苕溪表层水体典型抗生素污染特征与生态风险评价

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　　摘要    為了评价湖州地区苕溪表层水体抗生素的污染水平和生态风险，利用超高效液相色谱-串联质谱仪，对东、西苕溪表层水体中3类典型抗生素（喹诺酮类、四环素类、磺胺类）的污染水平和污染特征开展了检测分析。结果表明，苕溪表层水体中共检测出8种抗生素，其质量浓度范围≤326.6 ng/L。其中磺胺二甲基嘧啶的检出率最高，达52.1%;磺胺甲基异噁唑的质量浓度平均值最高，为15.6 ng/L。无论是检出率还是质量浓度，均为磺胺类>喹诺酮类>四环素类。整体而言，西苕溪污染水平低于东苕溪。与国内外其他水域相比，苕溪水体中抗生素的质量浓度总体处于较高水平。本研究的分析评价结果表明，苕溪水体中的抗生素对相应的敏感物种存在较高的生态毒性风险，其中磺胺甲基异噁唑尤为突出。
　　关键词    抗生素;表层水;污染特征;生态风险评价;苕溪
　　中图分类号    X522        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）07-0180-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Typical  Antibiotic  Pollution  Characteristics  and  Ecological  Risk  Assessment  of  Surface  Water  in  Tiaoxi  River
　　XU Lei 1，2，3    YE Xue-ping 1，2，3    HAO Gui-jie 1，2，3    SHENG Peng-cheng 1，2，3    ZHOU Dong-ren 1，2，3    SUN Bo-yi 1，2，3
　　ZHANG Hai-qi 1，2，3 *
　　（1 Key Laboratory of Healthy Freshwater Aquaculture，Agriculture Ministry，Huzhou Zhejiang 313001; 2 Key Laboratory of Fish Health and Nutrition of Zhejiang Province; 3 Zhejiang Institute of Freshwater Fisheries）
　　Abstract    In order to evaluate the pollution level and ecological risk of antibiotics in the surface water of Tiaoxi River in Huzhou area，three kinds of typical antibiotics（quinolones，tetracyclines，sulfonamides） in surface waters of East and West Tiaoxi River were detected by UPLC-TQ/MS.The results showed that seven kinds of antibiotics were detected in the surface water of Tiaoxi River，and the concentration range was ≤326.6 ng/L.The detection rate of sulfamethazine was the highest，reached 52.1%.The average concentration of isoxazole was 15.6 ng/L，regardless of the detection rate or mass concentration，sulfonamides>quinolones>tetracyclines.Qverall，the pollution level of West Tiaoxi River was lower than that of East Tiaoxi River.Compared with other waters at home and abroad，the concentration of antibiotics in the waters of Tiaoxi River was generally at a high level.The evaluation results showed that the antibiotics in the waters of Tiaoxi River had high ecotoxicity risks to the corresponding sensitive species，the sulfamethoxazole was particularly prominent. 　　