不同水处理工艺对典型喹诺酮类抗生素的去除规律及潜在风险评估

张国芳

(上海城投〈集团〉有限公司，上海 200020)

喹诺酮类抗生素(quinolones，QNs)是一类化学合成的抗菌药物，具有抗菌谱广、高效低毒、作用机制独特、药物动力学好以及目标生物无交叉耐药性等特点。自1962年第一代喹诺酮类药物—-萘啶酸(nalidixic acid)[1]问世以来，QNs已经历40多年的发展，从最初只能对大肠杆菌等革兰氏阴性菌有活性的萘啶酸发展到能对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌均有较好的杀灭活性，包括杀灭金黄色葡萄球菌、支原体和衣原体等微生物的第二代、第三代、第四代药物，目前第三代药物诺氟沙星等在临床广泛使用。

QNs能够对细菌DNA合成中的DNA促旋酶、拓扑异构酶II和拓扑异构酶IV选择性抑制，使细菌繁殖过程中的DNA复制、转录和重组受到阻碍，从而起到杀菌抑菌的效果[2]。在革兰氏阳性菌细胞内，拓扑异构酶IV是拓扑异构酶的作用靶点，而在革兰氏阴性菌细胞内，DNA促旋酶则被作为目标靶点[3]。由于在治疗细菌疾病方面的优良特性，QNs被广泛应用于人类疾病治疗、动物养殖和农作物种植中[2]。然而，研究表明，目前使用的抗生素约有58.2%以母体形式通过粪便直接排到自然环境中[4]。水产养殖行业直接将抗生素投加到水体中，因此，QNs在地表水的污染更为严重。人类自身使用的抗生素多集中于医疗卫生和家庭，部分未被分解的抗生素药物通过医院排水和生活污水直接排入城市污水管网，经由污水处理厂处理后排入水体[5]。QNs的酸碱特性使其在环境中具有较好的迁移能力[6]，能够通过地表径流进入饮用水中，从而对人类健康造成潜在的影响。Zou等[7]在渤海湾沿岸水域中检测出诺氟沙星及氧氟沙星浓度高达6 800 ng/L和5 100 ng/L，远远高于其他流域[8-10]。珠江广州河段QNs最高检测浓度达到510 ng/L，远高于国内其他地表水域。QNs不仅能在地表水中检出，在地下水中也能检出。Calinman等[11]对地下水中残留抗生素情况进行综述，发现氧氟沙星、加替沙星及其代谢产物在地下水中大量存在，部分地下水中QNs浓度达到μg/L水平。西班牙东北部巴塞罗那地下水中检出氧氟沙星、诺氟沙星、环丙沙星、依诺沙星、恩诺沙星、单诺沙星这6种QNs，浓度在264～ 543 ng/L[12]。瑞典某制药厂附近村庄井地下水中检出环丙沙星和依诺沙星，浓度分别为14 000 ng/L和1 900 ng/L。天津地下水中也报道了QNs的检出，检出浓度为31.8～42.5 ng/L[12]。

因此，本研究对华东地区某水厂QNs残留情况进行调查，研究QNs在水厂中的去除特征，并基于风险商，初步评价QNs对人体健康可能造成的风险。

1 材料与方法

1.1 试剂与设备

抗生素标准品：诺氟沙星(norfloxacin，NOR，>98%)、环丙沙星(ciprofloxacin，CIP，>99%)、氧氟沙星(ofloxacin，OFL，>99%)、恩诺沙星(enrofloxacin，ENR，>99%)、洛美沙星(lomefloxacin，LOM，>98%)、沙拉沙星(sarafloxacin，SAR，>98%)、达氟沙星(danofloxacin，DOF，>98%)、氟甲喹(flumequine，FJK，>99%)、恶喹酸(oxolinic acid，OXO，>99%)、环丙沙星-D8(CIP-D8)和13C3-咖啡因(13C3-caffeine)均购自Dr. Ehrenstorfer GmbH(Augsburg，Germany)。甲醇(99.9%，色谱纯)和乙腈(99.9%，色谱纯)购自国药集团化学试剂有限公司。

12孔固相萃取装置(Supelco，USA)；固相萃取柱：UniElut C18HCE [1 000 mg/(6 mL)，华谱新创科技有限公司)]；抽滤装置(Whatman，UK)；玻璃纤维滤纸(GF/F，47 mm，Whatman，UK)；固相萃取小柱连接管(PTFE)、GM-1.0 A无油隔膜真空泵和DC-12氮气吹干仪均购自上海安谱科学仪器有限公司。

