中國地表水環境中藥物與個人護理品生態風險評價的研究進展

褚瑩倩，陳溪，張曉林，周藝蓉，朱乾琨，顧晗瀟

1. 大連海關技術中心，大連 116000 2. 大連生態環境事務服務中心，大連 116000 3. 大連海關綜合技術服務中心，大連 116000

水是生命之源，水環境的生態安全與人類社會的生產生活息息相關，由于在工業、農業和醫療等領域的人類活動中大量使用化學品，導致水污染問題不斷發生[1-2]。近年來，水環境的污染問題受到世界的普遍關注，特別是新型污染物(emerging contaminant)對水環境的污染問題成為近年來環境科學界的研究重點。新型污染物是指目前在環境中已經存在，但尚無相關法律法規予以規定，或規定不完善，且對人類健康及生態環境構成潛在風險的各類污染物的統稱[3-4]。如人/獸用藥物、個人護理品、飲用水消毒副產物和全氟化合物等，均屬于新型污染物范疇，其中，藥物與個人護理品(pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)是一類與人們生產生活聯系最為緊密的新型污染物。PPCPs是對多種化學產品的統稱，主要包括人類用藥、獸藥、化學消費品及其生產和加工過程中使用的添加劑和惰性成分等，如各種處方藥和非處方藥、香料、化妝品、染發劑、洗發水和香皂等[5-6]。PPCPs類物質可以在水環境中痕量存在，并在生物體富集轉化，對水生生態系統和人類健康產生潛在的不利影響[7-8]。了解地表水環境中PPCPs對生態環境的影響對水環境的污染治理具有重要意義，因此，本文就近年來我國水環境中PPCPs生態風險評價方法進行綜述。

1 水環境中PPCPs的來源(Sources of PPCPs in water environment)

近年來，由于分析技術水平逐年提高，2015—2020年有關水環境中PPCPs污染的相關研究報道逐年增長。水環境中PPCPs的來源是多種多樣的，如藥物使用、生活污水、醫療廢水和農牧漁養殖業廢水是環境水體中PPCPs的主要來源[9]。人類或動物攝入的藥物通過新陳代謝以原藥或者其代謝物的形式進入到環境中，一部分過期藥物作為固體廢物直接釋放到環境中，這些藥物及其代謝物通過市政管網進入到城市污水處理廠[10]。生活污水、工業廢水及醫療廢水是環境中PPCPs的另一個主要來源，一部分未經處理的污水通過排污口直接排放到環境中；另一部分經污水處理廠凈化處理后但未能有效去除或分解的PPCPs類物質，最終釋放到地表水及地下水等水環境系統中[11]。

PPCPs在我國大部分地區的水環境中均有檢出。我國關于地表水中PPCPs的研究各地區差別很大，大致呈現是沿海地區多于內陸地區，南方地區多于北方地區。如表1所示，PPCPs檢出的濃度水平普遍在ng·L-1～μg·L-1之間。在地表水中，河流中PPCPs檢出濃度要普遍高于濕地、水庫中的PPCPs濃度，抗生素、烷基酚類化合物、中樞興奮藥、消炎止痛藥、抗癲癇藥、血脂調節劑、抗過敏藥、減肥藥和抗菌劑等藥物在環境水體中均有檢出，其中，抗生素、烷基酚類化合物、中樞興奮藥物的檢出濃度和檢出頻率較高，大多與人們的飲食習慣、生產生活和藥物使用息息相關。

2 水環境中PPCPs的危害(Hazards of PPCPs in water environment)

PPCPs是具有強光學和化學活性的物質，具有親脂性和生物活性，能干擾內分泌系統。一方面，PPCPs這類物質作為潛在的污染物比其他有害的外源性物質更具有內分泌干擾特性，它們具有較長的半衰期，能夠在環境中持久存在，對人類生殖系統、內分泌及免疫系統產生不良影響，抑制水生生物的生殖能力，破壞微生物種群結構，影響微生物的降解能力[52]。此外，環境中的PPCPs和其他化合物(如重金屬、麝香等)結合，能夠對水生生物產生復合毒性效應[53]。另一方面，細菌長期暴露在含有痕量PPCPs存在的環境下容易提升細菌的耐藥性，它們的耐藥基因可以通過質粒、轉座子、整合子在細菌間傳遞，且這些耐藥基因具有良好的穩定性，大量研究表明水環境中痕量PPCPs的存在加速了耐藥細菌的進化和傳播[54-55]。

