九洲江沉积物多环芳烃和抗生素的分布特征与风险评价

刘珂，王锦，叶开晓，黄宁，田艳，李昆明，韩雪蓉，李方，梁柳玲

(广西壮族自治区生态环境监测中心，广西 南宁 530028)

新污染物(ECs)指目前在环境中广泛存在，但缺乏相关标准法规管制，具有健康风险，可能被纳入管制的化合物。ECs包括持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素和微塑料[1]。抗生素广泛应用于传染病治疗、畜牧业以及水产养殖业，中国是抗生素生产及使用第一大国，年产量高达24.8万t[2]。抗生素难以被吸收，其中约90%会被排出体外[3]，进入水体的抗生素最终会通过吸附作用进入沉积物和土壤。抗生素能诱导微生物产生抗性基因，通过食物链进入人体时还会引起过敏反应和再生性障碍贫血[4]。目前污水处理厂的二级处理技术对于抗生素及其诱导产生的抗性基因削减处理效果不佳，而且抗生素会在活性污泥中富集，反而进一步加剧了抗生素抗性基因(ARGs)的扩散[5]。多环芳烃(PAHs)属于持久性有机污染物，是一类由2个或更多苯环稠合在一起形成的化合物，具有致癌、致畸、致突变的生物毒性[6]。美国环境保护局(US EPA)在20世纪80年代已将16种PAHs列入优先控制的污染物名单[7]。PAHs主要来源于森林大火、火山爆发、生物质燃烧和原油泄漏[8]。由于PAHs溶解度低，在水体中会被吸附在沉积物中，在适宜条件下也会缓慢释放到水体中[9]。

九洲江是横跨粤桂两省(区)独流入海的河流[10]，全长168 km，是桂东粤西地区主要生活水源地。九洲江上游陆川、博白两县是农业和人口大县，当地支柱产业为畜禽养殖业[11]，养殖户零散、面广、层次偏低[12]，产生的污染物缺乏配套的处理设施，抗生素随着养殖污水排入九洲江，并在沉积物中富集，农户村民在燃烧垃圾和煤炭木柴过程中也容易产生PAHs。九洲江下游鹤地水库是湛江人民的最主要饮用水水源，但水质常受上游污染影响，九洲江环境综合治理工作是国家关注的重点。目前关于九洲江环境污染指标的研究主要集中在理化指标[13-14]，缺乏关于抗生素和PAHs污染方面的研究。现选择九洲江上游流域设置10个采样点位进行沉积物样本采集，使用高效液相色谱-三重四极杆质谱法(HPLC-MS/MS)以及高效液相色谱法(HPLC)探究沉积物中31种抗生素和16种PAHs的分布特征并进行风险评价，以期为提升九洲江流域环境质量综合治理能力提供科学依据。

1 研究方法

1.1 沉积物样品的采集与前处理

于2018年1月对九洲江上游区域进行沉积物采样，采样点位示意见图1。10个采样点位信息见表1。采样使用沉积物采样器(φ=50 mm)采集河流底部0～10 cm的表层沉积物，采集完毕后记录采样点位的GPS坐标、时间、天气等相关信息。沉积物样品按照《海洋监测规范 第5部分：沉积物分析》(GB 17378.5—2007)的相关要求保存于棕色磨口玻璃瓶，4 ℃冷藏条件下2 d内运输回实验室。样品回到实验室后使用冷冻干燥机处理48 h以上，干燥后的沉积物样品挑出植物根茎、叶片、碎石等杂物，过60目筛，充分混匀，装入锡纸袋，冷冻保存。

图1 采样点位示意

表1 采样点位信息

1.2 仪器与试剂

仪器：加速溶剂萃取仪(ASE350，美国Thermo公司)、超声波清洗机(DTD-6, 中国鼎泰)、自动固相萃取仪(ASPE799, 日本岛津科技有限公司)、液相色谱-三重四极杆串联质谱仪(1260/G6460A，美国安捷伦公司)、超高压液相色谱仪(A-UPLC, 美国Waters公司)。

试剂：有机溶剂有甲醇、乙腈、丙酮、正己烷、二氯甲烷、甲酸，均为色谱纯，购自美国Thermo公司；柠檬酸、磷酸氢二钠、硫酸、氢氧化钠、无水硫酸钠、乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为优级纯，购自天津科密欧公司；硅藻土为化学纯，购自美国Thermo公司；净化小柱为亲水亲油平衡(HLB)小柱和硅酸镁小柱，购自爱尔兰Waters公司。

