(jìn)一步優(yōu)化。將500 mL水樣經(jīng)0.7 μm玻璃纖維濾膜真空抽濾，加入0.2 g Na2EDTA，絡(luò)合水樣中Ca2+、Mg2+等金屬離子，用0.1 mol/L的鹽酸、氫氧化鈉和磷酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至8.0，加入100 ng環(huán)丙沙星和咖啡因同位素標(biāo)記物(1 mL、100 μg/L的CIP-D8和13C3-Caffeine)內(nèi)標(biāo)物。HCE-C18萃取柱依次用10 mL甲醇、10 mL超純水和10 mL與水樣pH一致的磷酸鹽水溶液活化。以3～5 mL/min過萃取柱。萃取完后，真空泵25～30 min抽干，用5%(體積比)的甲醇水溶液淋洗，最后用10 mL甲酸/甲醇溶液洗脫。洗脫液在35 ℃水浴條件下，用氮?dú)饩徛拇抵两?，?0%(體積比)的甲醇水定容至1 mL，經(jīng)0.22 μm尼龍濾膜過濾，-20 ℃保存，待進(jìn)樣分析。

1.3.2 HPLC-MS/MS分析

液相條件：進(jìn)樣量為5～10 μL；流動相流速為0.4 mL/min；有機(jī)相為0.1%:99.9%的甲酸/乙腈溶液；水相為0.1%:99.9%的甲酸/水溶液。梯度洗脫程序：0～5 min，水相/有機(jī)相體積比由85%/15%線性降低至75%/25%，在13 min時降低至55%/45%，14 min時降低至15%/85%，并保持1.5 min，17 min時回到65%/35%并持續(xù)上升，18.5 min時回到85%/15%并保持0.5 min。

質(zhì)譜條件：采用正電噴霧電離源，干燥氣溫度為350 ℃；氣體流為11 L/min；正電離模式毛細(xì)管電壓為4 000 V；負(fù)電離模式毛細(xì)管電壓為3 000 V；霧化器壓力為15 psi(1 psi=6.89 kPa)；9種QNs的母離子、2個子離子、碎裂電壓等參考前期研究[14]。

1.4 人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

QNs在自然環(huán)境的殘留可能會影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至直接或間接地影響人類健康。因此，評價(jià)飲用水環(huán)境中QNs可能造成的人體健康風(fēng)險(xiǎn)極其重要。本研究基于QNs對人體日均可接受最大攝入量的健康風(fēng)險(xiǎn)商模型，計(jì)算對不同年齡段人群可能造成的健康風(fēng)險(xiǎn)[15]，具體計(jì)算如式(1)和式(2)。

RQs=Cm/DWEL

(1)

DWEL=ADI×BW×HQ/(DWI×AB×FOE)

(2)

其中：Cm——目標(biāo)QNs在實(shí)際樣品中檢出濃度，μg/L；

DWEL——飲用水中的當(dāng)量值，μg/L；

ADI——日均可接受攝入量，μg/(kg·d)；

BW——人均體重，kg，參照美國ECOTOX數(shù)據(jù)庫和中華人民共和國農(nóng)業(yè)部農(nóng)牧發(fā)〔1999〕17號文件；

HQ——最高風(fēng)險(xiǎn)，通常取1；

DWI——日飲水量,L/d；

AB——腸胃對污染物的吸收率，按1計(jì)算；

FOE——污染物的暴露頻率，數(shù)值取365 d/a。

各年齡段BW和DWI值借鑒金磊等[16]的研究，具體參數(shù)匯總?cè)绫?所示?？紤]可能造成的最大風(fēng)險(xiǎn)，選擇檢出濃度最高值計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)商。

表1 QNs可接受每日攝入量和各年齡段人群體重、日飲用水量Tab.1 Selected Age Groups, Average Body Weight, Drinking Water Intakes and Acceptable Daily Intakes of Selected QNs

注：“-”表示未得到相關(guān)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與討論

2.1 典型QNs在水源水中的污染特征

本研究選取9種典型的QNs作為研究對象，包括目前仍在獸藥中使用的第二代喹諾酮FJK和OXO，以及廣泛應(yīng)用于人類和獸藥中的第三代喹諾酮NOR、CIP、OFL、ENR、LOM、SAR和DOF。這9種典型QNs在該飲用水廠原水中的檢出情況如表2所示，除LOM、SAR、FJK和OXO未檢出外，其余5種QNs在原水中均以100%的頻率檢出。這5種QNs均處于ng/L水平，總檢出濃度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是檢出濃度最高的抗生素，達(dá)45.55 ng/L。這與上游水源來水中CIP的檢出情況類似，其檢出頻率雖為45.6%，但其最高檢出濃度達(dá)176.4 ng/L[17]。NOR和DOF次之，檢出濃度分別為23.79～38.54 ng/L和16.85～34.56 ng/L。ENR也有微量檢出，但其檢出濃度均未超過11 ng/L。與以往報(bào)道相比，該水源地中QNs的污染水平遠(yuǎn)高于黃浦江[8]和長江[18]流域。例如，Jiang等[8]發(fā)現(xiàn)黃浦江水體中NOR、CIP、ENR、OFL和SRA的濃度均低于檢出限(8.34 ng/L)或未檢出。Chen等[19]在黃浦江水體中檢出ND～ 34.2 ng/L的NOR、CIP、ENR和OFL。Yan等[18]在長江水體中檢出的NOR、CIP、ENR和OFL濃度均低于14.2 ng/L。

