光谷科學島沉積物中抗生素的分布特征及風險評價

湯 建, 李 云*, 王 奧, 韓 松, 魯朝林, 張長城, 劉 平, 姜祝強

(1.湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊,湖北 武漢 430051; 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430051;3.湖北省武漢地質環境監測保護站,湖北 武漢 430051)

自然界中一定濃度的抗生素會促進細菌耐藥性的發展,進而引發生態系統紊亂并威脅人類健康安全[1-2]。中國是抗生素的生產和使用大國,每年有超過5萬t抗生素被排放到環境中,其中珠江流域、長江流域、京津冀河流流域是抗生素排放強度最高的區域[3],因此抗生素引發的環境污染問題已不容忽視。研究表明,環境中的抗生素主要來源于污水處理廠、醫院、畜牧養殖場等[4-6],并主要在水體中聚集,一部分抗生素會被降解或吸附而進入沉積物中[7-8]。研究人員一般通過對水體或沉積物中抗生素的種類和濃度進行檢測,評價某區域抗生素污染狀況和風險水平,為規劃土地利用、制訂污染防治措施等提供科學依據。

光谷科學島是光谷科技創新大走廊、東湖科學城的啟動區,其污染狀況直接影響后續規劃建設。由于該區位于豹澥后湖北側,水產養殖業比較發達,分布有眾多的水產養殖坑塘,因此存在抗生素污染的可能性,尤其是水體沉積物中的抗生素殘留問題更值得關注。為此,本次研究采集光谷科學島區域內水體底泥樣品,開展34種抗生素的檢測,查明抗生素污染特征和風險水平,可為該區后續規劃建設提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1實驗儀器

實驗儀器主要采用美國安捷倫科技公司生產的Agilent 6410B型三重串聯四極桿液相色譜—串聯質譜系統(LC-MS/MS),其具有多級質譜掃描和離子反應檢測功能,具備高靈敏度、高穩定性,可以檢測低濃度的微量目標化合物[9]。

1.1.2試劑

試劑主要包括溶劑、提取劑、標準物質、內部物質、反應試劑和緩沖液等。溶劑和提取劑選用乙腈(色譜純,德國默克公司)、甲醇(色譜純,大慶石化化工一廠)、醋酸(試劑級,大慶石化化工一廠)。緩沖液選用檸檬酸鈉(0.1 mol/L,上海源葉生物科技有限公司)、EDTA-Mcllvaine(≥99%,德國默克公司)。標準品根據測試抗生素的不同而有所變化,本次選用紅霉素、磺胺醋酸酰胺、氧氟沙星、鹽酸強力霉素等(上海源葉生物科技有限公司),具體詳見1.4節。內部物質選用Na2EDTA(99%～101%,上海麥克林生化科技有限公司)。反應試劑選用甲酸(≥98%,上海安譜實驗科技有限公司)、鹽酸(≥99.99%,上海安譜實驗科技有限公司)。實驗用水為超純水(德國默克公司)。

1.1.3樣品

2022年11月在研究區采集了7件代表性點位的底泥樣品,其中1件湖泊底泥樣品(KS03)、2件溝渠底泥樣品(KS01、KS02)、4件坑塘底泥樣品(KS04、KS05、KS06、KS07),采樣點位分布如圖1所示。采樣時采取梅花采樣法,使用不銹鋼抓斗式采泥器抓取底泥,具體操作為:在采樣點位附近間隔15 m采集5份底泥樣品,混合成1件樣品,然后瀝水除雜,保留1 kg左右置于棕色廣口玻璃瓶中,置于冰箱中以-20℃保存,并在1～2 d內送至實驗室進行檢測。

