桂林市青獅潭水庫沉積物抗生素污染特征及風險評估

摘要：為研究抗生素的使用對水庫生態的影響，于2022年10月選取桂林市備用飲用水水源地青獅潭水庫作為研究區域，利用固相萃取和超高效液相色譜一串聯質譜技術對青獅潭水庫沉積物中磺胺類、四環素類、喹諾酮類等三大類17種抗生素含量進行了分析。結果表明，20個采樣點總濃度為3.79-11.10 ng·L-1，共檢出7種磺胺類、4種四環素類、3種喹諾酮類抗生素，平均濃度為0.084～1.26 ng·L-1，其中檢出濃度最高的抗生素為氧氟沙星（OFL），濃度為5.21 ng·L-l，氧氟沙星是檢出率最高的抗生素，檢出率為90％。對青獅潭水庫沉積物抗生素生態風險和健康風險進行評估，研究表明：青獅潭水庫沉積物三大類17種抗生素風險商值RQlt;1，表現出低風險；但不同采樣點最大風險指標均指向氧氟沙星，需要注意氧氟沙星的排放問題。健康風險評估結果表明，青獅潭水庫沉積物抗生素對人體健康無風險。

關鍵詞：抗生素；青獅潭水庫；生態風險；健康風險

中圖分類號：X524；X820.4 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）01-0143-09 doi：10.11654/jaes.2023-0692

抗生素是一種具有抵抗微生物活性的新興微生物二級代謝產物或天然、半人工和人工合成的化合物，被廣泛應用于農業畜牧業的生產以及漁業水產養殖行業。近幾十年來，抗生素污染嚴重威脅到水生態系統和人類健康，引發的環境污染問題已引起世界廣泛關注，我國抗生素的生產量和消耗量一直以來都位居世界前列。大量消耗的抗生素進入生物體后無法被完全吸收利用和被機體充分代謝，約有20.0％-97.0％在使用后以其原藥的形式遷移到環境中，呈現明顯的“假持久性”。同時部分殘留抗生素通過循環系統以吸附、轉化、絡合和富集的形式進入水循環，在食物鏈中傳遞濃縮，進一步增大污染嚴重程度。目前的污水處理技術無法對痕量抗生素進行高效去除，造成自然水體抗生素含量升高，對環境及人類健康構成重大威脅。

目前在全球范圍內，地下水、湖泊、水庫、魚類孵化場和沉積物中均檢測到微量抗生素的存在，其污染濃度水平通常在ng·L-1至ug·L-1之間。在各種水生環境中，沉積物是水體中抗生素遷移轉化過程中的重要載體、歸宿和主要場所，同時也是自然環境中抗生素的主要匯集地。湖泊水庫為抗生素和環境細菌提供了一個良好的混合場所，由于水的流速較低，湖泊水庫稀釋和搬運抗生素的能力較弱，抗生素類污染物在流入后，易沉入水庫底部，在底泥沉積物中形成蓄積式污染，當水力條件有所變化時，沉積物中殘留的抗生素重新釋放并通過遷移轉化進入到水體中，造成二次污染。人類活動的區域能夠加速沉積物中抗生素的富集，沉積物能夠一定程度上吸附抗生素并保證其穩定存在，沉積物中富集的抗生素造成的危害遠大于水體中的抗生素。此外，沉積物還為底棲生物提供棲息地和食物來源，因此，沉積物中的抗生素可能通過食物鏈對水生生態系統構成巨大的潛在風險，對沉積物中的抗生素的污染水平研究存在一定的必要性。

目前不同研究中暴露的沉積物中殘留抗生素的生態風險已受到廣泛關注。四環素類、喹諾酮類、磺胺類抗生素在我國典型湖泊水體、沉積物和有機體中均有不同程度的檢出。例如Li等對我國七大河流的沉積物中近百種抗生素污染情況進行了調研，發現沉積物中的抗生素種類包括喹諾酮類、磺胺類和四環素類三大類12種抗生素，其濃度中位數為0.15-110.00 ng·g-1；海南省5個典型飲用水源地沉積物樣品被檢測出12種抗生素，總濃度范圍為3.46-28.92ng·g-1，主要污染物為氟羅沙星；閩江河口區域沉積物被檢出6類（磺胺類、氯霉素類、大環內酯類、喹諾酮類、硝基咪唑類和苯并咪唑類）19種抗生素，范圍在4.16-64.74 ng·g-1，平均值為17.35 ng·g-1。作為桂林市的備用飲用水水源地，青獅潭水庫是一個集城鄉供水、漓江補水、防洪、發電、灌溉等綜合功能于一體的大型水庫，其水質安全尤為重要，飲用水的攝入是抗生素進入人體的一個重要途徑，因此青獅潭水庫的抗生素殘留問題需要引起重視。然而，有關青獅潭水庫的抗生素殘留的研究主要集中在水體和沉積物中喹諾酮類抗生素的分布特征等方面，目前尚無關于青獅潭水庫磺胺類、四環素類、喹諾酮類等三大類抗生素痕量污染狀況的報道。本研究擬對該區域沉積物17種抗生素污染分布特征進行探討，并初步評價其潛在的環境風險。

