沈阳市污水处理厂出水中典型抗生素污染特征及生态风险评估

李 哲，徐洪波，曲 健*，祝琳琳，王 帅，王 男，郑兴宝，张 霄

（辽宁省沈阳生态环境监测中心，辽宁 沈阳）

引言

抗生素作为药物长期用于人和畜牧疾病防治，同时也作为促增长剂广泛用于畜牧行业领域。我国作为抗生素的生产和使用国家，然而抗生素不能完全在生物体内被分解代谢掉，大部分抗生素会以原药的形式排出到生态环境中。抗生素不仅会影响世界生态环境，而且对人和生物造成潜在危害。目前国内学者关于抗生素做了相关研究，我国的长江[1]、辽河[2]、太湖[3]和莲花水库[4]水体环境调查到抗生素目标化合物有检出，以及关于污水处理厂出水中抗生素残留状况进行了研究[5]。

因此选取浑河流域沈阳段典型污水处理厂，以社会关注度高的四大类共计16 种抗生素为目标化合物，于2021 年春季和秋季采集污水处理厂出水样品，调查研究16 种抗生素在污水处理厂出水中的检出和浓度分布情况，并基于风险熵评价出水中残留抗生素对生态和人体健康安全的潜在风险，以期为政府部门制定管控政策提供科学有效依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 样品采集

于2021 年5 月和11 月按春季和秋季分2 次采集了排入浑河流域沈阳段26 座和27 座城市污水处理厂出口排水样品。样品采集前，预先在每升采样瓶中分别加入0.25 g 乙二胺四乙酸二钠和0.15 g 抗坏血酸，以排除水中金属离子、余氯及氧化性有机物，样品避光低温保存。

1.2 实验材料

研究选取四类(磺胺类SAs、喹诺酮类QNs、大环内酯类MCs、四环素类TCs)16 种典型抗生素作为研究目标化合物。其中抗生素标准品包括：①磺胺类: 磺胺甲嘧啶(sulfamerazine，SMZ)、磺胺吡啶(sulfonamido，SNM)、磺胺喹噁啉(sulfachinoxaline，SCX)、磺胺嘧啶(sulfadiazine，SDZ)、 磺 胺 甲 噁 唑(sulfamethoxazole，SMX)和磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine，SMD)；②喹诺酮类:氧氟沙星(ofloxacin，OFL)、恩诺沙星(enrofloxacin，ENR)、环 丙 沙 星 (ciprofloxacin，CIP) 和 诺 氟 沙 星(norfloxacin，NOR)； ③大 环 内 酯 类: 阿 奇 霉 素(azithromycin，AZM)、罗红霉素(roxithromycin，ROM)和克拉霉素(clarithromycin，CLR)；④四环素类: 土霉素(oxytetracycline，OTC)、四环素(tetracycline，TCY)和金霉素(chlortetracyclin，CTC)。以上抗生素标准品均购自农业部，实验所用甲醇和乙腈(农残级)购自Dikma 公司。

1.3 样品前处理方法

准确量取样品1.0 L，经孔径0.45 μm 滤膜过滤。以流速10 mL/min 样品通过固相萃取柱，用10 mL5%甲醇的水溶液洗涤固相柱。用10 mL 甲醇洗脱固相柱，浓缩定容到1.0 mL，经过0.22 μm 滤膜，-20 ℃冷冻保存。

1.4 仪器分析方法

采用超高效液相色谱- 串联质谱仪(Waters H-Class XevoTQD液相- 质谱联用仪，美国Waters 公司)。

液相色谱仪柱温35 ℃；进样体积10 μl；流动相(A)(乙腈B)0.1%甲酸水溶液；流速0.3 ml/min，见表1。

表1 抗生素的梯度洗脱程序分离参数

质谱离子源ESI 模式；雾化气600 ℃，流速800 L/Hr；反吹气流速50 L/Hr；监测模式MRM。

1.5 质量控制

样品监测分析使用内标法定量分析。样品中加入抗生素混合标液，计算抗生素加标回收率。空白加标回收率是50.7%～121.5%，样品加标回收率是56.6%～102.9%。

1.6 生态风险评价方法

研究采用风险熵值法(RQs)评估生态风险，RQs 可以通过抗生素的检测浓度MEC 与风险阈值PNEC 的计算比值获取:

式中，LC50 为半致死浓度；EC50 为半效应浓度；LOEC为最低效应浓度；NOEC 为最低无效应浓度；AF 为评价因子。依据欧盟文件TGD 中评价因子，急性毒性数据AF 选择1000; 慢性毒性数据AF 选择100。根据Hernando 等研究者[6]提出的风险熵值法来判断生态风险等级: 低风险为（0.01≤RQs＜0.1），中等风险为（0.1≤RQs＜1.0），高风险为（RQs≥1.0）。

