常州市水环境中精神活性物质污染特征与生态风险

邓洋慧，郭昌胜,2，殷行行，罗 莹，徐 建,2*

1.中国环境科学研究院环境健康风险评估与研究中心，北京 100012

2.中国环境科学研究院，国家环境保护化学品生态效应与风险评估重点实验室，北京 100012

精神活性物质(psychoactive substances，PSs)是一大类对人类中枢神经系统具有强烈兴奋或抑制作用的化合物，在一定程度上影响人的思维、情感、意志行为等心理生理过程.PSs 的滥用一直是世界性的问题[1].水环境中的PSs 主要来源于吸毒人员的排泄物和医院的正常用药，以及制毒工厂违法偷排的废水等[2].含PSs 的废水最终进入污水处理厂[3]，但目前的污水处理工艺很难将其完全去除[4-7]，未被有效去除的物质通过污水处理设施出水，最终进入地表水中.欧洲、日本和拉丁美洲等国家和地区的研究发现，高浓度的PSs 会随水流进入地下含水层，甚至污染饮用水[8-9].《2021 年世界毒品报告》指出，全球有超过2.75 亿的居民吸毒，其中近3 100 万人为吸毒成瘾者，主要使用的物质包括大麻、阿片类药物、可卡因及苯丙胺类兴奋剂[3,6,10-16].美国、意大利、英国和西班牙等国家最早开展PSs 的检测[14].Bartelt-Hunt 等[17]报道了美国密苏里河受污水处理厂排水的影响，METH 的检出浓度高达350.0 ng/L.Baker 等[18]在英国某污水处理厂进水及出水中检测到甲基苯丙胺(methamphetamine，METH)、苯丙胺 (amphetamine，AMP)、氯胺酮(ketamine，KET)、去甲氯胺酮(norketamine，NK)、可卡因(cocaine，COC)、苯甲酰牙子碱(benzoylecgonine，BE)、摇头丸(ecstasy，MDMA)及EPH 等，其浓度在1.0～2 300.1 ng/L 之间，并在受纳河流中也检出这些化合物，其浓度范围在LOD(检出限)～52.5 ng/L 之间.Mendoza 等[19]在西班牙马德里的地表水中检测到EPH、COC 和BE，其浓度分别高达1 020.0、103.0和823.0 ng/L.VAN-Nuijs 等[11]在比利时河流中检出60.0 ng/L 的COC 以及222.0 ng/L 的BE[12].我国位于两大毒品产地“金三角”和“金新月”之间，PSs 滥用问题由来已久.截至2019 年底，我国现有在册吸毒人员240.4 万名，占全国人口总数的0.18%，且我国PSs滥用的种类多元并存[20].前期研究[8]发现，我国污水处理厂进出水中检测到了多种PSs，其中METH 浓度达到了456.8 ng/L，而其他PSs〔包括AMP、KET、可待因(Codeine，COD)〕的检出浓度相对较低.Li 等[21]对北京市13 处污水处理厂进行了研究，发现8 处污水处理厂的进水中METH 浓度明显较高〔平均值>(115.8±28.0) ng/L〕，出水中也未将其有效去除.笔者所在的课题组在北京市地表水中检出了包括METH、EHP 和KET 在内的多种PSs，可检出浓度范围为17.1～185.7 ng/L[22].Lin 等[23]在中国台北高雄−屏东地区的地表水中检测出KET 的浓度高达420.0 ng/L；Jiang 等[24]在中国台湾西南部沿岸的海水中检测出KET 浓度在nd～23.3 ng/L 之间.

PSs 因其较强的极性和生物活性，不易挥发且难以被生物降解[25]，进入水环境后对水生生物的毒性也不断被证实[26-28].研究[29]发现，0.004 μmol/L 的METH和KET 混合物能够显著延缓青鳉鱼的胚胎孵化时间、改变幼鱼的游泳行为.Sancho-Santos 等[30]发现，将褐鳟鱼暴露于1.00 和50.00 μg/L METH 溶液中35 d，褐鳟鱼的肝脏和心脏均有退化改变发生.殷行行等[31]将斑马鱼暴露于0.01、1.00 和100.00 μg/L EPH 溶液中21 d，结果显示，EPH 在斑马鱼体内存在器官特异性分配，EPH 在斑马鱼体内的平均含量表现为脑>卵巢>肝>肠>肌肉.目前有限的研究主要针对PSs 对生物个体毒性的影响，在环境暴露条件下它们对水生态环境的影响还不甚清楚，尤其在现实水环境中，PSs以什么形式和浓度水平存在，是现阶段需要关注的重点.