1材料與方法

1.1樣品采集

本研究布設的采樣點根據青獅潭水庫的實際水系與水文特征進行布置，利用“十字”布點法，共布設20個采樣點位（S1-S20），如圖1所示。其中北湖布置點位12個，南湖布置點位8個，其中S1-S8位于南湖區，S9-S20位于北湖區，采樣點所選的位置覆蓋了南湖和北湖居民活動較為頻繁的區域，其中北湖區以蘭田鄉居民生活為主，南湖區以公平鄉、青獅潭鄉以及庫區周邊的鄉鎮居民生活為主。

2022年12月，在青獅潭水庫對上述20個點位的底層沉積物進行取樣，每個沉積物由3個樣均勻混合而成，采集后瀝水除雜，采用經過重鉻酸鉀洗液和蒸餾水沖洗預處理的棕色廣口玻璃瓶現場冷凍貯存并盡快運送至實驗室，沉積物樣品在-80℃下冷凍干燥，研磨過60目篩后置于-20℃冰箱保存。

1.2儀器與試劑

主要儀器設備：Waters Xevo TQ-S Micro超高效液相色譜三重四極桿質譜儀、Waters Oasis HLB固相萃取柱（500 mg，6 mL，Waters，美國）、氮吹儀（N-EVAP-112，Organomation，美國）、固相萃取裝置（24-port model，Supelco，美國）、ACQUITY UPLC BEH C18色譜柱（2.1 mmX100 mm，1.7 um）、Aglient Bund ElutSAX強陰離子交換柱（500 mg，6 mL，Aglient，美國）、混合纖維濾膜（0.45 um，47 mm，Millipore，美國）和1mL一次性注射器。

主要試劑：甲醇、乙腈（質譜純）、甲酸、氨水（優級純）、乙二胺四乙酸二鈉（優級純）；磺胺類藥物（SAs）包括磺胺嘧啶（Sulfadiazine，SDZ，CAS： 68-35-9）、磺胺甲惡唑（Sulfamethoxazole，SMZ，CAS：723-46-6）、磺胺甲基嘧啶（Sulfamerazine，SMR，CAS：127-79-7）、磺胺二甲嘧啶（Sulfamethazine， SMM， CAS：57-68-1）、磺胺甲氧噠嗪（Sulfamethoxypyridazine，SMP，CAS：80 -35-3）、磺胺氯噠嗪（Sulfachloropyridazine，SCP，CAS：80-32-0）、磺胺多辛（Sulfadoxine，SDM，CAS：2447-57-6）、磺胺間甲氧嘧啶（Sulfamonomethoxine，SM2，CAS：1220-83-3）和甲氧芐嘧啶（Trimethoprim，TMP，CAS：738-70-5）。喹諾酮類藥物包括諾氟沙星（Nor-floxacin，NOR，CAS：70458-96-7）、環丙沙星（Cipro -floxacin，CIP， CAS： 85721-33-1）、恩諾沙星（Enroflox -acin，ENR，CAS：93106-60-6）和氧氟沙星（Ofloxacin，OFL， CAS： 82419-36-1）。四環素類藥物包括四環素（Tetracycline，TC，CAS：60-54-8）、強力霉素（Doxycy-cline，DC，CAS：564-25-0），土霉素（Oxytetracycline，OTC， 79-57-2）和金霉素（Chlortetracycline，

CTC，CAS：57-62-5）。抗生素標準品均購自壇墨質檢科技股份有限公司，純度均大于99010，磺胺噻唑-D4、諾氟沙星-D5和13C3-caffeine替代物購自Cambridge Iso-tope Labratories公司。

