沱江流域饮用水源地抗生素污染的时空变化、生态风险及人体暴露评估

王若男，何吉明，向秋实，熊 杰，刘 强，胥 倩，任朝辉

四川省生态环境监测总站，四川 成都 610074

抗生素被广泛用于人和动物感染疾病的治疗及水产养殖，据统计，全球每年抗生素消耗量在10×104～20×104t 之间，我国是抗生素生产和使用大国，占全球消费量的1/5[1-3].由于抗生素在生物体内的不完全吸收以及污水处理厂现有工艺处理不完全，使其不可避免地进入环境介质，特别是水环境.研究[4]表明，许多种类抗生素在不同水环境中均有检出.水体中抗生素能够改变微生物群落和功能，从而对水环境质量产生影响[5].某些抗生素对藻类和鱼类具有较强的毒性，潜在生态风险较大[6-7].

饮用水源地水作为居民生活和公共服务用水，其抗生素污染情况近年来受到广泛关注.张君等[8]对三峡库区9 个集中式饮用水源地调查发现，3 类8 种抗生素的浓度范围为0.4～140 ng/L，处于低健康风险级别.卓丽等[9]对南方某市8 个饮用水源地32 种常用抗生素污染研究发现，有12 种抗生素被检出，浓度范围为0.12～44.6 ng/L，其中磺胺甲恶唑含量最高，部分地区抗生素污染呈中等生态风险.封梦娟等[10]对长江南京段水源水抗生素污染研究发现，检出的五大类抗生素(磺胺类、氟喹诺酮类、四环素类、大环内酯类和氯霉素类)浓度为13.37～780.5 ng/L，其中恩诺沙星和克拉霉素的检出率均为100.0%，与国内其他流域、湖泊相比，长江南京段饮用水源地水中抗生素污染较低.廖杰等[11]对厦门市新建的饮用水源地莲花水库研究发现，10 种抗生素的浓度范围为n.d.(低于检出限)～925.26 ng/L，枯水期总浓度高于丰水期，呈明显的季节性变化，且氧氟沙星、恩诺沙星和环丙沙星的生态风险较高.国外对于饮用水源地水中抗生素的污染鲜有报道[12].综上，目前关于饮用水源地水中抗生素污染研究较少，但已有研究表明抗生素广泛存在于饮用水源地，且不同地区水源地水中抗生素污染的种类特征不同，值得进一步研究.

沱江是长江的一级支流，是四川省腹部地区的重要河流之一，全长638 km，流经6 个地级市，包括德阳市、成都市、资阳市、内江市、自贡市、泸州市.目前，对沱江流域饮用水源地抗生素污染状况、生态风险及人体暴露情况的研究较少.因此，该研究以沱江流域典型城市饮用水源地为研究对象，采集春季、夏季、秋季、冬季样品，研究七大类35 种典型抗生素在不同饮用水源地的时空分布和污染特征，评估抗生素对饮用水源地的生态风险以及人体通过饮用水源水造成的暴露情况，以期为四川省城市水源地管理和抗生素污染风险评价提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 样品采集

于2019年12月以及2020年3月、6月和9月分别对覆盖成都市(5 个)、资阳市(1 个)、内江市(5 个)、自贡市(3 个)在内的14 个沱江流域地级或县级城市集中式生活饮用水水源地进行采样，采样点分布如图1 所示.水样采集于1 L 螺口棕色玻璃瓶中，4 ℃下避光保存，并尽快进行前处理.

