渾河沈陽段典型抗生素污染分布及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

徐洪波 劉維鈞 李晶 李哲 祝琳琳

【摘要】利用固相萃取-高效液相色譜質(zhì)譜法調(diào)查了四類16種典型抗生素在渾河沈陽段的含量、時(shí)間和空間分布特征。結(jié)果顯示，在渾河沈陽段干流和支流的10個(gè)點(diǎn)位中檢測出12種抗生素。16種抗生素在城市污水處理廠與附近支流河之間皮爾森相關(guān)性顯著，污水廠抗生素排放對(duì)附近河流有明顯影響。喹諾酮類氧氟沙星、環(huán)丙沙星表現(xiàn)高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】抗生素；渾河沈陽段；污染分布；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.057

Distribution and Risk Assessment of Typical Antibiotics Pollution In Shenyang Section of Hun River

XU Hongbo1，LIU Weijun2，LI Jing1*，LI Zhe1，ZHU Linlin1

（1.Liaoning Shenyang Ecological Environment Monitoring Center，Shenyang 110015，China；2.Xiannvhe Sewage Treatment Plant，Shenyang 110141，China）

Abstract：The contents，temporal and spatial distribution characteristics and sources of 16 typical antibiotics in Hunhe River Shenyang section were investigated by solid-phase extraction（SPE）and high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry（HPLC-MS/MS）. The results showed that 12 antibiotics，were detected at 10 points in the main stream and tributaries of hunhe River in Shenyang. There was a significant Pearson correlation between the 16 antibiotics from the municipal sewage treatment plant and the adjacent tributary river，and the antibiotic discharge from the sewage treatment plant had a significant impact on the nearby river. Quinolone ofloxacin and ciprofloxacin show high ecological risk.

Key words：antibiotics；hun river Shenyang section；pollution distribution；source；ecological risk assessment

生態(tài)環(huán)境部“十四五”生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確要求重視新污染物治理[1]，健全有毒有害化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理體制。2022年5月國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新污染物治理行動(dòng)方案》，提出到2025年，建立健全化學(xué)物質(zhì)環(huán)境信息調(diào)查、環(huán)境調(diào)查監(jiān)測、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，逐步建立健全有毒有害化學(xué)物質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理法規(guī)制度體系和管理機(jī)制，新污染物治理能力明顯增強(qiáng)。

近幾年國內(nèi)外不同地區(qū)的自然水環(huán)境中抗生素的污染狀況開展調(diào)查[2-8]，同時(shí)分析抗生素出現(xiàn)在環(huán)境中的主要來源[9-12]，希望能為進(jìn)一步開展抗生素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及污染減排控制等研究提供參考。本文以渾河沈陽段為研究對(duì)象，分析4類16種抗生素在該流域的污染特征，并利用EPA風(fēng)險(xiǎn)商值評(píng)價(jià)該流域內(nèi)抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為遼寧省流域內(nèi)抗生素污染防治和環(huán)境治理提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1采樣點(diǎn)位設(shè)置

渾河在沈陽境內(nèi)全長172千米，城市段東起魯家大橋，西至渾河大閘，全長約32千米。主要支流河有白塔堡河、細(xì)河、蒲河等。研究圍繞污染源、重要支流布設(shè)10個(gè)采樣點(diǎn)H1～H10。采集表層水，同時(shí)采集排入渾河沈陽段的15個(gè)城市污水處理廠的出口排水，采集時(shí)間為2021年10月，見圖1。

1.2樣品采集與預(yù)處理

根據(jù)抗生素在沈陽的使用情況以及國內(nèi)學(xué)者已有的研究成果[13-18]，本文選取4類（磺胺類SAs、氟喹諾酮類QNs、大環(huán)內(nèi)酯類MCs、土霉素類TCs）16種典型抗生素為研究對(duì)象。其中6種磺胺類抗生素：磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ）、磺胺吡啶（Sulfapyridine，SMPD）、磺胺甲惡唑（Sulfamethoxazole，SMX）、磺胺甲基嘧啶（Sulfamerazine，SMZ）、磺胺喹惡啉（Sulfaquinoxaline，SQL）、磺胺二甲基嘧啶（Sulfamethazine，STZ）；4種氟喹諾酮類：氧氟沙星（Ofloxacin，OFL）、諾氟沙星（Norfloxacin，NOR）、環(huán)丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）、恩諾沙星（Enrofloxacin，ENR）；3種大環(huán)內(nèi)酯類MCs：羅紅霉素（Roxithromycin，ROX）、阿奇霉素（Azithromycin，AZI）和克拉霉素（Clarithromycin，CLA）；3種四環(huán)素類TCs：四環(huán)素土霉素（Clarithromycin，OTC）、金霉素（Chlortetracycline，CTC）。

