上海黃浦江上游典型抗生素來源及分布污染特征研究*

方龍飛 魏群山 王元宏 楊蘭蘭 李宗宸 柳建設(shè)

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海 201600)

上海黃浦江上游典型抗生素來源及分布污染特征研究*

方龍飛 魏群山 王元宏 楊蘭蘭 李宗宸 柳建設(shè)#

(東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，國家環(huán)境保護(hù)紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心，上海201600)

利用固相萃取、高效液相色譜/質(zhì)譜法調(diào)查了兩類6種典型抗生素(四環(huán)素、土霉素、金霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲惡唑)在黃浦江上游的含量、來源、空間和時間分布特征。結(jié)果顯示，在黃浦江上游的兩條主要支流的11個采樣點中均有抗生素檢出，四環(huán)素類抗生素(包括四環(huán)素、土霉素和金霉素)平均值合計為34.25～211.82ng/L，磺胺類抗生素(包括磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶、磺胺甲惡唑)合計為3.11～5.83ng/L。黃浦江上游支流附近畜牧養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠對附近支流的抗生素濃度影響大。支流中下游磺胺類污染濃度比上游高。四環(huán)素類抗生素濃度隨黃浦江上游從豐水期到枯水期逐漸變高，而磺胺類抗生素在每個采樣時間點較穩(wěn)定。四環(huán)素是黃浦江上游的主要污染抗生素，對上游的水體環(huán)境有潛在風(fēng)險。

抗生素 黃浦江上游 來源 分布特征

抗生素濫用已經(jīng)成為一個全球性問題，引起了公眾和學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注。中國抗生素每年使用量預(yù)計超過25 000 t，位于世界第1位[1]1677。抗生素由于其自身的水溶性、抗降解特性和對水體微生物的影響，被認(rèn)為是一類重要的水體污染物[2]。抗生素能通過污水處理廠、人和動物尿與糞便進(jìn)入水體環(huán)境中[3]。醫(yī)藥廢水[4]、污水處理廠進(jìn)出水[5]、地表水[6]、飲用水[7]等均有不同程度的檢出。同時，抗生素也在我國的主要河流中被檢測出來，如黃河[8]1879、九龍江[1]1679和巢湖[9]等。而這些釋放到環(huán)境中的抗生素會產(chǎn)生大量的抗性細(xì)菌和抗生素抗性基因。如在我國九龍江流域被檢測出磺胺類抗生素抗性基因[1]1682。抗生素抗性基因問題是21世紀(jì)一個重要環(huán)境問題，有可能對人體健康構(gòu)成潛在威脅[10]。

黃浦江是上海最大的河流，其上游也是這座城市最重要的飲用水水源地，提供了80%的飲用水(6 300 000 t/d)[11]822。此前抗生素在黃浦江流域的養(yǎng)豬場、水產(chǎn)養(yǎng)殖場和生活污水出水中檢測值就達(dá)到27.5 ng/L[12]。在對黃浦江流域的已有研究中，側(cè)重點都在黃浦江中下游干流，而上游支流眾多，干流中的抗生素究竟來源于哪一條支流還沒有相關(guān)系統(tǒng)研究。本研究針對典型抗生素，研究黃浦江上游飲用水水源地抗生素污染情況，豐富黃浦江上游痕量有機(jī)污染物研究成果，并據(jù)此評估此類飲用水源地的抗生素潛在風(fēng)險，為未來相關(guān)污染物的控制和管理提供重要的科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1主要化學(xué)試劑和標(biāo)樣

磺胺甲基嘧啶(SM1)、磺胺二甲基嘧啶(SM2)購自阿法埃莎(美國)；磺胺甲惡唑(SMZ)購自中國；四環(huán)素(TC)、土霉素(OTC)、金霉素(CTC)購自Dr. Ehrenstorfer(德國)；甲醇、丙酮、甲酸、乙二胺四乙酸二鈉購自中國；超純水。

