典型北方城市河流中抗生素污染特征及風險評價

李清雪，董天羽，孫王茹，劉含雨，武麗娜，汪慶,#

1. 河北工程大學能源與環境工程學院，邯鄲 056038 2. 河北中洲水務投資股份有限公司，保定 071000

目前抗生素污染已經成為全球關注的環境問題[1-6]。海洋[7]、湖泊[8-9]、地下水[10]和土壤[11]等環境中均有抗生素檢出。城市河流作為受人類活動影響最大的水體，抗生素在其中廣泛存在。巴西的庫里蒂巴[1]，中國的貴陽[12]、重慶[13]和上海[14]等多個城市河流中均檢測到抗生素殘留，雖然濃度大多為“ng·L-1”級別，但抗生素的化學穩定性和生物毒性決定了低濃度的抗生素也會對水生生物甚至整個水生態環境帶來嚴重影響[15-16]。研究表明，阿根廷科爾多瓦市的蘇基亞河、我國的珠江、長江等河流均存在抗生素的生態高風險[2,6]。

目前有關中國城市水環境抗生素的研究中主要集中在南方地區。北方地區人口密集，作為我國重要的醫藥加工和制造基地，擁有中國醫藥、哈爾濱制藥、華北制藥和石家莊制藥等多個大型制藥企業[17-18]。已有研究發現華北地區的子牙河、滏陽河和永定河農村周邊水環境中存在抗生素殘留[19]，但有關城市河流中抗生素污染的研究相對匱乏。因此本研究以北方地區的2條城市河流為研究對象，對磺胺類、喹諾酮類和β-內酰胺類等10種典型抗生素的污染特征進行探究，并采用風險商值法對水中的抗生素進行生態風險評估。以期為北方城市河流抗生素污染的防治及相關研究提供科學依據和參考。

1 材料與方法（Materials and methods）

1.1 主要試劑

Na2EDTA（分析純，天津歐博凱）；甲酸、甲醇和乙腈均為色譜純，購自德國Merck；磺胺嘧啶（SDZ，純度99.7%）、甲氧芐啶（TMP，純度99.8%）、磺胺甲惡唑（SMX，純度99.6%）、頭孢克洛（CFC，純度94.4%）、頭孢克肟（CFM，純度89.2%）、頭孢唑林（CZO，純度99%）、諾氟沙星（NOR，純度99.5%）、環丙沙星（CIP，純度84.2%）、洛美沙星（LOM，純度90.4%）和氟羅沙星（FO，純度99.2%）標準樣品均購自（中國）藥品生物制品研究所。

1.2 樣品采集

分別在2018年8月和12月，對邯鄲市滏陽河和沁河的水樣及沉積物進行采集。從滏陽河進入邯鄲城區斷面（張莊橋）至出城區斷面（蘇里）依次設置9個采樣點，F1～F9。沁河從上游到下游依次設置6個采樣點，分別為Q1～Q6。沁河在F7點前匯入滏陽河。采樣點具體位置如圖1所示。

用采水器采集2 L距河面0～50 cm的表層水樣，保存在棕色試劑瓶中。用抓斗式采泥器采集100 g表層沉積物，錫箔紙包裹并用密封袋塑封。將樣品于4 ℃冷藏運回實驗室并于24 h內完成預處理。

1.3 樣品前處理

水樣：取500 mL水樣過0.45 μm濾膜后加入0.5 g Na2EDTA，用4 mol·L-1的鹽酸調節其pH=3左右。以5～10 mL·min-1的流速將水樣通過預先用5 mL甲醇、5 mL 0.1%的甲酸水活化好的Oasis HLB小柱（500 mg×6 mL，Waters公司）。待水樣富集完成后用6 mL 5%甲醇水淋洗吸附柱，真空干燥30 min。待吸附柱完全干燥，將6 mL甲醇分3次通過吸附柱進行洗脫。洗脫液經氮吹干燥后加入1 mL HPLC初始流動相（V（1%甲酸水）∶V（甲醇）∶V（乙腈）=8∶1∶1）溶解底物，溶液過0.45 μm有機相針式過濾器移入樣品瓶進行HPLC分析[20]。

沉積物：沉積物樣在-20 ℃的環境中預冷凍，冷凍完成的樣品轉入冷凍干燥機中-80 ℃冷凍干燥24 h。待樣品完全干燥后將其研磨，過100目篩去除雜質。準確稱取2 g沉積物干粉于25 mL離心管中，加入10 mL甲醇，渦旋5 min，超聲10 min，4 000 r·min-1離心5 min，收集上清液。如此重復提取3次并混合上清液至500 mL棕色容量瓶中，加入蒸餾水定容。定容完成的提取液經0.45 μm微孔濾膜抽濾去除雜質，加入0.5 g Na2EDTA，鹽酸調節pH=3左右，參照水樣中抗生素檢測方法進行固相萃取和HPLC分析。

