東江上游典型抗生素污染特征及生態風險評價

趙騰輝，陳奕涵，韓巍，何義亮*

1.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240；2.中日友好環境保護中心水專項管理辦公室，北京 100029

東江上游典型抗生素污染特征及生態風險評價

趙騰輝1，陳奕涵1，韓巍2*，何義亮1*

1.上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240；2.中日友好環境保護中心水專項管理辦公室，北京 100029

近年來水體中不斷被檢出抗生素，但在飲用水源地中對抗生素的污染狀況研究很少。為了探討東江上游水體中典型抗生素的污染特征及潛在的生態風險，利用固相萃取（SPE）及液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）技術，分別在時空尺度上測定了6類典型抗生素（磺胺類、喹諾酮類、β-內酰胺類、大環內酯類、四環素類、林可霉素類）的含量水平，并采用風險商法對其進行生態風險評價。結果表明：東江上游水體中被檢測出的12種抗生素中，絕大部分檢出率都較高，整體質量濃度范圍在nd（未檢出）～69.9 ng?L-1，其中平均質量濃度最高的3種抗生素分別是四環素（32.24 ng?L-1）、諾氟沙星（27.84 ng?L-1）、氧氟沙星（24.54 ng?L-1）。在時空分布上，東江上游干流抗生素的濃度主要受地表徑流產生的面源污染影響，部分地區受到支流匯入的影響較大。與國內河流中抗生素的含量水平相比，東江上游抗生素濃度整體處于中等偏低水平，其中四環素和泰樂菌素相對偏高。抗生素與常規指標的相關性分析表明，抗生素大部分種類的濃度與有機物污染呈正相關，并且其含量水平受到環境因素的制約和影響。風險商法得出的生態風險評價結果表明，諾氟沙星和青霉素G存在較高風險，磺胺嘧啶、泰樂菌素、強力霉素、氧四環素和林可霉素達到了中等風險，整體上存在一定的生態風險。

東江上游；抗生素；污染特征；生態風險評價

中國是抗生素的生產和使用大國，據調查顯示，我國2013年的36種抗生素的總使用量達到了92700 t，其中約有53800 t進入到環境中，給生態環境造成了巨大的壓力（Zhang et al.，2015）。微量的抗生素會干擾微生物的正常生長代謝，對食物鏈上各級生物產生毒性效應，破壞生態環境的穩定性（Park et al.，2008），更會誘導抗生素抗性基因的產生，對環境生態和人類健康造成威脅（Chee-Sanford et al.，2009）。東江上游作為東江水資源的主要補給渠道，抗生素含量的數據比較缺乏。因此，科學合理地分析及評價東江上游的抗生素污染狀況，具有重要的現實意義。

目前較為先進的抗生素分析方法是SPE及LC-MS/MS技術。蔣昊余等（2015）及陸克祥等（2010）分別利用其檢測分析了北江及黃浦江的抗生素污染狀況。近年來，已在河流、污水處理廠、水產養殖廠及醫療廢水中檢出了不同程度的抗生素殘留（章強等，2014）。隨著抗生素污染的加重，對水源地的研究和保護也受到了越來越多的重視。胡冠九等（2015）分析了南京典型縣區飲用水源抗生素含量特征。抗生素作為一種痕量的有機污染物，其含量在時空上的遷移轉化規律也是一個重要的研究課題。朱婷婷等（2014）分析了5類典型抗生素在深圳鐵崗飲用水源地型水庫中的污染特征，認為當地枯水期抗生素濃度高于豐水期。隨著數學方法在環境中的應用日益廣泛，目前已有很多研究者利用多元統計分析方法來研究有關環境的問題。目前環境污染物的生態風險評價主要的方法有毒性當量法、毒性中低值法和風險商法。其中風險商法常用于抗生素和其他藥物的風險評價。Lee et al.（2008）使用風險商法對韓國水環境中抗生素的生態風險進行了評估。

