沙颍河流域抗生素污染特征与生态风险评价

黄子晏，丁婷婷，杜士林，王宏亮，张亚辉，张瑾，何连生

(1. 安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽省水污染控制与废水资源化重点实验室，安徽 合肥，230601; 2. 中国环境科学研究院，环境检测与实验中心，北京 100012)

目前抗生素被广泛使用于人类和动物各种疾病的预防与治疗。随着人口密度的不断增加，畜禽、水产养殖规模的不断扩大，抗生素的种类、产量和用量也随之日益增多[1]。我国是抗生素生产和使用大国，其人均年消费量在138 g左右(包括医疗与农业)，是美国的10倍[2]。目前被广泛使用的抗生素，按照化学结构可分为β-内酰胺类、喹诺酮类(Qs)、四环素类(TCs)、氨基糖苷类、大环内酯类、磺胺类(SAs)等。环境中发现的抗生素主要来自于生活污水、医院和药厂废水，畜禽、水产养殖业废水等[3]。传统的污水处理工艺针对抗生素类药物的去除率比较低，大多数药物经过污水处理厂后以原药或代谢产物的形式排放进入环境中[4]。Jiang等[5]对石家庄汪洋河中抗生素进行检测，结果SAs、Qs、TCs抗生素最高值分别达4.87，11.73 和361.11 μg/L。太湖、辽河、洞庭湖、巢湖等水体均有不同浓度的抗生素检出[6-9]。文献[10-12]研究表明，抗生素对水生生物会产生一定的毒害作用，从而危害生态系统。

淮河是我国七大水系之一，沙颍河流域是淮河流域上游污染问题最突出、污染贡献最大的流域之一[13]。其流域内畜禽养殖量占河南省畜禽养殖总量的25.19%，流域内5市(周口，平顶山，许昌，郑州，漯河)的畜禽养殖污染物已经对环境构成了不同程度的污染[14]。目前关于沙颍河流域的重金属污染[13]、多环芳烃污染[15]、硝基苯以及氨氮(NH3-N)污染[16]已受到关注。唐俊等[7]对巢湖水体中的抗生素污染现状及来源进行了分析。秦延文等[8]对辽河表层水体，武旭跃等[6]对太湖贡湖湾水域典型抗生素污染特征与生态风险进行了研究。刘晓晖[9]对洞庭湖流域水环境中典型抗生素污染特征、来源及风险评估进行了研究。

现选择 3 种SAs、1 种Qs和1 种TCs共 5种抗生素为研究对象，对枯水期、平水期和丰水期3个水期沙颍河流域抗生素的污染状况、空间分布进行了研究，评估了5种抗生素的生态风险，以期为沙颍河流域的水环境保护提供科学的参考依据。

1 研究方法

1.1 采样时间

2018年7月 (丰水期)、11月 (枯水期) 和2019 年 3月(平水期)。

1.2 采样点位

在沙颍河流域共布设30个采样点位，分别为：S1—S30；主要涉及贾鲁河、沙河、颍河、北汝河、澧河等河段，见图1。

图1 沙颍河流域采样点

1.3 样品采集和前处理

每个采样点采集水样2.5 L，暂存于棕色玻璃瓶中密封，2 h内于4 ℃条件下运回就近实验室待前处理。所有操作均按照《水质采样 样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)进行。

采集的水样经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤，取过滤后的水样2 L，用硫酸调节pH值为3，加入乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)0.16 g，加入回收率指示物13C6-磺胺甲噻二唑100 μL (1 mg/L)，摇匀后过经依次用5 mL 甲醇和5 mL水活化的HLB固相萃取小柱(SPE小柱，6 mL，500 mg)，水样以3～5 mL/min的流量通过HLB小柱进行富集，后用5 mL 20%甲醇水溶液淋洗，并用超纯水洗涤数次，抽干。富集完毕后，用封口膜封存小柱，并用铝箔纸包好，放入车载冰箱中4 ℃以下避光保存小柱，运回中国环科院检测中心实验室待洗脱。使用6 mL甲醇溶液作为洗脱剂以1 mL/min流量洗脱HLB小柱中的待测物，淋洗液收集于10 mL PP管，氮吹定容至1 mL，加入内标物50 μL (1 mg/L)，涡旋振荡，转移到进样瓶中，冷藏保存，待进样测定。

