长江江苏段抗生素的空间分布特征及典型污染来源分析

张蓓蓓，孙慧婧，李佩纹，胡冠九，崔冬妮，王湜

(国家环境保护地表水环境有机污染物监测分析重点实验室，江苏省环境监测中心，江苏 南京 210019)

抗生素属于药物类，是由细菌、霉菌或其他微生物产生的一些代谢产物或人工合成的类似物，被广泛应用于人类和动植物的疾病治疗，还曾被用于促生长剂添加在畜禽养殖饲料中。我国曾是抗生素生产和使用第一大国，抗生素污染长期演化会干扰微生物菌群的平衡，导致“超级耐药菌”的产生，最终给人类和动物的抗感染治疗带来严重影响[1-2]。目前国际社会普遍限制使用抗生素，近年来国家卫健委和农业农村部也陆续出台各种“限抗令”，逐步从源头上加强控制抗生素滥用，以延缓微生物耐药性产生[3-4]。

环境介质中抗生素检出的报道大量涌现[5-11]，国内外对抗生素在环境中的赋存情况及生态健康影响的关注度日益提高。相关文献[12-14]中陆续报道长江流域抗生素污染问题不容乐观，长三角地区约40%孕妇尿液样品中检出抗生素，近80%儿童尿液样品中检出兽用抗生素。在共抓长江大保护的背景下，长江江苏段抗生素的污染水平、赋存特征和环境风险等问题引发了舆论的热议。Li等[15]研究发现，我国7大主要流域和4大海域的水体沉积物中已检出94种抗生素，其中东部地区的抗生素排放量是西部的6倍以上。目前常见的抗生素主要有7大类，分别为磺胺类、氯霉素类、林可霉素类、四环素类、大环内酯类、喹诺酮类和β-内酰胺类。

作为一类新污染物，制药工业、畜禽水产养殖业等是环境介质中抗生素污染的重要源头。现通过分析长江江苏段水体中抗生素的浓度水平和空间分布特征，探讨了污染源对典型区域抗生素的污染贡献，以期为江苏省长江流域水环境抗生素污染控制和管理提供基础数据支撑。

1 研究方法

1.1 仪器与试剂

仪器：SCIEX Triple Quad 6500超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪(UPLC-MS/MS，美国SCIEX公司)。0.22 μm有机相滤膜(美国Waters公司)。

试剂：7大类42种抗生素标准样品包括(1)磺胺类：磺胺氯哒嗪(SCP)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺间二甲氧嘧啶(SDM)、磺胺甲基嘧啶(SMR)、磺胺二甲嘧啶(SMZ)、磺胺甲噻二唑(SMTZ)、磺胺甲恶唑(SMX)、磺胺醋酰(SAAM)、磺胺吡啶(SPD)、磺胺二甲异嘧啶(SM2)、磺胺异恶唑(SIA)、磺胺对甲氧嘧啶(SMT)、磺胺间甲氧嘧啶(SMM)、磺胺氯吡嗪(SPZ)、磺胺甲恶唑(SMX)；(2)林可酰胺类：克林霉素(CLIN)、林可霉素(LCM)；(3)四环素类：土霉素(OTC)、金霉素(CTC)、四环素(TC)、强力霉素(DC)、米诺环素(MIC)；(4)喹诺酮类：氧氟沙星(OFX)、诺氟沙星(NOR)、沙拉沙星(SAR)、恩诺沙星(ENR)、环丙沙星(CIP)、洛美沙星(LOM)；(5)大环内酯类：罗红霉素(ROX)、克拉霉素(CLA)、泰乐菌素(TS)、螺旋霉素(SPM)、红霉素(ERY)、阿奇霉素(AZI)；(6)β-内酰胺类：头孢噻肟(CTX)、头孢匹林(CP)、头孢克洛(CEC)、头孢唑啉(CFZ)、头孢氨苄(CPX)；(7)氯霉素类：氯霉素(CM)、甲砜霉素(TAP)、氟苯尼考(FFC)。7 种内标包括：磺胺甲基嘧啶-D4(SMR-D4)、克林霉素-D3(CLIN-D3)、四环素-D6(TC-D6)、氧氟沙星-D3(OFX-D3)、罗红霉素-D7(ROX-D7)、头孢氨苄-D5(CPX-D5)、氯霉素-D5(CM-D5)。所有抗生素标准品均购自百灵威科技有限公司，纯度均>98.0%。内标物均购自德国Dr.Ehrenstorfer公司，纯度均>98.0%。实验用水为Milli Q纯水机制水(美国Bedford公司)。甲醇、乙腈(均为色谱纯，美国Merck公司)；乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)、甲酸、氨水(均为色谱纯，德国Sigma-Aldrich公司)

