閩江河口區沉積物中的抗生素分布特征及生態風險評價

劉四光，張樂蒙，李赫男，陳 猛，陳 嵐，王 鍵，張 釩

(1.福建海洋研究所，福建 廈門 361013; 2.廈門大學環境與生態學院，福建 廈門 361015)

在過去的近100年間，抗生素作為一類重要的藥物在傳染病治療方面發揮了革命性的作用，并在世界范圍提高了農業生產效率[1]。抗生素在全球大量生產和使用，中國是抗生素生產大國，2013年的抗生素生產量高達2.48×105t，與2009年相比增加了3倍，抗生素在2013年的使用量高達1.62×105t，在水和土壤環境中的用量為5×104t/a[2]。生產和使用后的抗生素會以原藥或代謝物的形式進入水環境，并經過沉降作用進入沉積物和土壤等介質[3]。進入環境的抗生素去除率有限(磺胺類藥物62.5%～94.8%，四環素類藥物88.1%～100.0%，大環內酯類藥物7.9%～93.4%)，研究發現多種抗生素在水體、地下水、沉積物、土壤及動物代謝產物中均有檢出[4-6]。抗生素類藥物的環境污染問題已引起世界的廣泛關注。

沿岸海洋環境，特別是河口區，通過徑流輸入和污水排放產生并接收了大量來自陸源的污染物[1]。在河口生態系統中，沉積物是水體中污染物遷移轉化過程中的重要載體和歸宿，進入水體的抗生素類污染物會在底泥中形成蓄積性污染，并在一定情況下從沉積物中重新釋放至水體中，造成二次污染[7]。抗生素會誘導微生物產生耐藥性和抗性基因，并通過食物鏈傳遞給人類，最終對人類健康造成潛在危險[8]。盡管目前我們還不清楚這種危害的影響程度，但已有的生態風險評價(RQ指數)表明這種潛在的風險是存在的[9-10]。

閩江是福建第一大河流，中國第八大河流(以流量為標準)，全長為 577 km，多年平均徑流量為 6.055 × 1010m3，流域面積為 60 092 km2，約占福建全省面積的一半。閩江流經福州，被江心的南臺島分為南港和北港兩支，兩港在馬尾交匯后，向東北入海[11]。由于閩江緊鄰福州市區，城市水廠取水口與城市內河出口及污水排放口等交錯分布于閩江下游感潮河段沿岸，城市的快速發展和流域養殖業的拓張對閩江河口區及下游濕地保護區生態系統構成潛在的威脅[12]。目前，尚未有關于閩江河口區沉積物中抗生素污染狀況的報道，本研究擬對該區域沉積物54種抗生素污染分布特征進行探討并評估其潛在的環境風險。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2017年4月在閩江河口區設置24個采樣站位(圖1)，其中包括: 河口上游(MJA 22～24，3個站位)，北港(MJA11～16，6個站位)，南港(MJA17～21，5個站位)，河口下游(MJA01～10，10個站位)。在設定的站位對表層沉積物進行取樣，用抓斗采泥器采集0～2 cm表層沉積物，于200 mL廣口棕色瓶(經過重鉻酸鉀洗液和蒸餾水沖洗)中冷凍貯存，并及時處理分析。沉積物樣品的采集，保存等均按照《海洋監測規范》[13]執行。

圖1 閩江調查站位分布Fig.1 Sampling stations set in Minjiang River

1.2 材料與試劑

54種抗生素標準品包括β-內酰胺類: 青霉素G、雙氯青霉素、苯唑青霉素、氯唑青霉素、氨芐青霉素、萘夫西林、頭孢匹林; 苯并咪唑類: 奧芬達唑、苯硫噠唑; 大環內酯類: 紅霉素、泰樂菌素、替米考星、林可霉素、交沙霉素、螺旋霉素、白霉素、延胡索酸泰妙菌素; 磺胺類: 磺胺甲惡唑、胺甲噻二唑、磺胺吡啶、磺胺喹惡啉、磺胺氯噠嗪、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺間甲氧嘧啶、磺胺對甲氧嘧啶、磺胺二甲基嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺二甲基異嘧啶、磺胺硝苯、磺胺鄰二甲嘧啶、甲氧芐啶、磺胺多辛; 喹諾酮類: 萘啶酸、培氟沙星、恩諾沙星、環丙沙星、諾氟沙星、氧氟沙星; 氯霉素類: 氯霉素、甲砜霉素、氟甲砜霉素; 四環素類: 二甲胺四環素、美他環素; 硝基呋喃類: 呋喃唑酮、呋喃它酮、呋喃妥因、呋喃西林、2-NP-呋喃唑酮、2-NP-呋喃它酮、2-NP-呋喃妥因、2-NP-呋喃西林; 硝基咪唑類: 甲硝唑、洛硝噠唑購自Dr.Ehrenstorfer GmbH 公司(Augsburg，Germany)。磺胺噻唑-D4、磺胺嘧啶-D4、諾氟沙星-D5的三種替代物購自加拿大Toronto Research Chemicals Inc.公司(Toronto，Canada)。13C3-阿特拉津購自Cambridge Isotope Labratories公司(Andover，MA，USA)。

