我國主要流域水體中紅霉素污染特征及其潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

蔡元妃

（1.皖江工學(xué)院土木工程學(xué)院，安徽 馬鞍山243031；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210003）

0 引言

紅霉素（Erythromycin，ETM）是一種大環(huán)內(nèi)酯類抗生素， 臨床治療鏈球菌引起的呼吸道和軟組織感染，在人類健康維護(hù)、農(nóng)牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 ETM 被人體或動(dòng)物體攝取后，以母體和代謝產(chǎn)物形式多種途徑進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)[1]。 目前，ETM 在我國地表水、沉積物、土壤、生物體等環(huán)境介質(zhì)中檢出率高，檢出濃度大，地表水最大檢出質(zhì)量濃度為4 200 ng/L[2]， 沉積物中最大檢出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為866.78 μg/kg[3]，其持續(xù)排放對(duì)藻類生長、魚類氧化應(yīng)激和基因表達(dá)等方面[4]具有負(fù)面效應(yīng)。

為系統(tǒng)評(píng)價(jià)我國主要流域水體中ETM 的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)， 在研究總結(jié)近10年ETM 水環(huán)境賦存調(diào)查的基礎(chǔ)上， 系統(tǒng)分析ETM 污染現(xiàn)狀及時(shí)空變化趨勢，利用物種敏感度分布法 （Species Sensitivity Distribution, SSD） 和聯(lián)合概率曲線法（Joint Probability Curve,JPC）， 計(jì)算整體風(fēng)險(xiǎn)概率(Overall Risk Probability,ORP)，定量評(píng)估ETM 在我國主要江河流域中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，為水生態(tài)環(huán)境中ETM 的污染防控及相關(guān)環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 SSD 曲線擬合

SSD 法是基于生物對(duì)相同污染物存在不同敏感程度差異構(gòu)建累積概率分布模型， 定量計(jì)算一定暴露水平下對(duì)物種的潛在影響概率。 毒性試驗(yàn)終點(diǎn)數(shù)據(jù)主要源于美國環(huán)保署（USEPA）ECOTOX 數(shù)據(jù)庫。以適當(dāng)、精確和可靠為基本原則進(jìn)行篩選，數(shù)量控制在10 ～15 個(gè)，當(dāng)同一物種有多個(gè)可靠數(shù)據(jù)時(shí)，采用幾何平均值。 HC5(hazardous concentration for 5%the species) 表示群落中95%的物種安全不受污染物的顯著性影響的最大有害環(huán)境濃度。 本文采用Loglogistic 模型基于ETM 慢性毒理數(shù)據(jù)擬合SSD 曲線，計(jì)算HC5值。

1.2 ETM 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)表征

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是將單一水體暴露濃度及物種的毒性數(shù)據(jù)均作為獨(dú)立的觀測值， 利用模型計(jì)算環(huán)境污染物對(duì)生物產(chǎn)生可能危害的風(fēng)險(xiǎn)概率。 研究基于SSD 曲線，運(yùn)用matlab R2016a 擬合聯(lián)合概率曲線評(píng)價(jià)ETM 在我國主要水體流域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，x 軸表示水生生物累積危害概率，y 軸表示超過影響的邊界概率， 曲線上的點(diǎn)表示導(dǎo)致不同物種損害水平的概率， 曲線越靠近x 軸表示生物受到潛在危害的風(fēng)險(xiǎn)越小。

2 結(jié)果與討論

2.1 國內(nèi)部分江河流域中ETM 賦存水平

2.1.1 ETM 在流域地表水中的濃度水平

ETM 在酸性條件下不穩(wěn)定，易發(fā)生分子內(nèi)脫水環(huán)合反應(yīng)，生成脫水紅霉素（ETM-H2O）。 文中統(tǒng)一使用ETM 表示ETM 或ETM-H2O。 ETM 在長江、黃河、珠江、海河、遼河、松花江流域中均有不同程度檢出，結(jié)果見表1。

表1 我國部分江河流域中ETM 賦存水平

由表1 可知，各流域ETM 質(zhì)量濃度為0 ～4 200 ng/L，長江流域ETM 平均濃度最高，變異性最大，質(zhì)量濃度范圍在0.12 ～1 600 ng/L 之間，其中江漢流域ETM 質(zhì)量濃度最高（1 600 ng/L）。江漢平原漁業(yè)、生豬和家禽產(chǎn)品飼養(yǎng)密集、生產(chǎn)量大，導(dǎo)致ETM 的高殘留水平[5]。 ETM 在珠江和海河流域平均濃度約為長江流域的50%， 最高質(zhì)量濃度均值分別為826，770.9 ng/L； 而在海河流域畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)，ETM 最高質(zhì)量濃度達(dá)到4 200 ng/L[3]。 ETM 在黃河和遼河檢出濃度偏低，平均質(zhì)量濃度低于170 ng/L。

在太湖、巢湖、洞庭湖、鄱陽湖等水體中，ETM頻繁檢出，太湖流域ETM 污染水平相對(duì)偏高，最大檢出質(zhì)量濃度為624.8 ng/L， 平均質(zhì)量濃度為109.1 ng/L[6]；巢湖、鄱陽湖和洞庭湖的最大檢出質(zhì)量濃度相對(duì)較低，分別為20.7，10.7 和8.4 ng/L[7-8]。 從季節(jié)來看，珠江流域六溪河豐水期ETM 質(zhì)量濃度范圍為5.9～17.6 ng/L，低于枯水期質(zhì)量濃度范圍（52.1 ～73.2 ng/L）[9]。 黃河三角洲潮間帶水體中ETM 在4月至9月的濃度差異較小， 平均質(zhì)量濃度分別為10.54，11.59 ng/L[10]。豐水期ETM 濃度偏低的原因，一是雨季對(duì)ETM 的稀釋效應(yīng)；二是雨季較高溫度和光強(qiáng)促進(jìn)了ETM 在水體中的光解和生物降解過程[9]。