实验分析的目标物为31种抗生素(磺胺类、林可酰胺类、大环内酯类、喹诺酮类、四环素类)和16种PAHs。抗生素标准品为磺胺类混标(13种物质)、林可酰胺和大环内酯类混标(5种物质)、喹诺酮类混标(9种物质)、四环素单标，其中磺胺类包括磺胺氯哒嗪(SCP)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺甲基嘧啶(SME)、磺胺对甲氧嘧啶(SM)、磺胺二甲基嘧啶(SMT)、磺胺甲噻二唑(STL)、磺胺甲基异噁唑(SMA)、磺胺苯吡唑(SPA)、磺胺吡啶(SPD)、磺胺喹恶啉(SQX)、磺胺噻唑(SFT)、磺胺二甲异噁唑(SX)、磺胺酯纤(SPT)，林可酰胺类包括克林霉素(CLI)、林可霉素(LIN)，大环内酯类包括交沙霉素(JOS)、吉他霉素(LCM)、泰乐霉素(TYL)，喹诺酮类包括双氟哌酸(DIF)、恩诺沙星(ENR)、氟罗沙星(FL)、麻保沙星(MAR)、氧氟沙星(OFX)、竹桃霉素(ODM)、奥比沙星(ORB)、沙氟沙星(SAR)、司帕沙星(SPA)，四环素类包括金霉素(CTC)、强力霉素(DC)、土霉素(OTC)、四环素(TC)，四环素单标质量浓度为1 000 mg/L，其余混标浓度为100 mg/L，均购自天津阿尔塔公司。PAHs标准品为混标，包括萘(Nap)、苊烯(Acy)、苊(Ace)、芴(Flu)、菲(Phe)、蒽(Ant)、芘(Pyr)、荧蒽(Fla)、苯并[a]蒽(BaA)、(Chr)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[a]芘(BaP)、二苯并[a,h]蒽(DBA)、茚并[1,2,3-cd]芘(InP)、苯并[g,h,i]苝(BPE)，质量浓度均为500 mg/L，购自美国AccuStandard公司。

1.3 分析方法

1.3.1 样品预处理

抗生素的预处理：准确称取2.0 g沉积物样品，放入50 mL离心管，加入7.5 mL的柠檬酸磷酸盐缓冲液(Mcllvaine)和7.5 mL乙腈-甲醇-丙酮混合溶剂(V∶V∶V=2∶2∶1)，漩涡振荡1min，超声萃取20 min，3 000 rpm离心5 min，上清液转移至200 mL 容量瓶中定容稀释，再加入0.5 g EDTA-2Na，使用浓硫酸和5 mol/L氢氧化钠溶液将pH值调至3左右。HLB小柱装上自动固相萃取仪，分别用10 mL甲醇和10 mL超纯水活化，将提取液以5 mL/min的流速通过小柱，减压抽真空干燥0.5 h，最后用6 mL 0.1%甲酸/甲醇混合溶剂洗脱，氮吹浓缩至1 mL以下，定容至1.0 mL，使用0.22 μm膜过滤洗脱液，转移至上样小瓶。

PAHs的预处理：称取10.0 g沉积物样品，加入适量硅藻土，研磨均化成流沙状，装入萃取池，参照标准《土壤和沉积物 有机物的提取 加压流体萃取法》(HJ 783—2016)进行加压流体萃取。萃取液氮吹浓缩至1～2 mL，浓缩过程中不断加入正己烷将溶剂转换为正己烷。参照标准《土壤和沉积物 多环芳烃的测定 高效液相色谱法》(HJ 784—2016)进行样品净化和浓缩，使用0.22 μm膜过滤浓缩液，转移至上样小瓶。

1.3.2 仪器分析条件

采用液相色谱-三重四极杆串联质谱分析沉积物中的抗生素，大环内酯类、喹诺酮类、林可酰胺类一起分析，磺胺类和四环素类单独分析。色谱分析条件：色谱柱为ZORBAX SB-C18(100 mm×2.1 mm，3.5 μm，美国Agilent公司)，仪器分析条件参照参考文献[2]。

