成都市河流中四環素、喹諾酮類抗生素污染特征及生態風險評價

韓遷，張玉嬌，賴承鉞，楊璐瑤，孟旭

成都市環境保護科學研究院，四川 成都 610072

抗生素作為一種新型污染物，是目前使用最廣泛的藥物之一，主要運用于人類和動物的疾病治療。逐年增長的抗生素生產和銷量引發的抗生素濫用現象已不容忽視。2013 年，中國抗生素生產量2.48×105t，使用量為1.62×105t，其中獸用抗生素占52%，人用抗生素占48%，遠高于西方國家（Zhang et al.，2015）。由于經人體和動物攝取的抗生素在體內只有部分被代謝，其余高達85%的抗生素則隨尿液和糞便、生活垃圾、牲畜和農業廢水直接或間接作為母體化合物或代謝物的形式排入城市污水處理廠或土壤，進而排入自然水體，污染廢水、地表水和地下水環境中（Wang et al.，2014；Fatta-Kassinos et al.，2011）。因來自環境各媒介的持續輸入，加之其在環境中具有持久性或偽持久性的特性，導致不同環境中抗生素的頻頻檢出，尤其是近年來，抗生素在世界各地的廢（污）水、地表水、地下水，甚至是飲用水中已經常被檢測到（Backhaus et al.，2000；Ashton et al.，2004）。

水中過量的抗生素負擔會導致對動物和植物的直接毒性，更重要的是，他們可以誘導耐性抗生素細菌的產生，抗生素的濫用而導致大量耐藥性病菌的出現，已經引起了人們對抗生素的廣泛關注，加之其具有在不同營養水平的生物體中進行生物累積的潛力（Zhang et al.，2015），殘留在水環境中的抗生素通過食物鏈和食物網對人的健康和水生生物造成潛在風險（Wang et al.，2017）。因成都市人口眾多，研究流域流經區域還存在小規模的畜禽散養和水產養殖，加之四環素以及喹諾酮多用于人類疾病和動物養殖，因此本文選取這兩類抗生素作為研究對象。四環素類是一種價格低廉，效果極好的廣譜抗菌藥，是世界使用最廣泛的抗生素，因其價格低廉，成為畜禽養殖業使用最多的抗生素；據不完全統計，四環素在世界各國的消耗量已居于各類抗生素之首（Zhang et al.，2015），且過量攝入四環素會嚴重影響胎兒骨骼生長發育（農業部畜牧獸醫局，2003；侯為道等，2004）。喹諾酮類由于具有抗菌譜廣和毒副作用小等特點，其使用量在近幾年迅速增加，而過量的喹諾酮類抗生素會對非靶生物產生影響進而破壞生態系統的平衡。

成都作為四川省會城市，地處平原，人口密集，水系眾多。府河作為長江水系岷江的支流，流經成都市中心，人口眾多；西江河以及毗河分屬成都市東部和北部，經濟發展主要以種植和工業園區為主；濛陽河和蒲江河地處成都市郊區，人口相對稀少，主要以農業種植和畜禽散養為主。因此，在前期研究基礎上，結合現場調查，選取受農業種植、畜禽散養和人為活動影響較為突出的5 條流域作為研究對象，并以四環素和喹諾酮兩大類共計25 種抗生素作為目標化合物，調查其在不同流域豐水期和枯水期中的抗生素含量，分析其在水環境中的污染特征以及對生態風險水平進行評估，以期了解成都市地表水中抗生素的污染現狀和環境危害程度，為成都市水體的環境保護提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

TSQ Quantum Access MAX 液質聯用儀（美國，Thermo）、色譜柱（Syncronis C18100 mm×2.1 mm×1.7 μm）（美國，Thermo)、Vac Elut SPS 24 多通道固相萃取裝置（美國，Agilent）、HLB 固相萃取小柱（6 mL，500 mg）（美國，Waters）、NDK200-2水浴氮吹儀（上海丙林電子科技有限公司）、玻璃纖維濾膜（0.45 μm，47 mm，上海安譜）。Direct-Q8UV 超純水儀（德國，Millipore）。