2 结果与讨论

2.1 抗生素污染水平

所分析目标化合物的检出率和浓度分布情况如表2 所示。浑河流域沈阳段27 座污水处理厂除CTC和TCY 未检出外，14 种抗生素均有不同程度地检出。ROM的检出率最高，达到62.3%。SNM、SMX、OFL 和AZM检出率为41.5%～58.5%，其余9 种抗生素的检出率在1.9%～35.8%。抗生素浓度水平在ND～65.5 ng·L-1，检出浓度最高的为NOR，其次为ROM和OFL，其余抗生素的检出浓度均低于30 ng·L-1。

表2 目标化合物在各水厂出水中的浓度和检出率

喹诺酮类抗生素的总检出浓度最高，总计达到136.4 ng·L-1，NOR 检出浓度最高，为65.5 ng·L-1；其次是OFL，为60.2 ng·L-1。研究中NOR 和OFL 浓度与辽河流域地表水中的浓度较为接近[2]。这可能是与近年来喹诺酮类抗生素的广泛使用密切相关。

大环内酯类中ROM 质量浓度是ND～62.1 ng·L-1，为大环内酯类抗生素浓度最高。其次为AZM，达到28.8 ng·L-1。本研究中AZM浓度低于厦门市饮用水源地莲花水库中(ND～232.61 是ng·L-1)，ROM浓度和莲花水库中抗生素检出浓度较为接近[4]。大环内酯类抗生素一般来说物理化学性质相对稳定，城市污水处理厂附近人口较为密集，可能导致城市污水厂出水中大环内酯类质量浓度升高。

对比喹诺酮类和大环内酯类抗生素，磺胺素类检出浓度相对较低。其中SMX 检出浓度处于较高水平，为ND～22.8 ng·L-1，检出率为50.9%。长江南京段中SMX 浓度为9.67 ng·L-1，低于抗生素检出浓度[1]。磺胺类主要应用在畜牧养殖领域，附近流域可能存在相似行业废水排入状况。

3 种四环素类抗生素检出浓度最低。其中OTC 为ND～6.5 ng·L-1。OTC 检出浓度低于太湖贡湖湾水域的研究结果[3]。四环素类抗生素在自然生态环境条件下物理化学性质较为活泼，受到光照和微生物的影响从而发生变化，因此在城市污水处理厂排水出水中的检出浓度相对较低。

总体来说，研究中检出的NOR、ROM和OFL 处于较高浓度水平，其余抗生素基本处于较低浓度水平，抗生素在不同地区的使用和废水等有所差别，导致抗生素质量浓度有着较大不同，见表2。

2.2 抗生素浓度季节变化特征

目标抗生素浓度在27 座污水处理厂出水中的季节变化特征如图1 所示。春季和秋季的4 大类抗生素平均浓度的总和分别为28.2 ng·L-1和36.6 ng·L-1。秋季的抗生素总浓度是春季的1.3 倍，呈现出秋季高于春季的趋势。

图1 抗生素季节变化特征

抗生素季节变化特征不仅与环境空气温度、降雨量和微生物活性等因素有关，还与农业林业抗生素使用密切有关。喹诺酮类季节浓度变化相对明显，喹诺酮类通常应用在畜牧和水产养殖行业，在不同季节使用量存在较大差异; 大环内酯类和磺胺类抗生素在春季出水中的检出浓度高于在秋季出水中浓度，这可能主要受到不同季节天气自然条件所影响[5]；出水中四环素类抗生素因检出浓度较低，季节变化特征不显著。

在污水处理厂出水中，总体上目标化合物在春季节的浓度低于其在秋季节的浓度，这与北京市污水处理厂研究结果有所不同[5]。

2.3 生态风险评价

依据最严重的风险情况，选择10 种抗生素的最大质量浓度计算风险熵值。

由图2 可知，OFL 和CIP 的风险熵值均大于1.0，表明喹诺酮类存在较高风险水平，对于生态环境存在严重的潜在风险，其中OFL 的风险熵值达到5.327，是主要风险因子。

图2 出水中抗生素的风险商值

SMX、NOR 和ROM的RQ 值介于0.1～1.0 之间，处于中等风险水平；SNM 的风险熵值介于0.01～0.1区间，处于低风险水平；SMD、AZM、CLR 和OTC 抗生素的风险熵值小于0.01，属于无风险。有研究表明抗生素长期存在可能产生抗性基因，而抗性基因污染近些年来成为生态环境关注重要问题，因此应加强生态环境监测，管控抗生素在出水中的生态风险状况，见表3。

表3 抗生素对应最敏感物种的毒理数据

3 结论

（1） 污水厂出水中16 种抗生素，除CTC 和TCY外，均有不同程度检出。抗生素浓度水平在ND～65.5 ng·L-1，检出浓度最高的为NOR，其次为ROM和OFL。除NOR、ROM和OFL 处于相对较高的污染水平，其余基本处于中等以下水平。

（2） 出水抗生素总质量浓度在时间分布上表现出较为明显的季节分布特征，在春季的总体浓度低于秋季。

（3） 生态风险评价结果表明，OFL 和CIP 的生态环境风险较高，其中OFL 是出水中主要风险因子。