1.2 试剂与材料

7 类35 种抗生素包括磺胺类〔磺胺氯哒嗪(SCHLO)、磺胺嘧啶(SDIAZ)、磺胺间二甲氧嘧啶(SDIME)、磺胺甲基嘧啶(SMERA)、磺胺二甲嘧啶(SMETA)、磺胺甲恶唑(SMETO)、磺胺吡啶(SPYRI)、磺胺噻唑(STHIA)、甲氧苄啶(TRIME)〕、大环内酯类〔利福平(RIFAM)、罗红霉素(ROXIT)、红霉素(ERYTH)、阿奇霉素(AZIDI)、酒石酸泰乐菌素(TYLTA)〕、β-内酰胺类〔阿莫西林三水化合物(AMOTR)、青霉素G 钾盐(PENGO)、氨苄西林三水化合物(AMPTR)〕、喹诺酮类〔依诺沙星(ENOXA)、恩诺沙星(ENROF)、左氧氟沙星(LEVOF)、诺氟沙星(NORFL)、氧氟沙星(OFLOX)、盐酸环丙沙星(CIPHY)、甲磺酸达氟沙星(DANME)、盐酸洛美沙星(LOMHY)〕、酰胺醇类〔氯霉素(CHLOR)、氟苯尼考(FLORF)、甲砜霉素(THIAM)〕、硝基咪唑类〔二甲硝唑(DIMET)、甲硝唑(METRO)、罗硝唑(RONID)〕和四环素类〔盐酸金霉素(CHLHY)、盐酸地美环素(DEMHY)、盐酸土霉素(OXYHY)、盐酸四环素(TETHY)〕，均购自CNW公司和Dr.Ehrenstorfer 公司(色谱纯).同位素标记内标SMETO-d4、ROXIT-d7、PENGO-d5、NORFL-d5、CHLOR-d5、RONID-d3、TETHY-d6购自CDN公司、Dr.Ehrenstorfer公司和Witega.Laboratorien公司.甲醇、乙腈和乙酸均购自Fisher 公司，氨水(分析纯)、醋酸钠和氯化铵均购自美国Sigma-Aldrich 公司，乙二胺四乙酸二钠(EDTA 二钠)(色谱纯)购自成都艾科达化学试剂有限公司，盐酸(优级纯)购自成都市科隆化学品有限公司，玻璃纤维滤膜(0.45 μm)购于上海安谱实验科技股份有限公司.试验用水均为超纯水.

1.3 样品前处理及分析方法

量取1 L 经玻璃纤维滤膜过滤后的水样，加入0.5 g EDTA 二钠并摇匀，用盐酸调节pH 在2～3 之间；向每个样本中加入10 μL 1 mg/L 的混合内标，混匀备用.

水样中抗生素的提取参照Song 等[13]研究方法并作了相应调整，定量分析采用日本岛津LC-30AD与美国AB Sciex Triple Quad 4500 液质联用进行，具体步骤参考文献[14].

1.4 质量控制与管理

抗生素定量采用内标法或替代内标法.以标线最低浓度点3 倍信噪比作为仪器检出限(LOD)，10 倍信噪比对应的浓度作为定量限(LOQ)，该方法的仪器检出限为5.21～159.48 ng/L，定量限为17.36～531.60 ng/L.在试验过程中，为保证试验和测样过程的可靠，每20 个样品分析一个过程空白和溶剂空白，以及20 μg/L 中间浓度点标准溶液，并进行加标回收测定，标准物质在水样处理前加入，回收率未进行内标校正.所有空白样品中抗生素均低于检出限，不同抗生素在河水中的回收率为25.71%～138.33%，其中，多数抗生素加标回收率在60%～110%之间；AZIDI 和DANME加标回收率偏低，分别为25.71%和31.28%；DEMHY加标回收率最高，为138.33%.

1.5 统计分析

利用SPSS 22.0 软件对所得数据进行统计学分析.当K-S 检验浓度数据符合正态分布时，采用参数检验；当K-S 检验浓度数据不符合正态分布时，采用非参数检验.利用统计学描述所监测的数据，当P＜0.05 时，认为具有统计学意义.

1.6 生态风险评估

该研究采取的风险商值法(risk quotients，RQs)被广泛用于地表水或工业废水中药物的生态风险评估.计算公式、抗生素毒性数据和评估因子参考文献[14].

1.7 人体暴露评估

通过饮水产生的抗生素暴露计算公式[15]：

式中：D为通过饮水的抗生素摄入量，ng/(kg·d)；C为对应样品的抗生素平均浓度，ng/L；IngR 为水的摄入量，L/d；BW 为平均体质量，kg.暴露评估分3 个年龄段—成年人(＞18 岁)、青少年(6～18 岁)和儿童(2～6岁)，不同年龄段的暴露评估参数参考文献[15-18].