表2 水廠QNs的檢出情況Tab.2 Occurrence of Quinolone Antibiotics in Water Treatment Plant (WTP)

2.2 不同處理工藝對典型QNs的去除規(guī)律

為掌握不同飲用水處理工藝對典型QNs的去除特征，分析該水廠原水中檢出的5種典型QNs在各處理單元的濃度變化，結(jié)果如圖2所示。水源水進(jìn)入水廠前均有預(yù)加氯過程，因此，在水廠原水中檢測到的目標(biāo)QNs濃度會略微小于水源地進(jìn)入管網(wǎng)的QNs濃度。圖2(a)為QNs在該水廠常規(guī)水處理工藝中的濃度變化。常規(guī)工藝是通過絮凝劑將懸浮的大分子顆粒物吸附沉降的過程，該過程只發(fā)生簡單的物理吸附，對溶解性的QNs去除效果有限，絕大多數(shù)目標(biāo)污染物在常規(guī)處理階段去除率不足20%。CIP和DOF在常規(guī)處理工藝去除率最高，分別為40%和23%。圖2(b)為深度處理工藝，與常規(guī)處理工藝相比，深度處理工藝在濾池后增加了臭氧氧化和活性炭濾池兩項(xiàng)工藝。深度處理工藝對目標(biāo)QNs的去除效率為23%～63%，是傳統(tǒng)沉淀和砂濾去除率的2～3倍。Simazki等[20]對日本6座水廠中包括抗生素在內(nèi)的64種藥物殘留情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)目標(biāo)污染物在水廠中低于50 ng/L，且具有臭氧氧化的深度處理工藝對目標(biāo)污染物的去除率在33% ～ 57%，明顯高于常規(guī)處理，與本研究結(jié)果類似。

圖2 水廠各工藝中QNs的去除 (a)常規(guī)工藝；(b)深度工藝Fig.2 Removal of Selected QNs by Different Water Treatment Processes (a) Conventional Process; (b) Advanced Process

表3為各水處理工藝與上一個工藝相比對目標(biāo)QNs的去除率。其中，常規(guī)處理工藝主要包括沉淀池和砂濾池。在常規(guī)水處理工藝中加入絮凝劑和混凝劑對水體中的懸浮顆粒物進(jìn)行絮凝沉降，并捕獲少量溶解的有機(jī)污染物，通過沉淀和砂濾實(shí)現(xiàn)固液分離達(dá)到凈化水質(zhì)的作用。傳統(tǒng)的水處理工藝對QNs去除效果有限，沉淀池和砂濾池對5種目標(biāo)QNs的去除率分別在3.4%～34.8%和0.3%～12.1%。這與國內(nèi)外報(bào)道的傳統(tǒng)水處理工藝對痕量有機(jī)污染物去除效果有限的結(jié)論相符[21-22]。Xu等[23]對城市飲用水處理廠中殘留的4種QNs進(jìn)行調(diào)查，原水中抗生素濃度為51～248 ng/L，而水廠出水中仍有5～46 ng/L的抗生素檢出。

表3 各工藝對QNs的去除率Tab.3 Removal of Selected QNs by Different Water Treatment Processes

臭氧活性炭工藝是目前國內(nèi)外較為常用的飲用水深度處理方法。其中，臭氧階段，臭氧與水中有機(jī)污染物通過分子形式或形成強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH)，起到去除的效果。報(bào)道指出，·OH對氨基、脂肪族化合物和活性芳環(huán)具有較強(qiáng)的選擇性[24]，適合水體中有機(jī)污染物的去除。該水廠深度處理工藝就是在傳統(tǒng)處理工藝的基礎(chǔ)上增加了臭氧氧化和活性炭吸附工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，明顯提高了對QNs的去除效率。結(jié)果表明，NOR、CIP和DOF在臭氧階段去除率分別為46.3%、35.4%和27.5%，OFL和ENR去除率相對較低，去除率為6.8%和12.6%?；钚蕴抗に囃舆B在臭氧之后，通過吸附作用捕捉殘留的有機(jī)污染物。因此，與臭氧氧化階段相比，活性炭對QNs的處理效果有限，去除率低于10.0%。雖然深度處理工藝較傳統(tǒng)工藝去除效率有所提升，但并沒有實(shí)現(xiàn)QNs的完全去除。Liu等[25]在研究臭氧對CIP、NOR和LOM的去除時發(fā)現(xiàn)，在臭氧投加量為2.0～5.0 mg/L時，去除效果可達(dá)到90.0%～99.0%的去除率。本研究臭氧過程對QNs去除效率低的原因，可能是自然水體中存在大量的溶解性有機(jī)碳(DOC)，臭氧首先與DOC反應(yīng)，再與水中溶解的少量抗生素發(fā)生反應(yīng)，從而使臭氧降解QNs的效果比試驗(yàn)結(jié)果差。

