浙江湖州苕溪底泥中抗生素殘留分析研究

文/盛鵬程 徐磊 林鋒 郝貴杰 周冬仁 孫博懌 沈小明 張海琪

為評(píng)價(jià)湖州地區(qū)苕溪底泥中抗生素的污染水平和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，本研究利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜儀，對(duì)東、西苕溪底泥中3大類典型抗生素的污染水平和污染特征開展了檢測(cè)分析。結(jié)果表明，苕溪底泥中共檢測(cè)出三類11種抗生素，其中土霉素的檢出率和平均質(zhì)量濃度最高，達(dá)18.8%和351.9ng/kg。此外苕溪底泥中喹諾酮類抗生素給相應(yīng)的敏感物種帶來較高的生態(tài)毒性風(fēng)險(xiǎn)，其中環(huán)丙沙星尤為突出。

一、引言

隨著養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，海域、河流、湖泊等水體抗生素的殘留污染問題日益引起人們的重視，已成為一大熱點(diǎn)話題。而作為抗生素的生產(chǎn)大國(guó)和使用大國(guó)，我國(guó)抗生素殘留也較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)水產(chǎn)抗生素每年用量在2萬噸左右，高于其它國(guó)家，這從一定程度上說明我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖存在濫用抗生素的現(xiàn)象。

抗生素的濫用給環(huán)境造成的影響比較復(fù)雜。大多數(shù)抗生素主要通過糞便以原型或活性代謝物的形式從生物體內(nèi)排出，釋放到環(huán)境中進(jìn)而與空氣、水以及土壤接觸發(fā)生水解、光解等一系列的反應(yīng)，造成環(huán)境污染。隨著抗生素在我國(guó)的大規(guī)模生產(chǎn)和使用，其殘留問題尤其是在水體中的殘留污染問題日益突顯，但目前我國(guó)污水處理系統(tǒng)不能很好地處理抗生素，使得水資源的再利用不能順利進(jìn)行?？股氐陌胨テ谕ǔ２婚L(zhǎng)，但是由于被頻繁使用和易于進(jìn)入環(huán)境，導(dǎo)致其出現(xiàn)“偽持久性”現(xiàn)象，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康構(gòu)成潛在危害?？偠灾?，抗生素的生態(tài)毒理作用及造成的環(huán)境污染已成為世界范圍內(nèi)重要的環(huán)境問題。

表1 苕溪采樣點(diǎn)的分布

底泥作為抗生素在水體環(huán)境中的重要?dú)w宿，常被檢測(cè)出高濃度的抗生素含量，因此檢測(cè)水體中底泥的抗生素含量對(duì)水體中抗生素殘留分析以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要的意義。苕溪貫穿湖州，是湖州最重要的水系，也是湖州水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要水源之一。為了更好地發(fā)展水產(chǎn)綠色健康養(yǎng)殖，本研究利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析了苕溪河沉積物中抗生素的組成和分布特征，初步評(píng)估了抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和污染水平，明確苕溪河沉積物中抗生素的殘留狀況，可為苕溪河的水質(zhì)環(huán)境提供理論依據(jù)，也可為該水系的抗生素風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要的技術(shù)支撐。

二、材料與方法

（一）采樣點(diǎn)的設(shè)置

調(diào)查于2019年4月、8月和11月進(jìn)行，采樣點(diǎn)主要分布在苕溪（太湖匯合段）、東苕溪（千元鎮(zhèn)湖州段）和西苕溪（安吉湖州段）。根據(jù)周圍的水產(chǎn)養(yǎng)殖情況，總共設(shè)置了16個(gè)采樣點(diǎn)。其中和孚鎮(zhèn)、菱湖鎮(zhèn)、鐘管鎮(zhèn)、乾元鎮(zhèn)、梅溪鎮(zhèn)均為湖州漁業(yè)強(qiáng)鎮(zhèn)。采樣點(diǎn)分布見表1和圖1。