常州市地处江苏省南部、长三角腹地，位于太湖西北部，地势平坦，属于典型平原河网地区，人口集中，工农业发展迅速，属于我国社会经济较发达地区[32].目前已有研究报道太湖流域的河流及污水处理厂中PSs 的污染现状[33]，针对常州市挥发性有机污染物、有机磷酸酯和抗生素等新污染物赋存现状已有相关研究[34-35]，但对PSs 在常州市水环境中的污染水平尚鲜有报道.鉴于此，该研究以常州市湖泊、河流及饮用水源为主要研究对象，使用UPLC-MS/MS 分析了13 种PSs 及代谢物在不同水体中的浓度分布特征；采用主成分分析和皮尔逊相关系数分析目标污染物与采样点间存在的相关性，并利用风险熵法评估PSs 的环境风险，以期为进一步分析PSs 在水环境中的来源、环境行为及最终归趋提供参考.

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

EPH、AMP、METH、甲卡西酮(methcathinone，MC)、3,4-亚甲基二氧基苯丙胺(3,4-methylenedioxy amphetamine，MDA)、MDMA、NK、KET、BE、COC、MET、HR、COD(理化性质见表1)与甲基苯丙胺-d8(METH-d8)均购自美国Cerilliant 公司；浓盐酸(分析纯)购自国药集团化学试剂有限公司(北京)；色谱纯甲醇、乙腈购自英国Fisher 公司；氨水(37%)与甲酸(99.9%)购自美国Sigma-Aldrich 公司；试验用超纯水由Milli-Q系统制备(Millipore，MA，美国)；固相萃取柱Oasis MCX(60 mg，3cc)购自美国Waters 公司；玻璃纤维滤膜(GF/FTM filters，直径47 mm，孔径0.45 μm)购自英国Whatman 公司.

表1 PSs 的理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of PSs

1.2 样品采集

2019 年6 月在常州市3 个市辖区共布设29 个采样点(记为CZ1～CZ29)(见图1).其中，地表水源地水体(水库)采样点5 个，包括向阳水库、新浮山水库、海底水库及茅东水库；常州市两条主要河流(京杭大运河及丹金溧漕河)以及支流河流采样点19 个，武进区长荡湖及滆湖水体采样点5 个.每个采样点取水样1 L，置于提前用甲醇和Milli-Q 水洗净并烘干的棕色玻璃瓶中.采样结束后立即运回实验室于4 ℃下冷藏.全部样品在48 h 内处理完毕.

图1 常州市水环境采样点分布Fig.1 Location of the sampling sites in the water environment of Changzhou City

样品前处理及测定参照文献[3]，取1 L 地表水样经0.45 μm 玻璃纤维滤膜过滤，浓盐酸调节pH 至3，加入5 ng METH-d8；水样以1 mL/min 的流速过Oasis MCX 萃取柱(经5 mL 甲醇和6 mL 超纯水活化平衡)富集；然后，用6 mL 超纯水淋洗MCX 柱，抽干多余水分.萃取柱用6 mL 含5%氨水的甲醇进行洗脱；收集洗脱液至10 mL 离心管中，在40 ℃水浴中弱氮气流吹至近干，用1 mL 水/乙腈溶液(体积比为9∶1)重构样品，经0.22 μm 尼龙膜过滤，待测.

1.3 样品分析

1.3.1 样品测定

液相色谱柱为ACQUITY UPLC® BEH C18(1.7 μm，50 mm×2.1 mm，Waters，MA，USA)，进样量为5 μL，流动相由0.1%甲酸水溶液(A)和乙腈(B)组成.流动相流速为0.45 mL/min，柱温为40 ℃.洗脱梯度如表2 所示.