基于抗生素在我國高頻率的使用情況，本文選擇了26 種抗生素作為監測對象。分別是18 種喹諾酮類：恩諾沙星（Enrofloxacin，ENR）、環丙沙星（Ciprofloxacin，CIP）、西諾沙星（Cinoxacin，CINO）、達諾沙星（Danofloxacin，DAN）、鹽酸二氟沙星（Difloxacin hydrochloride，DIF）、依諾沙星（Enoxacin，ENO）、氟羅沙星（Fleroxacin，FLE）、氟甲喹（ Flumequine ， FLU ） 、 洛美沙星（LoMefloxacin，LOM）、馬波沙星（Marbofloxacin，MAR）、萘啶酸（Nalidixic acid，NA）、諾氟沙星（Norfloxacin，NOR）、氧氟沙星（Ofloxacin，OFL）、奧比沙星（Orbifloxacin，ORB）、培氟沙星（Pefloxacin，PEF）、吡哌酸（Pipemidic acid，PPA）、沙氟沙星（Sarafloxacin，SAR）、司氟沙星（Sparfloxacin，SPA）以及內標物鹽酸環丙沙星-d8（Ciprofloxacin-d8，CIP-d8）。7 種四環素類：金霉素（ Chlortetracycline ， CTC ） 、 地美環素（demeclocycline，DCTC）、強力霉素（Doxycycline，DC）、美他環素（metacycline，MTC）、4-表脫水四環素（4-epianhydrotetracycline，EATC）、四環素（Tetracycline，TC）、脫水差向四環素（Anhydrotetracycline，ATC）以及內標物四環素-d6（Tetracycline-d6，TC-d6）。所有標準品均購自Dr.Ehrenstorfer GmbH 公司，純度大于99%；甲酸、甲醇均為色譜純（美國，Thermo），乙二胺四乙酸二鈉鹽（Na2EDTA·2H2O）購自上海安譜實驗科技有限公司，所有抗生素標準品均用甲醇稀釋定容，置于-20 ℃低溫冰箱中避光保存。

1.2 樣品采集與預處理

分別于2021 年3 月（枯水期）和2021 年9 月（豐水期），在成都市濛陽河（S1—S7）、毗河（S8—S11）、西江河（S12—S20）、府河（S21—25）以及蒲江河（S26—S31）等5 條小流域設置采樣點共計31 個。采樣點具體分布位置詳見圖1。水樣均采集表層水面以下0.3—0.5 m 處，置于1 L 棕色玻璃瓶內，同時每個點在同一位置設置一個平行水樣，共計62 個水樣。于當日運回實驗室存于4 ℃冰箱，48 h 內完成前處理。

圖1 采樣點示意圖Figure 1 Schematic diagram of the sampling points

采用0.45 μm 玻璃纖維濾膜對采集的水樣進行過濾，以除去水樣中大顆粒物質，后加入0.025 g Na2EDTA 和50 ng 的內標。利用Vac Elut SPS 24 真空萃取裝置對樣品進行富集。先后用10 mL 甲醇、10 mL 超純水分兩次預淋洗活化HLB 小柱，使用抽濾裝置控制流速，保持速度在3—5 mL·min-1，直至水樣完全通過HLB 柱。萃取結束后，使用抽濾裝置繼續將HLB 柱抽至完全全干燥，后用10 mL 甲醇對HLB 柱進行洗脫，收集洗脫液于試管中，在30 ℃下將洗脫液氮吹至0.5 mL，再用甲醇定容至1 mL，于-20 ℃低溫冰箱保存待測。

1.3 儀器分析條件

采用高效液相-三重四級桿液質聯用儀對處理后的樣品進行分類測試。色譜條件：流速0.25 mL·min-1；進樣量為5 μL；柱溫40 ℃。流動相A：體積分數為0.1%的甲酸水溶液。B：純甲醇。采用的流動相梯度為：0—2 min 20% B，2—8 min 80%B，8—10 min 20% B。質譜條件：采用電噴霧（ESI）離子源正離子模式掃描，多反應離子（MRM）掃描目標化合物；電離電壓3 500 V；鞘氣壓力40 kPa；輔助氣壓力8 kPa；離子源溫度350 ℃。目標化合物信息以及質譜參數見表1。