1.4 儀器分析條件

參考文獻[20]采用高效液相色譜儀（島津LC-2030）對樣品進行分析檢測。色譜條件為：Shim-pack GIST C18色譜柱（250 mm×4.6 mm, 5 μm），柱溫40 ℃，流速0.8 mL·min-1，進樣量30 μL，檢測波長270 nm，梯度洗脫步驟如表1所示。

1.5 質量控制

采用外標法對樣品進行定量分析。用甲醇配制10種抗生素的混標儲備液，每種抗生素濃度為0.1 mg·L-1。將混標溶液逐級稀釋為1.0、0.8、0.6、0.5、0.4、0.2、0.1和0.05 μg·L-1濃度梯度的混標使用液，10種目標抗生素的標準曲線相關系數均>0.99；在2個樣品中分別添加0.1、0.5和1 μg·L-13個濃度水平的目標抗生素混標使用液進行加標回收，加標回收率在78.6%～101.5%之間。

圖1 采樣點位示意圖Fig. 1 Schematic diagram of sampling points

表1 梯度洗脫步驟Table 1 Gradient elution steps

1.6 生態風險評價方法

1.6.1 以單物種測試為基礎的評估因子法

根據歐盟技術指導文件（TGD）中關于環境風險評價的方法，采用風險商值法（RQ）評價抗生素在水體中的生態風險[21]，計算公式為：

RQ=MEC/PNEC

PNEC=（EC50或LC50）/AF

式中：MEC為環境中的實際檢出濃度（ng·L-1），基于最嚴重的情況考慮，MEC選擇最大值計算；PNEC為預測無效應濃度，是EC50（半數效應濃度，ng·L-1）或者LC50（半數致死濃度，ng·L-1）與評價因子（AF）的比值。根據RQ值可將生態風險劃分為高風險（RQ>1），中等風險（0.1≤RQ<1），低風險（0.01≤RQ<0.1），無風險（RQ<0.01）[22]。相關毒理數據從已有研究中查得，如表2所示。

1.6.2 物種敏感度分布曲線法（SSD）

SSD方法是傳統生態風險評價的外推，成形于1985年頒布的技術指南[29]中，在1998年美國環境保護局（US EPA）頒布的《生態風險評價指南》中通過一個風險評估實例認可了SSD在生態風險評價中的應用[30]。SSD法通常利用急性（LC50或EC50）或慢性（LOEC或NOEC）毒性數據進行曲線擬合，通過計算最大環境許可濃度閾值（HCX，通常取值HC5，即該濃度下受到影響物種數不超過總物種數的5%時的濃度）進行風險評價。具體步驟如下。

（1）毒性數據的采集

SSD要求每種抗生素有4種以上不同類別生物的毒性數據[31]，要有明確的受試生物、受試終點和暴露時間[32]。本研究中有關SDZ、SMX、TMP、CIP、NOR、LOM、FO和CZO的毒性數據來源于已發表的文獻和EPA ECOTOX毒性數據庫（Https://cfpub.epa.gov/ecotox/），具體數據如表3所示。

（2）SSD曲線擬合

研究選用急性毒性數據（LC50或EC50）進行SSD曲線擬合，將急性毒性數據從小到大依次進行排序，最小為1，最大為N，n為序號，對應的累計概率則為1/（N+1）。以LC50或EC50對應的濃度對數值為橫坐標，以概率密度為縱坐標進行曲線擬合[33]。目前國際上常用的SSD擬合模型有Sigmoid、Gaussian、Gompertz、Logistic、Logarithm、Exponential growth和Lorentzian等[34-36]，本研究從中選取合適的模型進行了曲線擬合。

表2 抗生素生態毒理數據Table 2 Antibiotic ecotoxicological data

表3 抗生素急性毒性數據Table 3 Acute toxicity data of antibiotics

（3）閾值計算和生態風險表征

根據SSD曲線中累計函數為5%時對應的濃度對數值計算出HC5，通過風險商值法（RQ）進行表征，計算公式為：

RQ=MEC/PNEC

PNEC=HC5/AF

式中：MEC、PNEC仍分別為環境中的實際檢出濃度（ng·L-1）和無效應濃度（ng·L-1）；AF表示評價因子，取值范圍為1～5，保守評估取值為5。風險類型的劃分與傳統的單物種測試評估因子法一致：RQ>1為高風險，0.1≤RQ<1為中等風險，0.01≤RQ<0.1為低風險，RQ<0.01無風險[37]。