1.2主要實驗儀器

高效液相—三重四級桿線性離子阱質(zhì)譜儀(ABI3200Q TRAP)；X Bridge C18(150.0mm×2.1mm，3.5μm)色譜柱；液相色譜固相萃取柱；二十四孔固相萃取裝置；氮吹儀(ZGDCY-12S)；超聲波清洗器(HK-500B)；pH計(PHSJ-4A)；10mL離心管；0.45μm玻璃纖維膜；1.5mL進(jìn)樣小瓶。

1.3樣品采集

本次采樣的兩支主要支流為上海淀山湖方向和浙江嘉興方向支流。依據(jù)黃浦江每年6—8月屬于豐水期、9—11月屬于平水期、12月至次年2月屬于枯水期[13]的情況，本次選取采樣時間為2014年8、10月和2015年1、10月4個時間點。依據(jù)上中下游全面覆蓋原則，黃浦江上游的采樣點分布如下：在淀山湖方向支流取D1～D3；嘉興方向支流取D4～D9；干流取D10～D11(見圖1)。同時，在黃浦江上游支流兩岸畜禽養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠排水口(A1～A3)進(jìn)行采樣，其中A1為養(yǎng)魚池塘，A2為制藥公司，A3為畜禽養(yǎng)殖場。水樣均在橋上或船上采集，采集的水樣放在5L的水桶中保存。一旦所有水樣移至實驗室，均放在冰柜(-20℃)中保存，并盡快預(yù)處理。

1.4樣品處理

使用固相萃取法進(jìn)行富集。在萃取前，先用0.45μm的玻璃纖維膜過濾，調(diào)節(jié)pH為3，加入0.2g乙二胺四乙酸二鈉螯合水樣中重金屬。在水樣過柱前先用6mL丙酮、6mL甲醇和6mL0.1%(體積分?jǐn)?shù))甲酸溶液活化柱子，水樣過柱后，再用6mL0.1%甲酸溶液清洗柱子，真空抽干20min，最后用6mL的純甲醇洗脫至10 mL離心管。富集后的樣品用高純氮氣吹至近干，用10%(體積分?jǐn)?shù))甲醇溶液定容至1 mL并轉(zhuǎn)移到1.5 mL進(jìn)樣小瓶。每個采樣點取2個平行樣。

圖1 黃浦江上游位置和采樣點Fig.1 Location of the upper Huangpu River and the sampling sites

1.5 檢測分析

抗生素檢測使用高效液相色譜—雙質(zhì)譜(MS/MS)系統(tǒng)。X Bridge C18色譜柱柱溫40 ℃。流動相為分別含0.1%甲酸的水溶液(A流動相)和甲醇溶液(B流動相)。梯度洗脫程序為：0 min，20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)A流動相+80% B流動相；15 min，15% A流動相+85% B流動相；25 min，50% A流動相+50% B流動相；30 min，15% A流動相+85% B流動相；35 min，15% A流動相+85% B流動相。流速為1 mL/min，進(jìn)樣量20 μL。目標(biāo)化合物的監(jiān)測離子對與質(zhì)譜分析參數(shù)見表1，其中母離子是目標(biāo)化合物的一部分特征離子，子離子是母離子進(jìn)一步分解反應(yīng)的特征離子，通過兩次質(zhì)譜分解，能提高目標(biāo)化合物的檢測限。

表1 抗生素的監(jiān)測離子對與質(zhì)譜分析參數(shù)

1.6 質(zhì)量控制和質(zhì)量保證

通過固相萃取后分析相應(yīng)的母、子離子的保留時間和標(biāo)準(zhǔn)曲線來確定抗生素濃度。標(biāo)準(zhǔn)曲線在線性范圍內(nèi)(1～500 ng/L)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R2>0.99)。選取的水樣進(jìn)行加標(biāo)回收率實驗，磺胺類抗生素(包括SM1、SM2和SMZ)回收率為66.2%～78.0%，TC類抗生素(包括CTC、OTC和TC)回收率為83.1%～99.7%。以3倍信噪比為檢測限，水中抗生素的檢測限為0.11～5.11 ng/L；以10倍信噪比為定量限，水中抗生素的定量限為0.36～17.04 ng/L，具體見表2。本實驗采用外標(biāo)法定量。

