污水中喹诺酮类抗生素分布及与环境变量的相关性研究

王欣婷，黄宁，李光莹，卢春柳，叶开晓，张海强，姚苏芝，吴烈善*，田艳*

(1. 广西大学，资源环境与材料学院，广西 南宁 530004；2. 广西壮族自治区生态环境监测中心，广西南宁 530028)

喹诺酮类抗生素(QNs)作为抗菌药物从发现至今已经近30年，因其具有抗菌性强和不具有交叉耐药性的特点[1]，被广泛用于畜禽养殖和人类医疗中[2]。虽然QNs产量高、使用量大[3]，但绝大多数不会被生物体完全吸收[4]，并且它们会以母体或者代谢产物(氧化产物、水解产物等)的方式[5]，随着粪便和尿液排入环境中[6]。而QNs因其水溶性的特点[6]，在全世界的河流[7-8]、土壤[9]中都有被检出，其在水环境中的残留问题也得到了各界广泛的关注。

随着社会经济的发展，九洲江地区沿线用水量、排污量不断增加，河流水体受到不同程度的污染，水资源供需矛盾日益突出，已成为该地区社会经济持续发展的主要制约因素[10]。目前，水环境中抗生素的主要污染源来自工业废水、医院废水和生活污水[11]，它们经过污水管网在城市污水处理厂得到汇集[12]。有研究表明，污水处理厂不能完全去除污水中的抗生素，最终这些抗生素会通过污水和污泥进入环境中[13]。在中国不同地区，如济南[14]、厦门[15]、香港[16]等，抗生素在污水处理厂中的迁移转化已经被广泛研究。然而在中国广西壮族自治区，对污水处理厂中抗生素的研究非常有限。因此研究QNs在广西污水处理厂的分布特征具有重要意义。现对广西九洲江地区的6个污水处理厂中的QNs残留情况进行调查，研究QNs在污水处理厂中的分布情况，分析污染水平与主要环境变量之间的相关性，以期为九洲江地区的抗生素残留及防控的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 采样时间与点位

2021年9月，选取九洲江地区典型的6个污水处理厂(表1)为研究对象，采集其进水和出水，共计12个采样点位，每个点位设计3个重复实验，采样点位见图1。6个污水处理厂主要收集城镇排放的生活污水及部分养殖废水，除了4#为生物膜反应器(MBBR)工艺外，其他5个污水处理厂皆为连续流一体化间歇生物反应器(IBR)工艺。MBBR工艺属于移动的生物膜法，IBR工艺属于周期循环的活性污泥法，前者主要作用于生物降解，后者主要作用于污泥吸附。

图1 采样污水处理厂分布

1.2 仪器与试剂

仪器：Oasis HLB固相萃取柱(美国Waters公司)；ZORBAX SB-C18色谱柱 (2.1 mm×100 mm×3.5 μm，美国Agilent 公司)；Milli-Q Integral 10 纯水仪(美国 Millipore 公司)；SG8便携式pH计(瑞士METTLER TOLEDO公司)；M 600 稀释配液仪(瑞士Hamilton公司)；E 9000自动固相萃取仪(中国盛康公司)；EVA32氮气浓缩仪(中国北京普立泰科仪器有限公司);1260/6460高效液相色谱-三重四极杆质谱仪(美国Agilent 公司);N/C 3100 TOC分析仪(德国Jena公司)；AJ-3000气相分析吸收光谱仪(中国安杰科技公司)；0.22 μm 有机尼龙滤膜(上海昔今实验仪器有限公司)；102标准COD消解器(美国HCA公司)。

试剂：11种QNs标准品，包括环丙沙星(CPX，99.9%)、达氟沙星(DNX，98.0%)、双氟哌酸(DFX，99.9%)、恩诺沙星(EFX，99.9%)、氟罗沙星(FRX，99.9%)、麻保沙星(MBX，99.9%)、诺氟沙星(NFX，98.0%)、氧氟沙星(OFX，99.9%)、奥比沙星(OBX，99.9%)、沙拉沙星(SFX，98.7%)、司帕沙星(SPX，99.8%)，均购自天津阿尔塔科技有限公司。甲醇和乙腈(色谱纯,美国 Thermo Fisher Scientific 公司);甲酸、乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)(分析纯,上海国药集团化学试剂有限公司)。超纯水用纯水仪制得。

1.3 样品采集与预处理

1.3.1 样品采集

以5 g Na2EDTA作为固定剂，用不锈钢水样收集器采集水样，用500 mL棕色玻璃瓶盛装，玻璃瓶盖用锡箔纸包住，避免光解。样品运输至实验室，在0～4 ℃条件下保存，3 d内完成预处理并进行QNs的检测。采用便携式pH计测量pH值和水温，分别以H2SO4或者HNO3作为固定剂，将水样装入聚乙烯塑料瓶中，样品运输至实验室，在0～4 ℃条件下保存，7 d内完成化学需氧量(CODCr)、氨氮、总有机碳(TOC)和金属离子的检测。

