桂林市青狮潭水库沉积物抗生素污染特征及风险评估

摘要：为研究抗生素的使用对水库生态的影响，于2022年10月选取桂林市备用饮用水水源地青狮潭水库作为研究区域，利用固相萃取和超高效液相色谱一串联质谱技术对青狮潭水库沉积物中磺胺类、四环素类、喹诺酮类等三大类17种抗生素含量进行了分析。结果表明，20个采样点总浓度为3.79-11.10 ng·L-1，共检出7种磺胺类、4种四环素类、3种喹诺酮类抗生素，平均浓度为0.084～1.26 ng·L-1，其中检出浓度最高的抗生素为氧氟沙星（OFL），浓度为5.21 ng·L-l，氧氟沙星是检出率最高的抗生素，检出率为90％。对青狮潭水库沉积物抗生素生态风险和健康风险进行评估，研究表明：青狮潭水库沉积物三大类17种抗生素风险商值RQlt;1，表现出低风险；但不同采样点最大风险指标均指向氧氟沙星，需要注意氧氟沙星的排放问题。健康风险评估结果表明，青狮潭水库沉积物抗生素对人体健康无风险。

关键词：抗生素；青狮潭水库；生态风险；健康风险

中图分类号：X524；X820.4 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2024）01-0143-09 doi：10.11654/jaes.2023-0692

抗生素是一种具有抵抗微生物活性的新兴微生物二级代谢产物或天然、半人工和人工合成的化合物，被广泛应用于农业畜牧业的生产以及渔业水产养殖行业。近几十年来，抗生素污染严重威胁到水生态系统和人类健康，引发的环境污染问题已引起世界广泛关注，我国抗生素的生产量和消耗量一直以来都位居世界前列。大量消耗的抗生素进入生物体后无法被完全吸收利用和被机体充分代谢，约有20.0％-97.0％在使用后以其原药的形式迁移到环境中，呈现明显的“假持久性”。同时部分残留抗生素通过循环系统以吸附、转化、络合和富集的形式进入水循环，在食物链中传递浓缩，进一步增大污染严重程度。目前的污水处理技术无法对痕量抗生素进行高效去除，造成自然水体抗生素含量升高，对环境及人类健康构成重大威胁。

目前在全球范围内，地下水、湖泊、水库、鱼类孵化场和沉积物中均检测到微量抗生素的存在，其污染浓度水平通常在ng·L-1至ug·L-1之间。在各种水生环境中，沉积物是水体中抗生素迁移转化过程中的重要载体、归宿和主要场所，同时也是自然环境中抗生素的主要汇集地。湖泊水库为抗生素和环境细菌提供了一个良好的混合场所，由于水的流速较低，湖泊水库稀释和搬运抗生素的能力较弱，抗生素类污染物在流入后，易沉入水库底部，在底泥沉积物中形成蓄积式污染，当水力条件有所变化时，沉积物中残留的抗生素重新释放并通过迁移转化进入到水体中，造成二次污染。人类活动的区域能够加速沉积物中抗生素的富集，沉积物能够一定程度上吸附抗生素并保证其稳定存在，沉积物中富集的抗生素造成的危害远大于水体中的抗生素。此外，沉积物还为底栖生物提供栖息地和食物来源，因此，沉积物中的抗生素可能通过食物链对水生生态系统构成巨大的潜在风险，对沉积物中的抗生素的污染水平研究存在一定的必要性。

目前不同研究中暴露的沉积物中残留抗生素的生态风险已受到广泛关注。四环素类、喹诺酮类、磺胺类抗生素在我国典型湖泊水体、沉积物和有机体中均有不同程度的检出。例如Li等对我国七大河流的沉积物中近百种抗生素污染情况进行了调研，发现沉积物中的抗生素种类包括喹诺酮类、磺胺类和四环素类三大类12种抗生素，其浓度中位数为0.15-110.00 ng·g-1；海南省5个典型饮用水源地沉积物样品被检测出12种抗生素，总浓度范围为3.46-28.92ng·g-1，主要污染物为氟罗沙星；闽江河口区域沉积物被检出6类（磺胺类、氯霉素类、大环内酯类、喹诺酮类、硝基咪唑类和苯并咪唑类）19种抗生素，范围在4.16-64.74 ng·g-1，平均值为17.35 ng·g-1。作为桂林市的备用饮用水水源地，青狮潭水库是一个集城乡供水、漓江补水、防洪、发电、灌溉等综合功能于一体的大型水库，其水质安全尤为重要，饮用水的摄入是抗生素进入人体的一个重要途径，因此青狮潭水库的抗生素残留问题需要引起重视。然而，有关青狮潭水库的抗生素残留的研究主要集中在水体和沉积物中喹诺酮类抗生素的分布特征等方面，目前尚无关于青狮潭水库磺胺类、四环素类、喹诺酮类等三大类抗生素痕量污染状况的报道。本研究拟对该区域沉积物17种抗生素污染分布特征进行探讨，并初步评价其潜在的环境风险。

