西安市典型河流中4种抗生素的生态风险评价

陈 莹 赵晓光

(西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

据报道，2013年我国抗生素生产总量就达到2.48×105t，使用量达到1.6×105t[1]，成为最大的抗生素生产国和消费国。大量未被利用的抗生素通过医疗垃圾、人畜排泄、废水排放等途径[2-3]进入地表水环境中。水生生物一旦长期暴露，即便是低浓度的抗生素，也会对其产生各种不可逆的影响，从而破坏生态系统平衡，经过食物链传递，还会威胁到人类健康。因此，抗生素在水环境中的残留具有巨大的生态风险[4]。

西安市是我国西北部经济建设的关键地区，但存在许多规模化的畜牧养殖场且没有完善的污水处理设施，兽药及饲料添加剂中的抗生素随废水排入地表水环境中。因此，西安市的地表水环境中存在抗生素污染的风险。渭河是黄河最大的支流，灞河属渭河右岸支流，这两条河流在西安市供水、补水及生态建设中占据重要地位。对渭河和灞河进行抗生素的生态风险评价可以总体了解抗生素对西安市水生态环境的影响，为当地制定相应的防控措施提供参考。四环素(TC)、诺氟沙星(NOR)、磺胺甲恶唑(SMZ)和罗红霉素(ROX)是西安市地表水环境中检出的4种代表性抗生素。本研究通过收集4种抗生素的急、慢性毒性数据，利用物种敏感度分布(SSD)法并结合评价因子(AF)法推导目标抗生素的生态风险阈值(PNEC)。但是ROX因原始毒性数据不足，无法通过SSD法推导，故直接借鉴了ECOTOX数据库(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)中的PNEC。最后，通过风险熵法对西安市典型河流渭河和灞河中的4种抗生素进行了生态风险评价。

1 材料与方法

1.1 数据来源

1.1.1 毒性数据

由于本研究主要关注国内地表水环境中抗生素的生态风险，故优先选取国内淡水生物的毒理数据，主要遵循以下原则进行数据选取：(1)有明确的受试生物、测试终点、暴露时间及文献来源；(2)同一物种存在不同测试终点时，选取最敏感数据；(3)同一物种同一测试终点存在多个毒性数据时，选取其几何平均值。TC、NOR、SMZ 3种抗生素的急性和慢性毒性数据分别见表1、表2。

表1 3种抗生素的急性毒性数据

表2 3种抗生素的慢性毒性数据

1.1.2 河流中的抗生素浓度

渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的平均质量浓度数据整理自文献[26]至[29]，列于表3中。总体来说，两条河流中的4种抗生素质量浓度处于ng/L水平，灞河大于渭河。

表3 典型河流中抗生素污染水平

1.2 PNEC推导

利用荷兰国立公共卫生和环境研究所(RIVM)研发的一款用于分析污染物毒性效应的软件ETX 2.0首先建立抗生素SSD曲线，得到仅有5%的物种会受到影响的抗生素浓度(HC5)。然后通过对数正态分布模型拟合毒性数据，并通过A-D拟合优度检验判断其合理性。最后利用HC5/AF推导得到抗生素的PNEC[7]。AF一般取1～5，为保守评价抗生素的生态风险，本研究选取最大值5。

1.3 生态风险评价方法

抗生素对水环境的生态风险大小用风险熵(RQ)进行评估，一般RQ<0.01属于无风险；0.01≤RQ<0.10属于低风险；0.10≤RQ<1.00属于中风险；RQ≥1.00属于高风险。对于多种抗生素的生态风险采用简单的叠加模型。风险熵的计算公式见式(1)：

RQ=C/P

(1)

式中：C为抗生素质量浓度，mg/L；P为抗生素的PNEC，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 3种抗生素对水生生物的PNEC推导结果及分析