Agilent Zorbax Eclipse Plus C18色谱柱(2.1 mm×150 mm，3 μm)；Agilent 1260高效液相色谱(Agilent Technologies，USA)；Agilent 6430三重四极杆串联质谱仪(Agilent Technologies，USA)。

1.2 水厂概述及采样点设置

本研究选取华东地区某水厂作为研究对象。该水厂包括常规(A线)和深度(B线)两种饮用水处理工艺(图1)。A线运行具体参数：预絮凝/混凝为16～20 mg/L的聚合氯化铝；氯消毒为1.0 mg/L的次氯酸钠。B线运行具体参数：预臭氧为0.1 mg/L臭氧；絮凝/混凝剂为10～15 mg/L聚合氯化铝以及 0.1 ～ 0.15 mg/L聚丙烯酰胺；氯消毒为1.0 mg/L的次氯酸钠。

水样分别采集于水厂原水、常规处理工艺的沉淀池出水、砂滤池出水、氯消毒出水处和深度处理工艺的沉淀池出水、砂滤池出水、臭氧出水、活性炭滤池出水、氯消毒出水处，共计9个采样点，具体采样位置如图1所示。使用5 L棕色瓶采样，投加5 mL 0.1 mol/L的硫代硫酸钠，冰袋保持低温，运回实验室，24 h内完成固相萃取等前处理操作。采样时间为2017年9月和2018年1月。

图1 水厂工艺流程图及采样点设置Fig.1 Flow Chart of Water Treatment Process and Sampling Points

1.3 样品分析

1.3.1 水样前处理

水样前处理参考文献[13-14]并进一步优化。将500 mL水样经0.7 μm玻璃纤维滤膜真空抽滤，加入0.2 g Na2EDTA，络合水样中Ca2+、Mg2+等金属离子，用0.1 mol/L的盐酸、氢氧化钠和磷酸盐缓冲溶液调节pH值至8.0，加入100 ng环丙沙星和咖啡因同位素标记物(1 mL、100 μg/L的CIP-D8和13C3-Caffeine)内标物。HCE-C18萃取柱依次用10 mL甲醇、10 mL超纯水和10 mL与水样pH一致的磷酸盐水溶液活化。以3～5 mL/min过萃取柱。萃取完后，真空泵25～30 min抽干，用5%(体积比)的甲醇水溶液淋洗，最后用10 mL甲酸/甲醇溶液洗脱。洗脱液在35 ℃水浴条件下，用氮气缓慢的吹至近干，用50%(体积比)的甲醇水定容至1 mL，经0.22 μm尼龙滤膜过滤，-20 ℃保存，待进样分析。

1.3.2 HPLC-MS/MS分析

液相条件：进样量为5～10 μL；流动相流速为0.4 mL/min；有机相为0.1%:99.9%的甲酸/乙腈溶液；水相为0.1%:99.9%的甲酸/水溶液。梯度洗脱程序：0～5 min，水相/有机相体积比由85%/15%线性降低至75%/25%，在13 min时降低至55%/45%，14 min时降低至15%/85%，并保持1.5 min，17 min时回到65%/35%并持续上升，18.5 min时回到85%/15%并保持0.5 min。

质谱条件：采用正电喷雾电离源，干燥气温度为350 ℃；气体流为11 L/min；正电离模式毛细管电压为4 000 V；负电离模式毛细管电压为3 000 V；雾化器压力为15 psi(1 psi=6.89 kPa)；9种QNs的母离子、2个子离子、碎裂电压等参考前期研究[14]。

1.4 人体健康风险评价

QNs在自然环境的残留可能会影响生态系统的稳定，甚至直接或间接地影响人类健康。因此，评价饮用水环境中QNs可能造成的人体健康风险极其重要。本研究基于QNs对人体日均可接受最大摄入量的健康风险商模型，计算对不同年龄段人群可能造成的健康风险[15]，具体计算如式(1)和式(2)。

RQs=Cm/DWEL

(1)

DWEL=ADI×BW×HQ/(DWI×AB×FOE)

(2)

其中：Cm——目标QNs在实际样品中检出浓度，μg/L；

DWEL——饮用水中的当量值，μg/L；

ADI——日均可接受摄入量，μg/(kg·d)；

BW——人均体重，kg，参照美国ECOTOX数据库和中华人民共和国农业部农牧发〔1999〕17号文件；

HQ——最高风险，通常取1；

DWI——日饮水量,L/d；

AB——肠胃对污染物的吸收率，按1计算；

FOE——污染物的暴露频率，数值取365 d/a。

各年龄段BW和DWI值借鉴金磊等[16]的研究，具体参数汇总如表1所示。考虑可能造成的最大风险，选择检出浓度最高值计算风险商。

表1 QNs可接受每日摄入量和各年龄段人群体重、日饮用水量Tab.1 Selected Age Groups, Average Body Weight, Drinking Water Intakes and Acceptable Daily Intakes of Selected QNs