歐洲和美國對PPCPs的風險評估研究起步較早[56]。我國對PPCPs的研究尚處于初步探索階段[57]，目前主要集中于長江、黃河和珠江等大江大河以及東部沿海發達地區，對內陸湖泊及中西部地區的研究不足[9](表2)。目前需要加強對我國水環境中PPCPs的風險評估。

3 PPCPs的生態風險評價(Ecological risk assessment of PPCPs)

生態風險評價是根據生態學、環境化學、環境毒理學的原理和方法分析化合物對生態系統和特定區域危害程度的過程[66]。水環境中的PPCPs可能會對生態和健康造成不利影響，關于水環境中PPCPs風險評價的方法主要包括：基于風險商數的生態風險評價和基于雌激素活性的健康風險評價。

表1 我國地表水中藥物與個人護理品(PPCPs)的濃度水平Table 1 Concentrations of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in surface water in China

表2 主要國家和組織對PPCPs的研究、管控及立法背景Table 2 Research, control and legislative background on PPCPs of major countries and organizations

3.1 基于風險商數的生態風險評價(Ecological risk assessment based on risk quotients)

基于歐洲技術委員會的指導文件，風險商數(risk quotients, RQ)可用于評價PPCPs的潛在生態風險，RQ值通過預測的環境污染物濃度(predicted environmental concentration, PEC)或者被測量的環境污染物濃度(measured environmental concentration, MEC)除以預測無效應濃度(predicted no-effect concentration, PNEC)進行計算[49]，詳見公式(1)，PNEC一般可以通過生物毒性試驗獲得的半數效應濃度(concentration for 50% of maximal effect, EC50)、半數致死濃度(lethal concentration of 50%, LC50)或無觀察效應濃度(no observed effect concentration, NOEC)進行推導計算，EC50值或LC50值可以通過查閱文獻獲得，計算方法見公式(2)，若無相關的毒性試驗的研究報道，可通過Ecological Structure Activity Relationship (ECOSAR)模型進行預測[67-68]，環境中往往是多種PPCPs共存的狀態，往往需要考慮它們的聯合作用，多種污染物共存時，RQi值計算詳見公式(3)，其中某種污染物(j)對樣品中的RQi貢獻比例(RQ’ij(%))可以通過公式(4)進行計算。

(1)

(2)

式中：AF為評價因子，當取3個營養級(魚、溞和藻)中至少1種生物的急性L(E)C50數據時，AF取值為1 000；當取1種生物(魚或溞)的慢性NOEC數據，AF取值為100；當取2個營養級的2種生物(一般為魚、溞和藻中任意2種)的慢性NOEC數據時，AF取值為50；當取代表3個營養級的3種生物(一般為魚、溞和藻)的慢性數據時，AF取值為10。

(3)

(4)

式中：RQi代表i樣品中全部化合物的RQ值總和，RQij代表i樣品中j化合物的RQ值，RQ’ij(%)代表樣品(i)中某種污染物(j)在的RQi的貢獻比例。

根據RQ值得大小可以將風險等級分為3級：當RQ為0.01～0.1時屬于低等生態風險；當RQ為0.1～1.0時屬于中等生態風險；當RQ值>1時屬于高等生態風險[69]。不同PPCPs在不同環境下、不同季節、對不同的水生生物表現出不同的生態風險。

北京市作為我國首都，PPCPs在北京市內眾多的內流河中均有檢出[12-14]，Hu等[14]研究了北運河中11種藥物及其代謝物(如安非他命、脫氧麻黃堿、氯胺酮、麻黃堿、可卡因、苯甲酰愛康寧、美沙酮、嗎啡、海洛因、可待因和甲卡西酮)的殘留水平，水樣中多種藥物被檢出，其RQ值的范圍為0～0.047，對水生生物表現為低等生態風險。此外，Li等[12]等研究了北京城市地表水中殘留的22種抗生素藥物對水生生物的生態影響，發現這些抗生素對蚤類和水生植物的生態風險較大，對無脊椎動物和魚類的生態風險影響較小。

在我國北方，對于地表水中PPCPs生態風險的研究相對較少，研究發現北方地表水中抗生素是影響生態風險的主要污染物。張曉嬌等[16]研究了遼河流域地表水中5類抗生素的分布特征，通過RQ值研究發現，甲氧芐氨嘧啶和脫水紅霉素的RQ值>1，表現較高的生態風險。董莞莞等[17]分析了大連市碧流河水庫及其入庫河流水體中23種抗生素的分布特征，通過RQ值研究發現，依諾沙星的RQ值>1，處于高生態風險，氯霉素和林可霉素的RQ值>0.1，表現中等生態風險。Zhang等[70]研究了萊州灣處13種抗生素的殘留情況并基于RQ值評價了其生態風險，發現13種抗生素均有檢出，依諾沙星、環丙沙星和磺胺甲惡唑的RQ值>1，對水生生物表現較高的生態風險。