表1 不同水期抗生素檢出率、質量濃度范圍以及平均值Table 1 Detection rate, mass concentration range, and average value of antibiotics in different water stages ng·L-1

1.4 方法回收率及精密度

采用內標法定量進行分析，每個點位同時測定其平行水樣，且每隔12 個樣品對100 μg·L-1的標樣進行一次測定，以保證儀器性能的準確性。以目標化合物響應值與內標物CIP-d8、TC-d6 響應值之比作圖，得出標準曲線，標準曲線在1—400 μg·L-1，范圍內線性關系良好，相關系數R2均大于0.998。另外設置空白、空白加標和基質加標實驗，實保證實檢測方法的可行性和準確性，采用與水樣相同的方法分析空白加標和基質加標樣，每個樣品設置3個平行，結果顯示，25 種抗生素的回收率在60.9%—115%之間，標準偏差RSD 為7.62%—12.7%，以S/N≥3 倍信噪計算方法檢出限為0.22—0.41 ng·L-1。

2 結果討論

2.1 研究區地表水中抗生素的賦存水平

對成都市研究流域中25 種抗生素進行測試，結果表明，研究流域水體中抗生素廣泛存在，16 種抗生素均有不同程度的檢出（其中四環素類4 種，喹諾酮類12 種），所有抗生素檢出濃度水平均處于ng·L-1級。25 種抗生素在不同水期的檢出率、濃度范圍以及平均值如表1 所示。由表可知，不同種類的抗生素在不同水期的濃度水平存在一定差異，各采樣點檢出抗生素質量濃度范圍介于ND—642 ng·L-1間（ND 表示未檢測到），四環素類抗生素的檢出質量濃度范圍為ND—158 ng·L-1，平均為65.6 ng·L-1，最高的是DC，為25.9—158 ng·L-1，其次是MTC 和TC；喹諾酮類抗生素的檢出質量濃度范圍在ND—642 ng·L-1之間，平均為245 ng·L-1，最高的是FLE，為31.1—642 ng·L-1，其次是OFL 和MAR。在檢測的25 種抗生素中，OFL 和FLE 檢出濃度最高，分別高達384 ng·L-1和642 ng·L-1，分別位于毗河流域的S11 以及西江河流域的S15 采樣點，且濃度最高值均出現在枯水期。

豐水期中，FLU、TC 和OFL 的檢出率均高于60.0%，最高的為FLU，高達90.3%，其次為TC，為87.1%；枯水期中，MTC、TC、FLU 和OFL 的檢出率均高于50.0%，TC 檢出率最高，為77.4%，其中，OFL、FLU 和TC 在兩個水期檢出率均比較高，推斷采樣點附近可能存在持續性的輸入來源；其余12 種抗生素的檢出率在6.45%—32.3%之間。