采用超高压液相色谱分析沉积物中的PAHs。色谱柱为ZORBAX SB-C18(250 mm×4.6 mm，5 μm，美国Agilent公司)，仪器分析条件参照《HJ 784—2016》。

1.4 质量控制

抗生素测定采用外标法定量，四环素类配置1～200 μg/L的质量浓度系列，校准曲线的线性相关系数均大于0.999，喹诺酮类、大环内酯类、林可酰胺类、磺胺类配置0.1～200 μg/L的质量浓度系列，校准曲线的线性相关系数均大于0.995。实验同步分析10%的室内平行样，各目标物相对偏差控制在0%～14.3%；同步分析20%的加标样品，加标回收率在62.6%～110%。

PAHs的测定采用外标法定量，配置1～200 μg/L的质量浓度系列，各目标物校准曲线的线性相关系数均大于0.999。实验同步分析10%的室内平行样，各目标物相对偏差控制在0%～14.9%；同步分析10%的加标样品，加标回收率在51.8%～110%。PAHs测定的相对偏差和加标回收率均达到《HJ 784—2016》的要求。

1.5 生态风险评价方法

沉积物抗生素指标的生态风险评价目前使用最广泛的方法是风险商值法(RQ)[15]，计算公式如下：

RQ=MEC/PNECsediment

(1)

PNECsediment=PNECwater×Kd

(2)

Kd=Koc×Foc

(3)

lgKow=0.623 lgKoc+0.873

(4)

式中：MEC——沉积物样品中抗生素实测质量浓度，ng/g；PNECsediment——沉积物中的预测无影响质量浓度，ng/g；PNECwater——水环境中的预测无影响质量浓度，可从现有研究文献中获得，ng/L；Kd——沉积物-水分配系数，无量纲；Koc——有机碳分配系数，无量纲；Foc——有机碳质量分数，g/g；Kow——辛醇/水分配系数。RQ数值将风险分为3个等级：低风险(RQ<0.1)、中等风险(0.1≤RQ<1)、高风险(RQ≥1)。S1—S10各点位总有机碳质量分数分别为：0.029 8， 0.014 3， 0.013 6， 0.019 5， 0.014 7， 0.025 3、0.013 0， 0.005 1， 0.005 7， 0.024 5 g/g。

PAHs的生态风险评价可使用沉积物质量基准法[16]，当PAHs浓度<效应范围低值(ERL)时，生物毒性效应发生的概率<10%，代表此浓度极少产生生物负面效应；当PAHs浓度>效应范围中值(ERM)时，生物毒性效应发生的概率>50%；当PAHs浓度在ERL和ERM之间时，生物毒性效应较低，发生的概率范围在10%～50%。

2 结果和讨论

2.1 沉积物中抗生素富集特征

九洲江流域不同区域沉积物中抗生素质量分数及检出率见表2。由表2可见，共检出20种抗生素，有11种抗生素在所有样本中均未检出，分别是ODM、SME、SM、SMA、STL、SPA、SPD、SQX、SFT、SX、SPT。与国内其他地区相比，本研究水域沉积物中抗生素污染水平较低，低于黄河三角洲区域(均值38.96 ng/g)[17]和太湖流域(均值为52.8 ng/g)[18]。按类别来分，5类抗生素的质量分数由高到低排列依次为四环素类(TCs)、喹诺酮类(QNs)、林可酰胺类(CLIs)、大环内酯类(MLs)、磺胺类(SAs)，TCs和QNs 质量分数显著高于其他3类。一方面，由于TCs价格低廉且杀菌效果好，被广泛用于兽药和饲料添加剂，QNs则大量应用于畜牧和水产养殖业以促进生长以及抑制真菌感染[19]。另一方面，沉积物对于抗生素吸附能力不同[20]。研究显示，沉积物对抗生素吸附能力大小一般为TCs>QNs>MLs>SAs[21]。九洲江流域的沉积物抗生素QNs检出率最高，但质量分数却低于TCs，原因除了有吸附能力弱于TCs的因素，在水环境容易降解也可能是原因之一[22]。

