西安市典型河流中4種抗生素的生態風險評價

陳 瑩 趙曉光

(西安科技大學地質與環境學院，陜西 西安 710054)

據報道，2013年我國抗生素生產總量就達到2.48×105t，使用量達到1.6×105t[1]，成為最大的抗生素生產國和消費國。大量未被利用的抗生素通過醫療垃圾、人畜排泄、廢水排放等途徑[2-3]進入地表水環境中。水生生物一旦長期暴露，即便是低濃度的抗生素，也會對其產生各種不可逆的影響，從而破壞生態系統平衡，經過食物鏈傳遞，還會威脅到人類健康。因此，抗生素在水環境中的殘留具有巨大的生態風險[4]。

西安市是我國西北部經濟建設的關鍵地區，但存在許多規模化的畜牧養殖場且沒有完善的污水處理設施，獸藥及飼料添加劑中的抗生素隨廢水排入地表水環境中。因此，西安市的地表水環境中存在抗生素污染的風險。渭河是黃河最大的支流，灞河屬渭河右岸支流，這兩條河流在西安市供水、補水及生態建設中占據重要地位。對渭河和灞河進行抗生素的生態風險評價可以總體了解抗生素對西安市水生態環境的影響，為當地制定相應的防控措施提供參考。四環素(TC)、諾氟沙星(NOR)、磺胺甲惡唑(SMZ)和羅紅霉素(ROX)是西安市地表水環境中檢出的4種代表性抗生素。本研究通過收集4種抗生素的急、慢性毒性數據，利用物種敏感度分布(SSD)法并結合評價因子(AF)法推導目標抗生素的生態風險閾值(PNEC)。但是ROX因原始毒性數據不足，無法通過SSD法推導，故直接借鑒了ECOTOX數據庫(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)中的PNEC。最后，通過風險熵法對西安市典型河流渭河和灞河中的4種抗生素進行了生態風險評價。

1 材料與方法

1.1 數據來源

1.1.1 毒性數據

由于本研究主要關注國內地表水環境中抗生素的生態風險，故優先選取國內淡水生物的毒理數據，主要遵循以下原則進行數據選取：(1)有明確的受試生物、測試終點、暴露時間及文獻來源；(2)同一物種存在不同測試終點時，選取最敏感數據；(3)同一物種同一測試終點存在多個毒性數據時，選取其幾何平均值。TC、NOR、SMZ 3種抗生素的急性和慢性毒性數據分別見表1、表2。

表1 3種抗生素的急性毒性數據

表2 3種抗生素的慢性毒性數據

1.1.2 河流中的抗生素濃度

渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的平均質量濃度數據整理自文獻[26]至[29]，列于表3中。總體來說，兩條河流中的4種抗生素質量濃度處于ng/L水平，灞河大于渭河。

表3 典型河流中抗生素污染水平

1.2 PNEC推導

利用荷蘭國立公共衛生和環境研究所(RIVM)研發的一款用于分析污染物毒性效應的軟件ETX 2.0首先建立抗生素SSD曲線，得到僅有5%的物種會受到影響的抗生素濃度(HC5)。然后通過對數正態分布模型擬合毒性數據，并通過A-D擬合優度檢驗判斷其合理性。最后利用HC5/AF推導得到抗生素的PNEC[7]。AF一般取1～5，為保守評價抗生素的生態風險，本研究選取最大值5。

1.3 生態風險評價方法

抗生素對水環境的生態風險大小用風險熵(RQ)進行評估，一般RQ<0.01屬于無風險；0.01≤RQ<0.10屬于低風險；0.10≤RQ<1.00屬于中風險；RQ≥1.00屬于高風險。對于多種抗生素的生態風險采用簡單的疊加模型。風險熵的計算公式見式(1)：

RQ=C/P

(1)

