山东省主要河流中抗生素污染组成及空间分布特征

张 慧，郭文建，朱 晨，李红莉，王桂勋，岳太星，丁波涛

山东省环境监测中心，山东 济南 250101

自青霉素问世以来，抗生素为人类健康及畜禽养殖业的发展作出了不可替代的贡献。然而，近年来因不合理使用抗生素而造成的健康问题和环境污染问题越来越多。2007年，联合国环境规划署明确提出要关注药品和个人护理用品(PPCPs)污染问题。2016年，G20峰会更是将抗生素耐药性问题上升到国际高度。进入人、动物体内的抗生素有40%～90%不能被吸收，主要以原药或药物活性成分的形式随尿液和粪便排出体外、进入环境，进而影响人类饮水、饮食安全，造成细菌耐药性的增加。

目前，中国很多水系水体中均能检出多种抗生素，如大辽河[1]、钦州湾[2]、黄浦江[3]、珠江[4]、九龙江[5]、北京清河[6]等，而针对山东省境内主要河流中抗生素整体污染水平的调查研究较少。本研究选择我国用量最大的磺胺类、喹诺酮类、β-内酰胺类、四环素类、大环内脂类、硝基咪唑类等6类共20种常用抗生素作为研究对象，采用固相萃取-高效液相色谱/串联质谱技术，测定其在山东省境内主要河流中的含量，并初步研究其分布特征，以期全面反映山东省主要河流中抗生素污染状况，并为后期的抗生素污染防治工作提供科学依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

6类共20种抗生素标准品。5种磺胺类：磺胺间甲氧嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺二甲嘧啶；4种喹诺酮类：诺氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、氟罗沙星；3种β-内酰胺类：青霉素G、阿莫西林、头孢氨苄；4种四环素类：金霉素、强力霉素、土霉素、四环素；3种大环内酯类：红霉素、罗红霉素、螺旋霉素；1种硝基咪唑类：甲硝唑，均购自德国Dr.Ehrenstorfer公司。回收率指示剂：磺胺二甲氧嘧啶-D6；环丙沙星-D8；红霉素-D6。

溶剂：甲醇、乙腈均为色谱纯；甲酸为质谱专用；其他化学试剂均为分析纯；实验用水为超纯水。

仪器：固相萃取仪(Dionex SPE-280)；氮吹浓缩仪(Biotage)；液相色谱/串联质谱仪(Agilent 1260+6460B QQQ，配ESI离子源)。

1.2 点位布设与样品采集

选取流经山东省境内半岛诸河流域、小清河流域、海河流域和淮河流域中的主要河流，这四大流域分别位于山东省的东部、中部、西北部和南部。综合考虑流域面积、河流水量、流经区域纳污及日常监管河流断面等情况，在各流域干流及主要汇水支流共设置38个采样点，上述四大流域分别布设7、10、4、17个点位，采样时间为2016年11月。依据《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)规定的方法，每个点位均采用棕色瓶采集1 000 mL水样，4 ℃冷藏保存，因四环素类和青霉素类抗生素[7]水环境中不稳定，而且红霉素在酸性条件下易分解为脱水红霉素[8]，样品须3 d内分析完毕。

1.3 样品前处理和分析

取500 mL水样，过0.45 μm纤维滤膜去除悬浮颗粒物，加入回收率指示剂，用盐酸调节pH至2.5左右，加入200 mg乙二胺四乙酸二钠盐以抑制金属离子对抗生素的影响；选用Waters Qasis HLB SPE小柱，分别用5 mL甲醇和5 mL水活化后，以不高于10 mL/min的流速上样；上样结束后用5 mL水清洗小柱并氮气干燥30 min；最后用6 mL甲醇分2次洗脱，收集洗脱液并氮吹浓缩至近干，用液相色谱初始流动相定容至1 mL。

采用高效液相色谱/串联质谱技术检测。色谱分析条件：Eclipse Plus C18色谱柱(3.0 mm×100 mm，1.8 μm)，ZORBAX SB-C18保护柱(4.6 mm×12.5 mm，5 μm)，进样量20 μL，流速0.2 mL/min，柱温30 ℃，流动相A为0.1%甲酸水溶液，流动相B为0.1%甲酸乙腈溶液，梯度淋洗(1～2 min，85%A；2～3 min，85% A降至75% A；维持2 min；5～7 min，75% A降至65% A；维持10 min；17～18 min，65% A升至85% A；维持7 min)。质谱分析条件：离子源为电喷雾离子源(ESI)，采用正离子模式，利用多反应监测(MRM)对待测物进行定性和定量分析。