表2 九洲江流域不同区域沉积物中抗生素质量分数及检出率(1)ND代表未检出。 ng/g

九洲江流域不同点位沉积物中抗生素质量分数见图2。由图2可见，S1和S5点位正好位于陆川县城，城区内没有养殖场，因此抗生素质量分数较低。S7、S8、S9、S10 点位均位于农田旁边，周围200 m范围内没有居民区和养猪场，所以抗生素总质量分数较低。S2点位周边是村庄，有散养生猪，因此沉积物抗生素总质量分数会高于农田区域的点位，但S2所在河段流量较大，不利于沉积物对抗生素的吸附。S6点位位于九洲江支流，流量较小，附近有一个中型养殖场，或造成沉积物抗生素总质量分数显著高于S2。S4点位在河道回水区，流速较慢，利于沉积物吸附抗生素，总质量分数较高。S3点位的抗生素总质量分数为52 ng/g，为所有点位中最高，其点位在养猪业发达的滩面镇污水处理站排污口下游附近。根据相关研究显示，滩面镇污水处理厂排口抗生素总质量浓度高达4.69×104ng/L，其中TCs质量浓度为4.63×104ng/L，与S3点位TCs占比最高的情况相符，推测该点位沉积物抗生素的主要来源可能是污水处理厂处理后的排水。

2.2 沉积物中PAHs富集特征

不同区域沉积物中的PAHs质量分数及检出率见表3。Acy使用紫外检测器检测，检出限约为其余15种PAHs的10倍，或导致其未检出。由表3可见，共检出15种PAHs，其中温泉镇和石角镇的PAHs总质量分数最高，PAHs质量分数与人类的生产生活等活动密切相关，人类活动越密集活跃的地区，环境中的PAHs质量分数也越高。根据第七次人口普查数据，温泉镇常住人口约为23万人，是本研究调研范围唯一1个人口在10万以上的城镇，而石角镇位于广东清远市清城区，工业发达，镇内有清远有色金属加工基地、广州产业转移工业园、再生塑料循环经济产业园，园区内规模以上工业企业56家，推测可能是温泉镇和石角镇PAHs质量分数较高的原因。

九洲江流域不同点位沉积物中PAHs组成特征见图3。由图3可见，S1点位PAHs质量分数最高，这可能与其正好位于人口最多的温泉镇有关。

表3 九洲江流域不同区域沉积物中PAHs质量分数及检出率(2)ND代表未检出。 ng/g

图3 九洲江流域不同点位沉积物中PAHs组成特征

不同环数PAHs的相对占比可以在一定程度上反映PAHs的来源。研究表明[23]，PAHs成分中2～3环PAHs占比较高时，污染的主要来源是石油或燃油泄漏源；4环PAHs占比较高时，污染的主要来源是煤或者木柴燃烧源；5～6环PAHs占比较高时，污染的主要来源是汽油或者柴油燃烧源。九洲江流域沉积物中PAHs组成特征见图4。

图4 九洲江流域沉积物中PAHs组成特征

由图4可见，九洲江流域沉积物主要以4环PAHs为主，说明九洲江流域PAHs排放主要来自于煤或木柴的燃烧，这也是乡镇地区居民生活和工业生产主要使用的燃料。5～6环PAHs占比仅次于4环，它们的来源有可能是九洲江流域机动车的尾气排放，通过各种方式迁移到河底的沉积物中。九洲江大部分干流和支流河面不宽、河水较浅，不适于大型船舶航行，航运业不发达，因此由船舶泄漏的燃油也较少，而且九洲江流域缺乏石油化工类的工业企业，这可能是2～3环PAHs占比最低的原因。

2.3 抗生素的生态风险评价

九洲江沉积物检出的抗生素的Kow值和PNEC值见表4。九洲江水系水生生物主要以鱼类(Fish)[32]和藻类(Algae)[33]为主，因此受试物种也优先选择这2类，PNECwater和lgKow的数据由研究文献及美国EPA开发的ECOSAR和ECOTOX数据库搜集得到，PNECsediment则是通过公式(2)—(4)计算得到。

表4 抗生素的Kow值和PNEC值(3)“—”表示文献中找不到相关数据；当出现2处来源，前者是PNECwater来源，后者是Kow来源。 ng/L

本实验MEC值选用每种抗生素在10个采样点位中的最高浓度点位进行计算，点位对应的Foc值参见表1，用于表4中PNECsediment的计算，公式(4)对554种化合物lgKoc估算误差符合正态分布，平均误差为0.48个对数单位，但对于lgKoc<1的强亲水性化合物，这个模型估算的误差较大，因为它们在沉积物中受亲水基团的强烈影响，且不完全遵循相似相溶原理[34]。