2 结果与讨论

2.1 抗生素在饮用水源地的时空变化

沱江流域饮用水源地不同季节35 种抗生素浓度如图2 和表1 所示.由图2 和表1 可见：春季，除TYLTA 未检出外，其余34 种抗生素均有检出，检出率范围为14.3%(AZIDI)～85.7%(CHLOR).酰胺醇类抗生素是春季主要污染物，占比达42.2%，平均浓度为8.046 ng/L，其中，CHLOR 为主要污染物，平均浓度为15.315 ng/L，其次依次为β-内酰胺类(占比为22.4%，平均浓度为4.277 ng/L，其中PENGO 为主要污染物，平均浓度为6.776 ng/L)、大环内酯类(占比为11.1%，平均浓度为2.108 ng/L，其中ERYTH 为主要污染物，平均浓度为8.317 ng/L)、四环素类〔占比为10.5%，平均浓度为1.994 ng/L，除OXYHY 检出率低于50%外，其余均大于50%，TETHY 检出率(71.4%)最高，平均浓度为1.985 ng/L，而DEMHY 平均浓度(3.544 ng/L)最高〕、硝基咪唑类(占比为9.4%，平均浓度为1.788 ng/L，其中RONID 为主要污染物，平均浓度为3.401 ng/L)、磺胺类(占比为3.2%，平均浓度为0.603 ng/L，除SCHLO 外，其余8 种污染物检出率均大于50%，其中SMETO 为主要污染物，平均浓度为2.024 ng/L)和喹诺酮类(占比为1.3%，平均浓度为0.254 ng/L，除ENROF 和DANME 外，其余6 种污染物检出率均大于50%，其中OFLOX 为主要污染物，平均浓度为0.670 ng/L).在地域分布上，喹诺酮类、β-内酰胺类、大环内酯类(在资阳市未检出，未参与统计分析)、磺胺类和酰胺醇类抗生素浓度在成都市、资阳市、内江市、自贡市无显著差异(Mann-Whitney U检验，下同)；四环素类抗生素在资阳市未检出，未参与统计分析，其在成都市的平均浓度显著低于内江市(P=0.047)，在成都市与自贡市以及内江市与自贡市未发现显著差异；硝基咪唑类抗生素在成都市的平均浓度显著低于内江市(P=0.028)，在资阳市与自贡市未发现硝基咪唑类抗生素浓度有显著差异.

表1 沱江流域饮用水源地不同季节抗生素浓度Table 1 Concentration of antibiotics in drinking water sources of the Tuojiang River Basin in different seasons ng/L

夏 季，AMOTR、RIFAM、AZIDI、TYLTA、SCHLO、SDIAZ、SPYRI、RONID、CHLOR、FLORF和THIAM 均未检出，其余抗生素检出率范围为14.3%(ERYTH 和SMERA)～92.9%(DIMET).β-内酰胺类抗生素是夏季饮用水源地中主要污染物，占比达84.4%，平均浓度为58.182 ng/L，其中，PENGO 是主要污染物，平均浓度为146.503 ng/L，其次为四环素类抗生素(占比为8.1%，除OXYHY 外，其余3 种目标物的检出率均大于70%，其中CHLHY 为主要污染物，平均浓度为8.510 ng/L)、喹诺酮类抗生素(占比为3.3%，其中DANME 为主要污染物，平均浓度为10.737 ng/L)、硝基咪唑类抗生素(占比为2.3%，其中DIMET 为主要污染物，检出率达92.9%，平均浓度为4.235 ng/L)和大环内酯类(占比为1.3%，ROXIT 和ERYTH 检出率分别为28.6%和14.3%，ROXIT 浓度相对较高，在S3 采样点为26.371 ng/L)，磺胺类抗生素占比 (小于1.0%)较低，而酰胺醇类抗生素未检出.在地域分布上，喹诺酮类、β-内酰胺类、大环内酯类、磺胺类、四环素类和硝基咪唑类抗生素浓度在成都市、资阳市、内江市、自贡市无显著性差异，因酰胺

醇类抗生素未检出，因此未参与统计分析.

秋 季，ENOXA、ENROF、AMOTR、AMPTR、RIFAM、TYLTA、CHLHY 均未检出，其余抗生素检出率范围为7.1%(LEVOF、CIPHY、DANME、OFLOX、DEMHY 和TETHY)～100.0%(ROXIT).β-内酰胺类、磺胺类和硝基咪唑类抗生素是主要污染物，占比分别为29.9%、26.6%和31.6%，平均浓度分别为1.890、1.684 和1.999 ng/L，PENGO (平均浓度为5.638 ng/L，检出率为71.4%)、TRIME (平均浓度为6.342 ng/L，检出率为92.9%)和DIMET (平均浓度为2.686 ng/L，检出率为85.7%)分别是这三大类抗生素中主要单体污染物；大环内酯类、四环素类、喹诺酮类和酰胺醇类抗生素占比较低，分别为5.0%、4.2%、1.5%和1.3%，平均浓度分别为0.316、0.263、0.094 和0.079 ng/L，ROXIT (平均浓度为0.945 ng/L，检出率为100.0%)、OXYHY (平均浓度为0.522 ng/L，检出率为21.4%)、CIPHY (平均浓度为0.308 ng/L，检出率为7.1%)和FLORF (平均浓度为0.155 ng/L，检出率为50.0%)分别是这四大类抗生素中主要单体污染物.在地域分布上，除磺胺类外，6 类抗生素浓度在成都市、资阳市、内江市、自贡市无显著性差异，磺胺类抗生素在成都市的平均浓度显著高于自贡市(P=0.025)，在其余区域间未发现显著性差异.