1.2 采样时间

长江江苏段监测调查时间为2021年4月6—15日(平水期)，典型污染源监测调查时间为2021年5月17—19日。

1.3 采样点位

选取江苏省长江干流12个监控断面，入江支流116个监控断面开展抗生素浓度水平的监测调查。具体长江干支流采样断面信息及采样点位分布分别见表1。

表1 长江干支流采样断面信息

典型污染区域监测调查于2021年5月开展。根据4月监测结果，污染调查主要围绕C市入江支流Q10展开。典型污染区域监测采样点位信息及分布示意见表2、图1。

表2 典型污染区域监测采样点位信息

图1 典型污染区域监测采样点位分布示意

1.4 样品采集

采样布点原则按照《地表水环境质量监测技术规范》(HJ/T 91.2—2022)和《污水监测技术规范》(HJ 91.1—2019)进行，其中每个地表水监测断面按照断面宽度布设垂线数，采集水面下0.5 m处点位，每个断面取混合水样分析；受潮汐影响的监测断面采集退平潮位的水样。污染源排口根据工况采集具有代表性的瞬时水样。

1.5 样品制备及仪器分析

监测采用本实验室研制的大体积直接进样-超高效液相色谱/三重四极杆质谱法开展样品测定。水样经0.22 μm滤膜过滤，加入Na2EDTA 并调节pH值至6.0～8.0，加入内标混匀后，采用C18色谱柱(50 mm×30 mm，2.6 μm，美国Waters公司)，以0.1%(V/V)甲酸水溶液-乙腈作为流动相进行梯度洗脱，质谱智能化分时间段-多反应选择离子监测(Schedule-MRM)模式进行检测，进样体积为100 μL。7大类42种抗生素在相关线性范围内线性良好(r=0.994 9～0.999 5)，回收率控制在80.1%～125%，相对标准偏差控制在0.8%～12.2%，方法检出限为0.015～3.561 ng/L。具体样品制备过程及仪器分析条件参考文献[16]。

2 结果与讨论

2.1 长江干支流平水期抗生素监测结果

2.1.1 长江干流抗生素分布特征

长江干流各点位7大类抗生素浓度水平见图2。由图2可见，磺胺类、氯霉素类、林可酰胺类及大环内酯类检出浓度较高，各点位磺胺类质量浓度平均值范围为13.4～26.7 ng/L，氯霉素类为12.4～33.3 ng/L，林可酰胺类为9.9～14.5 ng/L，大环内酯类为4.5～12.6 ng/L；42种抗生素总质量浓度范围为47.3～92.8 ng/L，平均值为71.7 ng/L，各点位抗生素质量浓度水平起伏不大。

图2 长江干流各点位7大类抗生素浓度水平

与近5年文献资料公开的我国珠江、辽河、海河、黄河等流域地表水各水期的研究数据相比(表3)，长江江苏段干流水体中抗生素浓度处于较低水平[17-21]。四环素类和喹诺酮类在本次监测过程中检出质量浓度较低，可能与这2类抗生素更易吸附于颗粒态和沉积物的化学性质相关[22]，本研究采用的大体积直接进样法测定结果未包含颗粒态吸附的抗生素。

表3 近5年文献各流域中抗生素质量浓度(1)ND代表未检出。 ng/L

从检出率来看，7大类抗生素均有检出，其中磺胺类的SCP、SDZ、SMZ、SMX、SM2、SPZ，大环内酯类的ROX、CLA，林可酰胺类的CLIN、LCM，氯霉素类的TAP、FFC共计12种目标物检出率为100%。上、下游监测断面各点位检出抗生素种类基本一致，浓度水平整体呈下降趋势，说明沿江8市对长江干流水体中抗生素的引入未产生显著影响。

2.1.2 长江入江支流抗生素分布特征

沿江8市支流中抗生素总质量浓度比较见图3。由图3可见，沿江8市各支流中抗生素总质量浓度水平在16.2～3 052 ng/L。通过差异性比较发现，C市支流抗生素平均质量浓度最高，沿江8市各支流最高检出浓度点位亦在C市支流Q，该支流点位Q10磺胺类检出的主要品种为SMM、SDM、SPZ、SCP和SAAM，其周边区域为磺胺类抗生素污染的典型地区。

图3 沿江8市支流中抗生素总质量浓度比较

2.2 典型污染源分析

2021年5月进一步对Q10点位附近的抗生素污染源展开调研，发现该区域内有1家污水处理厂G，该污水处理厂接管企业有磺胺类抗生素制药企业T，因此围绕G污水处理厂和T制药厂开展Q10点位磺胺类抗生素污染溯源分析。

