沱江流域飲用水源地抗生素污染的時空變化、生態風險及人體暴露評估

王若男，何吉明，向秋實，熊 杰，劉 強，胥 倩，任朝輝

四川省生態環境監測總站，四川 成都 610074

抗生素被廣泛用于人和動物感染疾病的治療及水產養殖，據統計，全球每年抗生素消耗量在10×104～20×104t 之間，我國是抗生素生產和使用大國，占全球消費量的1/5[1-3].由于抗生素在生物體內的不完全吸收以及污水處理廠現有工藝處理不完全，使其不可避免地進入環境介質，特別是水環境.研究[4]表明，許多種類抗生素在不同水環境中均有檢出.水體中抗生素能夠改變微生物群落和功能，從而對水環境質量產生影響[5].某些抗生素對藻類和魚類具有較強的毒性，潛在生態風險較大[6-7].

飲用水源地水作為居民生活和公共服務用水，其抗生素污染情況近年來受到廣泛關注.張君等[8]對三峽庫區9 個集中式飲用水源地調查發現，3 類8 種抗生素的濃度范圍為0.4～140 ng/L，處于低健康風險級別.卓麗等[9]對南方某市8 個飲用水源地32 種常用抗生素污染研究發現，有12 種抗生素被檢出，濃度范圍為0.12～44.6 ng/L，其中磺胺甲惡唑含量最高，部分地區抗生素污染呈中等生態風險.封夢娟等[10]對長江南京段水源水抗生素污染研究發現，檢出的五大類抗生素(磺胺類、氟喹諾酮類、四環素類、大環內酯類和氯霉素類)濃度為13.37～780.5 ng/L，其中恩諾沙星和克拉霉素的檢出率均為100.0%，與國內其他流域、湖泊相比，長江南京段飲用水源地水中抗生素污染較低.廖杰等[11]對廈門市新建的飲用水源地蓮花水庫研究發現，10 種抗生素的濃度范圍為n.d.(低于檢出限)～925.26 ng/L，枯水期總濃度高于豐水期，呈明顯的季節性變化，且氧氟沙星、恩諾沙星和環丙沙星的生態風險較高.國外對于飲用水源地水中抗生素的污染鮮有報道[12].綜上，目前關于飲用水源地水中抗生素污染研究較少，但已有研究表明抗生素廣泛存在于飲用水源地，且不同地區水源地水中抗生素污染的種類特征不同，值得進一步研究.

沱江是長江的一級支流，是四川省腹部地區的重要河流之一，全長638 km，流經6 個地級市，包括德陽市、成都市、資陽市、內江市、自貢市、瀘州市.目前，對沱江流域飲用水源地抗生素污染狀況、生態風險及人體暴露情況的研究較少.因此，該研究以沱江流域典型城市飲用水源地為研究對象，采集春季、夏季、秋季、冬季樣品，研究七大類35 種典型抗生素在不同飲用水源地的時空分布和污染特征，評估抗生素對飲用水源地的生態風險以及人體通過飲用水源水造成的暴露情況，以期為四川省城市水源地管理和抗生素污染風險評價提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

于2019年12月以及2020年3月、6月和9月分別對覆蓋成都市(5 個)、資陽市(1 個)、內江市(5 個)、自貢市(3 個)在內的14 個沱江流域地級或縣級城市集中式生活飲用水水源地進行采樣，采樣點分布如圖1 所示.水樣采集于1 L 螺口棕色玻璃瓶中，4 ℃下避光保存，并盡快進行前處理.