1.3樣品前處理

參考了前人研究對沉積物基質中抗生素的檢測方法，準確稱量2.5 g沉積物（干質量，冷凍干燥研磨過60目）于50 mL塑料離心管內，加入替代物50 ng后，加入20 mL溶劑（體積比為1：1的乙腈和0.1 mol·L-1的pH=4檸檬酸鈉溶液），渦旋振蕩1 mm，超聲15mm，以4 000 r·min-1離心9 min，最后析出上清液，這一過程重復2遍。2次上清液合并，在40-55℃下旋轉蒸發（去除有機溶劑）至上清液體積無變化；超純水稀釋上清液至200 mL，加入0.2 g Na2EDTA絡合金屬離子。SPE柱凈化：將HLB柱與SAX柱串聯，依次用6 mL甲醇、6 mL pH=3的超純水和6 mL 2 g·L-1 pH=3的Na2EDTA溶液活化；稀釋至200 mL的萃取液以4mL·min-1流速過柱后移除SAX柱，8 mL pH=3的超純水淋洗HLB柱去除雜質，接著用N2將小柱的填料吹干后，加入4 mL含0.1％（體積比）甲酸的甲酸-甲醇溶液和4 mL含3％（體積比）氨水的氨水-甲醇混合溶液洗脫目標物，洗脫液用氮吹濃縮至近干后，加入1 mL含0.05％（體積比）甲酸的3：2（體積比）甲醇-水的混合液溶解，經0.22 um聚四氟乙烯過濾器過濾定容至1 mL，等待進行LC-MS/MS測試。

采用Waters Xevo TQ-S Micro超高效液相色譜三重四極桿質譜儀進行分析。設置條件為柱溫30℃，進樣量5 uL；流動相分別為含0.05％（體積比）甲酸的超純水（A）和甲醇（B）；流速為0.25 mL·min-1。流動梯度洗脫條件為：2 min時流動相A和流動相B的比例從95/5換為80/20，6.5 min時流動相A和流動相B的比例從80/20換為65/35，7 min時流動相A和流動相B的比例從65/35換為5/95，9.5 min時流動相A和流動相B的比例從5/95換為95/5，洗脫至12 min結束。質譜條件設置為電噴霧電離（ESI）源正離子模式和多反應監測（MRM）模式。離子源溫度設置為150℃，毛細管電壓設置為4 000 V。

1.4質量控制與保證

為控制前處理過程中產生的損失，所有采集樣品均加入了磺胺噻唑-D4、諾氟沙星-D5和13C3-caffeine組成的替代物混標，考察沉積物樣品的基質效應。5ng·g-1的加標樣品回收率在71.64％-110.65％之間，3次加標沉積物樣品的相對標準偏差在5.08％-15.51％。方法檢出限如表1所示，檢出限在0.01-1.02 ng·g-1之間，定量限在0.04-3.25 ng·g-1之間。

1.5風險評估

1.5.1生態風險評估

抗生素進入水庫環境后，會對水生動植物產生一定量的生態毒性且排放進入環境后成為新污染物，其健康風險日益引起廣泛關注。因此為了掌握桂林青獅潭水庫生態環境安全現狀，有必要對桂林青獅潭水庫沉積物抗生素開展生態風險評估。

采用風險商數（RQ）對桂林青獅潭水庫沉積物抗生素的潛在生態風險進行評估，RQ法的公式如下：

由于不同種類抗生素對不同物種的毒性不同，因此選用最敏感物種的PNEC作為評估值，如表1示。

1.5.2健康風險評估

本研究基于風險商模型評估并將不同年齡段健康風險作為考慮因素。具體的計算方法見公式（3）、（4）。

2結果與討論

2.1抗生素污染情況及分布特征

桂林青獅潭水庫沉積物中檢出抗生素的種類為15種，水庫沉積物抗生素含量的空間分布見圖2（a），四環素類抗生素和喹諾酮類抗生素是檢出濃度最高的兩大類抗生素，分別占檢出抗生素總量的36.67％和32.22％，磺胺類抗生素檢出濃度范圍為ND-7.020ng·g-1，檢出率為0-35％，是檢出率最低的抗生素；檢出濃度最高的抗生素為CTC，濃度為4.040 ng·g-1，檢出率最高的抗生素為OFL，達到了90％。

如圖2（b）所示，抗生素在S1-S20檢出濃度為3.795 5-11.105 9 ng·g-1，中值為7.853 8 ng·g-1，平均值為7.197 5 ng·g-1，其中S15（屬于村莊生活區）點位抗生素檢出濃度最高（11.105 9 ng·g-1），可能是由于其位于水庫的上游位置，水流速度緩慢，靠近河岸，導致附近村莊周圍的植物覆蓋區域和耕地中殘留的抗生素以地表徑流的形式進入水庫，同時附近的生態養殖區的存在導致抗生素在水生動物體內殘留，使得水生動物糞便排泄的抗生素、未被水生動物吸收完全的抗生素及飼料中的抗生素最終以原藥的形式沉降到底部沉積物中，導致該村莊生活區沉積物中抗生素濃度偏高，與劉潔的研究相似。