表2 目标物质的洗脱梯度Table 2 Elution gradient of target substance

目标物定量分析使用Xevo T-QS micro 三重四级杆串联质谱仪(Waters，MA，USA)完成，采用多反应监测(multiple reaction monitoring，MRM)与电喷雾正离子源(ESI+)模式.氮气作为脱溶剂和雾化气体，毛细管电压为0.5 kV，离子源和脱溶温度分别为150和400 ℃.目标物质谱参数见表3.

表3 目标物质的特征选择离子及质谱条件Table 3 Analyte ions for UPLC-MS/MS monitoring,and conditions of collision voltage and declustering potential

1.3.2 方法验证与质量控制

采用内标法定量，线性范围为0.01～10.00 μg/L，R2>0.99.分别以Milli-Q 水、自来水和地表水为基质进行加标回收率试验，加标水平为5 ng.

1.4 数据处理方法

采用Waters MassLynx V4.1 软件对检测出的峰谱图进行分析，利用SPSS 22.0 软件进行统计学分析，采用OriginPro 2017 软件制图.采用Pearson 相关分析和主成分分析(PCA)探讨PSs 的来源.采用ArcGIS 10.2 软件绘制PSs 的采样点位图.

2 结果与讨论

2.1 常州市水环境中PSs 的浓度水平

常州市水环境中13 种PSs 浓度和检出频率如表4 所示.其中，MC、MDMA、NK、COC、BE 均未检出，COD 的检出频率仅为3.0%，其他7 种PSs 在常州市水环境中均有不同程度检出，MDA、MET、AMP、METH、KET、HR 的检出频率分别为31.0%、55.2%、79.3%、86.2%、93.1%、96.6%，而EPH 的检出频率(100%)和检出浓度最高，范围为0.23～21.98 ng/L.我国主要水体中PSs 与其他国家相比结果如表5 所示.EPH 可作为AMP 和METH 的前体药物，同时也作为医疗的合法用药，如支气管扩张剂和鼻减充血剂[37].较高EPH 的检出频率，也说明了其在常州市作为处方药的广泛使用.常州市水体中EPH 的污染水平低于北京市城市河流中EPH 的检出浓度(nd～50.8 ng/L)[22]，与国外已有报道结果相比，远低于西班牙马德里Jarama 河和Manzanares 河(30.6～1 020.0 ng/L)[19]，稍高于英国马斯登Calder 河(nd～16.5 ng/L)[18].

表4 常州市水环境中PSs 的LOD、LOQ、回收率以及入常州市水环境中其检出浓度Table 4 LOD,LOQ,detection rates and concentrations of PSs in the water environment of Changzhou City

表5 国内外地表水中AMP、METH、MET 和KET 的浓度Table 5 Concentrations of AMP,METH,MET and KET in surface water from different regions ng/L

常州市水环境中METH 的检出频率为86.2%，浓度水平在nd～8.47 ng/L 之间.METH 作为我国主要滥用药物之一[20]，前期曾报道北京城市河流中METH浓度高达99.5 ng/L[22]；渤海湾36 条主要河流中METH的最高浓度达42.0 ng/L[14]；深圳河中METH 的最高浓度为239.0 ng/L[38]；滇池中METH 的浓度高达95.9 ng/L[23]；在中国台湾青年节期间地表水中METH的浓度高达917.0 ng/L[39].而在西班牙的主要河流中METH 的检出浓度最高为5.0 ng/L[19,22,40]，在英国主要河流中METH 的检出浓度仅为0.3 ng/L.以上结果佐证了中国整体METH 滥用程度高于其他国家的事实[1,16,19].

常州市水环境中AMP 的检出频率为79.3%，低于EPH 和METH 的检出频率，浓度水平为nd～0.53 ng/L，远低于METH.AMP 的主要来源是METH 的代谢产物和治疗帕金森病的处方药(司来吉兰)的主要成分[41].有研究表明，METH 经人体代谢后转化为AMP排出的转换率在4%～7%之间[42]，由此推断，当AMP的浓度与METH 的浓度比为0.04～0.10 时，AMP 的主要来源是METH 的转化代谢.该研究中AMP 和METH 的比值>0.1，说明常州市水体中AMP 的主要来源可能是处方药司来吉兰的使用.常州市水环境中AMP 的检出浓度基本与北京市地表水一致，但稍低于环渤海入海的36 条河流(nd～0.8 ng/L)，低于鸭绿江(32.0 ng/L)[14]的检出浓度.与国外研究相比，我国常州市水环境中AMP 浓度明显低于西班牙马德里Manzanares 河(309.0 ng/L)，与意大利(nd～0.7 ng/L)[2]、英国(<0.7 ng/L)[2]和瑞士(<1.2 ng/L)[43]等国家的检出浓度水平相当.