冬季，所有研究的抗生素均被检出，检出率范围为14.3%(TYLTA)～100.0%(ENOXA、LEVOF、OFLOX、SDIAZ、SMETO、METRO、DIMET 和FLORF).β-内酰胺类、硝基咪唑类和酰胺醇类抗生素是主要污染物，占比分别为26.0%、24.5%和29.5%，平均浓度分别为4.470、4.212 和5.075 ng/L，AMOTR (平均浓度为8.693 ng/L，检出率为64.3%)、DIMET (平均浓度为9.052 ng/L，检出率为100.0%)和FLORF(平均浓度为13.114 ng/L，检出率为100.0%)分别是这三大类抗生素中主要单体污染物；喹诺酮类、大环内酯类、磺胺类和四环素类抗生素占比较低，分别为7.7%、3.4%、5.0%和3.8%，平均浓度分别为1.317、0.576、0.867 和0.661 ng/L，LEVOF (平均浓度为2.802 ng/L，检出率为100.0%)、ROXIT (平均浓度为1.922 ng/L，检出率为92.9%)、SMETO (平均浓度为2.796 ng/L，检出率为100.0%)和CHLHY (平均浓度为0.933 ng/L，检出率为85.7%)分别是这四大类抗生素中主要单体污染物.在地域分布上，喹诺酮类、β-内酰胺类、磺胺类、四环素类、硝基咪唑类和酰胺醇类抗生素浓度在成都市、资阳市、内江市、自贡市无显著差异，大环内酯类抗生素在成都市的平均浓度显著高于自贡市(P=0.025)，在其余区域间未发现显著性差异.

综上，该研究水源地中抗生素的污染浓度与国内典型城市水源地污染浓度[1,8-11,19]类似，均在ng/L 级别，由于地域和抗生素使用情况的差异，主要污染物有一定区别.值得注意的是，β-内酰胺类(夏季、秋季和冬季)和酰胺醇类(春季和冬季)抗生素在上述季节均是沱江流域饮用水源地的主要污染物，而这两类抗生素广泛用于人和畜禽牲畜.研究[14]发现，沱江干流β-内酰胺类和酰胺醇类抗生素污染占比较大，说明这两类抗生素在沱江流域用量较大，有较为广泛的来源.虽然β-内酰胺类抗生素含有易水解基团，在环境中的半衰期较短，但在低浓度水域中，仍发现抗药细菌，说明其在低浓度时亦会对环境和人体健康产生较高风险，值得关注[20].在秋、冬两季，FLORF 是酰胺醇类抗生素的代表性污染物，这种兽医专用的抗生素作为主要污染物出现在研究区域，说明该区域中农业活动对水体有较大影响[21].

总体来说，沱江流域饮用水源地不同季节目标抗生素检出率变化较大.方差分析(LSD)发现，抗生素平均检出率呈冬季(74.3%)＞春季(53.3%)＞夏季(34.7%)≈秋季(32.2%)的特征.七大类抗生素在不同季节的浓度特征也不同，喹诺酮类抗生素在各季节平均浓度呈冬季(1.317 ng/L)≈夏季(2.269 ng/L)＞春季(0.254 ng/L)＞秋季(0.094 ng/L)的特征；四环素类抗生素在秋季的平均浓度(0.263 ng/L)显著低于其余季节(Mann-Whitney U 检验，下同)，在夏季(5.597 ng/L)显著高于冬季(0.661 ng/L)和春季(1.994 ng/L)，而春季和冬季之间未发现显著性差异；其余5 类抗生素在各季节的平均浓度均无显著性差异.