Key words    antibiotic;surface water;pollution characteristic;ecological risk assessment;Tiaoxi River
　　抗生素是生物（包括微生物、植物和动物）在其生命活动过程中所产生的（或由其他方法获得的）有机代谢产物，它能在低微浓度下选择性地抑制或影响其他生物的次级代谢产物及其衍生物[1]。目前，生产和使用最广泛的抗生素有磺胺类、喹诺酮类、四环素类、 β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类和头孢菌素类等。中国作为抗生素产量最大的国家，2013—2018年，我国抗生素平均年产量为19.3万t。据估计，我国抗生素人均消耗量是美国的10倍[2]。在我国的药物处方中，抗生素约占70%，远大于西方国家30%的占比，说明我国抗生素滥用情况较为严重[3]。
　　多数抗生素在人和动物体内都不能完全代谢，以原形或活性代谢产物的形式通过粪便排出体外[4-5]。抗生素一旦释放进入环境中，便分布到土壤、水和空气中，并经过吸附、水解、光降解及生物降解等过程产生一系列代谢及降解产物，而这些产物往往具有更大的毒性[6]。目前，关于抗生素污染的研究已成为国际热点之一[7]。近年来，抗生素的大量生产及应用，已经在我国很多地区造成了相当严重的污染。由于我国的污水处理系统无法对抗生素起到很好的作用[8]，进入到水体中的抗生素严重阻碍了水资源的重复利用[9]。抗生素的半衰周期一般都不长，但由于频繁使用并能轻易进入到环境中，导致了“假持续”现象的出现，对人类健康和生态系统构成了潜在的危害[10-11]。整体而言，抗生素的环境污染现状及其生态毒理效应已成为我国乃至全球所面临的重大环境问题之一[12]。
　　水产养殖是水体中抗生素的重要来源之一[13]，高密度的水产养殖离不开抗生素的大量使用，从而不可避免的造成了水环境中抗生素的残留。XU等[13]研究了珠江三角洲水环境中常见抗生素的分布、行为与归宿。ZHENG等[14]研究了钦州湾水体中磺胺类抗生素的污染特征与生态风险。秦延文等[15]研究了大辽河表层水体的抗生素污染特征和生态风险。有研究表明，养殖塘中有70%～80%的抗生素最终将会进入环境中[16]。
　　浙江湖州自古被誉为丝绸之府、鱼米之乡，是我国著名的十大淡水鱼养殖基地。渔业作为湖州农业的首位产业，2018年渔业总产值已突破100亿元。苕溪作为浙江省境内的八大水系之一，贯穿湖州全境，是湖州地区最主要的水系。本研究以苕溪表层水为研究对象，对其中抗生素的组成及分布特征进行分析，并对抗生素的污染水平和生态风险进行初步评价，以了解苕溪水体抗生素的残留状况，以期为苕溪水体环境保护提供科学的参考依据。
　　1    材料与方法
　　1.1    采样点的设置
　　调查时间为2017年4月、8月、11月，调查区域主要为西苕溪（安吉至湖州段）、东苕溪（乾元镇至湖州段）和苕溪（汇合处至太湖段）。在3个河段上总共设了16个采样点，采样点主要依据周边养殖具体情况而布设，其中菱湖镇、和孚镇、钟管镇、乾元镇和梅溪镇都是湖州的渔业特色强镇。共设16个采样点，3个季度共采集水样48个。具体采样点分布见表1和图1。
　　1.2    样品采集及预处理
　　水样1 L，均从河流表层以下0.5 m处采集，加盐酸200 μL调节pH值至3.0，存放于棕褐色玻璃瓶中密封保存，运回实验室后置于4 ℃冷藏，48 h内分析。
　　1.3    主要仪器和材料
　　冷冻干燥机，由美国Labconco公司生产;旋转蒸发仪，由瑞士BUCHI公司生产;超高效液相色谱串联质谱仪（TQ MS/I-CLASS系列），由美国Waters公司生产;固相萃取装置，由美国SUPELCO公司生产;氮吹仪，由美国Orgnomation公司生产。
