武汉市东湖抗生素污染现状及生态风险评估

王璠，刘彬，郭丽

(湖北省生态环境监测中心站，湖北 武汉 430072)

抗生素在现代医疗事业的发展过程中起到了重要的作用，但随着它在临床被大量使用，病原体便很快出现了耐药性[1]。作为一种新污染物，抗生素在被人类和动物使用后，由于肠道吸收不完全和代谢不完全，一部分抗生素通过粪便和尿液排出体外[2]，进入水体[3]、土壤[4]和沉积物[5]中。大多数抗生素在自然条件下不易降解，在水体中相对稳定，还能诱导产生抗生素耐药病原菌(ARB)和抗生素抗性基因(ARGs)[6-7]，对人体健康和生态环境都构成了潜在威胁。在生态环境部印发的《“十四五”生态环境监测规划》中明确提出，将开展抗生素、环境内分泌干扰物重点管控新污染物的调查监测试点工作，地方优先在集中式水源地开展新污染物监测，进行生态环境健康风险监测评估。

自然环境中存在的抗生素大约有200余种，其中头孢菌素类(Cephalosporins)、氯霉素类(Chloramphenicol)、磺胺类(Sulfanilamide)和喹诺酮类(Quinolones)是我国消费量最大的几类抗生素[8-9]。我国环境中抗生素的研究在2010年前后呈增长趋势，通过文献检索发现，研究多集中于长江下游地区及东部沿海地区，包括太湖[10-12]、巢湖[13-14]和鄱阳湖[15-17]等湖泊，但缺少对中部地区湖泊，尤其是城市湖泊的抗生素研究。

东湖位于湖北省武汉市中心城区东部，是全国第一大城中湖。全湖可划分为郭郑湖、水果湖、汤菱湖、筲箕湖和喻家湖等部分。根据卫星遥感技术和叶绿素a监测反演模型，发现东湖各区域水质差异较大[18]，各区域间的沉积物重金属分布特征也不尽相同[19]。这可能与自20世纪以来，东湖由城市“近郊湖”变为城市“城中湖”，周边环境发生了很大变化有关。根据金莹莹[20]的统计，东湖风景区按用地情况可分为水体、农田、建筑、苗圃等8种类型，其中建筑以村落为主，陆地部分的农田及苗圃占地面积最大，还存在渔场、医院等区域，大部分湖泊周边环境均被不同程度地利用。抗生素作为人用或兽用抗菌剂，通常其污染程度与人类活动密切相关，考虑到过去东湖水产养殖面积大，存在居民生活污水直排等因素，因此研究东湖抗生素污染现状及其生态风险具有十分重要的意义。现调查了东湖28种抗生素的污染现状，并对检出的污染物进行风险评价，为了解东湖抗生素的真实污染水平及风险管理提供了一定的基础支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在东湖水域选定16个采样点位(图1)，于2021年6月开展了水样采集。样品的采集和保存参照《水质采样技术指导》(HJ 494—2009)和《水质采样 样品的保存和管理技术规定》(HJ 493—2009)中的一般性规定，采样瓶为棕色玻璃瓶，每个采样点采集水样2.5 L，置于棕色玻璃瓶中，在4 ℃条件下保存，24 h内分析。

图1 东湖水域内采样点位示意

1.2 仪器与试剂

1.2.1 仪器

1290 UPLC-6460 QQQ MSD超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用仪(美国安捷伦公司)；Extend-C18色谱柱(2.1 mm×100 mm×3.5 μm，美国安捷伦公司)。0.45 μm玻璃纤维滤膜(北京北化黎明公司)；0.22 μm滤膜(天津津腾公司)；HLB固相萃取小柱(500 mg/6 mL，CNW technologies公司)

1.2.2 试剂

标准物质：正离子模式下检测16种喹诺酮类抗生素(氟罗沙星、氧氟沙星、培氟沙星、依诺沙星、诺氟沙星、环丙沙星、恩诺沙星、洛美沙星、达诺沙星、奥比沙星、二氟沙星、沙拉沙星、司帕沙星、恶喹酸、萘啶酮酸、氟甲喹);内标物：培氟沙星-D5、二氟沙星-D3。负离子模式下检测2种头孢菌素(头孢呋辛、头孢匹胺)；3种氯霉素(甲砜霉素、氟苯尼考、氯霉素)；7种磺胺类抗生素(磺胺嘧啶、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺间甲氧嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺喹恶啉);内标物：氯霉素-D5、磺胺嘧啶-D4。以上均购自天津阿尔塔科技有限公司，-20 ℃保存。