表2 抗生素的加標(biāo)回收率和檢出限

2 結(jié)果與討論

2.1典型抗生素檢出率和濃度水平

由表3可見，在黃浦江上游共檢出2類6種抗生素殘留，磺胺類抗生素檢出濃度和檢出率大小總體順序為SMZ>SM2>SM1，TC類抗生素為TC>OTC>CTC。TC類抗生素平均值合計為34.25～211.82ng/L，TC在4個月中檢出率均為100%，OTC除2014年8月未檢出外，其余3個月均有較高檢出率(90%～100%)，而CTC的檢出率則較低。磺胺類抗生素平均值合計為3.11～5.83ng/L，SMZ檢出率總體最高，除了2014年8月其他3次采樣均達(dá)到90%以上，而SM1的檢出率較低。

在本次研究中，TC在水樣中的含量最高，平均值最大達(dá)到193.90ng/L，是主要污染抗生素。由于TC類抗生素在顆粒物和沉積物中有很強(qiáng)的吸附性和降解性[14]，在之前的研究中，很少在天然水體中被檢出或檢測濃度很低，而本研究中TC類抗生素的檢出率和濃度都很高。JIANG等[11]824-825在2011年12月于黃浦江干流測得OTC和CTC平均值分別為11.49、16.80ng/L，與本研究結(jié)果基本一致，而本研究TC濃度比其高很多，最高相差6倍。AN等[15]對動物飼料中抗生素的檢測結(jié)果顯示，TC類抗生素被檢測出的濃度遠(yuǎn)高于磺胺類抗生素。推測可能原因是TC作為一種價格比CTC和OTC便宜的低廉藥物，大量被使用在生長促進(jìn)劑上；TC在動物上的低吸收性導(dǎo)致其被大量排放到黃浦江上游從而被檢測出高濃度。磺胺類抗生素在黃浦江上游也有較高的檢出率，然而檢測出的磺胺類抗生素濃度普遍比TC類抗生素濃度低。磺胺類抗生素是中國疾病預(yù)防常用的抗生素藥物，在我國主要河流均有檢出，本研究測得濃度處于國內(nèi)平均水平，說明磺胺類抗生素在黃浦江上游被廣泛使用[16]。

表3 黃浦江上游水體抗生素檢出情況

2.2 抗生素在黃浦江上游的來源分析

采用SPSS 20軟件進(jìn)行主成分分析統(tǒng)計。如圖2所示，SMZ、SM1和SM2均聚集在一起，甚至幾乎重疊在一起，表明磺胺類抗生素在黃浦江上游的來源一致度非常高，而現(xiàn)在國家規(guī)定磺胺類抗生素只用于獸用，所以周圍畜禽養(yǎng)殖場排放廢水及用糞便做肥料的農(nóng)田排出的廢水可能是上游磺胺類抗生素的污染來源[8]1878。TC類抗生素中OTC和CTC的位置相近而與磺胺類抗生素距離較遠(yuǎn)，說明這兩種抗生素來源一致度較高，但卻和磺胺類抗生素不來自同一污染源。TC與其他抗生素距離都較遠(yuǎn)，可能原因是TC在黃浦江上游排放量較大，污染來源復(fù)雜，沒有局限于畜禽養(yǎng)殖場廢水排放，人用藥物也是一大污染來源。

圖2 黃浦江上游抗生素污染的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of antibiotics in upper Huangpu River

由圖3可以看出，黃浦江上游支流與附近畜牧養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠的抗生素種類一致且濃度相似。可見畜牧養(yǎng)殖以及醫(yī)藥廢水對黃浦江抗生素濃度影響非常大。A1為養(yǎng)魚池塘，其排水口中除SM2外，SMZ、SM1兩種磺胺類抗生素質(zhì)量濃度在排水口及其相應(yīng)支流采樣點中最高(分別為4.56、2.10 ng/L)，從而也證明了磺胺類抗生素來自同一污染源的猜測。A3為畜禽養(yǎng)殖場，其OTC濃度最高，說明D6采樣點的OTC污染源很大程度上可能來自此畜禽養(yǎng)殖場。