常州市水环境中KET 的检出频率(96.6%)相对较高，浓度水平为nd～3.29 ng/L，低于滇池中KET 的检出浓度(12.6 ng/L)，与我国其他几大湖泊中KET的检出范围(

2.2 常州市水环境中PSs 的空间分布及组成

由图2 可见，在常州市武南河的CZ26 采样点，METH、MDA、EPH 均有较高的检出浓度，分别为8.47、7.96、21.98 ng/L.采样点武南河是滆湖的主要汇水河流之一.滆湖位于太湖流域上游，横跨常州市武进区和无锡宜兴市，是苏南太湖流域的重要组成水系，是典型浅水湖泊，具有饮用、灌溉、航运、游览和水产增养殖等多种功能[46].近年来，随着滆湖周围地区经济的迅速发展和城市化进程的加快，滆湖流域污染负荷不断增加，且由于滆湖两岸居民密集，导致生活污水及工业废水排放量较大.通过对滆湖采样分析，发现METH、MDA、EPH 的检出浓度均小于武南河上采样点，可能是由于采样时间为6 月，处于南方的雨季，河水流速较大，对污染物有稀释作用，且在武南河采样点的上游、滆湖的下游存在一个大型医院和一个世界公园，因此这3 种物质的检出浓度较高可能与周边有相关污染源有关.

在4 个水库的采样点中，HR、MET 的占比较高，主要在新浮山水库(CZ16 和CZ17 采样点)和海底水库(CZ18 采样点)有较高浓度的检出，可能与两个水库附近有大量酒店、农庄及大型度假区有关.向阳水库和茅东水库中均未检出HR、MET，调查发现，这两个水库附近较为空旷，鲜有人类活动.由于近年来我国对PSs 的整治和管控，在KTV、酒吧等公共娱乐场所查获吸毒人员数量越来越少，私人住宅、出租屋、机动车内等隐蔽场所逐渐成为查获吸毒人员主要场所[19]，因此，此次在新浮水库和海底水库检测出较高浓度的HR、MET，可能与上述人类活动有关.如图2所示，在湖泊、河流中检出的PSs 占比较高的均为METH、AMP、KET、EPH，与《2019 年中国毒品形势报告》报道结果一致，上述4 种PSs 是我国目前主要滥用药物[20].

图2 常州市水环境中PSs 的组成特征Fig.2 Composition of PSs in the water environment of Changzhou City

2.3 PSs 源解析

采用主成分分析对常州市水环境中PSs 的同类来源进行解析.首先获得分数图和因子加载，经变量最大旋转后，提取出特征值>1 的因子有5 个，分别占总方差的42.47%、21.87%、16.63%、9.96%和5.94%.结果(见图3)显示，AMP、METH、EPH 以及位于京杭大运河、滆湖及长荡湖的采样点对主成分2 的负荷相对较高，这3 种物质均属于苯丙胺类药物，常被用作兴奋剂，说明这些药物与人类的频繁消费和滥用有关，同时这些采样点附近存在大量污水处理厂，由于AMP 的主要来源是司来吉兰的主要成分，而EPH常被用作平喘药和鼻通药，因此其主要来源是污水处理厂的排放以及医院废水，而HR、KET、MET 以及位于武进区的采样点对主成分1 的负荷相对较高，主要是因为HR 和KET 是我国滥用量较多的药物，据《2019 年中国毒品形势报告》显示，2019 年我国HR的滥用量占PSs 总滥用量的37.5%，KET 的滥用量占PSs 总滥用量的2.3%[20].而MET 因其特有药理学作用而被广泛用于阿片类(主要是HR)成瘾的治疗[47]，我国于2003 年开始试行MET 维持治疗，在临床中发现，吸毒人员进行足量的MET 维持治疗，可以在一定程度上减少其对诸如HR 等毒品的生理依赖[48].另外，MET 维持治疗也被用于麻醉品的依赖治疗，尤华等[49]开展了无锡市MET 维持治疗滥用PSs的研究，结果显示，MET 维持治疗同样被用于治疗METH 和KET 的成瘾，常州市大型医院主要分布在天宁区及武进区，因此这些药物的主要来源可能是医院废水的排放[50].