淮河是我國七大水系之一，沙潁河處于我國中部位于淮河上游，是淮河流域污染問題最大的流域之一，黃子晏等[31]研究沙潁河流域5種抗生素的污染狀況、分布情況和生態風險，發現抗生素檢出濃度高達655.00 ng L-1，環丙沙星和四環素表現出較高的生態風險。長江是亞洲第一大河，是我國眾多城市的重要水源地，途徑重慶、宜昌、武漢、南京和上海等重要城市，最后在上海市匯入東海，針對長江流域的生態風險的研究相對起步較早，相關的基礎數據較多，研究發現不同的PPCPs對長江流域表現出不同的生態風險。Nie等[32]研究了長江及其沿岸流域不同季節中6種雌激素化合物的分布情況，利用RQ模型評價其在不同季節表現出的生態風險，發現地表水中這6種雌激素中雌二醇、辛基酚、雌酚酮、雌三醇和雙酚A均有檢出，RQ值多為0.1～1.0，其中，雌二醇>辛基酚>雌酚酮>雌三醇>雙酚A，對水生生物表現中等生態風險。Yan等[33]測定了長江河口處水中5大類共計20種抗生素的殘留情況，通過RQ值對這些抗生素對水生生物的生態風險進行評價，發現絕大多數抗生素的RQ值<0.01，對水生生物產生較低的生態環境風險，其中，磺胺嘧啶、磺胺甲惡唑和磺胺甲嘧啶的RQ值>0.01，能夠對水生生物產生中等生態環境風險。Liu等[37]研究了長江流域南京段8種內分泌干擾物的分布情況，發現4-叔丁基苯酚、壬基酚和雙酚A為主要檢出化合物，其濃度范圍分別為225～1 121、1.4～858和1.7～563 ng·L-1，RQ值研究結果表明，4-叔丁基苯酚和壬基酚在所有點位表現出較高生態風險，其余目標化合物表現中低等生態風險。漢江是長江最大的支流，流經陜西、湖北兩省。高月等[20]研究了漢江水相中10種PPCPs分布特征，濃度范圍0.18～250.59 ng·L-1，采用風險商法對漢江水體中的PPCPs進行生態風險評估，結果表明，酮基布洛芬(KTP)，三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)的RQ較大，對水生生物呈現明顯的中高等生態風險。

太湖不僅為我國200萬人口提供飲用水源，也是我國重要的水產品養殖基地，人為活動已經給太湖水環境帶來較大的生態風險。武旭躍等[28]為了評價太湖貢湖灣中抗生素的污染情況，測定了16種抗生素，其中，13種抗生素均有檢出，四環素類和喹諾酮類為主要污染物，通過比較RQ值發現土霉素、諾氟沙星、氧氟沙星、環丙沙星和恩諾沙星的RQ值>1，具有較高的生態風險；四環素、金霉素、羅紅霉素和磺胺甲基異惡唑表現為中等生態風險；磺胺甲基嘧啶、磺胺甲氧噠嗪、磺胺喹惡啉和甲氧芐胺嘧啶表現為低等生態風險。劉娜等[25]在太湖流域選定10個采樣點位，調查其PPCPs的分布特征并分析其生態風險，結果顯示，太湖水體中定性檢出PPCPs類化合物33種，其中，17種在定量檢出限以上，濃度范圍為0.03～25.77 ng·L-1；咖啡因、西地那非、布洛芬和避蚊胺等4種PPCPs在太湖流域具有較高或者潛在的生態風險。