甲醇、乙腈、甲酸均為色譜純，硝酸鎂、檸檬酸、檸檬酸鈉、磷酸氫二鈉和乙二胺四乙酸二鈉均為分析純，磷酸二氫鈉為優級純，85%(體積占比)磷酸為優級純，25%(體積占比)氨水為優級純。

固相萃取柱: 500 mg/3 mL CNWBOND SAX柱和1 g/6 mL CNWBOND SAX柱(500 mg/6 mL Oasis HLB柱。Φ13 mm × 0.22 μm疏水性聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)針頭式過濾器，2 mL一次性注射器。

1.3 樣品前處理與分析

樣品前處理與分析方法采用Chen等(2015)建立的方法[14]：準確稱取2.0 g沉積物(干重)于50 mL PP離心管內，加入替代物各50 ng后，加入10 mL 溶劑Ⅰ(乙腈-McIlvaine緩沖液，pH=4.0，體積比為1∶1)，充分振蕩混勻，超聲波輔助萃取10 min，3 500 r/min離心取上清液于500 mL棕色玻璃瓶內; 再加入10 mL 溶劑Ⅱ[2.5%(體積占比)氨水溶液-Mg(NO3)2溶液(500 g Mg(NO3)2·6H2O溶解于1 L超純水)，體積比為4∶96]，充分振蕩，超聲波輔助萃取10 min，3 500 r/min離心取上清液于500 mL棕色玻璃瓶內; 重復上述兩步萃取一次，合并萃取液于500 mL棕色玻璃瓶內; 超純水稀釋萃取液至350 mL，加入0.2 g Na2EDTA待SPE柱凈化。SPE柱凈化: 500 mg/6 mL HLB柱上串接1 g/6 mL SAX柱，依次用10 mL甲醇和10 mL超純水活化; 稀釋至350 mL的萃取液以4～6 mL/min流速過柱后移去SAX柱，20 mL超純水淋洗HLB柱除去殘留的Mg(NO3)2和Na2EDTA，負壓抽真空干燥10 min; 然后8 mL甲醇洗脫，收集洗脫液。洗脫液氮吹濃縮至近干，用含0.1%(體積占比)甲酸的2∶8(體積占比)甲醇-水轉溶并定容至1 mL; 0.22 μm PTFE針頭式過濾器過濾，準確移取0.7 mL加入35 ng內標物待LC-MS/MS檢測。

采用液相色譜-串聯質譜聯用儀(Agilent 1260 Infinity-6460 Triple Quad)進行分析。色譜柱為Phenomenex Kinetex C18，150 mm × 3 mm，2.6 μm粒徑(Phenomenex，USA)，柱溫30°C; 進樣量10 μL; 流動相分別為含0.1%(體積占比)甲酸的超純水(A)和含0.1%(體積占比)甲酸的乙腈(B); 用梯度洗脫實現化合物的分離，流速為0.300 mL/min，梯度洗脫程序為: 0.00～2.00 min，10%B; 2.00～10.00 min，10%～15%B; 10.00～12.00 min，15%B; 12.01～17.00 min，25%B; 17.00～21.00 min，25%～40%B; 21.00～28.00 min，40%～80%B; 28.00～31.00 min，80%B; 31.01～39.00 min，10%B共計39 min。

1.4 數據質控

以20個樣品為一個批次，每批樣品中加入質控樣，包括空白樣、空白加標樣、基質加標、加標平行樣。所有樣品均加入了替代物混標(磺胺噻唑-D4、磺胺嘧啶-D4、諾氟沙星-D5、13C3-阿特拉津)，用以控制整個前處理過程的損失，以基質加標考察沉積物樣品的基質效應，并對樣品的加標回收率進行校正，5 ng/g濃度加標樣品的回收率在59.58%～117.28%之間，3次加標樣品測定的相對標準偏差為3.91%～27.16%。