1.7 數據分析

采用Excel對數據進行統計分析，用Excel、Origin和ArcGIS 10.6做圖。

2 結果與討論（Results and discussion）

2.1 河流中抗生素濃度水平

河水中的各類目標抗生素的濃度與檢出率如表4所示。由表4可知，滏陽河水中共檢出8種抗生素，檢出范圍為ND～205 ng·L-1，CFC、CFM未檢出?；前奉惖?種抗生素（SDZ、SMX和TMP）以及喹諾酮類的CIP、NOR檢出率為100%，其余抗生素檢出率在5.56%～33.3%之間。從濃度上看，磺胺類抗生素濃度最高，SDZ、SMX和TMP的平均含量均>90 ng·L-1，其次為NOR（74.4 ng·L-1）、CIP（66.3 ng·L-1），LOM、FO和CZO的平均含量在25 ng·L-1以下；沁河水中共檢出7種抗生素，濃度范圍為ND～152 ng·L-1，FO、CFC和CFM均未檢出。檢出率100%的為SDZ和SMX，剩余5種抗生素檢出率范圍為8.33%～83.3%。平均含量在60 ng·L-1以上的抗生素有SDZ、SMX、TMP和CIP，NOR、LOM和CZO的平均含量均在45 ng·L-1以下。

整體上看，2條河流水中各類抗生素的檢出率和平均含量均為磺胺類>喹諾酮類>β-內酰胺類。經分析推測磺胺類抗生素的高檢出量是由其易溶于水、難以光降解特性[51-52]聯合附近的用藥特征[53]共同決定的。β-內酰胺類抗生素檢出量低則是因為β-內酰胺環在水中不穩定易發生水解[54]，進而促進了β-內酰胺類抗生素的降解。

2條河流沉積物中抗生素濃度與檢出率如表5所示，滏陽河沉積物中除β-內酰胺類的3種抗生素（CZO、CFC和CFM）未檢出外，其余7種抗生素均有檢出，其中NOR和CIP的檢出率為100%，剩余的5種抗生素檢出率在60%～90%之間。沁河沉積物中共檢出6種目標抗生素，β-內酰胺類的3種抗生素和FO均未檢出。檢出率最高的為SDZ（100%）和CIP（100%），SMX、TMP和NOR的檢出率為60%～80%。LOM雖被檢出，但檢出率僅為30%；從含量上看，滏陽河抗生素濃度范圍為ND～57.0 ng·g-1，平均含量最高的為NOR（30.7 ng·g-1），其次為CIP（24.0 ng·g-1），其余抗生素均在20 ng·g-1以下。沁河沉積物中僅CIP的平均含量高于20 ng·g-1，其余抗生素均低于15 ng·g-1。

對比發現沉積物中抗生素的檢出種類基本與水樣一致，但經相關研究發現喹諾酮類抗生素具有較大的吸附系數，更容易吸附在沉積物中[55-56]，所以喹諾酮類抗生素為沉積物中的優勢種類而非在水中含量較高的磺胺類抗生素。

2.2 河流中抗生素的時空分布特征

抗生素時空分布圖如圖2所示。從冬夏兩季的抗生素含量上看，水樣和沉積物冬季的抗生素總濃度明顯高于夏季，這與Li等[53]的研究結果相似，很可能是由冬季流感造成抗生素類藥物使用量增大導致的。

表4 河水中各類抗生素濃度與檢出率Table 4 Concentration and detection rate of various antibiotics in river water

表5 沉積物中各類抗生素濃度與檢出率Table 5 Concentration and detection rate of various antibiotics in sediments

圖2 抗生素在水樣（a）和沉積物中（b）的時空分布圖注：S表示夏季；W表示冬季。Fig. 2 The temporal and spatial distribution of antibiotics in water samples （a） and sediments （b）Note: S stands for summer; W stands for winter.