2.2 抗生素在饮用水源地中的生态风险评估

抗生素在沱江流域饮用水源地产生的生态风险如图3 所示.由图3 可见，35 种抗生素在春季、夏季、秋季和冬季的风险商分别为0～1.35、0～1.70、0～1.53和3.39×10—7～2.53，表明沱江流域饮用水源地抗生素污染在4 个季节均对流域生态系统带来一定的生态风险.具体来看，仅有SDIAZ 在春季、秋季和冬季的风险商大于1.00，且在冬季造成的风险最大(风险商为2.53)，而CHLHY 在夏季的风险商大于1.00，说明这两种物质对流域会产生较高的生态风险.春季ERYTH(0.27)、OFLOX(0.14)、CHLOR(0.15)、CHLHY(0.35)和TETHY(0.40)的风险商介于0.10～1.00 之间，夏季LEVOF(0.21)、OFLOX(0.14)和TETHY(0.94)的风险商介于0.10～1.00 之间，秋季仅有TRIME(0.20)的风险商介于0.10～1.00 之间，冬季SMETO(0.10)、LEVOF(0.35)、OFLOX(0.57)、CHLHY(0.19)和TETHY(0.14)的风险商介于0.10～1.00 之间，说明这些抗生素在相应季节对沱江流域可能造成中等生态风险；其余抗生素风险商均低于0.10，说明生态风险较低.综上，沱江流域饮用水源地水中抗生素生态风险与长江流域类似，主要处于中低风险，比国内一些典型地表水体抗生素生态风险低或相当[22-24].

2.3 人体暴露评估

成年人在春季、夏季、秋季、冬季饮用沱江流域饮用水源地水产生的单体抗生素暴露量范围分别为0～0.37、0～3.49、0～0.15 和1.14×10—3～0.31 ng/(kg·d)，35 种抗生素的总暴露量分别为1.63、5.44、0.72 和1.55 ng/(kg·d)；青少年在春季、夏季、秋季、冬季的单体抗生素暴露量范围分别为0～0.35、0～3.38、0～0.15和1.10×10—3～0.30 ng/(kg·d)，总暴露量分别为1.57、5.26、0.70 和1.50 ng/(kg·d)；儿童在春季、夏季、秋季、冬季的单体抗生素暴露量范围分别为0～0.86、0～8.24、0～0.36 和2.68×10—3～0.74 ng/(kg·d)，总暴露量分别为3.84、12.82、1.70 和3.66 ng/(kg·d).儿童通过饮水暴露于抗生素的量高于成年人和青少年，更值得关注.SMETO、TRIME、NORFL、CIPHY、TETHY 和OXYHY 通过饮水产生的暴露量远低于美国环境保护局推荐的阈值[25-26]，说明基于笔者研究数据，短期内研究区域内人群通过饮用水源地水产生的上述抗生素暴露可以忽略不计.已有研究报道了人体通过饮用水暴露于抗生素的情况[12]，总体结论与笔者研究结论一致，即通过饮用水摄入抗生素的量相对于通过食物摄入来说，可以忽略不计，但长期饮用低剂量抗生素污染的水产生的抗药性或抗性基因问题还有待进一步研究[27-28].

3 结论

a) 35 种目标抗生素在四川省沱江流域饮用水源地水样中被广泛检出，在春季、夏季、秋季、冬季浓度分别为n.d.～114.696、n.d.～536.322、n.d.～69.488 和n.d.～90.461 ng/L，检出率分别为0～85.7%、0～92.9%、0～100.0%和14.3%～100.0%，抗生素平均检出率呈冬季(74.3%)＞春季(53.3%)＞夏季(34.7%)≈秋季(32.2%)的特征.

b) 季节分布上，喹诺酮类抗生素在各季节的平均浓度呈冬季≈夏季＞春季＞秋季的特征；四环素类抗生素平均浓度在秋季显著低于其余季节，夏季显著高于冬季和春季，而春季与冬季之间未发现显著差异；其余5 类抗生素平均浓度在各季节均无显著差异.

c) 空间分布上，七大类抗生素在秋季未发现显著的空间分布特征，春季成都市四环素类和硝基咪唑类抗生素的浓度显著低于内江市，秋季成都市磺胺类抗生素的浓度显著高于自贡市，冬季成都市大环内酯类抗生素的浓度显著高于自贡市，其余季节各地区间抗生素分布未发现显著差异.

d) β-内酰胺类和酰胺醇类抗生素是主要污染物，尤其是兽用抗生素对水源水的污染贡献较大，说明农业活动可能造成水源水的污染，值得注意.

e) 风险评估发现，磺胺嘧啶(SDIAZ)在春季、秋季和冬季以及盐酸金霉素(CHLHY)在夏季对生态系统有较高的生态风险；氧氟沙星(OFLOX)和盐酸四环素(TETHY)在春季、夏季和冬季的风险商介于0.10～1.00 之间，在相应季节对流域可能造成中等生态风险.人体暴露评估发现，短期内居民通过饮用沱江流域城市饮用水源地水暴露于抗生素的风险可以忽略不计，但长期低剂量暴露带来的健康风险问题有待进一步研究.