1材料与方法

1.1样品采集

本研究布设的采样点根据青狮潭水库的实际水系与水文特征进行布置，利用“十字”布点法，共布设20个采样点位（S1-S20），如图1所示。其中北湖布置点位12个，南湖布置点位8个，其中S1-S8位于南湖区，S9-S20位于北湖区，采样点所选的位置覆盖了南湖和北湖居民活动较为频繁的区域，其中北湖区以兰田乡居民生活为主，南湖区以公平乡、青狮潭乡以及库区周边的乡镇居民生活为主。

2022年12月，在青狮潭水库对上述20个点位的底层沉积物进行取样，每个沉积物由3个样均匀混合而成，采集后沥水除杂，采用经过重铬酸钾洗液和蒸馏水冲洗预处理的棕色广口玻璃瓶现场冷冻贮存并尽快运送至实验室，沉积物样品在-80℃下冷冻干燥，研磨过60目筛后置于-20℃冰箱保存。

1.2仪器与试剂

主要仪器设备：Waters Xevo TQ-S Micro超高效液相色谱三重四极杆质谱仪、Waters Oasis HLB固相萃取柱（500 mg，6 mL，Waters，美国）、氮吹仪（N-EVAP-112，Organomation，美国）、固相萃取装置（24-port model，Supelco，美国）、ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱（2.1 mmX100 mm，1.7 um）、Aglient Bund ElutSAX强阴离子交换柱（500 mg，6 mL，Aglient，美国）、混合纤维滤膜（0.45 um，47 mm，Millipore，美国）和1mL一次性注射器。

主要试剂：甲醇、乙腈（质谱纯）、甲酸、氨水（优级纯）、乙二胺四乙酸二钠（优级纯）；磺胺类药物（SAs）包括磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ，CAS： 68-35-9）、磺胺甲恶唑（Sulfamethoxazole，SMZ，CAS：723-46-6）、磺胺甲基嘧啶（Sulfamerazine，SMR，CAS：127-79-7）、磺胺二甲嘧啶（Sulfamethazine， SMM， CAS：57-68-1）、磺胺甲氧哒嗪（Sulfamethoxypyridazine，SMP，CAS：80 -35-3）、磺胺氯哒嗪（Sulfachloropyridazine，SCP，CAS：80-32-0）、磺胺多辛（Sulfadoxine，SDM，CAS：2447-57-6）、磺胺间甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SM2，CAS：1220-83-3）和甲氧苄嘧啶（Trimethoprim，TMP，CAS：738-70-5）。喹诺酮类药物包括诺氟沙星（Nor-floxacin，NOR，CAS：70458-96-7）、环丙沙星（Cipro -floxacin，CIP， CAS： 85721-33-1）、恩诺沙星（Enroflox -acin，ENR，CAS：93106-60-6）和氧氟沙星（Ofloxacin，OFL， CAS： 82419-36-1）。四环素类药物包括四环素（Tetracycline，TC，CAS：60-54-8）、强力霉素（Doxycy-cline，DC，CAS：564-25-0），土霉素（Oxytetracycline，OTC， 79-57-2）和金霉素（Chlortetracycline，

CTC，CAS：57-62-5）。抗生素标准品均购自坛墨质检科技股份有限公司，纯度均大于99010，磺胺噻唑-D4、诺氟沙星-D5和13C3-caffeine替代物购自Cambridge Iso-tope Labratories公司。