1.4 质量控制

采用外标标准曲线法对样品浓度进行定量分析。20种抗生素的检出限为0.4～1.9 ng/L。加标量50 ng时，加标回收率为64.5%～132%，其中5种磺胺类和4种喹诺酮类均属于人工合成抗生素，性质较稳定，分别为92.0%～96.2%和92.6%～95.6%；β-内酰胺类在水环境中易裂解，青霉素和阿莫西林分别为70.6%和 69.6%，头孢氨苄为92.6%；四环素类易与金属离子螯合[9]，回收率为126%～132%；大环内酯类中红霉素和罗红霉素分别为98.4%和96.8%，螺旋霉素为64.5%；甲硝唑为78.9%。

2 结果与讨论

2.1 山东省主要河流中抗生素污染物组成特征

山东省主要河流38个点位中，1#～7#属于半岛诸河流域，8#～17#属于小清河流域，18#～21#属于海河流域，22#～38#属于淮河流域。各点位20种抗生素检出浓度统计结果见表1。由表1可以看出，20种抗生素在山东省境内地表水中均有检出，检出率为5.26%～100%，其中环丙沙星检出率最高，38个点位检出率100%，接下来依次是诺氟沙星、阿莫西林和罗红霉素，检出率分别为97.4%、94.7%、92.1%；青霉素、螺旋霉素和磺胺嘧啶检出率较低，分别为7.89%、7.89%、5.26%。从检出浓度来看，检出浓度最高的抗生素为四环素(质量浓度239 ng/L)，其次为红霉素(质量浓度135 ng/L)、罗红霉素(质量浓度131 ng/L)、土霉素(质量浓度129 ng/L)和氧氟沙星(质量浓度107 ng/L)。检出浓度中位数最高的分别为大环内酯类中的红霉素(质量浓度14.0 ng/L)和喹诺酮类中的诺氟沙星(质量浓度10.8 ng/L)和环丙沙星(质量浓度10.2 ng/L)。

表1 山东省主要河流抗生素浓度水平Table 1 The concentrations of antibiotics in main rivers of Shandong province

注：表中“浓度”均为质量浓度，单位为ng/L；ND表示测定浓度低于检出限；SMM为磺胺间甲氧嘧啶，SDZ为磺胺嘧啶，SDM为磺胺二甲氧嘧啶，SMZ为磺胺甲恶唑，SM2为磺胺二甲嘧啶，NOR为诺氟沙星，CIP为环丙沙星，OFL为氧氟沙星，FL为氟罗沙星，PG为青霉素G，AMX为阿莫西林，CPL为头孢氨苄，CTC为金霉素，DC为强力霉素，OTC为土霉素，TC为四环素，ERM为红霉素，ROM为罗红霉素，SPI为螺旋霉素，MTR为甲硝唑，∑20为20种抗生素。

山东省四大流域6类抗生素占比统计结果详见图1。小清河流域、淮河流域及半岛诸河流域大环内脂类抗生素平均占比最高，分别为37.9%、35.9%、31.9%，其次为喹诺酮类抗生素，分别为30.2%、28.4%和31.8%；海河流域抗生素组成略有不同，以四环素类抗生素为主，平均占比达59.0%，喹诺酮类抗生素占比第二，为22.0%。而且结合表1可知，山东省境内地表水中检出的大环内脂类抗生素以罗红霉素和红霉素为主，喹诺酮类抗生素以氧氟沙星、环丙沙星和诺氟沙星为主，四环素类抗生素以四环素和土霉素为主。

图1 山东省四大流域中6类抗生素占比情况Fig.1 The proportions of 6 types of antibiotics in four river basins of Shandong province

本研究测定出的山东省地表水中抗生素污染物组成与中科院广州地化所应光国课题组的统计结果[10]基本一致，但β-内酰胺类抗生素检出量与统计结果存在差异，这可能是因为β-内酰胺类化合物在环境中很不稳定，极易发生水解，导致其在水环境中检出量和检出率偏低，其水解产物及对环境的影响仍有待进一步研究；磺胺类抗生素属于人工合成类抗生素，性质非常稳定，由研究结果可知，其在山东省内用量并不是很大。

2.2 山东省主要河流中抗生素空间分布特征

各点位总浓度及6类抗生素占比情况详见图2。山东省半岛诸河流域20种抗生素检出总质量浓度在18.0～180 ng/L之间、平均总质量浓度61.4 ng/L；小清河流域在16.8～350 ng/L之间、平均总质量浓度175 ng/L；海河流域在74.3～347 ng/L之间、平均总质量浓度232 ng/L；淮河流域在36.6～265 ng/L之间、平均总质量浓度118 ng/L。海河流域平均检出总浓度最高，全省38个点位平均检出总质量浓度为135 ng/L。

应光国等[10]预测出我国58个流域中涉及本文的六大类常用抗生素平均总浓度在200 ng/L左右。本研究抗生素总浓度超出该水平的点位共10个，4个位于小清河流域(9#、8#、12#、15#)、3个位于海河流域(20#、21#、19#)、3个位于淮河流域(35#、34#、31#)，其中9#和20#抗生素总质量浓度最高分别达到350 ng/L和347 ng/L；检出总质量浓度小于40 ng/L的点位共6个，3个位于半岛流域(1#、3#、2#)、2个位于小清河流域(11#、10#)、1个位于淮河流域(36#)。11#质量浓度最低，为16.8 ng/L。