1.4 分析仪器

高效液相色谱串联质谱(HPLC-MS/MS, Agilent 1200-6410A，美国)；Agilent Zorbax Eclipse XDB-C18 column (4.6 mm×150 mm, 5 μm)色谱柱；固相萃取装置(6 mL, 500 mg, Milford, MA, 美国)；氮吹仪(EFAA-DC24-RT，安谱)；R-210旋转蒸发仪(IKA RV10，LKA德国)；多参数水质分析仪(HACH, HQ40d, 美国)。

1.5 分析试剂

抗生素标准品包括磺胺吡啶(SPD)、磺胺氯哒嗪(SCP)、磺胺嘧啶(SDZ)、环丙沙星(CIP)和四环素(TCL)，标准品纯度≥95%，回收率指示物13C6-磺胺甲噻二唑(上海安普科技股份有限公司)。甲醇(HPLC级)、乙腈(HPLC级)、甲酸(HPLC级)和Na2EDTA(北京百灵威科技有限公司)。

1.6 分析方法

采用多参数水质分析仪(HACH-HQ40d)现场测定水温、pH值、溶解氧(DO) 、电导率(σ)等理化指标。用Hach Digital Titrator滴定枪测定水体硬度，用氨气敏电极法现场测定NH3-N。

采用HPLC-MS/MS进行5 种目标抗生素的定性定量分析。色谱条件: 色谱柱Agilent Zorbax Eclipse XDB-C18 (4.6 mm×150 mm, 5 μm); 柱温40℃；流动相(0.2%甲酸水溶液+甲醇)∶乙腈=40∶60(V/V)；进样体积为10 μL；质谱条件：LC-MS/MS多反应监测(MRM) 模式，ESI电离源，离子源I(GS1) 和II(GS2)气流量分别为50和60 mL/min，电离电压5 500 V，辅助加热气温度550℃。

1.7 质量控制与保证

配制一系列质量浓度梯度(0.01，0.1，0.5，1.0，10，50，100和200 μg/L) 的混合标准溶液进样测定，5种抗生素的标准曲线线性关系良好(R2>0.99)。采用外标法定量，5种抗生素的方法回收率为75%～110%，方法检出限为0.015～0.28 ng/L。平行样测定结果的相对标准偏差<10%，空白样均无目标物检出。

1.8 生态风险评估方法

根据欧盟《风险评价技术指导文件》[17]中环境风险评价方法，水体中抗生素的生态风险可通过风险熵值来评价。

RQ = MEC/PNEC

(1)

PNEC = TD /AF

(2)

式中:RQ——综合毒性熵值；根据Hernando等[18]提出的RQ分类方法来评估环境生态风险: 0.01

MEC——环境实测质量浓度，ng/L；

PNEC——预测无效应质量浓度，ng/L；

TD——从现有研究中获取最敏感的急性或慢性毒性数据(数据主要来自US EPA的ECOTOX数据库、中国知网等文献数据库)；

AF——评估因子，当选择急性毒性数据时，AF值为1 000；当选择慢性毒性数据时AF 值为100。

2 结果与讨论

2.1 沙颍河流域抗生素水平

沙颍河流域水体中不同水期5 种抗生素质量浓度统计结果见表1。

表1 沙颍河流域水体中不同水期5种抗生素质量浓度① ng/L

①ND：未检出。

由表1可见，5种抗生素在丰水期、枯水期和平水期均有检出，其中丰水期CIP、枯水期SPD和SDZ以及平水期SCP的检出率均>50%，平水期SCP的检出率最高达70.97%。研究区水体中TCL、SPD、SDZ和SCP较高的检出率应引起高度关注，因为抗生素及其残留会引发抗生素抗性基因污染，抗性基因的污染和传播已成为新的环境问题[19-21]；CIP在丰水期的检出值最高(655 ng/L)。丰水期、枯水期和平水期5种抗生素的平均值从大到小依次分别为：CIP>TCL>SPD>SCP>SDZ；SPD> SDZ>TCL >SCP> CIP；SCP> SDZ> CIP> TCL> SPD。不同时期抗生素的浓度水平不同，表明沙颍河流域抗生素的浓度呈现明显的时间差异性。