氯消毒是水廠水源水處理的最后一個工藝。通常飲用水中氯的投加量在1.0～2.0 mg/L，且接觸時間不少于30 min。同時，出廠水中往往要求保持一定的預(yù)氯含量，可以防止管網(wǎng)中微生物的滋生對水質(zhì)造成影響。NOR、CIP在氯消毒階段的去除率為10.9%和22.9%，OFL、ENR和DOF的去除率在1.8%～4.5%。Li等[26]在研究氯對痕量QNs的去除時發(fā)現(xiàn)：加氯量為10～15 mg/L時，OFL在1～ 5 min被完全去除；而氯對NOR和CIP的去除率有限，在加氯量為5～15 mg/L時，去除率為59.9% ～ 84.9%；同時，當(dāng)余氯量低于0.75 mg/L時，抗生素含量基本維持不變。

2.3 水廠典型QNs的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

水源水中檢出的QNs對從嬰幼兒到成人各年齡段的健康風(fēng)險(xiǎn)如圖3所示。所有目標(biāo)QNs對人體健康風(fēng)險(xiǎn)的商值在6.93×10-6～ 2.59×10-3，即所有目標(biāo)QNs在華東地區(qū)典型水源地中的風(fēng)險(xiǎn)商均小于1，且比較不同年齡段的人群發(fā)現(xiàn)，QNs對人體的風(fēng)險(xiǎn)值隨著年齡的增加而減少。其中，所有QNs對0 ～ 3個月的嬰幼兒表現(xiàn)出較高的風(fēng)險(xiǎn)；6歲以下的兒童，風(fēng)險(xiǎn)商值隨著年齡的增長而降低，較明顯；11歲以上的人群風(fēng)險(xiǎn)商值變化并不明顯。其中，CIP風(fēng)險(xiǎn)商值最高，對1～2歲的兒童風(fēng)險(xiǎn)商值高于1.09×10-3，這是由于CIP在所研究的QNs中其ADI值最低，僅為1.6 μg/(kg·d)。同時，ENR和DOF的RQs也高于0.000 1，其余目標(biāo)QNs均小于0.000 1。

圖3 水廠出廠水的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)Fig.3 Human Health Risk Assessment of Residual Quinolone in Finished Water of WTP

研究結(jié)果表明，華東地區(qū)水源水中QNs對人體健康無直接影響，這與其他研究已報(bào)道的結(jié)果類似[10,27]。Gaffney等[28]評價(jià)了葡萄牙自來水廠中31種化合物對不同年齡段人群造成的健康風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)包括QNs在內(nèi)的所有藥物均小于0.01。由于飲用水環(huán)境中殘留著多種包括抗生素在內(nèi)的有機(jī)污染物，它們之間存在的綜合風(fēng)險(xiǎn)和長期風(fēng)險(xiǎn)值得長期的關(guān)注。同時，目前飲用水處理對痕量抗生素的去除效果有限，部分抗生素通過管網(wǎng)進(jìn)入人體，其低劑量的長期接觸會導(dǎo)致兒童肥胖，甚至誘發(fā)飲用水中抗性細(xì)菌、抗性基因的增殖，增加飲用水輸水管網(wǎng)及二次供水中的微生物安全風(fēng)險(xiǎn)[29]。因此，需對水廠中殘留的抗生素進(jìn)一步控制。

3 結(jié)論

(1)除LOM、SAR、FJK和OXO未檢出外，其余5種QNs在原水中均以100%的頻率檢出，總檢出濃度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是檢出濃度最高的抗生素，達(dá)45.55 ng/L。

(2)“臭氧+活性炭”深度處理工藝較“絮凝/混凝+沉淀”常規(guī)處理工藝對QNs的去除效率更高。

(3)出廠水中QNs的人體健康風(fēng)險(xiǎn)在6.93×10-6～2.59×10-3，遠(yuǎn)小于1，說明對人體無直接風(fēng)險(xiǎn)。但是，多種抗生素相互之間的復(fù)合作用以及長期暴露的潛在風(fēng)險(xiǎn)值得進(jìn)一步關(guān)注。