圖1 研究區采樣點位分布圖

1.2 樣品前處理

將樣品冷凍干燥后,研磨過60目篩。每樣稱取20 g,放入50 mL離心管中,加入一定量的抗生素內標和20 mL乙腈/0.1 mol/L EDTA-Mcllvaine緩沖液(1∶1,v/vpH=4),渦旋2 min后超聲提取15 min,以6 000 r/min離心5 min,收集上清液,重復提取3次后合并提取液。在提取液中加入0.4g Na2EDTA,再加入超純水至250 mL,使用鹽酸調節pH至3.0,以5 mL/min的速率通過Oasis HLB(200 mg/6 cc)固相萃取小柱,HLB小柱依次以10 mL甲醇、10 mL純水和10 mL pH為4.0的純水進行活化。上樣完畢后用10 mL純水清洗小柱,抽干,氮氣保護下干燥30 min,使用6 mL甲醇分3次洗脫,氮氣吹至近干,用1 ml初始流動相(0.1%甲酸—甲酸銨水溶液/乙腈)復溶后待測。

1.3 儀器分析條件

液相色譜條件:色譜柱為Waters Xterra C18分離柱(100 mm×2.1 mm,3.5 μm),柱溫為30℃,流速為0.25 mL/min,進樣體積為10 μL;流動相A是體積分數為0.1%的甲酸水溶液,流動相B是體積分數為0.1%的甲酸—乙腈溶液。

梯度洗脫程序:0～2 min,φ(B)為10%;2～10 min,φ(B)為10%～15%;10～12 min,φ(B)為15%;12～16 min,φ(B)為25%;16～24 min,φ(B)為25%～80%;24～26 min,φ(B)為80%。

質譜條件:電噴霧電離源(ESI),多反應離子監測模式(MRM);干燥氣為普通氮氣,溫度為350℃,流速為10 L/min;碰撞氣為高純氮氣;霧化器壓力為25 psi;毛細管電壓為4 kV。

1.4 標準品的配置

大環內酯類抗生素標準品選用紅霉素(純度99.8%)、羅紅霉素(純度99.75%)、潔霉素(純度99.91%)、阿奇霉素(純度99.44%)、泰樂霉素(純度99.17%)、克林霉素(純度98.22%)。磺胺類抗生素標準品選用磺胺醋酸酰胺(純度99.81%)、磺胺氯噠嗪(純度99.96%)、磺胺二甲氧嘧啶(純度99.80%)、磺胺吡啶(純度99.74%)、磺胺噻唑(純度99.95%)、磺胺甲噻二唑(純度99.80%)、磺胺嘧啶(純度99.43%)、磺胺間甲氧嘧啶(純度99.66%)、磺胺甲惡唑(純度99.9%)、磺胺二甲基嘧啶(純度99.83%)、甲氧芐啶(純度99.91%)、磺胺喹噁噤(純度98.45%)。氟喹諾酮類抗生素標準品選用氧氟沙星(純度99.94%)、諾氟沙星(純度99.93%)、環丙沙星純(度99.96%)、恩諾沙星(純度99.95%)、沙拉沙星(純度99.99%)、洛美沙星(純度99.98%)、氟羅沙星(純度99.95%)、雙氟沙星(純度99.95%)。其他抗生素標準品選用鹽酸強力霉素(純度99.87%)、四環素(純度99.69%)、土霉素(純度99.92%)、氯四環素(純度99.96%)、氯霉素(純度99.96%)、氟苯尼考(純度99.94%)、甲砜霉素(純度99.81%)、利福平(純度99.90%)。精密稱取抗生素標準品10.0 mg,以10.0 mL色譜純甲醇或乙腈溶解制備得到濃度為1 g/L的抗生素儲備液。

1.5 標曲的配置

選擇1組未知濃度的抗生素樣品,使用LC-MS/MS法測定其峰高參數,利用標曲方程計算其抗生素濃度,然后將計算得到的濃度與樣品已知濃度進行比較。本次濃度梯度選擇等差級數稀釋法,從初始高濃度開始,按相等濃度間隔(10、5、2.5、1.25、0.625 μg/mL)稀釋抗生素儲備液,配置出系列混合抗生素標準樣品,并加入一定量的抗生素內標后待測。

