浙江湖州苕溪底泥中抗生素残留分析研究

文/盛鹏程 徐磊 林锋 郝贵杰 周冬仁 孙博怿 沈小明 张海琪

为评价湖州地区苕溪底泥中抗生素的污染水平和生态风险，本研究利用超高效液相色谱-串联质谱仪，对东、西苕溪底泥中3大类典型抗生素的污染水平和污染特征开展了检测分析。结果表明，苕溪底泥中共检测出三类11种抗生素，其中土霉素的检出率和平均质量浓度最高，达18.8%和351.9ng/kg。此外苕溪底泥中喹诺酮类抗生素给相应的敏感物种带来较高的生态毒性风险，其中环丙沙星尤为突出。

一、引言

随着养殖业的不断发展，海域、河流、湖泊等水体抗生素的残留污染问题日益引起人们的重视，已成为一大热点话题。而作为抗生素的生产大国和使用大国，我国抗生素残留也较为严重。据统计，目前我国水产抗生素每年用量在2万吨左右，高于其它国家，这从一定程度上说明我国水产养殖存在滥用抗生素的现象。

抗生素的滥用给环境造成的影响比较复杂。大多数抗生素主要通过粪便以原型或活性代谢物的形式从生物体内排出，释放到环境中进而与空气、水以及土壤接触发生水解、光解等一系列的反应，造成环境污染。随着抗生素在我国的大规模生产和使用，其残留问题尤其是在水体中的残留污染问题日益突显，但目前我国污水处理系统不能很好地处理抗生素，使得水资源的再利用不能顺利进行。抗生素的半衰期通常不长，但是由于被频繁使用和易于进入环境，导致其出现“伪持久性”现象，对生态系统和人体健康构成潜在危害。总而言之，抗生素的生态毒理作用及造成的环境污染已成为世界范围内重要的环境问题。

表1 苕溪采样点的分布

底泥作为抗生素在水体环境中的重要归宿，常被检测出高浓度的抗生素含量，因此检测水体中底泥的抗生素含量对水体中抗生素残留分析以及风险评估具有重要的意义。苕溪贯穿湖州，是湖州最重要的水系，也是湖州水产养殖的重要水源之一。为了更好地发展水产绿色健康养殖，本研究利用超高效液相色谱-串联质谱分析了苕溪河沉积物中抗生素的组成和分布特征，初步评估了抗生素的生态风险和污染水平，明确苕溪河沉积物中抗生素的残留状况，可为苕溪河的水质环境提供理论依据，也可为该水系的抗生素风险评估提供重要的技术支撑。

二、材料与方法

（一）采样点的设置

调查于2019年4月、8月和11月进行，采样点主要分布在苕溪（太湖汇合段）、东苕溪（千元镇湖州段）和西苕溪（安吉湖州段）。根据周围的水产养殖情况，总共设置了16个采样点。其中和孚镇、菱湖镇、钟管镇、乾元镇、梅溪镇均为湖州渔业强镇。采样点分布见表1和图1。

图1 苕溪采样点分布及抗生素总量

（二）样品处理

将沉积物样品经冷冻机冷冻干燥24小时，研磨并通过60目筛。精确称量样品2.0g，放置于离心管中并加入内标混合标准溶液，混合1min，静置1h，然后加入0.4g EDTA二钠，5.0mL乙腈和5.0mL磷酸缓冲溶液（0.05mol/L，pH=3）。涡旋1min，摇荡20min，超声10min，离心后，收集上清液。再将残余物萃取两次之后，将上清液合并，然后用超纯水稀释至约400mL。混匀后，以5mL/min的流速将混合物过SAX-HLB串联柱（上样前先将小柱活化）；之后，用纯水冲洗HLB柱，干燥10min，用6mL甲醇洗脱，并将洗脱液40℃氮吹，最终定容至1.0mL，待上机测定。

（三）质量控制

喹诺酮类和磺胺类药物采用内标法测定，四环素类采用外标法测定。此外，加标实验以空白底泥为基质，准确称取2.00g，依次加入25ng和10ng混合标准物质，以S/N≥3作为该方法的最低检出限。沉积物中抗生素的回收率和检出限分别为63.13%～118.5%和0.25ng/g～1.00ng/g。

三、结果和讨论

（一）苕溪底泥中抗生素的浓度

16个采样点，3个季度共采集底泥样48个，由表2可见共检测出11种抗生素，包括磺胺类（SD、SMR）、喹诺酮类（NOR、CIP、PEF、ENR、OFLX）和四环素类（OTC、CTC、TC、DXC）。四环素类检出率最高，喹诺酮类次之，磺胺类最低。检出率最高的三种抗生素是OTC（18.8%）、TC（12.5%）和OFLX（10.4%），平均浓度最高的三种抗生素分别是OTC（351.9ng/kg）、TC（284.3ng/kg）和ENR（262.5ng/kg），其中检测出的最大浓度为TC，达10920ng/kg。大量的研究表明，抗生素在沉积物中残留与其吸附特性有关，抗生素中离子或者分子极性基团含量或数量多，则其离子吸附性能越高，更易被沉淀物吸附，在沉积物中的含量越高，由于四环素类和喹诺酮存在较多的离子基团，故而吸附能力更强。而磺胺类化合物只含有苯胺和酰胺基团，吸附能力很弱，该类抗生素在土壤中的吸附方式主要为物理吸附，而物理吸附主要依靠吸附力较小的范德华力作用，故而更容易从吸附材料中逃逸。因此，磺胺类抗生素与其他两类抗生素相比具有更强的水溶性，更容易存在于河流环境中的水体而不是底泥。