20個采樣點中共檢測了9種磺胺類抗生素，如圖3所示，其中SMZ和SCP在20個點位中并未檢出，9種磺胺類抗生素的檢出率范圍為0-65％，平均檢出率為40.56％。S20點磺胺類抗生素濃度最高，達到3.949ng·g-1，可能是由于該點匯水區域面積較小，抗生素污染物易沉入水庫底部，且磺胺類抗生素容易被有機質含量高的顆粒物所吸附而在沉積物中富集造成了一定的污染，同時其岸邊分布耕地和果樹林，施用部分化學農藥，利用率較低造成未被利用的部分抗生素向下滲透淋溶；TMP的檢出率和檢出濃度較高，TMP的檢出濃度在0.760-0.796 ng·g-1，檢出率為65％，其原因是TMP作為磺胺類抗生素的增效劑，與其他磺胺類抗生素之間（例如SMX）以及某些抗菌劑協同使用能夠提高抗菌的效果。

20個采樣點中共檢測了4種喹諾酮類抗生素，ENR在所有點位中并未檢出，在20個采樣點檢測的喹諾酮類抗生素中，OFL檢出率和檢出濃度最高，檢出率達到90％，檢出濃度為24.465 ng·g-1，檢出范圍為ND-5.521 ng·g-1，平均濃度為1.223 ng·g-1；在已檢出的三大類抗生素中，喹諾酮抗生素檢出含量最高，其原因是喹諾酮類抗生素為人獸共用的抗生素，目前已在畜牧養殖、漁業大量使用，同時其對沉積物的吸附性能要優于磺胺類抗生素和四環素類抗生素，喹諾酮類抗生素對于生物降解的貢獻較低，與沉積物中的顆粒狀態物質具有一定的結合潛力，使得喹諾酮類抗生素在沉積物中降解速度較慢，導致喹諾酮類抗生素在沉積物中體現出高濃度。莫苑敏等于2017年10月采用液相色譜對青獅潭水庫15個點位的沉積物中4種喹諾酮類抗生素（OFL、NOR、CIP和ENR）進行檢測，其濃度范圍是34.94-236.18 ng·g-1，且4種喹諾酮類抗生素對青獅潭水庫沉積物環境具有高風險，青獅潭水庫水體和沉積物喹諾酮類抗生素污染較為嚴重，本研究在五年后對上述4種喹諾酮類抗生素進行探究，4種喹諾酮類抗生素的濃度范圍是0-6.617 ng·g-1，較五年前青獅潭水庫沉積物中4種喹諾酮類抗生素殘留情況有了明顯改善。說明水庫水質環境綜合治理及與抗生素相關的畜禽養殖產業轉型生態漁業均取得較好的成效。

20個采樣點中共檢測了4種四環素類抗生素，其中CTC的檢出率和檢出濃度均最高，為80％和25.213 ng·g-1，檢出范圍為ND-4.040 ng·g-1，平均濃度為1.260 ng·g-1，廣泛以飼料促生長劑的形式用于水產養殖業中，四環素類抗生素在水體中含量較低，但是易吸附于底泥沉積物表面，同時其經過代謝后仍有50％-80％進入環境中并殘留于沉積物中，導致采樣點中四環素類抗生素濃度偏高。

利用百分含量分布圖、相關性分析圖和主成分分析圖對桂林青獅潭水庫沉積物3類15種檢出抗生素進行分析，如圖4（a）和圖4（b）所示，可以揭示青獅潭水庫中抗生素遷移轉化過程的潛在作用機制。對各點不同種抗生素濃度之間進行相關性分析發現，大部分采樣點抗生素的污染差異不顯著（Pgt;0.05），SDZ、SM2、NOR、SMP、TMP、CIP及OTC等抗生素含量之間相互存在一定的相關性（Plt;0.05），歸屬于三大類的多種抗生素均存在一定的相關性，在一定條件下水流速度較慢導致水力交換效應較弱，使得沉積物成為了抗生素匯集賦存的場所，與楊聰等研究類似。利用主成分分析法對已檢出的抗生素來源進行分析，共得到6個主成分，主成分1代表了SDZ、SMP、SM2、TMP、CTC、TC、SMR；主成分2代表了SMP、NOR、DC、CTC、OTC；主成分3代表了SDZ、SMM、SDM、OFL、DC；主成分4代表了TMP、SDM；主成分5代表了SM2、CIP、OTC；主成分6代表了SDM、CIP、CTC，分別可以解釋方差的19.506％、16.648％、15.360％、12.309％、9.398％和6.808％，累積百分率達到80.029％。主成分分析結果表明：影響青獅潭水庫沉積物的主要磺胺類抗生素污染物為（SDZ、SMP、SM2、TMP、SMR），5種第一主成分篩選出來的抗生素在（PCl）上載荷系數的絕對值均大于0.4，磺胺類抗生素用在化學農藥中使用較為常見，推測青獅潭水庫周邊的使用化學農藥所產生的農業污水是青獅潭沉積物抗生素的主要來源之一；喹諾酮類抗生素多被用作人畜共用藥，四環素類抗生素多作為養殖常用藥使用，喹諾酮類抗生素和四環素類抗生素所在成分較為靠后，可以解釋的方差比例低于磺胺類抗生素，由此可推斷，青獅潭水庫周邊抗生素在水產養殖業的使用導致了水環境抗生素的殘留。