2.2.1 制药企业污染源废水监测情况

T制药厂及G污水处理厂总排口废水检出抗生素质量浓度占比见图4(a)(b)。

污染源调查监测显示T制药厂总排口废水中检出抗生素总质量浓度为43.9 μg/L，由图4(a)可见，T制药厂主要检出的抗生素为磺胺氯哒嗪、磺胺间二甲氧嘧啶、磺胺醋酰、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺氯吡嗪、土霉素，该测定结果与T制药厂产品特征基本一致；接管的G污水处理公司总排口废水中检出抗生素总质量浓度为6.52 μg/L，由图4(b)可见，其检出种类也是以磺胺氯哒嗪、磺胺间二甲氧嘧啶等磺胺类为主，同时还检测出了红霉素、罗红霉素、克拉霉素、阿奇霉素、克林霉素、头孢氨苄等其他类别抗生素。据调研，G污水处理公司日均进水量2.35万t，其中化工废水占比30%，生活污水占比70%，因此更多其他类别抗生素的检出来源于生活污水。经污水处理厂处理后的排口废水中仍检测出大量抗生素，粗略估算抗生素的处理效率<50%，表明污水处理厂现有处理技术无法完全去除各类抗生素。

图4 T制药厂及G污水处理厂总排口废水检出抗生素质量浓度占比

2.2.2 长江一级支流Q监测结果

2021年5月在支流Q上、下游进一步加密布点监测，结果显示支流Q的各监测点位中磺胺类、大环内酯类、林可霉素类和氯霉素类中部分品种的检出率为100%，抗生素浓度总质量浓度范围为236～698 ng/L。

支流Q各监测点位抗生素检出情况见图5。由图5可见，Q10点位及附近监测点位磺胺类浓度不断累积并显著提高，仍然提示有磺胺类污染源输入。该区域监测点水样检出的抗生素主要品种依然为SMM、SDM、SPZ、SCP、SAAM等，与G污水处理厂和T制药厂废水相关性高，推断工业废水对支流Q中磺胺类抗生素引入有贡献；Q8点位(Q入江口)检出抗生素总质量浓度量为86.9 ng/L，浓度水平急剧下降，但磺胺类抗生素仍是Q入江口主要检出抗生素，表明支流Q对长江干流抗生素具有贡献。

图5 支流Q各监测点位抗生素检出情况

2.3 典型区域污染源与周边不同来源水体关联分析

污染源废水(T)、污水处理厂废水(G)、一级支流(Q10)、入江口(Q8)4种类型水体中检出抗生素均以磺胺类为主，主要检出磺胺类品种均为SMM、SDM、SPZ、SCP、SAAM，4种类型水体抗生素主要检出种类相关性高；以T制药厂总排口废水中主要检出的SMM、SDM、SPZ、SCP、SAAM、OTC 6种特征抗生素为统计对象，在4种类型水体中这6种抗生素的浓度总量占所有检出抗生素的浓度总量的比例均达到80%以上(图6)，同时环境水体中6种抗生素浓度水平随着与污染源距离的增加呈现逐步递减趋势(图7)。由各类型水体主要检出抗生素种类和浓度占比来看，该污染源对于长江抗生素的引入不容忽视。

图6 不同类型水体中6种主要检出抗生素质量浓度总量占比情况

图7 不同类型水体中6种主要检出抗生素总质量浓度比较

3 结论及建议

与支流相比，入江口抗生素质量浓度水平急剧下降，可能是由于长江干流水量较大且自净能力较强，因此长江干流中抗生素质量浓度水平相对较低且稳定，但支流引入而引起的长期积累仍是隐患。

(1)平水期普查监测结果显示，江苏省长江干流平水期抗生素浓度整体处于较低水平。从上游入境断面到下游入海口，各点位抗生素浓度呈现下降趋势，说明沿江8市支流对长江干流水体中抗生素的引入未产生显著性影响。

(2)C市存在磺胺类抗生素典型污染区。结合该区域污染源信息调查、污染源废水和环境水体抗生素种类及浓度的关联性分析、污染源接管污水处理厂针对抗生素的去除效果分析等手段，初步推测污水处理厂排水可能是该地区环境水体中抗生素污染的来源之一，当然磺胺类抗生素在畜禽养殖业中也会作为饲料添加剂或药物使用，后续需进一步摸排该典型区域畜禽养殖情况。

(3)江苏省长江及地表水中各类抗生素普遍检出，虽然抗生素总质量浓度水平不高，但由制药废水、畜禽养殖、污水处理厂等污染源引入而引起的长期积累仍是隐患。在目前我国环境监管相对缺失的情况下，地表水中抗生素污染长期演化引发的生态健康风险无法预估，需引起重视。