TC、NOR、SMZ 3种抗生素对水生生物急性毒性的SSD曲线见图1，根据SSD曲线得到的HC5及推导的急性PNEC见表4。急性毒性模型的A-D拟合优度均低于0.05水平的临界值0.752，符合正态分布，说明对数正态分布模型适用。由于HC5与PNEC成正比，而PNEC越小，抗生素对环境的友好程度就越低，故根据急性毒性的PNEC判断，3种抗生素的环境友好性由高到低依次为NOR>TC>SMZ。

图1 3种抗生素对水生生物急性毒性的SSD曲线Fig.1 The SSD curves of 3 antibiotics acute toxicity on aquatic organisms

TC、NOR、SMZ 3种抗生素对水生生物慢性毒性的SSD曲线见图2，根据SSD曲线得到的HC5及推导的慢性PNEC见表4。慢性毒性模型的A-D拟合优度均低于0.05水平的临界值0.752，符合正态分布，同样说明对数正态分布模型适用。根据慢性毒性的PNEC判断，3种抗生素的环境友好性由高到低依次为为SMZ>TC>NOR。

图2 3种抗生素对水生生物慢性毒性的SSD曲线Fig.2 The SSD curves of 3 antibiotics chronic toxicity on aquatic organisms

慢性毒作用带是急性PNEC与慢性PNEC的比值。慢性毒作用带越大，说明急性PNEC与慢性PNEC间的范围越宽，因此发生慢性中毒后不易发现，容易被忽视，需加以重视。由表4可看出，NOR的慢性毒作用带最宽，发生慢性中毒的危险性最大。3种抗生素的慢性PNEC均小于急性PNEC，说明更应重点关注这几种抗生素对水生生物的慢性毒理效应。

表4 3种抗生素的急、慢性PNEC及其慢性毒作用带

2.2 4种抗生素的生态风险评价结果

ROX的急性PNEC为0.15 μg/L，慢性PNEC为0.10 μg/L，TC、NOR和SMZ的急、慢性PNEC已在2.1节推导得到。渭河和灞河中4种抗生素的急、慢性风险熵计算结果见表5。

表5 渭河和灞河中4种抗生素的急、慢性风险熵

渭河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，属于无风险，而ROX的急性RQ介于0.10～1.00，属于中风险；TC的慢性RQ<0.01，属于无风险，NOR和SMZ的慢性RQ介于0.01～0.10，属于低风险，而ROX的慢性RQ介于0.10～1.00，属于中风险；ROX的急、慢性风险熵对总和的贡献率分别达到99.30%、84.97%，说明ROX是渭河的主要抗生素污染物。

灞河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，慢性RQ介于0.01～0.10，分别属于无风险和低风险，而ROX的急、慢性RQ介于0.10～1.00，属于中风险，ROX的急、慢性风险熵对4种抗生素总风险熵的贡献率分别为98.54%、75.93%，同样是灞河的主要抗生素污染物。

总体而言，两条河流中ROX的急、慢性风险熵均大于0.10，对4种抗生素总风险熵的贡献率达到75%以上，属于中风险，其他3种抗生素都属于无风险或低风险。但由于ROX的PNEC来源不同，可能存在一定程度的高估。

3 结 论

(1) 利用SSD法并结合AF法推导得到TC、NOR和SMZ 3种抗生素对水生生物的急性PNEC分别为136.12、1 364.18、49.39 μg/L，慢性PNEC分别为4.40、0.59、6.28 μg/L。ROX直接借鉴了ECOTOX数据库中的数据，急性PNEC为0.15 μg/L，慢性PNEC为0.10 μg/L。NOR的慢性毒作用带最宽，达2 312.17，应重点关注它的慢性毒理效应。

(2) 通过风险熵法对西安市渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的生态风险进行评价发现，TC、NOR和SMZ无风险或低风险，主要抗生素污染物为ROX，对4种抗生素总风险熵的贡献率达到75%以上，属于中风险。4种抗生素对水生生物的慢性毒性危害大于急性毒性危害。