為了解各抗生素在黃浦江上游污染源與附近支流是否具有相似性，用SPSS 20對這些目標(biāo)化合物進(jìn)行皮爾森相關(guān)性分析。如表4所示，排水口和相應(yīng)支流采樣點的皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.855，說明強(qiáng)相關(guān)，顯著性為0.347，說明兩者差異性小。由此相關(guān)性檢驗證明，畜牧養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠的抗生素排放對附近支流有明顯影響。

圖3 畜牧養(yǎng)殖場和醫(yī)藥廠排水口及相應(yīng)黃浦江上游支流典型抗生素質(zhì)量濃度對比Fig.3 Typical antibiotics concentration of livestock farms and pharmaceutical factory sewage outlet and the corresponding upper Huangpu River tributaries

項目排水口相應(yīng)支流采樣點皮爾森相關(guān)系數(shù)1.0000.855排水口顯著性(雙側(cè))0.347樣本數(shù)33皮爾森相關(guān)系數(shù)0.8551.000相應(yīng)支流采樣點顯著性(雙側(cè))0.347樣本數(shù)33

2.3 抗生素在黃浦江上游的空間分布特征

為全面了解抗生素在黃浦江上游的分布情況，以2015年1月(枯水期)和10月(平水期)兩個時間點為代表進(jìn)行研究。如圖4所示，磺胺類抗生素在10月有明顯的分布差異，SMZ在嘉興方向支流中濃度最大，且D7～D9采樣點濃度最高，說明SMZ的污染來源主要分布在嘉興方向支流中下游，嘉興方向支流上游和淀山湖方向支流基本沒污染。到了干流污染很快變小，有可能是隨著其他河流的加入，流量、流速變大導(dǎo)致SMZ稀釋。SM1在嘉興方向支流的分布情況與SMZ較一致，但淀山湖方向支流也檢出了相當(dāng)大的SM1濃度，說明SM1在這條支流上也有廣泛的使用，且也是支流中下游濃度高于上游。SM2的檢出率較低，說明黃浦江上游對SM2的使用率不高。在1月，磺胺類抗生素的分布差異性相對10月較小，可能是天氣較冷，磺胺類抗生素不易降解、能長時間存在水體中，導(dǎo)致黃浦上游磺胺類抗生素能長距離遷移，使各采樣點濃度趨于一致。

圖4 黃浦江上游磺胺類抗生素的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution of detected sulfonamide antibiotics in upper Huangpu River

如圖5所示，1、10月都顯示TC是黃浦江上游的主要抗生素，且在兩條支流的污染情況都較嚴(yán)重。嘉興方向支流污染程度略大于淀山湖方向，但D4和D8采樣點濃度變化與其他不同，D4采樣點在10月相比1月TC濃度降幅巨大，而D8采樣點TC濃度反而增加。污染源對TC的影響比磺胺類抗生素大，說明濃度大小具有偶然性，這就要求研究具有長期性。OTC檢出率較高，濃度較小，分布較均勻。CTC檢出率很低，然而在D9采樣點兩個月均有檢出，可能在D9采樣點有穩(wěn)定污染源，且影響到附近干流，使干流也檢測出CTC。

圖5 黃浦江上游TC類抗生素的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution of detected TC antibiotics in upper Huangpu River