按照HJ/T 91相關(guān)規(guī)定采集樣品。采樣前將容量為1.0 L的棕色玻璃采樣瓶依次用乙醇和去離子水漂洗3次，控干待用，樣品采集前，預(yù)先在每升采樣瓶中分別加入0.25 g乙二胺四乙酸二鈉和0.15 g抗壞血酸（避光保存），適當(dāng)振蕩使其溶解，以排除水中金屬離子、余氯及氧化性有機(jī)物對(duì)四環(huán)素類、磺胺類抗生素測定產(chǎn)生的干擾使用不銹鋼水樣采集器采集表層水，采集深度為水面以下0.5 m處，滿瓶采樣，采集到的水樣避光低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)輸過程中加冰排冷藏。在4℃下保存待測，并在48 h內(nèi)完成水樣預(yù)處理。

量取水樣1.0 L，經(jīng)0.45μm水系濾膜過濾。固相萃取前，每份水樣加入5.848 g磷酸二氫鉀和3.8 mL磷酸調(diào)節(jié)pH=2.0（經(jīng)過pH計(jì)測量），固相萃取柱在富集水樣前需要進(jìn)行活化，取500 mgPTFE固相萃取柱依次用10 mL甲醇、10 mL（PH= 2.0）超純水清洗活化萃取柱，待柱內(nèi)充滿pH=2.0實(shí)驗(yàn)用水后關(guān)閉流速控制閥浸潤5 min，打開控制閥，棄去流出液。將1000 mL調(diào)節(jié)好pH值的水樣過柱，流速控制在10 mL/min，樣品全部通過后，用10 mL含5%甲醇的水溶液洗滌固相萃取柱，再將小柱于氮?dú)獗Ｗo(hù)下負(fù)壓吹干。用10 mL含1%甲酸的甲醇溶液緩慢洗脫固相萃取柱，待淋洗液流過柱床后關(guān)閉流速控制閥，浸潤5 min，再打開控制閥，接收淋洗液，將淋洗液濃縮，水浴溫度40℃，氮?dú)饬魉龠m中。待淋洗液近干至0.2 mL時(shí)，加入內(nèi)標(biāo)物，用初始流動(dòng)相定容至1.0 mL，經(jīng)過0.22μm有機(jī)相濾膜過濾。裝瓶-20℃避光保存。準(zhǔn)備進(jìn)行UHPLC-MS-MS分析。

1.3儀器分析

色譜柱：Waters ACQUITY UPLC BEH phenyl（2.1 mm×50 mm，1.7μm）；流動(dòng)相：0.1%甲酸水溶液（A），乙腈（B）；流速：0.3 mL/min；柱溫：35℃；進(jìn)樣體積：10μL。

離子源：電噴霧離子源（ESI），正離子模式；毛細(xì)管電壓：1.0 KV；霧化氣（脫溶劑氣）溫度：600℃；霧化氣（脫溶劑氣）流速：800 L/Hr；反吹氣流速：50 L/Hr；監(jiān)測方式：多離子反應(yīng)監(jiān)測模式（MRM）。

1.4質(zhì)量控制

采用內(nèi)標(biāo)法定量分析，濃度范圍由0.1、0.2、0.5、1.0、5.0和10.0μg/L這6個(gè)濃度梯度組成，線性方程R2值大于0.99。在1.0 L純水和原水中分別加入20 ng和200 ng的16種抗生素混標(biāo)，同時(shí)測空白組分中抗生素含量，計(jì)算加標(biāo)回收率，每組6個(gè)平行樣。結(jié)果表明，16種抗生素的純水加標(biāo)回收率為50.7%～121.5%，原水的加標(biāo)回收率為56.6%～102.9%。

1.5生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

1）AF=100：只有一個(gè)長期的NOEC數(shù)值，只研究了一個(gè)營養(yǎng)層次結(jié)構(gòu)；2）AF=50：有兩個(gè)長期的NOEC數(shù)值，并且研究了兩個(gè)營養(yǎng)層次結(jié)構(gòu)；AF=10：從長期的三個(gè)營養(yǎng)層次的研究得到。

通過從相關(guān)文獻(xiàn)中收集抗生素對(duì)一些物種的急性和慢性毒理數(shù)據(jù)與相應(yīng)的評(píng)價(jià)因子計(jì)算抗生素的PNEC值?；谧顗那闆r考慮，以抗生素質(zhì)量濃度的最大值進(jìn)行計(jì)算。RQs分類表征生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的不同程度，將抗生素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)劃分為不同等級(jí)，分別為無風(fēng)險(xiǎn)（RQs<0.01）、低風(fēng)險(xiǎn)（0.011）。

2結(jié)果與討論

2.1渾河沈陽段抗生素污染特征

2.1.1抗生素濃度水平

在渾河沈陽段10個(gè)采樣點(diǎn)位中共檢出4類14種抗生素，包括磺胺類、喹諾酮類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)脂類，表明研究區(qū)域內(nèi)河流水體中殘留多種類抗生素，見表1。

在研究的四類16種抗生素中檢出率超過50%的抗生素有11種，涵蓋磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類和四環(huán)素類；完全沒有檢出的有2種。其中未檢出喹諾酮類的恩諾沙星以及大環(huán)內(nèi)脂類的克拉霉素。