1.2 試劑與材料

7 類35 種抗生素包括磺胺類〔磺胺氯噠嗪(SCHLO)、磺胺嘧啶(SDIAZ)、磺胺間二甲氧嘧啶(SDIME)、磺胺甲基嘧啶(SMERA)、磺胺二甲嘧啶(SMETA)、磺胺甲惡唑(SMETO)、磺胺吡啶(SPYRI)、磺胺噻唑(STHIA)、甲氧芐啶(TRIME)〕、大環內酯類〔利福平(RIFAM)、羅紅霉素(ROXIT)、紅霉素(ERYTH)、阿奇霉素(AZIDI)、酒石酸泰樂菌素(TYLTA)〕、β-內酰胺類〔阿莫西林三水化合物(AMOTR)、青霉素G 鉀鹽(PENGO)、氨芐西林三水化合物(AMPTR)〕、喹諾酮類〔依諾沙星(ENOXA)、恩諾沙星(ENROF)、左氧氟沙星(LEVOF)、諾氟沙星(NORFL)、氧氟沙星(OFLOX)、鹽酸環丙沙星(CIPHY)、甲磺酸達氟沙星(DANME)、鹽酸洛美沙星(LOMHY)〕、酰胺醇類〔氯霉素(CHLOR)、氟苯尼考(FLORF)、甲砜霉素(THIAM)〕、硝基咪唑類〔二甲硝唑(DIMET)、甲硝唑(METRO)、羅硝唑(RONID)〕和四環素類〔鹽酸金霉素(CHLHY)、鹽酸地美環素(DEMHY)、鹽酸土霉素(OXYHY)、鹽酸四環素(TETHY)〕，均購自CNW公司和Dr.Ehrenstorfer 公司(色譜純).同位素標記內標SMETO-d4、ROXIT-d7、PENGO-d5、NORFL-d5、CHLOR-d5、RONID-d3、TETHY-d6購自CDN公司、Dr.Ehrenstorfer公司和Witega.Laboratorien公司.甲醇、乙腈和乙酸均購自Fisher 公司，氨水(分析純)、醋酸鈉和氯化銨均購自美國Sigma-Aldrich 公司，乙二胺四乙酸二鈉(EDTA 二鈉)(色譜純)購自成都艾科達化學試劑有限公司，鹽酸(優級純)購自成都市科隆化學品有限公司，玻璃纖維濾膜(0.45 μm)購于上海安譜實驗科技股份有限公司.試驗用水均為超純水.

1.3 樣品前處理及分析方法

量取1 L 經玻璃纖維濾膜過濾后的水樣，加入0.5 g EDTA 二鈉并搖勻，用鹽酸調節pH 在2～3 之間；向每個樣本中加入10 μL 1 mg/L 的混合內標，混勻備用.

水樣中抗生素的提取參照Song 等[13]研究方法并作了相應調整，定量分析采用日本島津LC-30AD與美國AB Sciex Triple Quad 4500 液質聯用進行，具體步驟參考文獻[14].

1.4 質量控制與管理

抗生素定量采用內標法或替代內標法.以標線最低濃度點3 倍信噪比作為儀器檢出限(LOD)，10 倍信噪比對應的濃度作為定量限(LOQ)，該方法的儀器檢出限為5.21～159.48 ng/L，定量限為17.36～531.60 ng/L.在試驗過程中，為保證試驗和測樣過程的可靠，每20 個樣品分析一個過程空白和溶劑空白，以及20 μg/L 中間濃度點標準溶液，并進行加標回收測定，標準物質在水樣處理前加入，回收率未進行內標校正.所有空白樣品中抗生素均低于檢出限，不同抗生素在河水中的回收率為25.71%～138.33%，其中，多數抗生素加標回收率在60%～110%之間；AZIDI 和DANME加標回收率偏低，分別為25.71%和31.28%；DEMHY加標回收率最高，為138.33%.

1.5 統計分析

利用SPSS 22.0 軟件對所得數據進行統計學分析.當K-S 檢驗濃度數據符合正態分布時，采用參數檢驗；當K-S 檢驗濃度數據不符合正態分布時，采用非參數檢驗.利用統計學描述所監測的數據，當P＜0.05 時，認為具有統計學意義.

1.6 生態風險評估

該研究采取的風險商值法(risk quotients，RQs)被廣泛用于地表水或工業廢水中藥物的生態風險評估.計算公式、抗生素毒性數據和評估因子參考文獻[14].

1.7 人體暴露評估

通過飲水產生的抗生素暴露計算公式[15]：

式中：D為通過飲水的抗生素攝入量，ng/(kg·d)；C為對應樣品的抗生素平均濃度，ng/L；IngR 為水的攝入量，L/d；BW 為平均體質量，kg.暴露評估分3 個年齡段—成年人(＞18 歲)、青少年(6～18 歲)和兒童(2～6歲)，不同年齡段的暴露評估參數參考文獻[15-18].