其他试剂：超纯水(Milli-Q Direct 8纯水机制)；甲醇(色谱纯，4 L，美国Thermo Fisher公司)；甲酸(HPLC级，德国Sigma公司)；乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)(AR级，500 g，国药集团化学试剂有限公司)；丙酮(色谱纯，4 L，美国Thermo Fisher公司)。

1.3 色谱及质谱条件

1.3.1 色谱条件

进样量：5 μL；流动相：正离子模式下流动相A为0.1%甲酸的水溶液，流动相B为甲醇，负离子模式下流动相A为纯水，流动相B为甲醇；流速：0.3 mL/min；柱温：25 ℃;梯度洗脱。

1.3.2 质谱条件

离子源：电喷雾离子源(AJS ESI)；干燥气温度：300 ℃；干燥气流速：5 L/min；雾化气压力：310 kPa；鞘气温度：250 ℃；鞘气流速：11 L/min；毛细管电压：3 500 V；监测模式：多反应检测模式(MRM)。

1.4 样品预处理

将1 L水样经0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤后，加入0.5 g Na2EDTA，在HLB固相萃取小柱上进行富集。上样前，依次用6 mL甲醇和6 mL超纯水对HLB柱进行活化；上样时，流速控制在3～5 mL/min；上样后，先用12 mL超纯水淋洗HLB柱，然后在负压下抽干30 min，最后用10 mL甲醇洗脱；洗脱液在45 ℃水浴下氮吹浓缩至0.5 mL以下，加入内标物后用超纯水定容至1 mL，涡旋混匀并过0.22 μm滤膜后待测。

1.5 质量保证与控制

采样及实验过程中所采用的玻璃器皿依次用洗涤剂、自来水、超纯水和丙酮漂洗，再用烘箱烘干。本研究中头孢菌素类物质与其他物质在液相色谱-质谱联用系统上响应差异较大，因此构建标准曲线时，喹诺酮类、氯霉素和磺胺类抗生素质量浓度范围为1～200 μg/L，头孢菌素质量浓度范围为200～1 000 μg/L。曲线采用内标法定量，平均相对响应因子法拟合，各目标物平均相对响应因子<20%，喹诺酮、氯霉素和磺胺类的检出限为0.1～0.5 ng/L，头孢菌素的检出限为20 ng/L。测定结果以每个化合物2个离子对同时出峰，且大于方法检出限为有检出。实验室对低、中、高质量浓度的地表水加标样品分别进行6次平行测定，实验室相对标准偏差分别为7.2%～21%，1.0%～8.2%，1.6%～9.3%，加标回收率分别为50.0%～120%，91.1%～129%，78.0%～150%。

1.6 生态风险评估方法

抗生素的毒理数据主要来自美国ECOTOX毒理数据库(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)和最新已公开发表的文献，如无观察效应浓度(NOEC)、最低观察效应浓度(LOEC)或10%效应浓度(EC10)。当缺乏慢性毒理数据时，用急性毒理数据半致死浓度(LC50)或50%效应浓度(EC50)代替[21]。

风险表征是对暴露于各种应激下的有害生态效应的综合判断和表达，常用的风险表征方法有风险商(RQ)和概率风险评估(PRA)。风险商计算公式见式(1)。

RQ=EEC/PNEC

(1)

式中：EEC——检出抗生素的环境浓度；PNEC——预测无观察效应浓度，由慢性毒性测试结果(NOEC/LOEC/EC10)除以评价因子(AF=10)获得，或由急性毒性测试结果(LC50/ EC50)除以评价因子(AF=100)获得[22]。概率风险评估常用的方法是联合概率分布曲线法，它是将所有生物毒性数据的累积函数和污染物暴露浓度的反累积函数作图，将风险评价的结论以连续分布曲线的形式表述，同时也考虑了环境暴露浓度和毒性值的不确定性和可变性，能反映各水平下浓度超过临界浓度值的概率，体现暴露状况和暴露风险之间的关系。