　　试剂包括磺胺二甲基嘧啶（SM2）、磺胺甲基异噁唑（SMZ）、磺胺多辛（SDX）、磺胺嘧啶（SD）、磺胺甲基嘧啶（SMR）、土霉素（OTC）、环丙沙星（CIP）、磺胺异噁唑（SFZ）、金霉素（CTC）、氧氟沙星（OFLX）、四环素（TC）、诺氟沙星（NOR）、培氟沙星（PEF）、恩诺沙星（ENR）、司帕沙星（SPA）、强力霉素（DXC）;内标物为氘代磺胺多辛-D3（SDX-D3）、氘代恩諾沙星（ENR-D5）和氘代诺氟沙星（NOR-D5）等，均来自德国Dr. Ehrensorfer公司。
　　Oasis HLB固相萃取小柱（225 mg/Oasis HLB Plus Short cartridges，由美国Waters公司生产。
　　1.4    样品处理
　　水样经0.45 μm滤膜过滤。取500 mL已过滤的水，加入内标混合标准溶液，充分混匀，然后利用225 mg/Oasis HLB Plus Short cartridges小柱（小柱上方接50 mL注射针筒）进行固相萃取富集。上样前，HLB柱依次用5 mL甲醇和5 mL超纯水进行活化平衡;上样时，流速控制在5～8 mL/min;上样后，用10 mL超纯水淋洗HLB柱，负压抽干后置于冷冻干燥机中干燥10 min;最后，用6 mL甲醇经行洗脱，收集洗脱液并在40 ℃下用氮气吹干，用流动相（15%乙腈、7%甲醇、78%水）定容至1.0 mL。
　　1.5    质量控制
　　采用外标法对四环素类进行定量分析，采用内标法对磺胺类和喹诺酮类进行定量分析。
　　加标实验是以河水为基质进行的，加10 ng和25 ng混合标准品到500 mL水中，最低检出限为S/N≥3。河水中的抗生素检出限设定为2.5～10 ng/L，回收率在59.45%～109.2%之间。 　　2    结果与分析
　　2.1    苕溪水体中抗生素的浓度
　　由表2可知，共检测出8种抗生素，包括磺胺类（SD、SM2、SDX、SFZ、SMZ）、喹诺酮类（NOR、ENR、OFLX），而4种四环素类抗生素均未检出。磺胺类的浓度与检出率均高于其他2大类抗生素，其中SD、SM2、SMZ等3种抗生素的检出率均超过40%，检出的最大浓度为SM2的326.6 ng/L，SMZ的平均浓度最高，浓度为15.6 ng/L。由此可见，苕溪水体中的抗生素主要以磺胺类为主，这与其他文献中的研究结果一致[17-18]。水体中磺胺类抗生素的浓度遠高于其余两类，这主要与抗生素本身的吸附特性有关，崔  皓等[19]研究发现，喹诺酮类和四环素类主要以阳离子交换吸附为吸附机理，这2类抗生素的分子结构特点决定了其在底泥中有非常强的吸附能力。磺胺类抗生素的分子结构特点使得其在底泥中的吸附能力很弱。此外，陈  昦等[20]研究发现磺胺类抗生素在土壤中的吸附则以物理吸附为主，吸附能力弱。因此，相较于其他2大类抗生素，磺胺类抗生素的水溶性更强，在河流环境中，其更容易存在于水体中。
　　苕溪水体中虽然检测出磺胺类抗生素的存在，但由于目前缺少相关的判定标准，所以无法判定磺胺类抗生素的浓度是否超标，但通过与其他天然水域做比较，仍然可以对苕溪的抗生素污染程度有大致的了解。以SD、SMZ、SFZ为例，由表3可以看出，苕溪中磺胺类抗生素与其他地区相比偏高，与渤海湾和珠江流域接近，尤其是SD和SMZ。中国科学院广州地球化学研究所应光国课题组于2015年6月获取首份中国抗生素使用量和排放量清单[21]，预测得出全国58个流域的“抗生素环境浓度地图”，其中渤海湾的海河流域和广州的珠江流域是全国抗生素污染最为严重的地区。杭嘉湖地区的抗生素浓度仅次于渤海湾和珠江流域。这主要归因于这3个流域人口密度高，水产养殖发达，导致抗生素使用量、排放量大、排放密度高，再加上我国的污水处理水平较低，造成了大量抗生素进入河流水体中。
　　2.2    东西苕溪水体中抗生素比较
　　将3个季度检测到的抗生素总量相加，以采样点W1为例，该采样点位于安吉县城区，4月份水样中测得抗生素有SM2 4.28 ng/L、SDX 2.08 ng/L、SMZ 18.18 ng/L，8月水样中未测得抗生素，11月水样中测得抗生素SD 6.68 ng/L、OFLX 4.04 ng/L。在3个季度采集的1.5 L水样中共测得抗生素总量17.63 ng。根据抗生素总量，在图1中绘制柱状图。西苕溪抗生素总量最大的点是W2，总量为45.6 ng，其周边有几家黄颡鱼和泥鳅的养殖大户。E1和E2是东苕溪段内测得抗生素最高的2个点，分别是80.98 ng和81.92 ng，其中E1是乾元镇镇内，E2周边是几家青虾养殖塘。