圖1 苕溪采樣點(diǎn)分布及抗生素總量

（二）樣品處理

將沉積物樣品經(jīng)冷凍機(jī)冷凍干燥24小時(shí)，研磨并通過60目篩。精確稱量樣品2.0g，放置于離心管中并加入內(nèi)標(biāo)混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，混合1min，靜置1h，然后加入0.4g EDTA二鈉，5.0mL乙腈和5.0mL磷酸緩沖溶液（0.05mol/L，pH=3）。渦旋1min，搖蕩20min，超聲10min，離心后，收集上清液。再將殘余物萃取兩次之后，將上清液合并，然后用超純水稀釋至約400mL?；靹蚝螅?mL/min的流速將混合物過SAX-HLB串聯(lián)柱（上樣前先將小柱活化）；之后，用純水沖洗HLB柱，干燥10min，用6mL甲醇洗脫，并將洗脫液40℃氮吹，最終定容至1.0mL，待上機(jī)測(cè)定。

（三）質(zhì)量控制

喹諾酮類和磺胺類藥物采用內(nèi)標(biāo)法測(cè)定，四環(huán)素類采用外標(biāo)法測(cè)定。此外，加標(biāo)實(shí)驗(yàn)以空白底泥為基質(zhì)，準(zhǔn)確稱取2.00g，依次加入25ng和10ng混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以S/N≥3作為該方法的最低檢出限。沉積物中抗生素的回收率和檢出限分別為63.13%～118.5%和0.25ng/g～1.00ng/g。

三、結(jié)果和討論

（一）苕溪底泥中抗生素的濃度

16個(gè)采樣點(diǎn)，3個(gè)季度共采集底泥樣48個(gè)，由表2可見共檢測(cè)出11種抗生素，包括磺胺類（SD、SMR）、喹諾酮類（NOR、CIP、PEF、ENR、OFLX）和四環(huán)素類（OTC、CTC、TC、DXC）。四環(huán)素類檢出率最高，喹諾酮類次之，磺胺類最低。檢出率最高的三種抗生素是OTC（18.8%）、TC（12.5%）和OFLX（10.4%），平均濃度最高的三種抗生素分別是OTC（351.9ng/kg）、TC（284.3ng/kg）和ENR（262.5ng/kg），其中檢測(cè)出的最大濃度為TC，達(dá)10920ng/kg。大量的研究表明，抗生素在沉積物中殘留與其吸附特性有關(guān)，抗生素中離子或者分子極性基團(tuán)含量或數(shù)量多，則其離子吸附性能越高，更易被沉淀物吸附，在沉積物中的含量越高，由于四環(huán)素類和喹諾酮存在較多的離子基團(tuán)，故而吸附能力更強(qiáng)。而磺胺類化合物只含有苯胺和酰胺基團(tuán)，吸附能力很弱，該類抗生素在土壤中的吸附方式主要為物理吸附，而物理吸附主要依靠吸附力較小的范德華力作用，故而更容易從吸附材料中逃逸。因此，磺胺類抗生素與其他兩類抗生素相比具有更強(qiáng)的水溶性，更容易存在于河流環(huán)境中的水體而不是底泥。

表2 苕溪底泥中抗生素含量水平

表3 苕溪中抗生素與其他水域?qū)Ρ缺恚▎挝唬害蘥/kg）

關(guān)于環(huán)境中抗生素濃度是否超標(biāo)，目前缺少相關(guān)的判定標(biāo)準(zhǔn)，有研究認(rèn)為環(huán)境中超過1ng/L的抗生素便足以引起重視，而國(guó)際獸用藥品注冊(cè)基準(zhǔn)研究委員會(huì)（Veterinary International Corporation on Harmonization，VICH）規(guī)定的土壤環(huán)境閾值為100μg/kg。根據(jù)VICH的規(guī)定，苕溪底泥沉積物中的抗生素仍處于較低水平。從表3可以看出，苕溪底泥中的抗生素與黃浦江接近，低于渤海地區(qū)并且遠(yuǎn)低于珠江流域。2015年6月，應(yīng)光國(guó)團(tuán)隊(duì)獲得第一份全國(guó)范圍抗生素使用和排放清單，通過這份清單，可以看到我國(guó)58個(gè)流域抗生素分布情況，其中抗生素污染最嚴(yán)重的流域有2個(gè)，分別為珠江流域和海河流域。雖然苕溪底泥中抗生素濃度較低，但檢測(cè)出的抗生素種類較多，仍然值得注意。