1.6 檢測指標

本次檢測的抗生素有34種,其分子量、母離子、子離子、碎裂電壓、碰撞能量、回收率、相對標準偏差(RSD)等參數信息如表1所示。

表1 抗生素基本信息及測試參數

1.7 風險評價方法

1.7.1生態風險評價方法

根據歐盟委員會聯合研究中心于2003年提出的沉積物風險評價方法[10-11],選擇風險熵值法[12]評價研究區底泥樣品中抗生素的生態風險水平,計算公式如下:

(1)

式中:RQ為某種抗生素的風險熵值,無量綱;MEC為測定環境濃度(μg/L),選擇抗生素的實測濃度最大值;PNEC為預測無效應濃度(μg/L),數據來源于文獻報道[13-17]。

根據RQ的計算結果來評價抗生素的生態風險,當0.01≤RQ<0.1時,該抗生素處于低風險水平;當0.1≤RQ<1時,該抗生素處于中風險水平;當RQ≥1時,該抗生素處于高風險水平。

1.7.2健康風險評價方法

沉積物中的抗生素主要通過食物和飲用水進入人體,會對不同年齡段人群的健康造成不同程度的影響。本次研究主要討論沉積物中的抗生素溶解到飲用水中,通過飲用水進入人體后造成的健康風險。采用健康風險熵值法量化抗生素對不同年齡段人群的健康風險水平[18],計算公式如下:

(2)

式中:RQH為某種抗生素造成的健康風險熵值,無量綱;MEC為抗生素的實測濃度最大值(μg/L);DWE為每天飲用水量中抗生素的當量值(μg/L)。

DWE的計算公式如下:

(3)

式中:ADI為抗生素日均可接受攝入量(μg/(kg·d)),數據來源于參考文獻[19];BW為人均體質量(kg),數據來源于《中國人群暴露參數手冊(兒童卷)概要》[20];HQ為最高風險,按1計算;DWI為每日飲水量(L/d),數據來源同BW;AB為胃腸吸收率,按1計算;EF為暴露頻率,按0.96計算(即每年暴露350 d)。

根據RQH的計算結果來評價抗生素對人群的健康風險,當RQH≤0.01時,該抗生素造成的健康風險可忽略不計;當0.011時,該抗生素造成高健康風險。

2 結果

2.1 抗生素的污染水平

本次研究檢測了7件底泥樣品中34種抗生素的濃度,僅2件樣品中檢出3種抗生素,即樣品KS02中檢出磺胺氯噠嗪(SCP)、克林霉素(CLM),樣品KS04中檢出恩諾沙星(ENR),抗生素檢出率為28.57%(檢出率=檢出樣品數/總樣品數)。各樣品中抗生素總濃度為ND～2.54 μg/kg,平均值為0.39 μg/kg,中值為0.11 μg/kg。由此可知光谷科學島沉積物中抗生素的濃度水平遠低于中國38個典型湖泊沉積物(單種抗生素濃度范圍為ND～2 663 μg/kg)[21],總體處于低污染—未污染水平。

2.2 抗生素的污染分布特征

(1) 西側溝渠KS02點位。該點位于研究區西側溝渠,與豹澥后湖相通,檢測出磺胺氯噠嗪、克林霉素2種抗生素,測定值分別為0.776 4、1.764 2 μg/kg。假設沉積物中的抗生素釋放進入水體的速率為1(即沉積物與水體中的抗生素濃度相等)、沉積物密度為1.5 g/cm3,則換算為水體中的磺胺氯噠嗪、克林霉素的濃度分別為0.517 6、1.176 1 μg/L。根據歐盟委員會公布的標準,磺胺氯噠嗪、克林霉素在水環境中的環境質量標準(EQS)分別為0.1、0.3 μg/L[22],與之相比,KS02點位檢出的磺胺氯噠嗪、克林霉素均超標。

(2) 萬家咀KS04點位。該點位于研究區南部坑塘集中區,檢出恩諾沙星這1種抗生素,測定值為0.223 5 μg/kg,采用前文介紹的計算方法,換算后相當于0.149 0 μg/L。根據歐盟委員會公布的標準,恩諾沙星在水環境中的環境質量標準為0.1 μg/L[22],則KS04點位檢出的恩諾沙星同樣超標。