式中：C為抗生素質量濃度，mg/L；P為抗生素的PNEC，mg/L。

2 結果與討論

2.1 3種抗生素對水生生物的PNEC推導結果及分析

TC、NOR、SMZ 3種抗生素對水生生物急性毒性的SSD曲線見圖1，根據SSD曲線得到的HC5及推導的急性PNEC見表4。急性毒性模型的A-D擬合優度均低于0.05水平的臨界值0.752，符合正態分布，說明對數正態分布模型適用。由于HC5與PNEC成正比，而PNEC越小，抗生素對環境的友好程度就越低，故根據急性毒性的PNEC判斷，3種抗生素的環境友好性由高到低依次為NOR>TC>SMZ。

圖1 3種抗生素對水生生物急性毒性的SSD曲線Fig.1 The SSD curves of 3 antibiotics acute toxicity on aquatic organisms

TC、NOR、SMZ 3種抗生素對水生生物慢性毒性的SSD曲線見圖2，根據SSD曲線得到的HC5及推導的慢性PNEC見表4。慢性毒性模型的A-D擬合優度均低于0.05水平的臨界值0.752，符合正態分布，同樣說明對數正態分布模型適用。根據慢性毒性的PNEC判斷，3種抗生素的環境友好性由高到低依次為為SMZ>TC>NOR。

圖2 3種抗生素對水生生物慢性毒性的SSD曲線Fig.2 The SSD curves of 3 antibiotics chronic toxicity on aquatic organisms

慢性毒作用帶是急性PNEC與慢性PNEC的比值。慢性毒作用帶越大，說明急性PNEC與慢性PNEC間的范圍越寬，因此發生慢性中毒后不易發現，容易被忽視，需加以重視。由表4可看出，NOR的慢性毒作用帶最寬，發生慢性中毒的危險性最大。3種抗生素的慢性PNEC均小于急性PNEC，說明更應重點關注這幾種抗生素對水生生物的慢性毒理效應。

表4 3種抗生素的急、慢性PNEC及其慢性毒作用帶

2.2 4種抗生素的生態風險評價結果

ROX的急性PNEC為0.15 μg/L，慢性PNEC為0.10 μg/L，TC、NOR和SMZ的急、慢性PNEC已在2.1節推導得到。渭河和灞河中4種抗生素的急、慢性風險熵計算結果見表5。

表5 渭河和灞河中4種抗生素的急、慢性風險熵

渭河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，屬于無風險，而ROX的急性RQ介于0.10～1.00，屬于中風險；TC的慢性RQ<0.01，屬于無風險，NOR和SMZ的慢性RQ介于0.01～0.10，屬于低風險，而ROX的慢性RQ介于0.10～1.00，屬于中風險；ROX的急、慢性風險熵對總和的貢獻率分別達到99.30%、84.97%，說明ROX是渭河的主要抗生素污染物。

灞河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，慢性RQ介于0.01～0.10，分別屬于無風險和低風險，而ROX的急、慢性RQ介于0.10～1.00，屬于中風險，ROX的急、慢性風險熵對4種抗生素總風險熵的貢獻率分別為98.54%、75.93%，同樣是灞河的主要抗生素污染物。

總體而言，兩條河流中ROX的急、慢性風險熵均大于0.10，對4種抗生素總風險熵的貢獻率達到75%以上，屬于中風險，其他3種抗生素都屬于無風險或低風險。但由于ROX的PNEC來源不同，可能存在一定程度的高估。

3 結 論

(1) 利用SSD法并結合AF法推導得到TC、NOR和SMZ 3種抗生素對水生生物的急性PNEC分別為136.12、1 364.18、49.39 μg/L，慢性PNEC分別為4.40、0.59、6.28 μg/L。ROX直接借鑒了ECOTOX數據庫中的數據，急性PNEC為0.15 μg/L，慢性PNEC為0.10 μg/L。NOR的慢性毒作用帶最寬，達2 312.17，應重點關注它的慢性毒理效應。

(2) 通過風險熵法對西安市渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的生態風險進行評價發現，TC、NOR和SMZ無風險或低風險，主要抗生素污染物為ROX，對4種抗生素總風險熵的貢獻率達到75%以上，屬于中風險。4種抗生素對水生生物的慢性毒性危害大于急性毒性危害。