（二）東西苕溪底泥中抗生素比較

東西苕溪底泥中三個(gè)季度抗生素分布結(jié)果如圖1。西苕溪W2的抗生素濃度最高，測(cè)得喹諾酮類總量3.67ng，四環(huán)素類總量19.1ng。在W4和W5處并未測(cè)出三類抗生素。東苕溪中E6處測(cè)到的抗生素濃度最高，E7處未測(cè)出三類抗生素。W2和E6兩處抗生素濃度高可能與其周邊存在較多的養(yǎng)殖企業(yè)有關(guān)，而W4、W5和E7三處周圍主要的養(yǎng)殖塘為青蝦塘、中華絨毛蟹塘和青魚塘，這三種淡水養(yǎng)殖品種在養(yǎng)殖過程中養(yǎng)殖密度較小，病害也相對(duì)較少，抗生素投入也會(huì)少一些，這可能是這三處底泥中未測(cè)得抗生素的原因。

（三）抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，評(píng)估環(huán)境中藥品的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)主要采用風(fēng)險(xiǎn)商值（RQs）法。RQs的計(jì)算方法有2種，一是通過污染物的環(huán)境預(yù)測(cè)濃度（PEC）獲得，二是通過實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度（MEC）與預(yù)測(cè)無效應(yīng)濃度（PNEC）的比值獲得。

式中，PEC：環(huán)境預(yù)測(cè)濃度，ng/L；MEC：環(huán)境實(shí)測(cè)濃度，ng/L；PNEC：預(yù)測(cè)無效濃度，ng/L；LC50：半致死濃度，ng/L；EC50：半最大效應(yīng)濃度，ng/L，RQs：風(fēng)險(xiǎn)商值。Kd為沉積物-水分配系數(shù)，L/kg；Koc為有機(jī)碳-水分配系數(shù)，L/kg；Foc為有機(jī)碳在沉積物中的含量（Foc=0.03g/g）；Kow為水/辛醇分配系數(shù)。

本研究利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法共在苕溪河中檢測(cè)出11種抗生素，除PEF未找到相關(guān)PNEC數(shù)據(jù)，其余10種抗生素的計(jì)算結(jié)果見表4。由表4可知，喹諾酮類的生物毒性較大，其次為磺胺類和四環(huán)素類，而表4抗生素中磺胺甲基嘧啶的生物毒性最小，環(huán)丙沙星的生物毒性最大。

Kd值為沉積物-水分配系數(shù)，Kd值越大表示沉積物對(duì)藥物的吸附作用越強(qiáng)，由于沉積物成分復(fù)雜，同一種藥物在不同的沉積物中所表現(xiàn)出的Kd往往不同，故本文中的Kd均取自其他文獻(xiàn)中，無法找到的Kd值則查找藥物的Kow，通過公式（4）和（5）計(jì)算得到Kd值，見表5。

苕溪底泥中抗生素的RQs值如表6，由表6可知：四種四環(huán)素類抗生素和SMR屬于最低風(fēng)險(xiǎn)，SD、ENR為中等風(fēng)險(xiǎn)，喹諾酮類抗生素主要屬于高風(fēng)險(xiǎn)，其中NOR的RQs為26.4，是本次研究中的最大值，其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)需要引起重視。

表4 抗生素對(duì)于敏感物種的毒理數(shù)據(jù)

表5 主要抗生素的Kd值

表6 苕溪底泥中主要抗生素的RQs

四、結(jié)論

利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法從48個(gè)苕溪底泥樣本共檢測(cè)到11種抗生素，抗生素濃度均為“μg/L”級(jí)，主要以四環(huán)素類和喹諾酮類為主，這與抗生素本身的結(jié)構(gòu)和親脂特性有關(guān)。其中OTC、TC和OFLX檢出率均超過10%。檢測(cè)濃度最高的抗生素為TC，其最高濃度為10920ng/kg，而平均濃度最高的抗生素是OTC，其濃度為351.9ng/kg。與國(guó)內(nèi)為其他河流比較，苕溪底泥中抗生素污染較輕。

西苕溪抗生素總量平均值為6.23ng，東苕溪抗生素總量平均值略高于西苕溪，為7.64ng，這可能與河流周圍的養(yǎng)殖存在一定聯(lián)系。

對(duì)苕溪底泥中的抗生素評(píng)估發(fā)現(xiàn)NOR、CIP和OFLX屬于高風(fēng)險(xiǎn)，而NOR對(duì)苕溪水體中的水生生物威脅最大。整體而言，苕溪底泥中抗生素殘留需要引起注意。