表2 苕溪底泥中抗生素含量水平

表3 苕溪中抗生素与其他水域对比表（单位：μg/kg）

关于环境中抗生素浓度是否超标，目前缺少相关的判定标准，有研究认为环境中超过1ng/L的抗生素便足以引起重视，而国际兽用药品注册基准研究委员会（Veterinary International Corporation on Harmonization，VICH）规定的土壤环境阈值为100μg/kg。根据VICH的规定，苕溪底泥沉积物中的抗生素仍处于较低水平。从表3可以看出，苕溪底泥中的抗生素与黄浦江接近，低于渤海地区并且远低于珠江流域。2015年6月，应光国团队获得第一份全国范围抗生素使用和排放清单，通过这份清单，可以看到我国58个流域抗生素分布情况，其中抗生素污染最严重的流域有2个，分别为珠江流域和海河流域。虽然苕溪底泥中抗生素浓度较低，但检测出的抗生素种类较多，仍然值得注意。

（二）东西苕溪底泥中抗生素比较

东西苕溪底泥中三个季度抗生素分布结果如图1。西苕溪W2的抗生素浓度最高，测得喹诺酮类总量3.67ng，四环素类总量19.1ng。在W4和W5处并未测出三类抗生素。东苕溪中E6处测到的抗生素浓度最高，E7处未测出三类抗生素。W2和E6两处抗生素浓度高可能与其周边存在较多的养殖企业有关，而W4、W5和E7三处周围主要的养殖塘为青虾塘、中华绒毛蟹塘和青鱼塘，这三种淡水养殖品种在养殖过程中养殖密度较小，病害也相对较少，抗生素投入也会少一些，这可能是这三处底泥中未测得抗生素的原因。

（三）抗生素的生态风险评估

目前，评估环境中药品的生态风险主要采用风险商值（RQs）法。RQs的计算方法有2种，一是通过污染物的环境预测浓度（PEC）获得，二是通过实际监测浓度（MEC）与预测无效应浓度（PNEC）的比值获得。

式中，PEC：环境预测浓度，ng/L；MEC：环境实测浓度，ng/L；PNEC：预测无效浓度，ng/L；LC50：半致死浓度，ng/L；EC50：半最大效应浓度，ng/L，RQs：风险商值。Kd为沉积物-水分配系数，L/kg；Koc为有机碳-水分配系数，L/kg；Foc为有机碳在沉积物中的含量（Foc=0.03g/g）；Kow为水/辛醇分配系数。

本研究利用超高效液相色谱-串联质谱法共在苕溪河中检测出11种抗生素，除PEF未找到相关PNEC数据，其余10种抗生素的计算结果见表4。由表4可知，喹诺酮类的生物毒性较大，其次为磺胺类和四环素类，而表4抗生素中磺胺甲基嘧啶的生物毒性最小，环丙沙星的生物毒性最大。

Kd值为沉积物-水分配系数，Kd值越大表示沉积物对药物的吸附作用越强，由于沉积物成分复杂，同一种药物在不同的沉积物中所表现出的Kd往往不同，故本文中的Kd均取自其他文献中，无法找到的Kd值则查找药物的Kow，通过公式（4）和（5）计算得到Kd值，见表5。

苕溪底泥中抗生素的RQs值如表6，由表6可知：四种四环素类抗生素和SMR属于最低风险，SD、ENR为中等风险，喹诺酮类抗生素主要属于高风险，其中NOR的RQs为26.4，是本次研究中的最大值，其生态风险需要引起重视。

表4 抗生素对于敏感物种的毒理数据

表5 主要抗生素的Kd值

表6 苕溪底泥中主要抗生素的RQs

四、结论

利用超高效液相色谱-串联质谱法从48个苕溪底泥样本共检测到11种抗生素，抗生素浓度均为“μg/L”级，主要以四环素类和喹诺酮类为主，这与抗生素本身的结构和亲脂特性有关。其中OTC、TC和OFLX检出率均超过10%。检测浓度最高的抗生素为TC，其最高浓度为10920ng/kg，而平均浓度最高的抗生素是OTC，其浓度为351.9ng/kg。与国内为其他河流比较，苕溪底泥中抗生素污染较轻。

西苕溪抗生素总量平均值为6.23ng，东苕溪抗生素总量平均值略高于西苕溪，为7.64ng，这可能与河流周围的养殖存在一定联系。

对苕溪底泥中的抗生素评估发现NOR、CIP和OFLX属于高风险，而NOR对苕溪水体中的水生生物威胁最大。整体而言，苕溪底泥中抗生素残留需要引起注意。