2 結果與分析

2.1 各類抗生素的含量及組成特征

沉積物的采集深度為表層0～2 cm，其抗生素的測定含量表征的是采樣時間推至數年之前的表層沉積物的綜合情況。從本次調查結果可以看出，閩江河口區域沉積物中所考察的54種目標物共有19種檢出，包括5種大環內酯類、5種喹諾酮類、5種磺胺類、2種氯霉素類、1種硝基咪唑類和1種苯并咪唑類抗生素(圖2)。

圖2 閩江河口區域沉積物中各抗生素的含量Fig.2 Concentrations of antibiotics in sediments from Minjiang Estuary

大環內酯類抗生素在24個站點表層沉積物中均有檢出，總含量為0.02～44.30 ng/g，平均含量為5.86 ng/g，包括替米考星、紅霉素、林可霉素、白霉素、延胡索酸泰妙菌素5種大環內酯類抗生素，其中延胡索酸泰妙菌素、林可霉素檢出頻率較高，分別為100.0%、79.2%，檢出含量范圍分別為0.01～5.69 ng/g、ND～0.13 ng/g，該含量遠高于九龍江河口區域大環內酯類抗生素的含量[15-16]。替米考星在MJA16、MJA22處含量分別達到了39.33、29.77 ng/g，是河口上游和北港區域大環內酯類抗生素檢出量的主要貢獻者。替米考星廣泛應用于治療豬、牛和雞，以及水產動物疾病[17-18]，延胡索酸泰妙菌素可治療雞慢性呼吸道病和豬支原體肺炎，這兩種大環內酯類獸藥抗生素已在我國得到了廣泛的使用[19]。據結果(表1)推測，替米考星和延胡索酸泰妙菌素可能是閩江河口上游區域畜禽水產養殖過程中使用較多的大環內酯類抗生素。

表1 不同地區沉積物中抗生素檢出情況Tab.1 Concentrations of antibiotics in sediments from different areas

喹諾酮類抗生素含量范圍在0.03～15.60 ng/g，平均值為3.83 ng/g。其中，氧氟沙星和恩諾沙星不僅有著較高的檢出頻率(100.0%和79.2%)，且檢出濃度也相對較高，氧氟沙星含量范圍為0.03～12.70 ng/g，在MJA14站位濃度最高，恩諾沙星含量范圍為ND～3.50 ng/g，在MJA23站位濃度最高。氧氟沙星、恩諾沙星、環丙沙星、培氟沙星和諾氟沙星這5種抗生素是均是第三代喹諾酮類抗生素，相比于第一代喹諾酮類抗生素它們具有更廣泛的抗菌譜，在本研究中未發現第一代喹諾酮類抗生素萘啶酸的檢出。

磺胺類抗生素在河流底泥中穩定性好，與底泥吸附力強，易在底泥中蓄積。本研究中磺胺類抗生素在閩江河口沉積物中有較高的檢出頻率，如磺胺二甲基嘧啶和磺胺二甲基異嘧啶除了MJA09站位，在其他站位均有檢出。然而，磺胺類抗生素的總含量較低，范圍在ND～1.33 ng/g，只有MJA16、MJA22和MJA23站位的磺胺類抗生素總含量達到了1.00 ng/g以上，與其他地區沉積物中磺胺類抗生素含量相比，閩江區域沉積物中磺胺類抗生素污染狀況較輕[20-21]。結果表明，與大環內酯類和喹諾酮類抗生素相比，磺胺類抗生素在閩江河口區域的使用量較小。

氯霉素類和苯并咪唑類抗生素檢出的種類較少，且含量較低。但值得注意的是硝基咪唑類的甲硝唑，它在24個站位中均有檢出，含量范圍為0.96～9.01 ng/g。甲硝唑可抗厭氧原蟲和厭氧菌，主要用于預防或治療厭氧菌引起的系統或局部感染、阿米巴病、滴蟲病和蟲球病等。然而，排放到環境中的甲硝唑極易溶于水，且不易被生物降解，可在沉積物中迅速累積[22-23]。2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構將甲硝唑列為2B類致癌物。張慧等(2019)報道了小清河流域、淮河流域、海河流域及半島諸河流域水環境中甲硝唑的含量，范圍在ND～19.9 ng/L[24]。目前，國內區域的相關研究中尚未有沉積物中甲硝唑檢出的報告。