1.3样品前处理

参考了前人研究对沉积物基质中抗生素的检测方法，准确称量2.5 g沉积物（干质量，冷冻干燥研磨过60目）于50 mL塑料离心管内，加入替代物50 ng后，加入20 mL溶剂（体积比为1：1的乙腈和0.1 mol·L-1的pH=4柠檬酸钠溶液），涡旋振荡1 mm，超声15mm，以4 000 r·min-1离心9 min，最后析出上清液，这一过程重复2遍。2次上清液合并，在40-55℃下旋转蒸发（去除有机溶剂）至上清液体积无变化；超纯水稀释上清液至200 mL，加入0.2 g Na2EDTA络合金属离子。SPE柱净化：将HLB柱与SAX柱串联，依次用6 mL甲醇、6 mL pH=3的超纯水和6 mL 2 g·L-1 pH=3的Na2EDTA溶液活化；稀释至200 mL的萃取液以4mL·min-1流速过柱后移除SAX柱，8 mL pH=3的超纯水淋洗HLB柱去除杂质，接着用N2将小柱的填料吹干后，加入4 mL含0.1％（体积比）甲酸的甲酸-甲醇溶液和4 mL含3％（体积比）氨水的氨水-甲醇混合溶液洗脱目标物，洗脱液用氮吹浓缩至近干后，加入1 mL含0.05％（体积比）甲酸的3：2（体积比）甲醇-水的混合液溶解，经0.22 um聚四氟乙烯过滤器过滤定容至1 mL，等待进行LC-MS/MS测试。

采用Waters Xevo TQ-S Micro超高效液相色谱三重四极杆质谱仪进行分析。设置条件为柱温30℃，进样量5 uL；流动相分别为含0.05％（体积比）甲酸的超纯水（A）和甲醇（B）；流速为0.25 mL·min-1。流动梯度洗脱条件为：2 min时流动相A和流动相B的比例从95/5换为80/20，6.5 min时流动相A和流动相B的比例从80/20换为65/35，7 min时流动相A和流动相B的比例从65/35换为5/95，9.5 min时流动相A和流动相B的比例从5/95换为95/5，洗脱至12 min结束。质谱条件设置为电喷雾电离（ESI）源正离子模式和多反应监测（MRM）模式。离子源温度设置为150℃，毛细管电压设置为4 000 V。

1.4质量控制与保证

为控制前处理过程中产生的损失，所有采集样品均加入了磺胺噻唑-D4、诺氟沙星-D5和13C3-caffeine组成的替代物混标，考察沉积物样品的基质效应。5ng·g-1的加标样品回收率在71.64％-110.65％之间，3次加标沉积物样品的相对标准偏差在5.08％-15.51％。方法检出限如表1所示，检出限在0.01-1.02 ng·g-1之间，定量限在0.04-3.25 ng·g-1之间。

1.5风险评估

1.5.1生态风险评估

抗生素进入水库环境后，会对水生动植物产生一定量的生态毒性且排放进入环境后成为新污染物，其健康风险日益引起广泛关注。因此为了掌握桂林青狮潭水库生态环境安全现状，有必要对桂林青狮潭水库沉积物抗生素开展生态风险评估。

采用风险商数（RQ）对桂林青狮潭水库沉积物抗生素的潜在生态风险进行评估，RQ法的公式如下：

由于不同种类抗生素对不同物种的毒性不同，因此选用最敏感物种的PNEC作为评估值，如表1示。

1.5.2健康风险评估

本研究基于风险商模型评估并将不同年龄段健康风险作为考虑因素。具体的计算方法见公式（3）、（4）。

2结果与讨论

2.1抗生素污染情况及分布特征

桂林青狮潭水库沉积物中检出抗生素的种类为15种，水库沉积物抗生素含量的空间分布见图2（a），四环素类抗生素和喹诺酮类抗生素是检出浓度最高的两大类抗生素，分别占检出抗生素总量的36.67％和32.22％，磺胺类抗生素检出浓度范围为ND-7.020ng·g-1，检出率为0-35％，是检出率最低的抗生素；检出浓度最高的抗生素为CTC，浓度为4.040 ng·g-1，检出率最高的抗生素为OFL，达到了90％。

如图2（b）所示，抗生素在S1-S20检出浓度为3.795 5-11.105 9 ng·g-1，中值为7.853 8 ng·g-1，平均值为7.197 5 ng·g-1，其中S15（属于村庄生活区）点位抗生素检出浓度最高（11.105 9 ng·g-1），可能是由于其位于水库的上游位置，水流速度缓慢，靠近河岸，导致附近村庄周围的植物覆盖区域和耕地中残留的抗生素以地表径流的形式进入水库，同时附近的生态养殖区的存在导致抗生素在水生动物体内残留，使得水生动物粪便排泄的抗生素、未被水生动物吸收完全的抗生素及饲料中的抗生素最终以原药的形式沉降到底部沉积物中，导致该村庄生活区沉积物中抗生素浓度偏高，与刘洁的研究相似。