本文針對東江上游流域，在3個典型水文期共采集了18個水樣，利用SPE及LC-MS/MS技術，分別對磺胺類、喹諾酮類、β-內酰胺類、大環內酯類、四環素類及林可霉素類等12種典型抗生素進行了含量檢測，進而探討了抗生素濃度在時空上的變化規律；采用相關性分析法進行分析，尋找抗生素的污染特征規律，并用風險商法對其進行生態風險評價，以期為后續東江水源地的生態環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

TSQ Quantum液質聯用儀（ESI源，美國Thermo Fisher Scientific公司）；色譜柱（2.1×50 mm，1.8 μm）（美國Agilent公司）；Poly-Sery HLB SPE Cartridge（200 mg，6 mL）、0.22 μm水相過濾膜（上海安譜科學儀器有限公司）；12管固相萃取裝置；GM-O.33A型真空泵、砂芯漏斗（天津津騰實驗設備有限公司）；85-2型快速混勻器（上海司樂儀器有限公司）；N-EVAP11155氮吹濃縮儀（美國Organomation公司）。

磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺間甲氧嘧啶（SMM）、諾氟沙星（NFX）、環丙沙星（CFX）、氧氟沙星（OFX）、頭孢氨芐（LEX）、青霉素G（PEN G）、泰樂菌素（TYL）、氧四環素（OTC）、四環素（TC）、強力霉素（DC）、林可霉素（LIN）標準品；回收率指示物環丙沙星-d8（CFX-d8）、阿莫西林-d4（AMX-d4）、磺胺嘧啶-d4（SDZ-d4）標準品；上機內標諾氟沙星-d5（NFX-d5）標準品(加拿大TRC公司)；甲醇、乙腈（色譜純，上海安譜科學儀器有限公司）；乙二酸四乙胺二鈉鹽（EDTA-2Na）、鹽酸、甲酸（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。所有抗生素標準品用甲醇預溶并定容，配成1000 mg?L-1的單標儲備液，并置于-20 ℃中避光保存。

1.2 樣品采集及預處理

分別于2015年7月（豐水期）、2015年11月（枯水期）及2016年3月（平水期）在東江上游流域采樣，包括楓樹壩水庫出水——S1（河源市龍川縣楓樹壩橋）；東江干流控制斷面；S2（河源市龍川縣東江二橋）；S3（河源市東源縣藍口大橋）；S4（河源市東源縣新河大道）；新豐江水庫出水S5（河源市源城區珠河大橋）；省界斷面——S6（惠州市博羅縣觀音閣）。共設置6個采樣點（圖1），采集18個水樣。采集距水面約0.5 m處水樣，調節pH為3，并立即放入保溫箱，保持4 ℃低溫，運回實驗室，48 h內完成前處理。

取1 L水樣通過0.22 μm水相濾膜，過濾后水樣（1 L）分別加入0.5 g EDTA-2Na，再加入50 μL質量濃度為1 mg?L-1的回收率指示物（CFX-d8、AMX-d4、SDZ-d4），混勻。進行HLB柱活化：10 mL甲醇+10 mL Milli-Q水（pH=3.0），各活化3 min。然后水樣過HLB柱，時間約3～5 h。水樣抽完后，向小柱加入5 mL超純水（5%甲醇），駐留3 min，淋洗去干擾雜質。再次，每個柱子加入10 mL Milli-Q（pH=3.0）水過柱，抽干約30 min，用10 mL甲醇洗脫，合并。最后用氮氣吹干，加0.5 mL NFX-d5內標（80 mg?L-1）定容，待測。

圖1 東江上游采樣點分布Fig.1 Sampling sites of the upper reaches of the Dongjiang River

1.3 抗生素檢測

1.3.1 色譜-質譜條件

流動相：A相為0.1%甲酸溶液，B相為乙腈溶液，流速為0.3 mL?min-1；進樣體積為10 μL；柱溫30 ℃。梯度洗脫程序：0～1.3 min，95%A；1.3～8 min，95%～60%A；8～10 min，60%A；10～12 min，95% A。電離源為電噴霧離子源正離子模式（ESI+），噴霧電壓為3500 V；鞘氣壓力為30 kPa，輔助氣壓力為10 kPa，離子源溫度為350 ℃，目標物母離子、子離子及碰撞能量等質譜參數詳見表1。