閩江河口區域6類抗生素占比統計結果詳情見圖3。閩江河口上游和北港部分，大環內酯類抗生素平均占比最高，分別為55.8%和43.4%，其次是喹諾酮類抗生素，占比分別為28.5%和38.6%; 而閩江下游和南港部分，硝基咪唑類抗生素占比最高，分別為71.7%和51.4%，其次是喹諾酮類，占比分別為15.6%和29.5%。本研究測定結果與中科院廣州地化所應光國課題組的統計結果[2]基本一致，β-內酰胺類抗生素未檢出，這可能是因為β-內酰胺類抗生素在沉積物中不穩定，容易降解，導致在沉積物未檢出。

總體來說，與國際獸用藥品注冊基準研究委員會(Veterinary International Corporation on Harmonization，VICH)規定的土壤中抗生素環境閾值(100×10-9)[25]以及國內外抗生素檢出情況相比，閩江沉積物中的抗生素含量尚處于較低水平。但是閩江河口沉積物中抗生素檢出種類較多，尤其是大環內酯類和喹諾酮類抗生素的檢出頻率達到了100%，這使得抗生素抗性基因(Antibiotics Resistance Genes，ARGs)更容易被誘發，ARGs在環境中殘留時間長，在菌群間傳播，遷移和轉化會造成微生物抗性基因的改變，引發新的污染[26]。

圖3 閩江河口區域表層沉積物中抗生素組成Fig.3 Composition of antibiotics in surface sediments from Minjiang Estuary

2.2 各種抗生素的空間分布特征

閩江河口區域沉積物中抗生素含量的空間分布情況見圖4。從河口上游，經過北港和南港，至河口下游閩江河口區域沉積物中所檢出抗生素的總量呈明顯下降的趨勢。河口區域處于感潮河段，漲潮時會引入大量污染較少海水，這一周期性過程會對污染物濃度有一定的稀釋作用。

在北港以及河口上游部分，大環內酯類抗生素和喹諾酮類抗生素是主要的污染物，大環內酯類抗生素在MJA16站位檢出量達到最大值44.3 ng/g，其次是MJA22、MJA15、MJA23含量分別為29.77、12.36、11.15 ng/g; 喹諾酮類抗生素污染物在MJA14站位檢出量達到了最大值15.60 ng/g，且高濃度檢出站位集中在北港及河口上游部分。大環內酯類和喹諾酮類抗生素均為人獸共用的抗生素，目前已在人類醫療和畜牧水產養殖業得到了廣泛的應用。沉積物中各類抗生素的含量差異，一定程度上與其環境行為和使用量有關，人口越密集往往抗生素污染也嚴重; 對于畜禽和水產養殖業發達地區，由于抗生素的直接投放以及廢水的直接排放，其含量也會明顯增高。閩江河口上游區域(MJA22～24)位于閩侯縣下游段，其上游接納了大量來自流經市、縣等污水處理廠排水(閩侯縣、縣城關污水處理廠)及沿河村鎮排放的分散性未經處理的直排污水，以及附近養殖業的抗生素直接投放是MJA22～24站位檢出濃度較高的主要原因; 而閩江北港(MJA11～16)位于福州市區內，貫穿了鼓樓區、臺江區、晉安區和倉山區4個繁華地帶，人口密度較大，且醫院和藥廠等污染源多坐落于此，如MJA16位于福州梅峰制藥廠附近，MJA14位于福州市第二醫院附近，這也解釋了MJA16和MJA14處大環內酯類和喹諾酮類抗生素較高濃度的檢出。李文最等(2018)對閩江流域福州段水體中的抗生素殘留進行了調查，結果發現閩侯縣附近以及閩江北港MJA14站位附近水體中的喹諾酮類(0.2～8.2 ng/L)和磺胺類(1.2～60.1 ng/L)抗生素均有檢出[27]，在檢出種類上與本研究結果具有一定的相關性。