20个采样点中共检测了9种磺胺类抗生素，如图3所示，其中SMZ和SCP在20个点位中并未检出，9种磺胺类抗生素的检出率范围为0-65％，平均检出率为40.56％。S20点磺胺类抗生素浓度最高，达到3.949ng·g-1，可能是由于该点汇水区域面积较小，抗生素污染物易沉入水库底部，且磺胺类抗生素容易被有机质含量高的颗粒物所吸附而在沉积物中富集造成了一定的污染，同时其岸边分布耕地和果树林，施用部分化学农药，利用率较低造成未被利用的部分抗生素向下渗透淋溶；TMP的检出率和检出浓度较高，TMP的检出浓度在0.760-0.796 ng·g-1，检出率为65％，其原因是TMP作为磺胺类抗生素的增效剂，与其他磺胺类抗生素之间（例如SMX）以及某些抗菌剂协同使用能够提高抗菌的效果。

20个采样点中共检测了4种喹诺酮类抗生素，ENR在所有点位中并未检出，在20个采样点检测的喹诺酮类抗生素中，OFL检出率和检出浓度最高，检出率达到90％，检出浓度为24.465 ng·g-1，检出范围为ND-5.521 ng·g-1，平均浓度为1.223 ng·g-1；在已检出的三大类抗生素中，喹诺酮抗生素检出含量最高，其原因是喹诺酮类抗生素为人兽共用的抗生素，目前已在畜牧养殖、渔业大量使用，同时其对沉积物的吸附性能要优于磺胺类抗生素和四环素类抗生素，喹诺酮类抗生素对于生物降解的贡献较低，与沉积物中的颗粒状态物质具有一定的结合潜力，使得喹诺酮类抗生素在沉积物中降解速度较慢，导致喹诺酮类抗生素在沉积物中体现出高浓度。莫苑敏等于2017年10月采用液相色谱对青狮潭水库15个点位的沉积物中4种喹诺酮类抗生素（OFL、NOR、CIP和ENR）进行检测，其浓度范围是34.94-236.18 ng·g-1，且4种喹诺酮类抗生素对青狮潭水库沉积物环境具有高风险，青狮潭水库水体和沉积物喹诺酮类抗生素污染较为严重，本研究在五年后对上述4种喹诺酮类抗生素进行探究，4种喹诺酮类抗生素的浓度范围是0-6.617 ng·g-1，较五年前青狮潭水库沉积物中4种喹诺酮类抗生素残留情况有了明显改善。说明水库水质环境综合治理及与抗生素相关的畜禽养殖产业转型生态渔业均取得较好的成效。

20个采样点中共检测了4种四环素类抗生素，其中CTC的检出率和检出浓度均最高，为80％和25.213 ng·g-1，检出范围为ND-4.040 ng·g-1，平均浓度为1.260 ng·g-1，广泛以饲料促生长剂的形式用于水产养殖业中，四环素类抗生素在水体中含量较低，但是易吸附于底泥沉积物表面，同时其经过代谢后仍有50％-80％进入环境中并残留于沉积物中，导致采样点中四环素类抗生素浓度偏高。

利用百分含量分布图、相关性分析图和主成分分析图对桂林青狮潭水库沉积物3类15种检出抗生素进行分析，如图4（a）和图4（b）所示，可以揭示青狮潭水库中抗生素迁移转化过程的潜在作用机制。对各点不同种抗生素浓度之间进行相关性分析发现，大部分采样点抗生素的污染差异不显著（Pgt;0.05），SDZ、SM2、NOR、SMP、TMP、CIP及OTC等抗生素含量之间相互存在一定的相关性（Plt;0.05），归属于三大类的多种抗生素均存在一定的相关性，在一定条件下水流速度较慢导致水力交换效应较弱，使得沉积物成为了抗生素汇集赋存的场所，与杨聪等研究类似。利用主成分分析法对已检出的抗生素来源进行分析，共得到6个主成分，主成分1代表了SDZ、SMP、SM2、TMP、CTC、TC、SMR；主成分2代表了SMP、NOR、DC、CTC、OTC；主成分3代表了SDZ、SMM、SDM、OFL、DC；主成分4代表了TMP、SDM；主成分5代表了SM2、CIP、OTC；主成分6代表了SDM、CIP、CTC，分别可以解释方差的19.506％、16.648％、15.360％、12.309％、9.398％和6.808％，累积百分率达到80.029％。主成分分析结果表明：影响青狮潭水库沉积物的主要磺胺类抗生素污染物为（SDZ、SMP、SM2、TMP、SMR），5种第一主成分筛选出来的抗生素在（PCl）上载荷系数的绝对值均大于0.4，磺胺类抗生素用在化学农药中使用较为常见，推测青狮潭水库周边的使用化学农药所产生的农业污水是青狮潭沉积物抗生素的主要来源之一；喹诺酮类抗生素多被用作人畜共用药，四环素类抗生素多作为养殖常用药使用，喹诺酮类抗生素和四环素类抗生素所在成分较为靠后，可以解释的方差比例低于磺胺类抗生素，由此可推断，青狮潭水库周边抗生素在水产养殖业的使用导致了水环境抗生素的残留。