　　整体来看，西苕溪的6个采样点抗生素总量平均值为47.48 ng，东苕溪8个采样点抗生素总量平均值为91.67 ng。可见，东苕溪中的抗生素含量要高于西苕溪。东、西苕溪水量接近，每年汛期也接近，造成抗生素含量差异的原因可能在于东苕溪周围的养殖面积更大。相较于安吉地区，德清县的乾元镇、钟管镇，南浔区的菱湖镇、和孚镇都是湖州地区有名的养殖大镇，菱湖镇更是被授予中国淡水渔都。更大的养殖面积意味着更多抗生素的投入，从而流入水体环境中。
　　2.3    苕溪水体中抗生素的季节变化规律
　　选取了检出频率最高的5种抗生素，分析了5种抗生素在3个季节中含量变化情况，见表4。可以发现，磺胺类抗生素在11月的检测率和浓度要略高于其他2个季节。一方面，可能是因为冬季苕溪水位较低，水流量也低于春、夏季，导致水体中的抗生素浓度会偏高一些;另一方面，温度对兽药抗生素的降解影响很大。在55 ℃的条件下，金霉素在牛粪中30 d降解98%～99%;而在25 ℃的条件下，30 d仅降解了40%～49%[22]。冬季低温使得水体中的抗生素不易被微生物分解而在环境中停留更长时间，因而更容易被检测到。此外，喹诺酮类抗生素并没有明显的季节变化。
　　2.4    抗生素的生态风险评估
　　根据欧盟的技术指导文件（TGD）中关于环境风险评价的方法[23]，药品在环境中的生态风险可以根据风险商值（RQs）大小来评估。RQs的计算可以通过污染物的环境预测浓度（predicted environmental concentration，PEC）或者实际监测浓度（measured environmental concentration，MEC）与预测无效应浓度（predicted no-effect concentration，PNEC）的比值获得[24]：
　　RQs=MEC/PNEC或RQs=PEC/PNEC（1）
　　PNEC=LC50/AF或PNEC=EC50/AF（2）
　　式中，PEC为环境预测浓度（ng/L）;MEC为环境实测浓度（ng/L）;PNEC为预测无效浓度（ng/L）;LC50为半致死浓度（ng/L）;EC50为半最大效应浓度（ng/L），RQs为风险商值。
　　本研究中，SD、SM2、SMZ、ENR、OFLX等5种抗生素的检出率和检出浓度远高于其他种类，故风险评估以这5种抗生素为主。PNEC值主要是通过从文献中收集抗生素对一些物种的急性和慢性毒理数据求得，也有部分PNEC数据直接来源于其他文献。基于最坏情况考虑，PNEC计算筛选使用最敏感物种获得，同时环境中实测抗生素浓度选择最大值计算[24]，计算结果见表5。
　　从表5可以看出，SM2的生物毒性最小，OFLX的生物毒性最大，整体而言，喹诺酮类的毒性大于磺胺类。根据表2中测得的抗生素实际浓度最大值与表5中的PNEC值，结合公式（1）得到苕溪水体中磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲基异噁唑、恩诺沙星、氧氟沙星的RQs分别为0.034、0.017、5.32、0.89、3.23。环境生态风险的高低根据Hernando等[28]提出的RQs分类方法来评估生态风险等级：RQs<0.1为最低风险;0.1≤RQs<1为中等风险;RQs≥1为高风险。可以看出，SD和SM2属于最低风险，ENR为中等风险，SMZ和OFLX属于高风险。结合表2，SMZ的检测率高达45.8%，而且在48个样品中，SMZ的平均浓度为15.6 ng/L，是本研究中16种抗生素中的最大值。因此，可以认为SMZ对苕溪水体中的水生生物有比较高的毒性风险。 　　3    结论
　　（1）在苕溪中采集的48个水样，共检测到8种抗生素，浓度为“ng/L”数量级，其中SD、SM2、SMZ等3种抗生素检出率均超过40%。SM2检测到最大浓度为326.6 ng/L，SMZ的平均浓度最高，为15.6 ng/L。苕溪水体中的抗生素以磺胺类为主，这与磺胺类本身的亲水特性有关。与国内其他河流比较，苕溪水体抗生素污染较为严重。
　　（2）在西苕溪的6个采样点抗生素总量平均值为47.48 ng，东苕溪8个采样点抗生素总量平均值为91.67 ng。整体来看，东苕溪中的抗生素含量要高于西苕溪。這可能与河流周围的养殖模式和养殖面积有关。
　　（3）苕溪水体中的抗生素与季节并无明显关系。
　　（4）根据风险商值（RQs）大小来对苕溪水体中的抗生素进行评估，其中SMZ和OFLX属于高风险，并且SMZ对苕溪水体中的水生生物威胁最大。整体而言，苕溪水体中抗生素的污染不容忽视。
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