1.3.2 样品预处理

分别用10 mL甲醇和10 mL超纯水活化固相萃取柱，在200 mL水样中加入H2SO4或者HNO3使其pH值为3±0.1。将调节后的水样以5 mL/min的流量通过固相萃取柱，再用10 mL超纯水淋洗小柱，去除杂质。之后用氮气吹干小柱，用3 mL甲酸/甲醇混合液(V∶V=1∶1)洗脱富集后的小柱，再用该溶液浸泡小柱5 min。用6 mL甲酸/甲醇混合溶液以1 mL/min的流速洗脱样品，收集洗脱液。用浓缩装置将上述洗脱液浓缩至1 mL以下，用甲醇定容到1 mL，混匀后过0.22 μm有机尼龙滤膜，置于2 mL的棕色进样瓶中，在-4 ℃条件下保存。

1.4 样品分析

色谱条件：流动相A为0.5%的甲酸，流动相B为乙腈，流速为0.5 mL/min，柱温为25 ℃，进样体积为5.0 μL，最大压力限值为50 000.0 kPa。洗脱梯度：0～7.0 min，10%～25% B；7.0～10.1 min，25%～65% B；10.1～12.0 min，65%～80% B；12.0～12.1 min，80%～10% B。

质谱条件：毛细管电压为4.0 kV，干燥气温度为350 ℃，雾化气气压为172.0 kPa，离子源为电喷雾正离子源(ESI+)，检测模式为多反应检测(MRM)，分析参数见表2。

表2 QNs的 MRM 分析参数

1.5 质量控制与质量保证

采用外标法进行定量，以甲醇逐级稀释QNs标准品制备成0.5～100.0 ng/L的QNs标准溶液，经高效液相色谱串联质谱(HPLC-MS/MS)分析获得标准曲线。QNs的相关系数为0.996～0.999，各样品的回收率为53.9%～122.6%。此外，实验分别做了场地空白，方法空白和平行样用来控制背景值影响及交叉影响。

2 结果与讨论

2.1 污水处理厂进出水中常规指标分布特征

九洲江地区采样点常规指标测定结果见图2(a)—(d)。由图2可见，6个污水处理厂的进水和出水，pH值为6.77～7.46；水温为25.0～32.6 ℃。进水中，CODCr质量浓度最大值为 1 366.8 mg/L(4#)，最小值为200.8 mg/L(2#)；氨氮质量浓度最大值为31.6 mg/L(1#)，最小值为10.8 mg/L(4#)；Ca2+质量浓度的最大值为148.7 mg/L(4#)，其余金属离子质量浓度为1.8～68.1 mg/L；TOC质量浓度最大值为57.5 mg/L(5#)，其余水样中的检测质量浓度为3.3～22.7 mg/L。出水中，氨氮的质量浓度为0.5～16.3 mg/L。

2.2 污水处理厂进出水中QNs分布特征

污水处理厂进出水中QNs最大、最小检出值及检出率见表3。由表3可见，在进水中，DFX、FRX和MBX未检出，CPX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX的检出率最高(100%)，其次是DNX(50.0%)和EFX(16.7%)。进水中QNs的总质量浓度为252.1～1 374.9 ng/L。除了未检出的3种QNs外，其他8种QNs的平均质量浓度从大到小依次为：NFX、CPX、OFX、EFX、SFX、DNX、SPX、OBX。可见NFX和CPX为该研究区域进水QNs的主要组分，分别占56.7%和20.0%。在出水中，只有CPX、DNX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX有检出，检出率为66.7%～100%。通过污水处理厂的处理阶段后，出水中QNs的总质量浓度为44.4～147.1 ng/L。采样点QNs检出浓度见图3。

图3 采样点QNs检出浓度

由图3可见，在进水中，虽然5#和1#的日处理量低于6#，但在污水处理厂进水的质量浓度从大到小为：2#、5#、1#、6#、4#、3#，这可能与周边存在的畜禽养殖场有关。有研究表明，九洲江地区流域养殖业发达，但是缺乏有针对性的污染控制措施，造成畜禽养殖产生的污染成为流域的主要污染源[17]。在出水中，QNs的质量浓度从大到小为：1#、2#、3#、6#、5#、4#。有研究表明， NFX和CPX是主要的抗菌药物，由于使用成本较低，因此被广泛应用于医疗、畜牧业和水产养殖业中[2]。此外，CPX是EFX的代谢产物[17]，因此EFX的浓度也会影响CPX的浓度。研究区域的污水处理厂位于畜禽养殖业发达的九洲江地区，NFX和CPX在进水和出水中的检出浓度较高，明显高于畜禽养殖业不发达的中国北京[18]和瑞典的污水处理厂[19]，但与水产、畜禽养殖业发达的中国上海的污水处理厂[20]、广西狮潭水库[5]、广西北部湾养殖区[21]的检出情况类似。因此，不同污水处理厂QNs的检出情况与其周边使用的抗生素成分差异有关[22]。