2.2生态风险评估

从采样点的角度分析，由图5可以看出，S1、S2、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S11、S12、S13、S17、S19、S20等14个点的RQ均小于0.1，表明青狮潭水库沉积物中抗生素所造成的生态风险处于低或可忽略的水平，对环境几乎无影响；S3、S10、S14、S15、S16和S18的RQ在0.1和1之间，表明青狮潭水库沉积物的抗生素所造成的生态风险处于中等水平，表明上述点位抗生素的污染不容乐观；RQ大于1的点位并未出现，可以认为青狮潭水库沉积物抗生素20个点位均不存在生态风险处于高水平的情况。

由于SMP、SMR 2种抗生素的PNEC值未检索到相关数据，ENR、SMZ和SCP 3种抗生素未检出，故对剩余的12种抗生素进行生态风险评估。生态风险商评价结果如图6所示。OFL生态风险最高，RQ的范围在0-0.48之间，生态风险处于中水平状态；磺胺类抗生素SDZ、SMM、SM2、SDM和TMP，喹诺酮类抗生素NOR、CIP以及四环素类抗生素DC、TC、OTC、CTC的RQ值均lt;0.1，无明显生态风险。

2.3健康风险评估

ENR、SMZ和SCP 3种抗生素因为在沉积物中未检出，所以其RQs值均为0。选取最大抗生素检出浓度，计算青狮潭水库沉积物中抗生素对人体健康的风险值。由图7可知，14种抗生素的RQs小于0.1，对成人和儿童的身体健康风险较低，青狮潭水库采样点沉积物中的抗生素对人体健康无直接风险。此外风险商表现出随年龄增长而降低。14种抗生素均对0-3个月的婴儿表现出最高的风险；3-6岁以下儿童的风险值随年龄的增长降低较为明显，11-16岁及以上人群风险值较为接近。氧氟沙星由于检出的浓度最高，风险值最大（RQs=0.048 23，0-3个月），但仍小于0.1，不会对人体构成明显的健康危害。建议政府从源头治理环境中抗生素污染的问题，以及制定和完善相关水体中抗生素残留测量标准，同时需要通过推广生态健康养殖模式及生态渔业代替畜禽养殖模式等举措提升水库水质，维护饮用水安全并降低健康风险。

3结论

（1）青狮潭水库沉积物共检出3类14种抗生素，检出浓度最高的抗生素为氧氟沙星，最高浓度达到5.521 ng·L-1，检出浓度最低的抗生素为磺胺嘧啶，浓度为0.194 ng·L-1；三类抗生素检出水平依次为：喹诺酮类（ND-5.521 ng·g-1）gt;四环素类（ND-4.04 ng·g-1）gt;磺胺类（ND-0.799 ng·g-1）。

（2）青狮潭水库沉积物3大类所有已检出的抗生素的生态风险商值和人体健康风险商值均低于1，在检出的14种抗生素中，氧氟沙星抗生素风险值最大，其潜在损害应引起关注；说明青狮潭水库中沉积物抗生素对环境风险未出现高风险水平，但残留的抗生素会对生态环境产生影响，应当严格控制青狮潭水库水源保护区内的抗生素使用及排放，保障居民的用水安全。

（3）对于10个不同年龄段的人体健康风险评估表明，14种检出的饮用水痕量的抗生素健康风险RQslt;0.1，健康风险水平普遍在10-5-10-8水平，远低于人体健康风险商值1的限值，表明水体中痕量抗生素对于人体健康尚不具有明显的直接风险。