2 结果与讨论

2.1 东湖抗生素的监测结果

东湖抗生素监测结果见图2，箱式图中从高到低依次为本次监测的最大值、75%位值、平均值、中位值、25%位值和最小值。由图2可见，在16个点位的监测结果中，有20种抗生素有检出，检出质量浓度最高的是达诺沙星、恶喹酸、氟甲喹和氟苯尼考，分别为ND～13.3，0.4～26.2，0.1～27.7和2.7～27.8 ng/L，检出率分别为93.8%，100%，100%和100%，头孢菌素在全部16个点位都没有检出。对比3类有检出的抗生素总量，发现此次监测中的抗生素检出量由大到小为：喹诺酮类>氯霉素类>磺胺类。肖鑫鑫等[23-24]调查了2017—2018年东湖不同点位喹诺酮类、磺胺类和四环素类抗生素污染状况，结果显示，喹诺酮类物质的污染状况最严重，5种喹诺酮类物质的总质量浓度为121.98～126.65 ng/L，磺胺类物质的质量浓度最小。该研究与本次研究结果比较，说明近几年东湖水体中喹诺酮类和磺胺类的浓度水平都有所降低，但喹诺酮仍是几类抗生素中浓度相对较高的。

图2 东湖抗生素监测结果

东湖与我国其他城市地表水抗生素检出水平对比见表1。由表1可见，东湖中磺胺嘧啶的质量浓度(ND～1.4 ng/L)与清远市典型水源地相当(ND～0.98 ng/L)[25]，低于南昌城市湖泊(ND～16 ng/L)[26]、洪湖(0.81～77.26 ng/L)和东洞庭湖(1.54～38.69 ng/L)[27]；氧氟沙星、环丙沙星的质量浓度(ND～0.2 ，ND～0.8 ng/L)远低于海口市城区地表水[28](100.9～499.8，119.7～634.5 ng/L)；诺氟沙星的质量浓度(ND～0.8 ng/L)高于长江三峡库区(ND)[29]，低于南昌市城市湖泊(ND～22.8 ng/L)[26]和清远市水源地(ND～10.99 ng/L)[25]；氯霉素类(氯霉素、甲砜霉素、氟苯尼考)的质量浓度水平与贵阳市南明河(43.6 ng/L)[30]、重庆市地表水(9.97～14.3 ng/L)[31]相当。结合Li[32]等的统计，我国地表水中磺胺嘧啶、诺氟沙星质量浓度的中位值为1～10 ng/L，这表明东湖水体中磺胺类和喹诺酮类抗生素的浓度处在全国湖泊的中等偏低水平。

表1 东湖与我国其他城市地表水抗生素检出水平对比(1)ND代表未检出。 ng/L

2.2 东湖抗生素的分布特征

东湖抗生素的点位分布见图3。由图3可见，有检出的抗生素总量在S2和S4点位的质量浓度最高，在S11至S16这6个点位的质量浓度最低。有5种物质在所有采样点位中都有检出，包括4种喹诺酮类及1种氯霉素类物质。奥比沙星、氯霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺甲恶唑、磺胺间甲氧嘧啶和磺胺二甲氧嘧啶和头孢菌素在16个采样点位均无检出。氟苯尼考在S4点位的检出质量浓度最大，为27.84 ng/L；恶喹酸在S2和S4点位的检出质量浓度最大，同为26.2 ng/L；氟甲喹在S2点位的检出质量浓度最大，为27.7 ng/L；达诺沙星在S4点位的检出质量浓度最大，为13.3 ng/L。

图3 东湖抗生素的点位分布

S2点位位于东湖南部，南面是武汉市东湖医院和东湖风光村，北面是东湖渔场、东湖梅园，东面有多个茶园和植物苗圃园等。S4点位位于S2点位西面，其南面也是东湖医院、东湖风光村和数个盆景园。S11、S13、S14这3个点位位于东湖听涛风景区周边，毗邻东湖国际会议中心，区域内人类活动较少，是东湖水质最好的区域之一。S12、S15、S16处于小潭湖、汤菱湖和郭郑湖湖心，人为影响较小。综合比较发现，本次监测中东湖抗生素分布基本呈现“南高北低，东高西低”的结果。

Choi等[33]在水产养殖场对抗生素进行监测，结果显示，土霉素、恶喹酸和氟苯尼考等抗生素在养殖废水中的质量浓度数量级能够高达102μg/L，并且需要添加氧化剂才容易降解。李嘉等[34]在研究济南小清河时发现，高浓度的抗生素常在人口密集区和水产养殖密集区的下游区域检测到，生活污水和水产养殖废水的排放及生活污水的不完全处理是城市湖泊抗生素污染的主要来源。杨俊等[35]在调查苏州地表水抗生素时发现，城区地表水和沉积物中的抗生素浓度明显高于城郊，而人为干扰较少的湖泊水体中抗生素浓度较低。本次监测中，靠近医院、渔场、苗圃园和村落的点位，抗生素检出浓度明显高于风景区周边和湖心点位。这与上述文献的结论一致，印证了城市表层水体中的抗生素浓度与人类活动强度密切相关。