图3 常州市水环境中PSs 的因子载荷与主成分得分Fig.3 Loading and score plot of PCA of PSs in the water environment of Changzhou City

常州市水环境中不同PSs 浓度之间的相关分析见表6.结果显示，AMP 浓度与METH 浓度呈显著负相关，相关系数为−0.38(P<0.05)，这可能是因为AMP是METH 的活性代谢产物，地表水中的AMP 部分来源于METH 的降解(包括人类滥用后的体内降解和进入水环境后的降解)[41].AMP 浓度与EPH 浓度呈显著负相关，相关系数为−0.39(P<0.05)，由于EPH 是AMP 和METH 合成时的重要前体药物，因此这也与METH 向AMP 的降解有关[51].EPH 浓度与METH浓度呈显著正相关，相关系数为0.97(P<0.01)，说明二者的滥用形式及滥用人员存在一定的相似性.EPH浓度与MDA 浓度呈显著正相关，相关系数为0.98(P<0.01)，METH 浓度与MDA 浓度也呈显著正相关，相关系数为0.97(P<0.01)，这反映了我国目前毒品滥用种类多元并存、违法人员同时滥用多种毒品的现状[19,52].

表6 常州市水环境中PSs 浓度的相关性Table 6 Relevance of PSs concentrations in Changzhou City

2.4 环境风险评估

基于风险熵(risk quotient，RQ)方法[19]对常州市12 种PSs 进行风险评估，RQ≥1.0 为高风险，0.10≤RQ<1.0 为中等风险，0.01≤RQ<0.1 为低风险.计算方法见式(1)(2)：

式中：MEC 为物质在水环境中的检出浓度，mg/L；PNEC 为物质毒性的预测无效应浓度，mg/L；EC50为物质对水生物毒性的半数效应浓度，通过文献或US EPA 提供的ECOSAR 软件计算求得，mg/L；AF为评价因子，采用欧盟水框架指令的推荐值(1 000).

笔者收集了12 种PSs 在不同水生生物(鱼类、水溞和藻类)中的半数致死(效应)浓度〔L(E)C50〕，选出最为敏感的生物毒性数据，根据式(2)得到对应的PNEC 值(见表7).常州市水环境中PSs 的生态风险评估结果见图4.由图4 可见，CZ17、CZ18、CZ22、CZ23 和CZ24 采样点水体中MET 对水生生物存在低风险；其余11 种PSs 的RQ 均小于0.01，不存在生态风险，表明其对河流中水生生物不会产生危害.该研究发现，PSs 通常是多种共存的，单一物质的风险效应并不能说明实际情况，其对水生态系统的长期潜在风险仍不容小觑.

图4 常州市水环境中PSs 存在的生态风险Fig.4 RQ values of PSs in the surface water in Changzhou City

表7 12 种PSs 的半数致死(效应)浓度L(E)C50 和PNEC 值Table 7 Half effect concentration L(E)C50 and PNEC values of 12 psychoactive substance

3 结论

a) 常州市水环境中PSs 的污染水平和分布特征分析结果显示，13 种PSs 中检测浓度最高的是EPH(21.98 ng/L)，其次是METH (8.47 ng/L).PSs 检出浓度最高的采样点出现在滆湖的出水河流武南河.

b) 源解析结果表明，常州市武进区主要河流中PSs 受医院废水的影响较为严重，而其余几个区污染主要受到医院废水和污水处理厂的共同影响.

c) 常州市水环境中有5 个采样点的MET 对水生生物存在低风险，其余目标污染物对水生生物不产生风险，但不能忽视PSs 对水生生态系统存在长期及潜在的复合毒性效应.