2.1.2 ETM 在流域沉積物中的濃度水平

相對(duì)于地表水體， 沉積物的污染物污染水平更穩(wěn)定，能代表水環(huán)境中各類污染物的賦存特征。我國水環(huán)境沉積物中ETM 的調(diào)查研究主要集中在長江、珠江、海河、遼河等流域，數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 我國部分河流沉積物中ETM 賦存特征

由表2 可知，海河、黃河和遼河流域ETM 平均含量相對(duì)集中， 平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于25 ng/g；長江流域沉積物中污染程度相對(duì)較高， 且變化幅度最大，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.13 ～131.29 ng/g 之間，最高為866.78 ng/g。 ETM 高污染區(qū)域主要集中在受畜禽養(yǎng)殖糞便排放影響的長江和嘉陵江重慶段， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)到886.78 ng/g，檢出率為33.33%[3]。 在五大湖泊中，太湖、巢湖中均有ETM 檢出，太湖沉積物中的ETM 濃度較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 ～120.3 ng/g，均值為27.7 ng/g[6]。 巢湖沉積物中ETM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 ～0.45 ng/g，均值為0.22 ng/g[12]，遠(yuǎn)低于太湖。與地表水不同， 沉積物中的ETM 受環(huán)境條件變化的影響較小。 ZHAO S 等[10]對(duì)黃河潮間帶三角洲沉積物中抗生素分布研究中發(fā)現(xiàn)，ETM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4月、9月分別為2.11，2.55 ng/g，說明在雨季和旱季無顯著性差異。

2.1.3 流域中ETM 濃度隨時(shí)間的變化

繪制流域水體及沉積物中ETM 濃度隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖1。 由圖1 可知，近10年ETM在我國水體中濃度相對(duì)偏高，2012年～2014年間質(zhì)量濃度范圍在3.58 ～805.27 ng/L 之間，2015年以后污染水平有所降低，而沉積物中ETM 平均濃度則相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 2008年～2018年流域中ETM 濃度變化

2.2 ETM 生物毒性及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

篩選ETM 急性LC50（EC50）毒性數(shù)據(jù)15 個(gè)，慢性NOEC（LOEC）毒性數(shù)據(jù)15 個(gè)，均包括藻類、植物、 甲殼類、 脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物在內(nèi)的5 門生物，急性毒性終點(diǎn)質(zhì)量濃度范圍為22 ～665 000 μg/L； 慢性毒性終點(diǎn)質(zhì)量濃度范圍為3.1 ～1 000 000 μg/L，詳見表3 ～表4。

表3 ETM 對(duì)水生生物的急性毒性效應(yīng)

表4 ETM 對(duì)水生生物的慢性毒性效應(yīng)

采用Log-logistic 模型擬合SSD 曲線，計(jì)算發(fā)現(xiàn)ETM 對(duì)水生生物急性和慢性毒性HC5分別為47.722 7 和0.260 3 μg/L，紅霉素物種敏感度分布曲線見圖2。

圖2 紅霉素物種敏感度分布曲線

以上計(jì)算得到的HC5為評(píng)估基數(shù)，擬合我國主要流域ETM 聯(lián)合概率曲線，結(jié)果見圖3。 由圖3 可知，現(xiàn)有暴露條件下，ETM 對(duì)我國黃河、長江、珠江、遼河、 海河流域的ORP 值分別為3.33%，3.08%，3.91%，7.87%和5.74%， 遼河和海河流域ETM 存在潛在風(fēng)險(xiǎn)（＞5%），是長江、黃河和珠江流域的1 ～2倍。 ETM 長期暴露不僅會(huì)在生物體內(nèi)累積，還能引起神經(jīng)毒性和抗氧化損傷， 其長期慢性毒性需引起重視[25]。

圖3 我國主要流域ETM 聯(lián)合概率曲線

2.3 不確定性分析

針對(duì)水環(huán)境中ETM 的毒性數(shù)據(jù)和水環(huán)境調(diào)查研究存在以下不確定性： ①ETM 采樣時(shí)間集中在2008年～2018年，采樣時(shí)間、采樣方法及分析方法存在差異， 導(dǎo)致ETM 環(huán)境賦存存在一定不確定性，全流程標(biāo)準(zhǔn)化樣品采集分析方法能減小數(shù)據(jù)誤差；②生態(tài)系統(tǒng)物種繁多， 毒性數(shù)據(jù)在測試終點(diǎn)和測試方法存在差異， 不能很好地應(yīng)用于局部本土物種的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；③水環(huán)境中多種污染物共存，形成復(fù)合污染效應(yīng)，ETM 對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)可能受其他污染物的影響。

3 結(jié)論

（1）我國主要河流水樣品中，長江流域表現(xiàn)出較其它流域更高的ETM 污染水平， 且濃度變異性大。水體中ETM 平均質(zhì)量濃度范圍在3.58 ～1 600 ng/L之間，2011年至2015年略顯偏高，而沉積物中ETM中濃度相對(duì)穩(wěn)定。

（2）分析擬合的SSD 曲線可知，基于急性毒性數(shù)據(jù)所得的HC5較慢性毒性數(shù)據(jù)所得的HC5高2個(gè)數(shù)量級(jí)，差異較大。 利用聯(lián)合概率曲線分析表明，ETM 對(duì)長江、黃河、珠江、海河及遼河流域的水生生物均有一定風(fēng)險(xiǎn)，其中遼河流域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，需持續(xù)關(guān)注其長期慢性風(fēng)險(xiǎn)。