與北港相比，南港部分的抗生素檢出量明顯較低，這是因為南港部分醫藥業污染源分布較少，MJA20站位濃度相對較高，是因為上游部分河流攜帶抗生素污染物的沉積以及周圍的養殖場和制藥廠(福州榕參醫藥有限公司、福州海藥股份有限公司、福州天一苔錦鯉養殖場)的污染物排放。需要關注的是，MJA17站位位于南港馬尾區，該區域是福州市的水源地之一，MJA17站位抗生素的總量為11.94 ng/g (甲硝唑占75%)，抗生素長期存在造成的抗性基因污染可能會對水源地的生態系統和人類健康帶來潛在威脅。在河口下游區域，較之與上游、北港、南港區域，各類抗生素的檢出濃度普遍降低。但硝基咪唑類抗生素甲硝唑的檢出量卻有一定的升高，在MJA01和MJA05站位，甲硝唑的檢出量甚至達到了6.26 ng/g和7.13 ng/g，僅次于最高點MJA17的9.01 ng/g。

圖4 閩江河口區域沉積物中各類抗生素的空間分布情況Fig.4 Spatial distribution of antibiotics in sediments of Minjiang Estuary

甲硝唑曾是一種廣泛用于畜牧業、養魚業的抗菌、抗原蟲藥，然而由于其環境副作用、細胞毒性和基因毒性，以及本身較難被生物降解，在1998年美國、歐洲等地區就已經禁止在畜禽、水產養殖中的使用甲硝唑[22]。MJA01～05和MJA09～10站位分布在瑯岐島以及連江縣附近，是水產養殖業較為發達的地區，根據本研究檢測結果推測該地區在養殖過程中可能使用了甲硝唑。

2.3 抗生素污染風險評價

由于抗生素類污染物在沉積物中對底棲生物的生物毒性效應數據缺乏，本研究參照Rico等(2014)和Zhao等(2010)的熵值生態風險評價方法，將沉積物檢出污染物含量轉換為孔隙水中污染物的含量，然后通過水生生物毒性效應數據對其風險進行評價[28-29]。該方法可彌補沉積物中污染物生態風險評價方法的匱乏，具有一定的可靠性。具體評價步驟如下:

將沉積物中污染物含量(Cs)轉換為孔隙水中污染物的含量(Cp)，公式如下:

式(1)中：Cp單位為μg/L; Cs單位為ng/g(dw); Koc為有機碳分配系數，單位為L/kg; foc為沉積物有機碳百分含量。求得Cp后，通過風險系數(riskquotient，RQ)表征生態風險程度，其計算方法如下：

式(2)中：PNECwater為水體中水生生物的預測不可見效應含量。最后通過RQ將生態風險程度劃分為3個級別: 當RQ<0.1時，表示低生態風險; 當0.1≤RQ<1.0時，表示中等生態風險; 當RQ≥1.0時，表示高生態風險。表2為各抗生素的Koc和PNEC數據，TOC數據見圖2。

表2 抗生素的Koc和PNEC數據Tab.2 Organic carbon partitioning coefficient and PNEC of antibiotics

注： a由按照樸海善等(1999)[35]的模型推算出，b由毒性數據LC50除以評價因子1 000算出，c 無法獲得。

從圖5中可以看出，甲硝唑具有高生態風險，所有站位RQ值均大于1; 替米考星、磺胺氯噠嗪在所有檢出的站位RQ值均大于1，也具有高生態風險; 紅霉素、林可霉素、氧氟沙星具有中等生態風險，RQ值在0.1～1.0范圍內; 其余抗生素的RQ值小于0.1，生態風險較低。

圖5 閩江河口區域表層沉積物中抗生素風險商Fig.5 Risk quotient of antibiotics in surface sediments of Minjiang Estuary

3 結論

本研究中，閩江河口區域表層沉積物檢測到6大類共19種抗生素污染物，抗生素總量范圍為4.16～64.74 ng/g，與其他地區沉積物相比，閩江河口沉積物中的抗生素含量處于較低水平。受海水稀釋作用的影響，閩江河口沉積物中抗生素含量自河口上游，經過北港和南港，至河口下游呈明顯的下降趨勢，閩江北港抗生素含量明顯高于南港。大環內酯類和喹諾酮類抗生素在人口密集地區污染較嚴重，而硝基咪唑類抗生素甲硝唑在水產養殖區域發達的地區污染較嚴重。甲硝唑、替米考星在閩江河口沉積物中具有高生態風險; 磺胺氯噠嗪雖然檢出量較小，卻因為其毒性較強而具有高生態風險; 紅霉素、林可霉素和氧氟沙星在河口上游及北港區域具有中等生態風險。

致謝:本研究的數據及樣品采集得到國家自然科學基金委員會共享航次計劃項目(項目批準號：41649904)的資助。該航次(航次編號: NORC 2017-04)由“延平”號科考船實施，在此一并致謝。