喹諾酮類的氧氟沙星檢出率為全部檢出，檢出率最高，磺胺類的普遍檢出率較高，本研究選取的6種常見磺胺類抗生素檢出率均超過50%，其檢出率范圍在60%～100%。四環(huán)素類檢出率也較高，研究的三種四環(huán)素只有金霉素檢出率小于50%。大環(huán)內(nèi)酯類只檢出羅紅霉素且其檢出率較高。阿奇霉素在渾河段被檢出。通過檢出率可見四類抗生素都是渾河水環(huán)境的主要新型污染物，不同抗生素的檢出率和含量差異與抗生素使用量和其環(huán)境行為密切相關(guān)。檢出率高的抗生素多為人畜共用。

2.1.2抗生素空間分布

渾河入境起上游到下游，直到出境，抗生素濃度逐漸增加，其空間分布趨勢為上游殘留水平較低，檢出種類三種左右，隨著河流下游逐步增多的支流河匯入，檢出的抗生素種類逐漸增多至12種，質(zhì)量濃度增加。土西橋單斷面沙星類突高值，與周邊污染源有關(guān)，具體見圖2和圖3。

渾河各監(jiān)測斷面每個(gè)檢出點(diǎn)位檢出的抗生素種類以及含量不同與周邊抗生素消費(fèi)結(jié)構(gòu)有關(guān)；也與周邊污水處理廠、畜禽養(yǎng)殖等相關(guān)，而污水處理廠對(duì)抗生素的處理效果據(jù)文獻(xiàn)顯示十分有限。大量未被去除的抗生素經(jīng)城市污水處理廠最終排入河流水環(huán)境中，其主要來源水的構(gòu)成有城市生活污水、醫(yī)療廢水、生產(chǎn)企業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水等。城市污水處理廠由于排水集中處置是造成城市抗生素污染的主要原因，鄉(xiāng)村抗生素污染的來源主要是養(yǎng)殖廢水排放和人畜糞肥。

2.2污水廠排放口抗生素與河流抗生素關(guān)聯(lián)分析

為了解研究的16種抗生素在污染源城市污水處理廠與附近支流河斷面之間是否有相似性，用Spss19.0對(duì)16種目標(biāo)化合物進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析，見表2。

西部污水廠排放口與土西橋采樣點(diǎn)皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.948，說明強(qiáng)相關(guān)，顯著性0.000，說明兩者差異性??；南部排口與蒲河沿采樣點(diǎn)皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.830，說明強(qiáng)相關(guān)，顯著性0.041，說明兩者差異性??；南部排口與七臺(tái)子采樣點(diǎn)皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.894，說明強(qiáng)相關(guān)，顯著性0.016，說明兩者差異性小；由此相關(guān)性檢驗(yàn)證明，污水廠抗生素排放對(duì)附近河流有明顯影響。

2.3抗生素生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

氧氟沙星、環(huán)丙沙星這兩種抗生素表現(xiàn)為高風(fēng)險(xiǎn)，表明其對(duì)水體中的水生生物表現(xiàn)急性和慢性毒性風(fēng)險(xiǎn)；諾氟沙星表現(xiàn)為中等程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；磺胺甲惡唑、羅紅霉素表現(xiàn)為低等程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；磺胺嘧啶、磺胺吡啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺喹噁啉、磺胺二甲基嘧啶、土霉素、四環(huán)素、金霉素、阿奇霉素在河流中表現(xiàn)出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不顯著（見圖4）。

3主要結(jié)論

1）四類16種抗生素在渾河沈陽段檢出14種，檢出率超過50%的抗生素11種，恩諾沙星和克拉霉素完全無檢出。檢出率表明四類12種抗生素都是遼河水環(huán)境的主要新型污染物，不同抗生素的檢出率和含量差異與抗生素使用量和其環(huán)境行為密切相關(guān)。

2）研究16種抗生素在城市污水處理廠與附近支流河斷面之間有相似性，用Spss19.0對(duì)16種目標(biāo)化合物進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析。相關(guān)性檢驗(yàn)證明西部污水廠排放口與土西橋采樣點(diǎn)、南部排口與蒲河沿采樣點(diǎn)和南部排口與七臺(tái)子采樣點(diǎn)皮爾森強(qiáng)相關(guān)，顯著性高，排污口與河流兩者差異性?。挥纱?，污水廠抗生素排放對(duì)附近河流有明顯影響。

3）氧氟沙星、環(huán)丙沙星這兩種抗生素表現(xiàn)為高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，其對(duì)水體中的水生生物表現(xiàn)急性和慢性毒性風(fēng)險(xiǎn)；諾氟沙星表現(xiàn)為中等程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；磺胺甲惡唑、羅紅霉素表現(xiàn)為低等程度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；磺胺嘧啶、磺胺吡啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺喹噁啉、磺胺二甲基嘧啶、土霉素、四環(huán)素、金霉素、阿奇霉素在河流中表現(xiàn)出生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不顯著。

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【作者簡介】

徐洪波，女，1972年出生，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室分析檢測。

（編輯：謝飛燕）