注：“-”表示未得到相关数据

2 结果与讨论

2.1 典型QNs在水源水中的污染特征

本研究选取9种典型的QNs作为研究对象，包括目前仍在兽药中使用的第二代喹诺酮FJK和OXO，以及广泛应用于人类和兽药中的第三代喹诺酮NOR、CIP、OFL、ENR、LOM、SAR和DOF。这9种典型QNs在该饮用水厂原水中的检出情况如表2所示，除LOM、SAR、FJK和OXO未检出外，其余5种QNs在原水中均以100%的频率检出。这5种QNs均处于ng/L水平，总检出浓度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是检出浓度最高的抗生素，达45.55 ng/L。这与上游水源来水中CIP的检出情况类似，其检出频率虽为45.6%，但其最高检出浓度达176.4 ng/L[17]。NOR和DOF次之，检出浓度分别为23.79～38.54 ng/L和16.85～34.56 ng/L。ENR也有微量检出，但其检出浓度均未超过11 ng/L。与以往报道相比，该水源地中QNs的污染水平远高于黄浦江[8]和长江[18]流域。例如，Jiang等[8]发现黄浦江水体中NOR、CIP、ENR、OFL和SRA的浓度均低于检出限(8.34 ng/L)或未检出。Chen等[19]在黄浦江水体中检出ND～ 34.2 ng/L的NOR、CIP、ENR和OFL。Yan等[18]在长江水体中检出的NOR、CIP、ENR和OFL浓度均低于14.2 ng/L。

表2 水厂QNs的检出情况Tab.2 Occurrence of Quinolone Antibiotics in Water Treatment Plant (WTP)

2.2 不同处理工艺对典型QNs的去除规律

为掌握不同饮用水处理工艺对典型QNs的去除特征，分析该水厂原水中检出的5种典型QNs在各处理单元的浓度变化，结果如图2所示。水源水进入水厂前均有预加氯过程，因此，在水厂原水中检测到的目标QNs浓度会略微小于水源地进入管网的QNs浓度。图2(a)为QNs在该水厂常规水处理工艺中的浓度变化。常规工艺是通过絮凝剂将悬浮的大分子颗粒物吸附沉降的过程，该过程只发生简单的物理吸附，对溶解性的QNs去除效果有限，绝大多数目标污染物在常规处理阶段去除率不足20%。CIP和DOF在常规处理工艺去除率最高，分别为40%和23%。图2(b)为深度处理工艺，与常规处理工艺相比，深度处理工艺在滤池后增加了臭氧氧化和活性炭滤池两项工艺。深度处理工艺对目标QNs的去除效率为23%～63%，是传统沉淀和砂滤去除率的2～3倍。Simazki等[20]对日本6座水厂中包括抗生素在内的64种药物残留情况进行调查，发现绝大多数目标污染物在水厂中低于50 ng/L，且具有臭氧氧化的深度处理工艺对目标污染物的去除率在33% ～ 57%，明显高于常规处理，与本研究结果类似。

图2 水厂各工艺中QNs的去除 (a)常规工艺；(b)深度工艺Fig.2 Removal of Selected QNs by Different Water Treatment Processes (a) Conventional Process; (b) Advanced Process

表3为各水处理工艺与上一个工艺相比对目标QNs的去除率。其中，常规处理工艺主要包括沉淀池和砂滤池。在常规水处理工艺中加入絮凝剂和混凝剂对水体中的悬浮颗粒物进行絮凝沉降，并捕获少量溶解的有机污染物，通过沉淀和砂滤实现固液分离达到净化水质的作用。传统的水处理工艺对QNs去除效果有限，沉淀池和砂滤池对5种目标QNs的去除率分别在3.4%～34.8%和0.3%～12.1%。这与国内外报道的传统水处理工艺对痕量有机污染物去除效果有限的结论相符[21-22]。Xu等[23]对城市饮用水处理厂中残留的4种QNs进行调查，原水中抗生素浓度为51～248 ng/L，而水厂出水中仍有5～46 ng/L的抗生素检出。