2 結果與討論

2.1 抗生素在飲用水源地的時空變化

沱江流域飲用水源地不同季節35 種抗生素濃度如圖2 和表1 所示.由圖2 和表1 可見：春季，除TYLTA 未檢出外，其余34 種抗生素均有檢出，檢出率范圍為14.3%(AZIDI)～85.7%(CHLOR).酰胺醇類抗生素是春季主要污染物，占比達42.2%，平均濃度為8.046 ng/L，其中，CHLOR 為主要污染物，平均濃度為15.315 ng/L，其次依次為β-內酰胺類(占比為22.4%，平均濃度為4.277 ng/L，其中PENGO 為主要污染物，平均濃度為6.776 ng/L)、大環內酯類(占比為11.1%，平均濃度為2.108 ng/L，其中ERYTH 為主要污染物，平均濃度為8.317 ng/L)、四環素類〔占比為10.5%，平均濃度為1.994 ng/L，除OXYHY 檢出率低于50%外，其余均大于50%，TETHY 檢出率(71.4%)最高，平均濃度為1.985 ng/L，而DEMHY 平均濃度(3.544 ng/L)最高〕、硝基咪唑類(占比為9.4%，平均濃度為1.788 ng/L，其中RONID 為主要污染物，平均濃度為3.401 ng/L)、磺胺類(占比為3.2%，平均濃度為0.603 ng/L，除SCHLO 外，其余8 種污染物檢出率均大于50%，其中SMETO 為主要污染物，平均濃度為2.024 ng/L)和喹諾酮類(占比為1.3%，平均濃度為0.254 ng/L，除ENROF 和DANME 外，其余6 種污染物檢出率均大于50%，其中OFLOX 為主要污染物，平均濃度為0.670 ng/L).在地域分布上，喹諾酮類、β-內酰胺類、大環內酯類(在資陽市未檢出，未參與統計分析)、磺胺類和酰胺醇類抗生素濃度在成都市、資陽市、內江市、自貢市無顯著差異(Mann-Whitney U檢驗，下同)；四環素類抗生素在資陽市未檢出，未參與統計分析，其在成都市的平均濃度顯著低于內江市(P=0.047)，在成都市與自貢市以及內江市與自貢市未發現顯著差異；硝基咪唑類抗生素在成都市的平均濃度顯著低于內江市(P=0.028)，在資陽市與自貢市未發現硝基咪唑類抗生素濃度有顯著差異.

表1 沱江流域飲用水源地不同季節抗生素濃度Table 1 Concentration of antibiotics in drinking water sources of the Tuojiang River Basin in different seasons ng/L

夏 季，AMOTR、RIFAM、AZIDI、TYLTA、SCHLO、SDIAZ、SPYRI、RONID、CHLOR、FLORF和THIAM 均未檢出，其余抗生素檢出率范圍為14.3%(ERYTH 和SMERA)～92.9%(DIMET).β-內酰胺類抗生素是夏季飲用水源地中主要污染物，占比達84.4%，平均濃度為58.182 ng/L，其中，PENGO 是主要污染物，平均濃度為146.503 ng/L，其次為四環素類抗生素(占比為8.1%，除OXYHY 外，其余3 種目標物的檢出率均大于70%，其中CHLHY 為主要污染物，平均濃度為8.510 ng/L)、喹諾酮類抗生素(占比為3.3%，其中DANME 為主要污染物，平均濃度為10.737 ng/L)、硝基咪唑類抗生素(占比為2.3%，其中DIMET 為主要污染物，檢出率達92.9%，平均濃度為4.235 ng/L)和大環內酯類(占比為1.3%，ROXIT 和ERYTH 檢出率分別為28.6%和14.3%，ROXIT 濃度相對較高，在S3 采樣點為26.371 ng/L)，磺胺類抗生素占比 (小于1.0%)較低，而酰胺醇類抗生素未檢出.在地域分布上，喹諾酮類、β-內酰胺類、大環內酯類、磺胺類、四環素類和硝基咪唑類抗生素濃度在成都市、資陽市、內江市、自貢市無顯著性差異，因酰胺

醇類抗生素未檢出，因此未參與統計分析.

秋 季，ENOXA、ENROF、AMOTR、AMPTR、RIFAM、TYLTA、CHLHY 均未檢出，其余抗生素檢出率范圍為7.1%(LEVOF、CIPHY、DANME、OFLOX、DEMHY 和TETHY)～100.0%(ROXIT).β-內酰胺類、磺胺類和硝基咪唑類抗生素是主要污染物，占比分別為29.9%、26.6%和31.6%，平均濃度分別為1.890、1.684 和1.999 ng/L，PENGO (平均濃度為5.638 ng/L，檢出率為71.4%)、TRIME (平均濃度為6.342 ng/L，檢出率為92.9%)和DIMET (平均濃度為2.686 ng/L，檢出率為85.7%)分別是這三大類抗生素中主要單體污染物；大環內酯類、四環素類、喹諾酮類和酰胺醇類抗生素占比較低，分別為5.0%、4.2%、1.5%和1.3%，平均濃度分別為0.316、0.263、0.094 和0.079 ng/L，ROXIT (平均濃度為0.945 ng/L，檢出率為100.0%)、OXYHY (平均濃度為0.522 ng/L，檢出率為21.4%)、CIPHY (平均濃度為0.308 ng/L，檢出率為7.1%)和FLORF (平均濃度為0.155 ng/L，檢出率為50.0%)分別是這四大類抗生素中主要單體污染物.在地域分布上，除磺胺類外，6 類抗生素濃度在成都市、資陽市、內江市、自貢市無顯著性差異，磺胺類抗生素在成都市的平均濃度顯著高于自貢市(P=0.025)，在其余區域間未發現顯著性差異.