与国内其他地区地表水体抗生素浓度对比(表2)，沙颍河流域3个水期SPD最大值均低于白洋淀，其他地区的最大检出值虽低于白洋淀，但检出率却高达100%(如渭河和黄浦江)。沙颍河流域平水期SCP的最大值和检出率均高于渭河和黄浦江。沙颍河流域3个水期SDZ的最大值均低于洞庭湖、渭河、白洋淀和黄浦江，而这几个地区均有着较高的SDZ检出率，甚至达到100%，说明SDZ在其他地区的污染较高。沙颍河流域枯水期和平水期CIP的最大值相对其他大多数地区来说较低，但丰水期CIP的最大值却高于洞庭湖、巢湖、太湖、辽河、渤海、白洋淀和黄浦江，平均值高达237.52 ng/L，表明沙颖河流域丰水期CIP污染较为严重。对比太湖与黄浦江等其他地区，沙颍河流域枯水期和平水期TCL的最大值偏低，而丰水期的最大值偏高，最高值为158.89 ng/L，但平均值为27.00 ng/L，总体其值和检出率均处于偏低水平。综上，沙颍河流域丰水期CIP为高值和高检出率的污染物，应重点关注。

表2 国内不同地区地表水中抗生素残留水平① ng/L

①括号内数字为检出率。

2.2 空间分布

沙颍河流域水体中5种抗生素累积浓度分布见图2(a)(b)(c)。由图2可见，5种抗生素空间分布差异明显，且不同水期各抗生素浓度存在一定差异。丰水期沙颍河的S30点位检出值最高(655 ng/L)；其余点位均有不同程度的检出浓度，总体累积浓度较高，其中CIP的检出值最高(ND～655 ng/L)，且多个高浓度抗生素点位仅检出CIP，如S30、S2、S8、S13等。枯水期中，贾鲁河的S23点位检出值最高(34.19 ng/L)，总体累积浓度相对较低，SPD检出值最高(ND～24.35 ng/L)。平水期双洎河的S3点位检出值最高(265.46 ng/L)，总体累积浓度在丰水期和枯水期之间，SCP检出值最高(ND～258.17 ng/L)。

沙颍河流域内存在水产养殖业，而Qs抗生素具有广谱抗菌、效果明显和价格低廉等优点，被广泛用于水产养殖动物细菌性感染症的防治[26-27]，因此CIP的总检出浓度和检出率均为最高，与文献[1]结果相似。此外沙颍河流域内的畜牧养殖业也比较发达，SAs抗生素被大量应用[28]，畜禽体内未吸收利用的部分抗生素随粪污农用进入环境[29]，可能是因为土壤受纳了大部分污染物，最终流入沙颍河流域的磺胺类抗生素含量总体较低。但SAs药物稳定性较高，亲水性强，比Qs更难降解，更易迁移[22，30]。总体上，5种抗生素累积浓度为：丰水期>平水期>枯水期。

(a) 丰水期

(b) 枯水期

(c) 平水期

图 2 沙颍河流域水中5种抗生素累积浓度分布

2.3 抗生素污染与常规水质指标的相关性分析

现将不同时期抗生素质量浓度与水体主要的常规水质指标温度(T)、pH值、DO、σ、硬度(H)和NH3-N进行相关性分析，结果见图3(a)(b)(c)。

(a) 丰水期

(b) 枯水期

(c) 平水期

图3 沙颍河流域5种抗生素与环境因子的相关系数分析

由图3可见，丰水期5种抗生素与水质指标之间均无明显的相关性。枯水期SDZ与硬度和NH3-N显著相关，SPD与温度显著不相关。平水期SDZ与σ显著相关。表明硬度和NH3-N可能是影响ρ(SDZ)分布的重要因素，温度则是影响ρ(SPD)分布的重要因素。文献[6，31]表明抗生素与总氮(TN)、化学需氧量(COD)、pH值等水质参数有显著相关性。抗生素进入水环境之后，会发生吸附、水解、微生物降解等迁移转化过程[9]，自然会受到温度、pH值等水质参数的影响，但是目前影响规律不明，因此有必要加强抗生素的环境转归与影响因素的深入研究，以科学评估抗生素的生态风险。