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

臭氧活性炭工艺是目前国内外较为常用的饮用水深度处理方法。其中，臭氧阶段，臭氧与水中有机污染物通过分子形式或形成强氧化性的羟基自由基(·OH)，起到去除的效果。报道指出，·OH对氨基、脂肪族化合物和活性芳环具有较强的选择性[24]，适合水体中有机污染物的去除。该水厂深度处理工艺就是在传统处理工艺的基础上增加了臭氧氧化和活性炭吸附工艺，与传统工艺相比，明显提高了对QNs的去除效率。结果表明，NOR、CIP和DOF在臭氧阶段去除率分别为46.3%、35.4%和27.5%，OFL和ENR去除率相对较低，去除率为6.8%和12.6%。活性炭工艺往往接连在臭氧之后，通过吸附作用捕捉残留的有机污染物。因此，与臭氧氧化阶段相比，活性炭对QNs的处理效果有限，去除率低于10.0%。虽然深度处理工艺较传统工艺去除效率有所提升，但并没有实现QNs的完全去除。Liu等[25]在研究臭氧对CIP、NOR和LOM的去除时发现，在臭氧投加量为2.0～5.0 mg/L时，去除效果可达到90.0%～99.0%的去除率。本研究臭氧过程对QNs去除效率低的原因，可能是自然水体中存在大量的溶解性有机碳(DOC)，臭氧首先与DOC反应，再与水中溶解的少量抗生素发生反应，从而使臭氧降解QNs的效果比试验结果差。

氯消毒是水厂水源水处理的最后一个工艺。通常饮用水中氯的投加量在1.0～2.0 mg/L，且接触时间不少于30 min。同时，出厂水中往往要求保持一定的预氯含量，可以防止管网中微生物的滋生对水质造成影响。NOR、CIP在氯消毒阶段的去除率为10.9%和22.9%，OFL、ENR和DOF的去除率在1.8%～4.5%。Li等[26]在研究氯对痕量QNs的去除时发现：加氯量为10～15 mg/L时，OFL在1～ 5 min被完全去除；而氯对NOR和CIP的去除率有限，在加氯量为5～15 mg/L时，去除率为59.9% ～ 84.9%；同时，当余氯量低于0.75 mg/L时，抗生素含量基本维持不变。

2.3 水厂典型QNs的人体健康风险评价

水源水中检出的QNs对从婴幼儿到成人各年龄段的健康风险如图3所示。所有目标QNs对人体健康风险的商值在6.93×10-6～ 2.59×10-3，即所有目标QNs在华东地区典型水源地中的风险商均小于1，且比较不同年龄段的人群发现，QNs对人体的风险值随着年龄的增加而减少。其中，所有QNs对0 ～ 3个月的婴幼儿表现出较高的风险；6岁以下的儿童，风险商值随着年龄的增长而降低，较明显；11岁以上的人群风险商值变化并不明显。其中，CIP风险商值最高，对1～2岁的儿童风险商值高于1.09×10-3，这是由于CIP在所研究的QNs中其ADI值最低，仅为1.6 μg/(kg·d)。同时，ENR和DOF的RQs也高于0.000 1，其余目标QNs均小于0.000 1。

图3 水厂出厂水的人体健康风险评价Fig.3 Human Health Risk Assessment of Residual Quinolone in Finished Water of WTP

研究结果表明，华东地区水源水中QNs对人体健康无直接影响，这与其他研究已报道的结果类似[10,27]。Gaffney等[28]评价了葡萄牙自来水厂中31种化合物对不同年龄段人群造成的健康风险，发现包括QNs在内的所有药物均小于0.01。由于饮用水环境中残留着多种包括抗生素在内的有机污染物，它们之间存在的综合风险和长期风险值得长期的关注。同时，目前饮用水处理对痕量抗生素的去除效果有限，部分抗生素通过管网进入人体，其低剂量的长期接触会导致儿童肥胖，甚至诱发饮用水中抗性细菌、抗性基因的增殖，增加饮用水输水管网及二次供水中的微生物安全风险[29]。因此，需对水厂中残留的抗生素进一步控制。

3 结论

(1)除LOM、SAR、FJK和OXO未检出外，其余5种QNs在原水中均以100%的频率检出，总检出浓度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是检出浓度最高的抗生素，达45.55 ng/L。

(2)“臭氧+活性炭”深度处理工艺较“絮凝/混凝+沉淀”常规处理工艺对QNs的去除效率更高。

(3)出厂水中QNs的人体健康风险在6.93×10-6～2.59×10-3，远小于1，说明对人体无直接风险。但是，多种抗生素相互之间的复合作用以及长期暴露的潜在风险值得进一步关注。