冬季，所有研究的抗生素均被檢出，檢出率范圍為14.3%(TYLTA)～100.0%(ENOXA、LEVOF、OFLOX、SDIAZ、SMETO、METRO、DIMET 和FLORF).β-內酰胺類、硝基咪唑類和酰胺醇類抗生素是主要污染物，占比分別為26.0%、24.5%和29.5%，平均濃度分別為4.470、4.212 和5.075 ng/L，AMOTR (平均濃度為8.693 ng/L，檢出率為64.3%)、DIMET (平均濃度為9.052 ng/L，檢出率為100.0%)和FLORF(平均濃度為13.114 ng/L，檢出率為100.0%)分別是這三大類抗生素中主要單體污染物；喹諾酮類、大環內酯類、磺胺類和四環素類抗生素占比較低，分別為7.7%、3.4%、5.0%和3.8%，平均濃度分別為1.317、0.576、0.867 和0.661 ng/L，LEVOF (平均濃度為2.802 ng/L，檢出率為100.0%)、ROXIT (平均濃度為1.922 ng/L，檢出率為92.9%)、SMETO (平均濃度為2.796 ng/L，檢出率為100.0%)和CHLHY (平均濃度為0.933 ng/L，檢出率為85.7%)分別是這四大類抗生素中主要單體污染物.在地域分布上，喹諾酮類、β-內酰胺類、磺胺類、四環素類、硝基咪唑類和酰胺醇類抗生素濃度在成都市、資陽市、內江市、自貢市無顯著差異，大環內酯類抗生素在成都市的平均濃度顯著高于自貢市(P=0.025)，在其余區域間未發現顯著性差異.

綜上，該研究水源地中抗生素的污染濃度與國內典型城市水源地污染濃度[1,8-11,19]類似，均在ng/L 級別，由于地域和抗生素使用情況的差異，主要污染物有一定區別.值得注意的是，β-內酰胺類(夏季、秋季和冬季)和酰胺醇類(春季和冬季)抗生素在上述季節均是沱江流域飲用水源地的主要污染物，而這兩類抗生素廣泛用于人和畜禽牲畜.研究[14]發現，沱江干流β-內酰胺類和酰胺醇類抗生素污染占比較大，說明這兩類抗生素在沱江流域用量較大，有較為廣泛的來源.雖然β-內酰胺類抗生素含有易水解基團，在環境中的半衰期較短，但在低濃度水域中，仍發現抗藥細菌，說明其在低濃度時亦會對環境和人體健康產生較高風險，值得關注[20].在秋、冬兩季，FLORF 是酰胺醇類抗生素的代表性污染物，這種獸醫專用的抗生素作為主要污染物出現在研究區域，說明該區域中農業活動對水體有較大影響[21].

總體來說，沱江流域飲用水源地不同季節目標抗生素檢出率變化較大.方差分析(LSD)發現，抗生素平均檢出率呈冬季(74.3%)＞春季(53.3%)＞夏季(34.7%)≈秋季(32.2%)的特征.七大類抗生素在不同季節的濃度特征也不同，喹諾酮類抗生素在各季節平均濃度呈冬季(1.317 ng/L)≈夏季(2.269 ng/L)＞春季(0.254 ng/L)＞秋季(0.094 ng/L)的特征；四環素類抗生素在秋季的平均濃度(0.263 ng/L)顯著低于其余季節(Mann-Whitney U 檢驗，下同)，在夏季(5.597 ng/L)顯著高于冬季(0.661 ng/L)和春季(1.994 ng/L)，而春季和冬季之間未發現顯著性差異；其余5 類抗生素在各季節的平均濃度均無顯著性差異.