在我國，黃文平等[23]研究了31種環境內分泌干擾物在黃浦江上游水源地中的空間分布特征，并采用風險商值法對水體進行了生態風險評價，發現RQ值范圍為0.006～2.5，其中，雙酚S表現出較高的生態風險(RQ=2.5)。王丹等[22]研究了上海市黃浦江中7種PPCPs的含量水平，濃度范圍為20～824 ng·L-1，目標PPCPs的RQ值在最大濃度條件下均遠<1，說明不會對環境造成明顯的不利影響。秀措等[46]運用RQ值評價了12種PPCPs在潮汕地區河流生態環境的生態風險，發現不同生物對于PPCPs的敏感程度存在差異，蚤類和藻類遭受的風險明顯高于魚類，磺胺甲惡唑、紅霉素和磺胺嘧啶的RQ值>1，表現高生態風險。Xu等[49]基于風險商值法計算了在珠江三角洲和珠江河口測定的9種抗生素藥物的風險水平，發現氧氟沙星、環丙沙星和紅霉素RQ值>1，表明對水生生物造成較高環境風險。東江是珠江流域的三大水系之一，是東莞市重要的飲用水源地，謝全模等[51]研究了東江11個點位45種抗生素的分布情況，克拉霉素、新生霉素和諾氟沙星表現出較高的生態風險。樊靜靜等[50]以雌酮、雌二醇、雙酚A、壬基酚、辛基酚和三氯生等6種內分泌干擾物為研究對象，研究其在廣州市流溪河水體中的時空分布特征，并對其雌激素活性進行風險評價，結果表明，流溪河中下游河段RQ值均>1，說明該區域具有高雌激素活性風險。

綜合來看，如圖1所示，在我國，長江、珠江、太湖和萊州灣等東南部沿海地區有關PPCPs的研究中的化合物種類更加豐富，大多數化合物表現出中高等生態風險[13, 16-17, 23, 25, 28, 30-31, 33, 38, 43, 46, 48-50, 70-71]。我國北方和中部地區對水環境中PPCPs的研究主要集中于對水環境中抗生素的研究，表現為高等生態風險的抗生素較多，西部地區有關地表水中PPCPs的生態風險研究不足，水環境中抗生素和激素類PPCPs表現出較高的生態風險。風險商數法是使用最普遍、最廣泛的風險表征方法，不過值得指出的是，環境中的各種PPCPs往往同時存在，可能協同、拮抗和加和作用，生態風險商的計算僅針對單一物質，而多種物質共同作用引起的環境風險可能大于單一物質，PPCPs的累積效應對生態環境的風險值得引起重視，對于個別化合物來說，在水環境中存在的濃度較高，但由于其生態數據較高，導致其RQ值不高(如咖啡因、雙酚A等)。

3.2 基于雌激素活性的健康風險評價(Health risk assessment based on the estrogen activity)

對于水環境中殘留的雌激素藥物而言，可以通過基因組或非基因組信號激活或抑制內源雌激素活性，對水生生物產生內分泌干擾效應[34]。雌二醇是雌激素活性最強的一種環境內分泌干擾物質，英國環境局提出采用雌二醇當量(estradiol equivalents, EEQs)評價雌激素活性對水生生物的生態風險[19]。根據EEQs可以將風險等級分成3類，EEQs<1 ng·L-1為無風險；1 ng·L-110 ng·L-1為有高風險[72]。雌激素的EEQ可以通過其相對雌二醇當量因子(estradiol equivalency factor, EEF)和其在環境中的濃度(environmental concentration, EC)進行計算，見公式(5)。EEF可以通過酵母雌激素篩選試驗(yeast estrogen screen assay, YES)獲得[73]，EEF值越大，表示該物質的相對雌激素活性越大。

EEQsum=∑EEQi=∑(EEFi×ECi)

(5)

式中：EEQi為化合物i的EEQ值，ECi為化合物i的環境濃度，EEQsum為環境中具有內分泌干擾效應的EEQ之和。

Jiang等[74]從中國六大主要河流中選取了23個點位開展雌激素活性研究，發現所有點位的水體均表現出明顯的雌激素活性，我國水體EEQsum主要分布在0.08～2.40 ng·L-1之間。Nie等[32]研究了長江及其沿岸流域中乙炔雌二醇、雙酚A、雌三醇、雌酚酮、雌二醇和壬基酚等雌激素化合物的分布情況，通過雌激素活性研究發現雌激素在懸浮物及沉積物中的生態風險要大于水相的雌酚酮。師博穎等[34]分析了長江江蘇段28個集中式飲用水源地在豐、平、枯不同水情下雌激素的污染情況，發現不同水情下3種雌激素總濃度水平差異顯著，豐水期>枯水期>平水期，豐水期各水源地雌激素活性較高，55.56%的水源地環境雌激素活性強度>1 ng·L-1，枯水期和平水期各水源地雌激素活性普遍較低。太湖位于長江三角洲南部，是我國第二大淡水湖，是我國重要的淡水湖。陳玫宏等[26-27]研究了太湖及其支流水體中多種內分泌干擾物的污染情況，發現EEQsum在0.00397～0.2134 ng·L-1之間，EEQsum值<1 ng·L-1，對于環境不具有明顯的人體健康風險。金濤等[75]以