表1 典型抗生素、回收率指示物及上機內標的串聯質譜檢測參數Table 1 Tandem mass spectrometric parameters for typical antibiotics, recovery indicator and internal standard substance

圖2 東江上游水體抗生素含量水平Fig.2 The concentration of antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River

1.3.2 定量方法及回收率

采用NFX-d5作為上機內標并進行內標法定量，以CFX-d8、AMX-d4、SDZ-d4作為回收率指示物，分別對實驗過程進行監控和校正。以純水和東江上游水樣為基底，進行加標回收實驗，加標濃度為50 ng?L-1，回收率分別在71%～122%、69%～125%。

1.4 生態風險評價方法

根據歐盟的環境風險評價方法，本文選擇風險商（RQ）法來表征生態環境風險程度。

MEC為污染物實際測試濃度；PEC為污染物環境預測濃度；PNEC為預測無效應濃度。PENC等于毒性數據（LC50/NOEC或LE50/NOEC）與評估因子（AF）的比值。當采用急性毒性L(E)C50數據時，AF取值1000；當采用慢性毒性NOEC數據時，AF取100。

PNEC是表征污染物對環境中的生物無影響的濃度閥值，若RQ≥1，表明污染物對水環境中的生物存在高風險；若0.1≤RQ＜1，表明污染物對水環境中的生物存在中等風險；若RQ＜0.1，表明污染物的生態風險極低（Hernando et al.，2006）。

1.5 數據分析

采用SPSS 21.0對數據進行相關性分析。

2 結果與討論

2.1 抗生素含量水平及時空分布

由圖2可知，檢測的12種抗生素中有6種檢出率為100%，包括SMM、NFX、OFX、CFX、LEX、DC；LIN檢出率最低，為44.4%。其中喹諾酮類（NFX、OFX、CFX）檢出率全部為100%，說明此類抗生素廣泛分布于東江上游地區，污染源具有持續性。喹諾酮類抗生素被廣泛應用于醫藥行業，同時也是獸用抗生素的一種，屬于我國抗生素使用量較大的一類。在所有檢出的抗生素中，平均質量濃度最高的3種抗生素分別是TC（32.24 ng?L-1）、NFX（27.84 ng?L-1）、CFX（24.54 ng?L-1）。四環素是十大獸用抗生素之一，在所有抗生素中被檢出的平均質量濃度最高，這很可能緣于該區域內養殖污染源的不合理排放，同時還有近年來四環素被大量用于化學合成類抗生素，進入環境后需要較長降解時間的原因。NFX、CFX的平均質量濃度分別排第二和第三，與較高的檢出率相對應。LIN的平均質量濃度為1.16 ng?L-1，在所有抗生素中最低，與最低的檢出率對應，印證了LIN在環境中的污染風險較小。

圖3表明了東江上游抗生素濃度的時空分布。S1作為楓樹壩水庫出水，和下游龍川縣S2處對比，抗生素總濃度沒有明顯變化，但下游S2中OTC的濃度有明顯的降低。S3地處藍口鎮的生活區，TC濃度明顯低于其他點，其他常見的獸用抗生素，如TYL、OTC、DC，檢出率也較低，說明該區域受到養殖業污染的情況較輕。從S3到東源縣新河大道S4處，TC濃度有一個明顯的增長，說明該區域養殖污染較重。新豐江水庫庫區內農村聚居區域呈現以居民生活為主，種植與農家小規模養殖業并存的格局，S5作為新豐江水庫出水，TC濃度保持在較高水平，而其他類抗生素總量低于東江上游其他各采樣點，由此可知新豐江水庫除了受到潛在養殖污染源的影響，基本保持低污染的狀態。S6處于東江上游的最下端，地處惠州市觀音閣，總體濃度與上游各采樣點保持一致，沒有污染加重的現象出現。