2.2 抗生素在飲用水源地中的生態風險評估

抗生素在沱江流域飲用水源地產生的生態風險如圖3 所示.由圖3 可見，35 種抗生素在春季、夏季、秋季和冬季的風險商分別為0～1.35、0～1.70、0～1.53和3.39×10—7～2.53，表明沱江流域飲用水源地抗生素污染在4 個季節均對流域生態系統帶來一定的生態風險.具體來看，僅有SDIAZ 在春季、秋季和冬季的風險商大于1.00，且在冬季造成的風險最大(風險商為2.53)，而CHLHY 在夏季的風險商大于1.00，說明這兩種物質對流域會產生較高的生態風險.春季ERYTH(0.27)、OFLOX(0.14)、CHLOR(0.15)、CHLHY(0.35)和TETHY(0.40)的風險商介于0.10～1.00 之間，夏季LEVOF(0.21)、OFLOX(0.14)和TETHY(0.94)的風險商介于0.10～1.00 之間，秋季僅有TRIME(0.20)的風險商介于0.10～1.00 之間，冬季SMETO(0.10)、LEVOF(0.35)、OFLOX(0.57)、CHLHY(0.19)和TETHY(0.14)的風險商介于0.10～1.00 之間，說明這些抗生素在相應季節對沱江流域可能造成中等生態風險；其余抗生素風險商均低于0.10，說明生態風險較低.綜上，沱江流域飲用水源地水中抗生素生態風險與長江流域類似，主要處于中低風險，比國內一些典型地表水體抗生素生態風險低或相當[22-24].

2.3 人體暴露評估

成年人在春季、夏季、秋季、冬季飲用沱江流域飲用水源地水產生的單體抗生素暴露量范圍分別為0～0.37、0～3.49、0～0.15 和1.14×10—3～0.31 ng/(kg·d)，35 種抗生素的總暴露量分別為1.63、5.44、0.72 和1.55 ng/(kg·d)；青少年在春季、夏季、秋季、冬季的單體抗生素暴露量范圍分別為0～0.35、0～3.38、0～0.15和1.10×10—3～0.30 ng/(kg·d)，總暴露量分別為1.57、5.26、0.70 和1.50 ng/(kg·d)；兒童在春季、夏季、秋季、冬季的單體抗生素暴露量范圍分別為0～0.86、0～8.24、0～0.36 和2.68×10—3～0.74 ng/(kg·d)，總暴露量分別為3.84、12.82、1.70 和3.66 ng/(kg·d).兒童通過飲水暴露于抗生素的量高于成年人和青少年，更值得關注.SMETO、TRIME、NORFL、CIPHY、TETHY 和OXYHY 通過飲水產生的暴露量遠低于美國環境保護局推薦的閾值[25-26]，說明基于筆者研究數據，短期內研究區域內人群通過飲用水源地水產生的上述抗生素暴露可以忽略不計.已有研究報道了人體通過飲用水暴露于抗生素的情況[12]，總體結論與筆者研究結論一致，即通過飲用水攝入抗生素的量相對于通過食物攝入來說，可以忽略不計，但長期飲用低劑量抗生素污染的水產生的抗藥性或抗性基因問題還有待進一步研究[27-28].

3 結論

a) 35 種目標抗生素在四川省沱江流域飲用水源地水樣中被廣泛檢出，在春季、夏季、秋季、冬季濃度分別為n.d.～114.696、n.d.～536.322、n.d.～69.488 和n.d.～90.461 ng/L，檢出率分別為0～85.7%、0～92.9%、0～100.0%和14.3%～100.0%，抗生素平均檢出率呈冬季(74.3%)＞春季(53.3%)＞夏季(34.7%)≈秋季(32.2%)的特征.

b) 季節分布上，喹諾酮類抗生素在各季節的平均濃度呈冬季≈夏季＞春季＞秋季的特征；四環素類抗生素平均濃度在秋季顯著低于其余季節，夏季顯著高于冬季和春季，而春季與冬季之間未發現顯著差異；其余5 類抗生素平均濃度在各季節均無顯著差異.

c) 空間分布上，七大類抗生素在秋季未發現顯著的空間分布特征，春季成都市四環素類和硝基咪唑類抗生素的濃度顯著低于內江市，秋季成都市磺胺類抗生素的濃度顯著高于自貢市，冬季成都市大環內酯類抗生素的濃度顯著高于自貢市，其余季節各地區間抗生素分布未發現顯著差異.

d) β-內酰胺類和酰胺醇類抗生素是主要污染物，尤其是獸用抗生素對水源水的污染貢獻較大，說明農業活動可能造成水源水的污染，值得注意.

e) 風險評估發現，磺胺嘧啶(SDIAZ)在春季、秋季和冬季以及鹽酸金霉素(CHLHY)在夏季對生態系統有較高的生態風險；氧氟沙星(OFLOX)和鹽酸四環素(TETHY)在春季、夏季和冬季的風險商介于0.10～1.00 之間，在相應季節對流域可能造成中等生態風險.人體暴露評估發現，短期內居民通過飲用沱江流域城市飲用水源地水暴露于抗生素的風險可以忽略不計，但長期低劑量暴露帶來的健康風險問題有待進一步研究.