圖1 中國各地區地表水中PPCPs的風險商(RQ)值Fig. 1 Risk quotients (RQ) of PPCPs for the surface water in China

江蘇WX和SZ地區的長江、太湖水源水為研究對象，通過YES試驗檢測和比較水中有機物雌激素活性水平，結果表明，所有長江、太湖水源水樣均具有雌激素活性，太湖水源水的EEQsum為0.04～2.07 ng·L-1，長江水源水的EEQsum為0.69～1.15 ng·L-1，長江水源水的雌激素活性強于太湖水源水。卓麗等[35]研究了重慶市長江流域水體中8種典型環境雌激素雌酮、雌二醇、雌三醇、己烯雌酚、炔雌醇、4-壬基酚、4-辛基酚和雙酚A的濃度、組成和分布特征，并對其雌激素活性進行風險評價；風險評估結果表明，平水期52%的位點及蓄水期22%的位點雌激素總活性高于1 ng·L-1，提示具有高雌激素活性風險，其中，雌酮為平水期主要雌激素活性貢獻物質，而4-壬基酚為蓄水期主要雌激素活性貢獻物質。黃河是中國人的“母親河”，是我國第二大河，全長5 464 km，西起青海省，流經9個省區，最后流入渤海，是107萬人的重要水源。Wang等[18]在黃河流域選取了15個采樣點位，研究了4-辛基酚、4-壬基酚、雙酚A、雌酮、雌二醇和三氯生等6種雌激素的分布情況，在水樣中其平均濃度分別為4.7、577.9、46.7、1.3、未檢出和6.8 ng·L-1，經生態風險評估發現除蘭州東部點位表現出較高的生態風險外，其余點位表現為中低風險。汾河是黃河的第二大支流，是山西最大的河流，Liu等[19]測定了汾河流域中9種雌激素及其葡糖苷酸共軛鹽類，其中，汾河直流及污水管網中檢出污染物水平較高，通過雌激素活性研究發現雌酚酮對生態風險影響較大，雌酮為主要雌激素活性貢獻物質。邵曉玲等[76]利用固相萃取/酵母雙雜交法研究了松花江哈爾濱段江水的雌激素活性，春秋兩季的雌激素活性在0.528～0.965 ng·L-1之間，其中上游水源地雌激素活性水平較高。

4 存在的問題與展望(Existing problems and prospects)

目前有關水環境中PPCPs的研究已有大量文獻報道，研究表明，大量PPCPs化合物已在環境水體中檢出，但我國對于水環境中PPCPs的研究仍處于起步階段，對比發達國家仍相對滯后，存在以下問題。

(1)毒性試驗基礎數據仍然不足。PPCPs的化合物種類繁多，不同生物對同一污染物產生的行為反應是不同的，同一生物對不同污染物產生的行為反應也是不同的，并且不同生長期的生物對污染物的敏感度不同。急/慢性毒性試驗為PPCPs的生態風險評價提供重要基礎數據，對PPCPs的生物毒性試驗的研究報道較少，目前對于PPCPs的生態風險研究局限于少數幾種化合物，缺少生物毒性實驗的基礎數據支撐。

(2)PPCPs的環境效應研究不深入。PPCPs可以在多種環境介質中遷移轉化，其在大氣、沉積物和水體等環境介質中的時空分布特征研究較少，對PPCPs的環境存量和分布特征有待開展更加深入的研究。同時由于PPCPs能夠在水生生物體內富集及轉化，需要進一步關注PPCPs的代謝物及轉化物質對生態環境的影響。

(3)缺少相關環境監測技術規范及評價標準。由于缺少統一的環境監測技術規范，研究范圍受限，同時水環境中PPCPs的含量易受季節、采樣等因素的影響，導致不同文獻報道的監測數據差異性較大，為了更好地研究PPCPs對生態環境的危害，需要制定有關PPCPs的分析測試標準及生態風險評價標準。

隨著科學技術手段的不斷發展，可以將計算模型、地理信息系統和遙感等信息技術手段應用于水環境中PPCPs的生態風險研究，通過選取關鍵節點并構建模型，構建污染源危害性評價參數體系，突破傳統定性或定量分析上的局限，有望為水環境中PPCPs生態風險評價的研究實現新突破。