2.4 抗生素在黃浦江上游的時間分布特征

如圖6所示，2014年8月磺胺類抗生素平均值比2014年10月和2015年1、10月高，2015年1月的平均值最低，依次為豐水期>平水期>枯水期。兩年10月相比，磺胺類抗生素平均值變化不大，但組成結(jié)構(gòu)變化較大，可能是由于磺胺類抗生素在使用中的可替代性強(qiáng)。但總體而言，磺胺類抗生素在河流中濃度還是較穩(wěn)定，這可能是磺胺類抗生素不易降解并具有良好的水溶性，使它不易隨溫度、流量變化，且其污染源排放穩(wěn)定。TC類抗生素的季節(jié)差異明顯。一方面，枯水期與豐水期的流量、流速不同導(dǎo)致豐水期TC類抗生素平均值小于枯水期；另一方面，夏季比冬季有更頻繁的生物降解。TC平均值在2015年10月與2014年10月比變化不大，也證明了TC在黃浦江上游的年際變化是和上游的流量、流速相關(guān)且年際變化較穩(wěn)定。

圖6 黃浦江上游典型抗生素平均值Fig.6 Mean concentrations of selected antibiotics in the upper Huangpu River

3 結(jié) 論

(1) 在黃浦江上游共檢出2類6種抗生素殘留，磺胺類抗生素檢出濃度和檢出率大小順序為SMZ>SM2>SM1，TC類抗生素為TC>OTC>CTC。TC是上游主要污染物。

(2)3種磺胺類抗生素的污染來源一致，均可能來自獸用抗生素。TC因水中濃度較高，不僅來源獸用抗生素，有一部分可能來源人用抗生素。黃浦江上游采樣點附近的畜禽養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠與相應(yīng)采樣點的抗生素種類以及濃度一致，說明畜禽養(yǎng)殖場及醫(yī)藥廠排放廢水對附近黃浦江水體抗生素濃度有很大影響。

(3)2015年10月磺胺類抗生素在各采樣點分布差異明顯，SMZ在嘉興方向支流下游污染程度較高，SM1在淀山湖方向和嘉興方向支流均有污染，且都是支流中下游污染大于上游。

(4) TC類抗生素濃度季節(jié)變化明顯，且與上游流量、流速密切相關(guān)。磺胺類抗生素濃度季節(jié)變化較小，但組成結(jié)構(gòu)變化較大，這與其磺胺類之間相似的使用用途相關(guān)。

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SourceanddistributionoftypicalantibioticsintheupperHuangpuRiver,Shanghai

FANGLongfei，WEIQunshan，WANGYuanhong,YANGLanlan，LIZongchen，LIUJianshe.

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，DonghuaUniversity,StateEnvironmentalProtectionEngineeringCenterforPollutionTreatmentandControlinTextileIndustry，Shanghai201600)

By using solid phase extraction and high performance liquid chromatography/tandem mass spectrometr，the content，source，space and time distribution of six kinds of typical antibiotics (tetracycline，oxytetracycline，chlortetracycline，sulfamerazine，sulfamethazine and sulfamethoxazole) in the upper Huangpu River were investigated. The results showed that the average concentration of tetracycline antibiotics (including tetracycline,oxytetracycline and chlortetracycline) which were detected in 11 sampling sites of the two major tributaries of the upper Huangpu Rive were 34.25-211.82 ng/L，and sulfonamide antibiotics (including sulfamerazine,sulfamethazine and sulfamethoxazole) were 3.11-5.83 ng/L. The concentration of antibiotics in the tributaries were affected by livestock farms and pharmaceutical factories nearby. Concentration of pollution in the middle and lower reaches of the river was higher than that of the upstream. Concentration of tetracycline antibiotics gradually increased along with the Huangpu River stream from wet to dry season，and sulfonamide antibiotics in each time point were stable. Tetracycline was the main pollution in the upper Huangpu River，not only from veterinary antibiotics，but also from a considerable proportion of human antibiotics，which might have the potential risks to the water environment of the upper Huangpu River.

antibiotics; the upper Huangpu River; source; distribution characteristics

方龍飛，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為水污染處理。#

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*國家自然科學(xué)面上基金資助項目(No.21277138)；福建省自然科學(xué)面上基金資助項目(No.2013J01064)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(No.2232014D3-17)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.015

2016-02-26)