图2 各监测点位20种抗生素总浓度及6类抗生素占比情况示意图Fig.2 The total antibiotics concentrations of all sampling sites and the proportions of 6 types of antibiotics

地表水中不同类抗生素的含量组成差异，一定程度上与其环境行为和使用量有关[11]，人口越密集区的下游往往抗生素污染越严重；对于适宜水产养殖的入海(湖)河口、畜禽养殖业发达地区，由于外排废水往往得不到较好处置而直接排放，抗生素浓度也会明显增高。小清河流域的9#、8#位于小清河章丘下游段，12#位于支脉河博兴县下游段，15#位于溢洪沟垦利县下游段；海河流域的20#、21#分别位于东营市神仙沟及挑河下游河口附近，19#位于徒骇河莘县下游段；淮河流域35#位于北沙河滕州市下游，34#位于宁阳沟宁阳县下游段，31#位于东沟河单县下游段，这些检出总浓度偏高的点位，其上游均接纳大量来自流经区域市、县等污水处理厂排水及沿河村镇排放的分散型未经处理的直排污水。而检出总浓度偏低的各点，其上游均无大规模城市污水处理厂外排废水汇入或主要以工业废水为主，如位于小清河流域淄博段主要排水口的10#、11#，主要以齐鲁石化工业园区工业废水为主，园区生活污水占比不大；半岛流域的1#～3#，淮河流域36#，上游均无大的人口密集区，主要以地面径流及沿河村镇少量分散型直排污水为主。

目前大环内脂类抗生素被广泛用于人类疾病治疗[12]，诺氟沙星和环丙沙星等喹诺酮类抗生素不仅在人类医疗中占有较重地位，也大量用于畜牧水产养殖业，土霉素、四环素、强力霉素等四环素类抗生素由于副作用较大，在畜禽养殖中应用较多，一般作为抗病药物、生长促进剂等添加于饲料中[13]。因此，分析地表水中抗生素组成可从一定程度上反映出其污染来源。本研究中，地表水中目前临床常用的大环内脂类抗生素在检出总浓度中占比超60%的点位有小清河的9#、北沙河的35#、墨水河的4#、梁济运河入南四湖的22#，分别达到72.0%、67.5%、67.4%、60.1%，这应与上述点位正位于济南、滕州、青岛、济宁等城市人口密集区下游，河流接纳了来自城区污水处理厂大量外排污水有关；各流域中位于县市区等人口密集区下游、但距离城区汇水口较远河段的点位(8#、19#、23#、24#、25#、33#、34#、38#)，因同时接纳沿河村镇排放的分散型直排生活、畜禽养殖污水，呈现地表水中大环内酯类与喹诺酮类抗生素占比相当的现象，这应与近年诺氟沙星、氧氟沙星等喹诺酮类药物亦大量用于畜禽养殖业有关。此外，位于东营市河口区下游的神仙沟(20#)及挑河(21#)四环素类抗生素在检出总浓度中占比最高，分别达到80.8%、67.8%，这应与该区域近渤海水产养殖业发达、分散养殖废水排放影响有关；且本研究发现，四环素类抗生素在检出总浓度中占比超过50%的点位大都位于河流入海(湖)口附近水产养殖业发达地区，比如小清河流域位于支脉河垦利段的14#、淮河流域位于泗河入湖河口附近的30#及龙王河河口附近的37#、半岛流域乳山河河口附近的6#，这与李壹等[14]研究结果基本一致。

3 结论

1)抗生素的特性和用量决定了其污染状况和空间分布。山东省境内主要河流中6类20种抗生素均有检出，地表水中大环内酯类、喹诺酮类和四环素类抗生素整体检出浓度占比相对较高；检出的大环内脂类抗生素以罗红霉素和红霉素为主，喹诺酮类抗生素以氧氟沙星、环丙沙星和诺氟沙星为主，四环素类抗生素以四环素和土霉素为主。抗生素污染物的组成与国内相关统计结果基本一致。

2)山东省半岛流域、淮河流域、小清河流域和海河流域20种抗生素平均总质量浓度分别为61.4、118、175、232 ng/L，全省平均总质量浓度为135 ng/L; 半岛诸河流域抗生素污染较小，海河流域污染相对较为严重。临床常用的大环内酯类抗生素在人口密集区浓度较高，与生活污染源紧密相关；四环素类抗生素的高浓度主要集中在河流入海(湖)口等畜禽水产养殖业发达地区，与畜禽和水产养殖有关。

3)应加强抗生素污染的监管。虽然近年山东省城镇污水收集率及处理能力均显著提高，境内主要河流水质有了较大改善，但水中抗生素浓度仍处于较高水平，畜牧养殖业废水排放的贡献不容忽视，管理仍需进一步加强。