2.4 生态风险评价

文献[32-33]表明，水生环境中的抗生素可能会对生态和健康造成不利影响。本研究中，沙颍河流域5种抗生素均有检出。搜集5种抗生素对水环境生物的毒性数据，选择最敏感的生物毒性数据计算PNEC值进行生态风险评估(表3)。由表3可见，对5种抗生素最敏感的水生生物分别是浮萍(L.minor)、费氏弧菌(V.fischeri)、羊角月牙藻(S.capricornutum)、铜绿微囊藻(M.aeruginosa)和铜绿微囊藻(M.aeruginosa)，最终得到5种抗生素的PNEC值分别为460，16 000，2 200，5和90 ng/L。

通过MEC与PNEC值计算出各个点位5种抗生素的RQ值，见图4(a)(b)(c)。由图4可见，丰水期CIP和TCL对水生生物高风险的比例分别为67%和16%，TCL中风险的比例为13%，其余点位处于低风险甚至无风险水平。CIP检出值最高(ND～655 ng/L)，高风险比例也最大。枯水期CIP在点位S1和S9对水生生物分别为中风险和高风险，TCL在点位S23为中风险。枯水期SPD的检出值最高(ND～24.35 ng/L)，而SPD处于低风险及以下，这应该与计算PNEC值时所选用的物种有关，CIP和TCL对铜绿微囊藻(M.aeruginosa)较为敏感。平水期，CIP在点位S25为高风险，SCP的风险为低风险及以下。总体来说，沙颍河流域的生态风险为：丰水期>枯水期>平水期。对于抗生素种类，CIP和TCL均表现高风险。刘晓晖[9]对洞庭湖抗生素的生态风险评估表明CIP的RQ 高达7.23，表现出高风险水平。武旭跃等[6]研究太湖贡湖湾水域中抗生素生态风险，得出CIP为高风险。Jiang等[5]研究石家庄汪洋河抗生素风险水平，显示CIP和TCL表现出较高的生态风险，均与本文结果一致。因此，应加强沙颍河流域CIP和TCL监测评估与预警管理，有效拦截污染源输入，防控其生态风险。

表3 抗生素对水生生物的毒性数据

①半数效应浓度；②无观测效应浓度。

(a) 丰水期

(b) 枯水期

(c) 平水期

在实际水环境中，各种污染物往往同时存在，可能产生如协同、拮抗或者简单加和作用[11]。文献[6，9]采用简单的累加模型计算抗生素的复合风险，文献[11-12]表明各抗生素之间既存在拮抗作用，也存在加和作用。

3 结论

(1) 沙颍河流域中SPD、SCP、SDZ、CIP和TCL在丰水期、枯水期和平水期均有检出，丰水期CIP、枯水期SPD和SDZ以及平水期SCP的检出率均>50%，平水期SCP的检出率最高达70.97%，CIP在丰水期的检出值最高(655 ng/L)。总体累积浓度大小为：丰水期>平水期>枯水期。对比国内其他地区水环境，沙颍河流域5种抗生素浓度总体处于一般水平，但丰水期CIP检出值较高。

(2) 相关性分析表明，枯水期SDZ与硬度和NH3-N显著相关；平水期SDZ与σ显著相关。抗生素进入水环境，发生迁移转化过程会受到水质参数的影响。

(3) 沙颍河流域5种抗生素的生态风险为：丰水期>枯水期>平水期，枯水期 CIP和TCL均表现出高风险。应加强沙颍河流域CIP和TCL的监测评估与预警管理，有效拦截污染源输入，防控其生态风险。