抗生素风险商值(RQ)的计算结果见表5。由表5可见，CLIs、MLs和SAs 3类抗生素均为低风险，与它们在沉积物中质量分数处于低水平的情况相一致。QNs类抗生素处于中、高等风险水平，对于九洲江生态环境存在潜在威胁。TCs类抗生素全部为高等风险，CTC和DC这2种抗生素的风险商值更是达到高风险阈值的数十倍。不过由于TCs和QNs的亲水性较强，它们的风险商值的估算误差也相对较高，对于九洲江的生态风险还需要进一步研究。

表5 九洲江沉积物抗生素的风险商值(RQ)

从空间上来看，SAR(S4点位)为高风险，虽然此点位SAR质量分数是1.5 ng/g，处于中等水平，但它在水中PNECwater较低，对生物的毒性较大，因此点位风险高。所有TCs类抗生素的最高浓度值和高风险点都在S3点位(图2)，这与当地发达的生猪养殖业或存在因果关系。TCs抗生素的lgKow值(表4)比较小，说明它们的脂溶性较好，容易穿过细胞膜并在生物体内累积，其在沉积物中的质量分数也较高，说明TCs对九洲江生态环境存在显著威胁，需要采取措施限制TCs在九洲江流域养殖业中的使用。

2.4 多环芳烃的生态风险评价

九洲江沉积物中PAHs的生态风险评价见表6。

由表6可见，所有点位的PAHs生态风险均为低风险，对生物没有明显的毒副作用，但不代表不会对河流环境内的生物造成危害。Long等[35]首先建立沉积物质量基准风险评价法，其研究认为BbF、BkF、InP、BPE这4种分子量高的PAHs组分

表6 九洲江沉积物PAHs的风险评价(4)ND代表未检出。 ng/g

不存在生物影响范围低值，它们只要存在于环境中，就会对环境中的生物存在负面影响。这4种PAHs在10个沉积物点位均有检出，说明表层沉积物具有潜在的生态风险，需要引起重视，但总体上来说，九洲江沉积物中PAHs的生态风险为低风险。Meng等[36]综述了我国湖泊沉积物PAHs的发生及风险，九洲江与其中的数据对比属于较低水平，说明PAHs污染在九洲江环境污染问题中处于次要地位。

近年来，工业废气排放和养殖业废水排放使得PAHs和抗生素呈现复合污染的新特征[37]。2类污染物能在一定程度上互相促进污染效果，研究显示红霉素可以显著降低PAHs降解菌的菌群数量[38]，四环素可以抑制PAH降解菌的功能和酶活性[39]，而菲和芘可以通过增大细胞膜疏水性和增加通透性的方式促进ARGs的扩散[40]，但另有研究显示平面PAHs分子能使ARGs质粒的转化效率下降[41]，因此PAHs对ARGs传播的影响需要深入研究。本研究未涉及九洲江沉积物PAHs和抗生素复合污染问题，需要在后续研究工作中进一步探讨。

3 结论

(1)在九洲江不同区域沉积物的10个采样点位中共检出20种抗生素和15种多环芳烃，抗生素中四环素类(TCs)的质量分数最高，或因其在畜禽养殖业用量最大，且被沉积物吸附的能力也最强。4环PAHs占比最高，说明九洲江流域沉积物PAHs的主要来源是煤和木柴的燃烧，可能与流域内居民生活和工业生产主要使用煤或木柴作为燃料有关。

(2)S3点位沉积物中抗生素的质量分数最高，或与附近的滩面镇生猪养殖业发达，也与S3点位正好位于污水处理厂排口下游不远处有关；S1点位沉积物中PAHs的质量分数最高，其点位位于县城，人口最多，而PAHs主要来源于人类活动中的生物质燃烧和化石能源的使用。

(3)CLIs、MLs、SAs 3类抗生素的生态风险评价处于低风险水平。QNs类抗生素生态风险处于中、高风险水平，对九洲江生态环境存在潜在威胁。TCs类抗生素生态风险为高风险，这与当地发达的生猪养殖业可能存在关联，当地水生态环境或将受到抗生素显著影响，需采取对策。PAHs生态风险评价结果显示，所有点位均为低风险，但有部分无安全剂量的PAHs组分被检出，对九洲江生态环境存在潜在威胁。