從圖2（a）中對比2條河流的抗生素污染狀況發現，滏陽河流域因交通、商業發達，人口分布密集，水體受人類活動影響更大[57]，所以在殘留的抗生素種類和含量上均高于沁河。在F3處河水中抗生素的濃度有所上升，結合采樣點分布圖得知F3采樣點為邯山區滏陽公園附近，地處邯鄲市老城區，排水設施老舊，人口密度大，因此推測此處是因人類活動的增加以及生活污水的不合理排放導致水中抗生素濃度的升高。滏陽河下游的F7處因沁河來水的沖淡作用，抗生素的含量有明顯的下降。對于貫穿整個市區的滏陽河來說，出市斷面F9處的抗生素的種類與含量與入市斷面F1處相比顯著增加，說明了此城市河流對下游海河流域的水環境中抗生素污染問題起到了加重的作用。

Guo等[58]通過對涼水河13個采樣點的抗生素進行檢測分析后發現，在水體和沉積物中檢測到抗生素的總濃度都在污水處理廠排放的下游有所增加。但本研究顯示，冬夏兩季的抗生素濃度峰值出現在了F6和Q4這2點而非距離污水處理廠補水點下游最近的F5和Q3點。為分析其中的原因，進一步對采樣點進行了聚類分析（圖3）。對采樣點進行分類發現，冬夏兩季的水樣中F5和Q3點與其上游的F4和Q2點為一類，從一定程度上體現了污水處理廠出水點附近的上下游抗生素濃度并無明顯變化。在F5和Q3下游的F6和Q4處抗生素含量有了明顯的上升，這種情況可能是由污水處理廠出水污染物擴散造成的。在研究污水處理廠出水對下游水體影響時需注意采樣點的距離問題。

由圖2（b）可知，滏陽河沉積物中各類抗生素的峰值均出現在了水流流速緩慢的F6點，沁河沉積物中抗生素濃度最高點出現在Q3附近。結合當地水流狀態及吸附動力學[59]分析沉積物中的抗生素含量可能受水利條件的影響較大。水流速度小的F6和Q3區域水力停留時間更長，沉積物對抗生素的吸附量更大。吳天宇等[60]在對赤水河流域的污染特征研究中也得出了相同的結果。

2.3 與我國南方及國外城市河流對比分析

已知10種典型抗生素中在2條河流中共檢出8種，其中檢出率>30%的有6種（SDZ、TMP、SMX、NOR、CIP和LOM），故重點考察這6種抗生素在北方地區的2條河流與我國南方以及國外地區的城市河流中的濃度差異，如表6所示。

圖3 采樣點聚類圖Fig. 3 Cluster map of sampling points in winter and summer

SDZ與TMP為獸醫最常用的組合藥物，在邯鄲市滏陽河和沁河中，這2種抗生素的檢出含量遠高于珠江廣州段，這可能與邯鄲地區較為發達的養殖業以及相對缺乏的污染治理設施有關[66]。SMX在河流中的含量除我國香港外，略低于國內其他南方地區的城市河流，但因巴西的瓜伊巴河流域有多家大型醫院分布，并且城市中還存在著污水管道與雨水管道非法連接的情況，導致了巴西的城市河流中此類抗生素的含量遠高于邯鄲地區的滏陽河和沁河[64]。而NOR作為常用的人用抗生素，在人口分布密集的地區往往檢出量更大，因此滏陽河中此類抗生素的含量和檢出率高于沁河、珠江和南明河。由于印度的穆西河接收制藥廠廢水，NOR、CIP和LOM的濃度水平明顯高于其他城市河流；除印度的穆西河外，滏陽河與沁河中CIP的濃度均高于參比的其他城市河流。LOM在滏陽河和沁河的最高含量甚至高于美國蘭辛的污水處理廠出水[65]。通過與國內南方城市河流及國外城市河流的對比發現，此研究中的北方城市河流中的磺胺類以及喹諾酮類的抗生素處于較高的污染水平。

2.4 抗生素生態風險評價

由于未檢出CFC和CFM，故對剩余8種抗生素進行了生態風險評估。根據以單物種測試為基礎的評估因子法計算出的RQ值繪制的風險評估圖如圖4所示，由圖4可知，參與評估的8種抗生素中有7種存在生態風險，其中有4種抗生素表現為中高風險。喹諾酮類抗生素的生態風險最高，CIP在冬夏季的2條城市河流中的RQ值均在5.0以上，對當地的敏感性生物產生了嚴重的威脅。LOM和NOR為中等風險，僅FO表現為無風險；磺胺類抗生素中SMX表現為中等生態風險，其余2種抗生素（SDZ和TMP）表現為低風險或無風險。β-內酰胺類抗生素只有CZO在冬季水體中檢出，表現為低生態風險。

由于風險評估方式不具有統一性，為使評估結果更加準確，本研究添加了SSD法進一步對抗生素的生態風險作出了評估。8種抗生素的SSD曲線如圖5所示，根據曲線中累計概率為0.05時對應的濃度對數值可計算出HC5的抗生素濃度值，進而推算出RQ。SSD法以及以單物種測試為基礎的評估因子法計算出的風險商值從大到小的排序結果如表7所示。