2.3 生态环境风险表征结果

为了更好地评价东湖的抗生素风险水平，本研究采用风险商法对定性检出的20种抗生素类物质进行初步分析，从文献资料筛选了各化合物的毒性数据，利用评价因子法计算PNEC值(表2)。在20种有检出的化合物中，氟罗沙星、培氟沙星、达诺沙星和磺胺喹恶啉由于缺乏毒性数据，无法推导PNEC值，故在此不作生态风险评估。达诺沙星的绝对检出量在16种喹诺酮类抗生素中相对较高，平均质量浓度为4.2 ng/L，最大质量浓度为13.3 ng/L，其生态环境风险应当受到关注。

表2 东湖抗生素生态风险评估数据 μg/L

用每个点位各污染物的平均质量浓度和最大质量浓度分别计算风险商。将结果分为3个等级：当RQ>1时，污染物的生态环境风险较高；0.1

16种抗生素基于最大浓度的RQ值见图4。由图4可见，恶喹酸在S2、S4和S7这3个点位的RQ值分别为0.358，0.358和0.228，生态环境风险处于较低水平；氟甲喹在S2点位的RQ值为0.105，生态环境风险也处于较低水平。值得注意的是，虽然氟苯尼考检出质量浓度较大(2.00～27.84 ng/L)，但因其PNEC也较大，其RQ≤0.1，生态环境风险可忽略；而恶喹酸虽然检出质量浓度(0.4～26.2 ng/L)不及氟苯尼考，但因其PNEC值较小，导致其3个点位的RQ为0.1～1，有潜在的生态环境风险。其他化合物的生态环境风险均可以忽略。

图4 16种抗生素基于最大浓度的RQ值

此外，由于一些抗生素缺乏毒理学数据，在此未对其开展生态风险评估。但有些抗生素的生物毒性并不小，比如达诺沙星对鱼类的毒性要大于环丙沙星和恶喹酸[44]，其对昆明小白鼠的口服、腹腔注射和静脉注射的LD50值与其他喹诺酮类药物相比偏低，毒性偏大[45]。此次在东湖10个点位都检出了达诺沙星，质量浓度为ND～13 ng/L，值得进一步关注。考虑到东湖南部农业种植和畜禽养殖对东湖的潜在抗生素污染，后续应继续开展在这些点位其他大类抗生素的监测工作，完善对东湖抗生素污染和生态环境风险的评价，并进一步规范畜禽养殖抗生素的使用，并研究在农田畜禽业中使用抗生素的限值，制定相关技术规范。

2.4 不确定性分析

上述结论只能反映本次调查的结果，由于目前抗生素毒理学数据有限，该方法还存在一些不确定因素。首先，本研究暂未对不同水期(丰、平、枯)或季节的东湖抗生素污染情况做进一步调查。有研究表明，抗生素污染的季节差异明显，如西安市4个城市湖泊夏季以磺胺类、喹诺酮类和四环素类为主，冬季以大环内酯类为主[46]。其次，尽管Jin等[47]认为本土物种与非本土物种推导的PNEC值没有显著性差异，但仍有人认为需要用当地调查的毒理学数据来真实地评估污染物对本地物种的毒性。最后，在毒理学数据充足的情况下，对RQ值较大的抗生素采用物种敏感度分布曲线法评价，构建分析模型，开展更高层次的生态环境风险评估，能更好地反映被调查区域的生态环境风险。

3 结论

对东湖水域内16个点位中28种抗生素做了污染现状调查及生态风险评估，得出以下结论：

(1)此次共检出20种抗生素，检出浓度由高到低依次为：喹诺酮类、氯霉素类和磺胺类。喹诺酮浓度较2017—2018年有所下降，但仍是几类抗生素中较高的。东湖水体中磺胺类和喹诺酮类抗生素的浓度处在全国湖泊的中等偏低的水平。

(2)抗生素在空间分布上呈现“南高北低，东高西低”的结果。靠近医院、渔场、苗圃园和村落点位的抗生素浓度明显高于风景区周边和湖心的点位，印证了城市表层水体中的抗生素浓度与人类活动强度密切相关。

(3)采用风险商法对检出的抗生素做了生态风险评估，除恶喹酸和氟甲喹的生态环境风险处于较低水平，其他抗生素的生态环境风险可以忽略。