2.3 風險評價

2.3.1生態風險評價

以往研究表明,沉積物中抗生素的殘留會對生態系統的結構和功能產生破壞[23],因此進行沉積物中抗生素的生態風險評價是必要的。本次采用公式(1)計算各點位的風險熵值(RQ),其中磺胺氯噠嗪、克林霉素、恩諾沙星的的預測無效應濃度(PNEC)分別為10、3.16、0.203 μg/L[12-16],實測值可換算為0.517 6、1.176 1、0.149 0 μg/L,則KS02點位磺胺氯噠嗪、克林霉素的風險熵值分別為0.051 8、0.372 2,KS04點位恩諾沙星的風險熵值為0.734 0,說明KS02、KS04點位及附近的抗生素污染處于中等風險水平(圖2)。而其他5個點位的抗生素均未檢出,其風險熵值顯然<0.01,表示這些點位及附近的抗生素帶來的生態風險可忽略不計。

圖2 抗生素生態風險評價結果

2.3.2健康風險評價

環境中的抗生素往往通過水體進入人體,對生活在抗生素污染區域的人而言,存在潛在損害[24],因此在研究區開展沉積物抗生素對人體的健康風險評價具有重要意義。本次采用公式(2)、(3)計算受污染點位的抗生素對不同年齡段人群的健康風險熵值(RQH),結果如圖3 所示。結果顯示,KS02點位的磺胺氯噠嗪、KS04點位的恩諾沙星對各年齡段人群均不存在健康風險,其健康風險熵值均<0.01;而KS02點位的克林霉素對12歲及以下人群的健康風險熵值為0.015 1～0.032 3,對13歲及以上人群的健康風險熵值<0.01,表明該點位及附近的抗生素對兒童和嬰幼兒造成低健康風險。

圖3 抗生素健康風險評價結果

3 討論

研究區不同點位沉積物中檢出的抗生素種類單一,可見研究區不存在系統性和高風險性的抗生素污染,僅呈現出小范圍、低水平、偶見性的抗生素污染。本次研究檢出的磺胺氯噠嗪、克林霉素、恩諾沙星往往也是其他研究工作中檢出率較高的抗生素類型,因為其具有較高的殘留穩定性,即不容易被分解和降解,一旦排放則會長期存在。磺胺氯噠嗪、恩諾沙星常用于治療家禽和魚類的傳染性疾病;克林霉素是一種青霉素類抗生素,具有廣譜抗菌活性,可以控制水產細菌性感染和魚類呼吸道感染等疾病。經現場調查,當地村民的確經常使用此類抗生素控制水產的皮膚病和一些傳染性疾病,與本次研究結果相印證。

研究區底泥樣品的抗生素檢測結果顯示,7個采樣點位中,有2個點位(KS02、KS04)出現了中等級的生態風險,表明研究區大部分地區不存在抗生素生態風險,只有南部靠近豹澥后湖區域因水產養殖,存在克林霉素、恩諾沙星造成的生態風險。研究區底泥中的抗生素造成的健康風險整體處于低水平,殘留抗生素對人體健康沒有直接風險,僅部分地區(KS02點位及附近)在長期暴露情況下,可能會對兒童和嬰幼兒造成潛在危害(低健康風險)。因此在研究區南部開展某些特定建設項目時,建議對抗生素污染情況作進一步調查研究。

4 結論

(1) 在光谷科學島地區采集了7個點位的底泥樣品,檢測了34種抗生素的濃度,僅南部靠近豹澥后湖區域的2個點位檢出3種抗生素(磺胺氯噠嗪、克林霉素、恩諾沙星)并且均超標,檢出率為28.57%。

(2) 研究區南部靠近豹澥后湖區域的2個點位及附近存在中生態風險,其他地區不存在生態風險;1個點位及附近在長期暴露情況下,可能對兒童和嬰幼兒造成低健康風險,其他地區對各年齡段人群均不存在健康風險。