在時間變化上，S1、S4和S6處均呈現出豐水期整體濃度較高，這說明豐水期的大量地表徑流所造成的雨水沖刷是造成抗生素污染加劇的主要原因。S2與S3在枯水期抗生素的濃度較高，可能是由于其局部上游存在支流的輸入，這些支流的集水區主要屬于和平縣中人口較少的山區，以致降雨產生的地表徑流對S2、S3處抗生素濃度的貢獻被大大稀釋。S5處常用抗生素并沒有呈現出時間上的差異性，這可能緣于污染源本身的污染情況沒有明顯的季節差異。

2.2 抗生素與常規指標的相關性分析

為了研究東江上游水體中抗生素與常規指標的關系，對其進行相關性分析。

抗生素作為一種痕量的有機污染物，在水體中易發生水解、光解等各種化學反應，還受pH、溶解氧、氧化還原電位等理化指標的影響，是一個極其復雜的環境體系（Luo et al.，2011）。由表2可知，磺胺類、喹諾酮類、大環內酯類均與CODMn顯著相關，CODMn是有機物污染的特征指標，說明抗生素這種痕量的有機污染物與CODMn這種傳統的宏觀指標具有同源性。從抗生素總濃度來看，其與濁度、氧化還原電位都有一定的相關性，說明抗生素在水環境中的含量水平受到了環境因素的影響。

圖3 東江上游抗生素濃度時空分布Fig.3 The content level of typical antibiotics at temporal and spatial scope

2.3 不同地區水體中抗生素濃度比較

近年來，國內典型的河流中都有不同程度的抗生素檢出，如圖4所示（秦延文等，2015；林殷，2008；Liang et al.，2013；Jiang et al.，2011；Zou et al.，2011；Yan et al.，2013；Zheng et al.，2011；Chen et al.，2012）。東江上游抗生素的總體質量濃度在nd～69.9 ng?L-1，在國內河流中屬于中等偏低水平。如圖4所示，東江上游SDZ的濃度偏低，小于黃浦江、渤海灣、長江口及九龍江口；OTC與PENG濃度較低，遠低于其他河流；OFX、CFX、OFX、LEX、PEN G盡管檢出率高，但是檢出濃度均低于其他河流；CFX在不同地區都有不同程度檢出，東江上游屬于中等水平；TC檢出濃度較高，僅低于渤海灣；TYL檢出濃度較高，高于黃浦江。

表2 抗生素濃度與常規指標的相關性分析Table 2 Correlations between typical antibiotics concentration and traditional water quality index

圖4 不同地區水體中抗生素濃度比較Fig.4 Comparison of antibiotics residues in water from different regions

2.4 東江上游抗生素潛在生態風險評價

通過ECOTOX毒性數據庫及相關文獻（Ma et al.，2015；ECOTOX Database）推算每種抗生素的PENC值，基于最壞情況考慮，選取最敏感的物種作為測試生物種。具體每種抗生素的毒性數據見表3。

表3 抗生素對應敏感物種的毒性數據Table 3 Aquatic toxicity data of antibiotics to sensitive aquatic species

由圖5可知，NFX和PEN G為高風險，SDZ、TYL、DC、OTC和LIN都達到了中等風險，SMM、OFX、CFX、LEX和TC風險較小。總體上，12種抗生素中超過一半都達到了中等風險，生態風險顯著。與國內不同地區抗生素濃度進行對比，發現NFX、PEN G、SDZ、OTC的濃度都偏低，但是在生態風險評價中仍然具有較大風險，說明這些抗生素在濃度很低的情況下也會對生態環境造成較大的危害，仍需給予重視。

圖5 東江上游水體抗生素RQ值Fig.5 RQ for antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River