2.2生態風險評估

從采樣點的角度分析，由圖5可以看出，S1、S2、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S11、S12、S13、S17、S19、S20等14個點的RQ均小于0.1，表明青獅潭水庫沉積物中抗生素所造成的生態風險處于低或可忽略的水平，對環境幾乎無影響；S3、S10、S14、S15、S16和S18的RQ在0.1和1之間，表明青獅潭水庫沉積物的抗生素所造成的生態風險處于中等水平，表明上述點位抗生素的污染不容樂觀；RQ大于1的點位并未出現，可以認為青獅潭水庫沉積物抗生素20個點位均不存在生態風險處于高水平的情況。

由于SMP、SMR 2種抗生素的PNEC值未檢索到相關數據，ENR、SMZ和SCP 3種抗生素未檢出，故對剩余的12種抗生素進行生態風險評估。生態風險商評價結果如圖6所示。OFL生態風險最高，RQ的范圍在0-0.48之間，生態風險處于中水平狀態；磺胺類抗生素SDZ、SMM、SM2、SDM和TMP，喹諾酮類抗生素NOR、CIP以及四環素類抗生素DC、TC、OTC、CTC的RQ值均lt;0.1，無明顯生態風險。

2.3健康風險評估

ENR、SMZ和SCP 3種抗生素因為在沉積物中未檢出，所以其RQs值均為0。選取最大抗生素檢出濃度，計算青獅潭水庫沉積物中抗生素對人體健康的風險值。由圖7可知，14種抗生素的RQs小于0.1，對成人和兒童的身體健康風險較低，青獅潭水庫采樣點沉積物中的抗生素對人體健康無直接風險。此外風險商表現出隨年齡增長而降低。14種抗生素均對0-3個月的嬰兒表現出最高的風險；3-6歲以下兒童的風險值隨年齡的增長降低較為明顯，11-16歲及以上人群風險值較為接近。氧氟沙星由于檢出的濃度最高，風險值最大（RQs=0.048 23，0-3個月），但仍小于0.1，不會對人體構成明顯的健康危害。建議政府從源頭治理環境中抗生素污染的問題，以及制定和完善相關水體中抗生素殘留測量標準，同時需要通過推廣生態健康養殖模式及生態漁業代替畜禽養殖模式等舉措提升水庫水質，維護飲用水安全并降低健康風險。

3結論

（1）青獅潭水庫沉積物共檢出3類14種抗生素，檢出濃度最高的抗生素為氧氟沙星，最高濃度達到5.521 ng·L-1，檢出濃度最低的抗生素為磺胺嘧啶，濃度為0.194 ng·L-1；三類抗生素檢出水平依次為：喹諾酮類（ND-5.521 ng·g-1）gt;四環素類（ND-4.04 ng·g-1）gt;磺胺類（ND-0.799 ng·g-1）。

（2）青獅潭水庫沉積物3大類所有已檢出的抗生素的生態風險商值和人體健康風險商值均低于1，在檢出的14種抗生素中，氧氟沙星抗生素風險值最大，其潛在損害應引起關注；說明青獅潭水庫中沉積物抗生素對環境風險未出現高風險水平，但殘留的抗生素會對生態環境產生影響，應當嚴格控制青獅潭水庫水源保護區內的抗生素使用及排放，保障居民的用水安全。

（3）對于10個不同年齡段的人體健康風險評估表明，14種檢出的飲用水痕量的抗生素健康風險RQslt;0.1，健康風險水平普遍在10-5-10-8水平，遠低于人體健康風險商值1的限值，表明水體中痕量抗生素對于人體健康尚不具有明顯的直接風險。