2.3 不同污水处理厂QNs的去除率

基于水量基本平衡的条件下，污水处理厂QNs的去除率由进出水的检出浓度之差与进水检出浓度的比值来计算。污水处理厂中QNs的去除率见表4。由表4可见， 8种QNs的去除率为0～100%，总去除率为66.6%～92.5%，这与广东污水处理厂[23]和杭州污水处理厂[24]的去除率情况相似。值得注意的是，污水处理工艺对不同QNs残留的去除率差异较大。例如，NFX在污水处理厂中的去除率为81.5%～100%，OBX、 SFX和SPX的去除率为0～25.0%，0.9%～9.9%和2.3%～11.2%。出现这一情况的原因可能是OBX、SFX和SPX在水中半衰期较长且不易降解[1]，虽然检出率较高，但检出浓度不高[25-26]。此外，CPX在不同的污水处理厂去除率波动较大，去除率和其理化性质以及工艺参数等有一定的相关性[27]。值得注意的是，除了CPX外，4#污水处理厂对其他QNs的去除率都高于另外5个污水处理厂。有研究表明，CPX主要去除机制被认为是被污泥吸附，而不是生物降解[23]，这可能就是导致4#污水处理厂对CPX的去除率低于其他污水处理厂的原因。

2.4 QNs与环境变量的相关性

当抗生素进入水环境中，一般会经过降解和吸附等一系列转化过程[23]，使其浓度发生变化，而水环境中的理化性质则会对其转化产生直接或间接的作用[28]。有研究表明，相关系数可以揭示抗生素之间可能存在的关系，并进一步判断其可能具有的相似分布特征[14]。因此，研究QNs与环境变量的相关性，可以了解环境变量对QNs变化的影响。选取pH值、温度、CODCr、氨氮和TOC这5种理化参数与检出的QNs进行相关性分析，此外，有研究表明，自来水中存在的Ca2+、Mg2+等金属离子也会对抗生素的转化产生影响[10]，因此也将Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金属离子列入相关研究中。污水处理厂进出水中的QNs与环境变量冗余分析见图4(坐标值为相关性r值)。

由图4可见，各种抗生素均受到水中多种环境变量的影响。其中，Na+、K+、TOC与SFX、OBX、DNX、CPX、EFX、OFX、NFX之间呈正相关关系，与SPX呈负相关关系，这与Ca2+、Mg2+、pH值的情况刚好相反。由于QNs容易与有机质中的阳离子反应形成复合物吸附在污泥中[29]，因此Na+、K+和TOC的浓度在一定程度上影响QNs的浓度。有研究表明，pH值会影响抗生素的溶解度和表面电荷状态[30]，当水环境呈酸性时，抗生素的浓度较稳定[31-32]，当水环境中的pH值呈中性或碱性时，一些污染物(如Ca2+、Mg2+等)会与水中的OH-结合，形成稳定的螯合物[33]。而水温与QNs呈负相关关系，则是因为温度也是影响抗生素去除的因素之一[34-35]，与抗生素的去除效率呈负相关关系[36]。当温度过低时，处理工艺中的微生物活性会减弱，从而影响抗生素的生物降解[27]；当温度过高时，水环境中的离子扩散运动加快，吸附平衡会被打破，继而导致部分原本吸附在污泥中的抗生素又释放到污水中，使水中的CODCr增加[37]，这也可能是CODCr和部分QNs呈负相关关系的原因。有研究表明，抗生素与氨氮存在一定的协同污染关系[38]。此外，除了SFX外，其余的QNs都与氨氮呈正相关关系，这与中国杭州湾地区情况相似[24]。

图4 污水处理厂进出水中的QNs与环境变量冗余分析

3 结论

对广西九洲江地区6个污水处理厂进水和出水中的11种QNs进行调查分析，得出以下结论：

(1)目标QNs中有8种被检出，其中CPX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX的检出率为100%，进水中QNs的总质量浓度为252.1～1 374.9 ng/L。NFX是该区域的主要QNs，其次是CPX。

(2)除了CPX外，MBBR工艺对QNs的去除率优于IBR工艺。

(3)冗余分析结果表明，对QNs和环境变量进行相关性分析，发现Na+、K+和TOC与多数QNs呈正相关关系，Ca2+、Mg2+、pH值与多数QNs呈负相关关系。

现有的技术不足以有效控制QNs造成的污染问题，应推进和开展QNs相关指标的管控和标准研究，以用来支撑抗生素在环境管理方面的需求。同时加强地区监管，从源头上减少QNs的使用和排放。