表6 國內外部分城市河流抗生素污染水平Table 6 Antibiotic pollution levels in rivers of some cities at home and abroad

基于SSD法的生態風險評估顯示，夏季水中所有抗生素均表現為無生態風險，冬季2條河流中僅有CZO和LOM存在風險。其中LOM的生態風險在2種評估方法中均較高，有研究表明，LOM與CIP等喹諾酮類抗生素相比對生物體具有更高的急性毒性[67]，同時LOM在有陽光光照的條件下還會產生光毒性，造成細胞損傷[68]，所以即使其在水體中存在的濃度較低也會引起較高的生態風險。對比2

圖4 抗生素風險評估圖Fig. 4 Antibiotic risk assessment chart

抗生素Antibiotics擬合函數Fitting functionsR2HC5/（mg·L-1）SDZGompertz0.9980.142 SMXGompertz0.9820.080 TMPExponential0.9802.636 CIPGompertz0.9750.197 NORLogistic0.9589.594 LOMGompertz0.9920.023 FOGompertz0.995939.7 CZOGompertz0.9720.001

種方法進行的生態風險排序發現SSD法評估的抗生素的生態風險顯著降低，這是由于SSD法與單一物種測試法相比增加了水環境中營養級更高的生物，增強了對抗生素的抵抗能力，更能反映生態系統的真實情況[69]。在SSD法評估中水中含量較多的磺胺類抗生素風險值也較大，而在傳統單一的敏感物種測試評估法中生態風險較高的則為喹諾酮類抗生素。究其原因是傳統的單一物種測試法更關注于低營養級的敏感性生物，喹諾酮類抗生素因有抗菌譜廣、藥效強的特點[70]，所以即使在水中的含量較低也會對敏感的低營養級水生生物表現出明顯的抑殺作用。

表7 抗生素生態風險排序Table 7 Antibiotic ecological risk ranking

目前有關生態風險評價的方法不具有統一性，參與毒性試驗的物種不夠豐富，污染物對生態環境造成的風險極有可能被低估。SSD法相較于傳統的風險商值法，可充分利用已有的多營養級多物種毒性數據，即充分運用了所有有效信息，所以更能反映抗生素對生態系統的真實影響情況[69]。傳統的單一物種測試評估法更多關注于水環境中的營養級較低的敏感生物，在研究抗生素對水環境的長久作用下產生的潛在生態風險上有一定意義。2種風險評價結果顯示大部分抗生素處于低風險和無風險水平，但值得注意的是低濃度的抗生素仍會對水中微生物造成選擇性壓力，促進抗性基因的形成和積累，對水生態環境產生潛在的威脅。其中LOM在2條北方城市河流中存在的生態風險普遍較高，有關北方地區的城市河流中LOM抗生素污染問題應得到重視。

本文針對北方地區城市河流中的10種典型抗生素從濃度水平、時空分布特征以及產生的生態風險等方面進行了探究，得出以下結論。

（1）滏陽河與沁河水中分別檢出8種和7種抗生素，濃度范圍分別為ND～205 ng·L-1和ND～152 ng·L-1，2條河流中磺胺類抗生素檢出率與平均含量最高，其次為喹諾酮類、β-內酰胺類；沉積物中分別檢出7種和6種抗生素，檢出濃度范圍分別為ND～57.0 ng·g-1和ND～36.6 ng·g-1。檢出率較高的為喹諾酮類的CIP和NOR（80%～100%），磺胺類居中（60%～100%），LOM檢出率最低（30%～60%），FO僅在滏陽河中檢出（60%），β-內酰胺類3種抗生素未在沉積物中檢出。

（2）水中抗生素在污水處理廠下游以及人類活動頻繁地區有所增加，沉積物中抗生素含量在水流速度小的地區出現峰值?？傮w上呈現冬季高于夏季，出市斷面高于入市斷面，滏陽河高于沁河的空間分布特征。

（3）與我國南方地區以及國外城市河流相比，此研究中的北方城市河流中的磺胺類和喹諾酮類的抗生素處于較高的污染水平。

（4）單物種測試為基礎的生態風險評估顯示SMX、CIP、NOR和LOM處于中高風險水平，其中CIP最為嚴重，RQ值均在5.0以上。SSD法則顯示大部分抗生素處于無生態風險水平，但2種風險評價結果均表明LOM在2條北方城市河流中存在較高生態風險，有關北方地區的城市河流中LOM抗生素污染問題應得到重視。