3 結論

（1）東江上游被檢測出的12種抗生素中，絕大部分檢出率都較高，說明該區域抗生素殘留是一個普遍現象。抗生素整體質量濃度范圍為nd（未檢出）～69.9 ng?L-1，其中，喹諾酮類抗生素的檢出率及檢出濃度都較高，存在較高風險。平均質量濃度最高的3種抗生素分別是四環素（32.24 ng?L-1）、諾氟沙星（27.84 ng?L-1）、氧氟沙星（24.54 ng?L-1）。在時空分布上，東江上游干流抗生素的濃度主要受地表徑流產生的面源污染影響，部分地區受到支流匯入的影響較大。

（2）在與不同地區河流抗生素濃度的對比中發現，東江上游抗生素濃度整體處于中等偏低水平，其中四環素和泰樂菌素相對偏高。

（3）抗生素與常規指標的相關性分析結果表明，抗生素大部分種類的濃度與有機物污染呈正相關，并且其含量水平受到環境因素的制約和影響。

（4）采用風險商法進行的生態風險評價結果表明，諾氟沙星和青霉素G存在較高風險，磺胺嘧啶、泰樂菌素、強力霉素、氧四環素和林可霉素達到了中等風險，整體上存在一定的生態風險。因此，應該加強東江上游污染源的監控和整頓，開展痕量有機污染物的專項治理工作。

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The Contamination Characteristics and Ecological Risk Assessment of Typical Antibiotics in the Upper Reaches of the Dongjiang River

ZHAO Tenghui1, CHEN Yihan1, HAN Wei2*, HE Yiliang1*
1.School of environmental science and engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Water special management office, Sino Japanese Friendship Environmental Protection Center, Beijing 100029, China

Antibiotics were detected in water in recent years, but there was little research on the contamination of antibiotics in the drinking water source.This article investigated the contamination characteristics and ecological risk of typical antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River by SPE (Solid Phase Extraction) and LC-MS/MS (Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry).The content level of the six typical antibiotics (sulfonamides, quinolones, β-lactams, macrolides, tetracyclines, lincosamides) was measured at temporal and spatial scope and ecological risk was assessed by RQ (risk quotient) method.The results showed that most of the detection rate of the 12 antibiotics detected in the upper reaches of the Dongjiang River was high, the overall mass concentration ranges were from nd (not detected)～69.9 ng?L-1and the top three of the highest average mass concentration were tetracycline (32.24 ng?L-1), norfloxacin (27.84 ng?L-1), ofloxacin (24.54 ng?L-1).In the spatial and temporal distribution, the concentration of antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River was mainly affected by non-point source pollution caused by surface runoff, and some areas were affected by tributary influx.Compared with the content of the antibiotics in domestic rivers, the concentration of antibiotics was in the medium level or slightly lower in general and the concentration of tetracycline and tylosin is relatively high.The correlation analysis between antibiotics and routine indexes indicated that the concentration of most antibiotics was positively correlated with organic pollution, and the level of antibiotics was influenced by environmental factors.The result of the ecological risk assessment by RQ method indicated that norfloxacin and Penicillin G have high risk.Sulfadiazine, tylosin, doxycycline, oxytetracycline and lincomycin had medium risk and the upper reaches of the Dongjiang River had some ecological risk as a whole.

the upper reaches of the Dongjiang River; antibiotics; contamination characteristics; ecological risk assessment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.016

X52

A

1674-5906（2016）10-1707-07

趙騰輝, 陳奕涵, 韓巍, 何義亮.2016.東江上游典型抗生素污染特征及生態風險評價[J].生態環境學報, 25(10): 1707-1713.

ZHAO Tenghui, CHEN Yihan, HAN Wei, HE Yiliang.2016.The contamination characteristics and ecological risk assessment of typical antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1707-1713.

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07206001）

趙騰輝（1990年生），男，碩士研究生，研究方向為水污染控制。E-mail: zhaothui@163.com *通信作者，韓巍，男，助理研究員，研究方向為水污染治理。E-mail: hanwei_2002@126.com。何義亮，男，教授，研究方向為水污染控制。E-mail: ylhe@sjtu.edu.cn

2016-09-20