2.2 研究區地表水中抗生素的時空分布特征

環境中抗生素的濃度及空間分布特征與其消耗量、使用頻率和環境因子等多因素有關。各采樣點不同水期抗生素濃度分布如圖2 所示。由圖2 和表1 可知，豐水期檢出率略高于枯水期，枯水期檢出率較高的有四環素類的TC（77.4%）和MTC（58.1%），喹諾酮類的OFL 和FLU（54.8%）；而豐水期檢出較高的四環素類僅有TC（87.1%），喹諾酮中的FLU 和OFL 在豐水期檢出率均較高，分別為90.3%和61.3%。從檢出濃度分析，喹諾酮類為兩個水期中主要的污染物，枯水期和豐水期的平均質量濃度分別為138 ng·L-1和18.5 ng·L-1；枯水期檢出濃度最高的是FLE 和OFL，質量濃度范圍分別介于31.1—642 ng·L-1和8.88—384 ng·L-1間；平均質量濃度為245 ng·L-1和73.8 ng·L-1，濃度相對較高的采樣點為S15 和S30；豐水期檢出濃度最大的是OFL 和DCTC，質量濃度分別介于0.340—141 ng·L-1和3.34—111 ng·L-1之間，平均質量濃度為11.9 ng·L-1和40.2 ng·L-1，濃度相對較高的采樣點為S24 和S25。且枯水期濃度遠大于豐水期，一方面可能是因為四環素和喹諾酮通常用于牲畜或家禽預防和治療大多數呼吸道感染和腹瀉，在秋季甚至冬季，動物更容易受到這些疾病影響，從而導致使用量增加，另一個方面在豐水期水流量較大，溫度較高，會加劇抗生素的遷移和降解速率（Loftin et al.，2008）。結合表1 和圖2 分析，喹諾酮類的檢出率和檢出濃度都略高于四環素類，這是由于喹諾酮類主要用于人類疾病治療，醫療用量較大（李士俊等，2019），此外，天然水體中的大部分喹諾酮抗生素對水解不敏感且生物降解過程受硝化過程共代謝的影響較大（Van et al.，2014；張亞茹等，2021）；而TCs 類抗生素屬于酸堿兩性化合物，在酸性或堿性環境中均不穩定（陳亞君，2020；Wang et al.，2019），也有研究發現TCs 類抗生素具有很高的吸附性，尤其在酸性條件下，更容易被顆粒物吸附（Sassman et al.，2005；張晶晶等，2021），使得TCs 類抗生素的檢出較喹諾酮低。

抗生素總量在不同水期的累計質量濃度分布如圖3 所示，濛陽河（S1—S7）質量濃度范圍為ND—68.47 ng·L-1，毗河（S8—S11）為ND—156.7 ng·L-1，西江河（S12—S20）為ND—642.8 ng·L-1，府河（S21—25）為ND—141 ng·L-1以及蒲江河（S26—S31）為ND—384 ng·L-1。研究流域抗生素的分布具有一定的空間差異性，5 條研究流域中抗生素的質量濃度累積依次為西江河＞蒲江河＞府河＞毗河＞濛陽河。

圖3 各點位枯水期和豐水期抗生素累計質量濃度分布Figure 3 Accumulated mass concentration distribution of antibiotics at each point

西江河流域累積質量濃度遠高于其余流域，該流域S15 為所有點位中累計濃度最高的點位，高達814 ng·L-1，采樣點附近存在農業產業園以及少量的汽車零件工業園，同時周圍有大面積的農業種植以及個別魚類養殖，污水通過地表徑流入河造成水環境的污染，加之該流域地處成都東部地區，人口密集，主要以汽車產業和農業種植為主，且還存在部分污水收集未完全納入管網，加之來自上游的累積以及周邊環境影響，導致其濃度僅次于西江河；府河流域主要流經成都市主城區，人口眾多，抗生素濃度受人為活動影響較大，其中S25 抗生素累計濃度最高，為244 ng·L-1；毗河流域累計濃度最高的點出現在S11，為210 ng·L-1，采樣點位于成都市郊區，附近農田較多，加之該區域緊鄰主城區，多為鄉鎮，人口活動較為頻繁，沿岸主要以農業種植為主，部分抗生素隨雨水沖刷入河；濛陽河相較于其余河流地勢較為偏僻，人口稀少，相對應抗生素的使用量也較少，本文檢測結果也證實了該判斷，該流域最高檢測質量濃度為163 ng·L-1，位于S3 點位，此點主要污染來源于農業種植。因此，根據研究結果推測，農業種植、養殖廢水和生活污水可能為成都市研究流域中抗生素污染的主要來源，且受人為活動影響較大。

在研究的31 個點位中，僅S31（位于蒲江河）在枯水期中未檢測到目標抗生素，此外，其余點位在兩個水期均有不同種類的抗生素檢出。結合圖2可知，豐水期累計濃度最高的點位于府河流域的S24 和S25，分別為155 ng·L-1和115 ng·L-1，貢獻最大的抗生素是OFL 和DCTC，貢獻率均高達90.0%以上，其余點位相對較低，累計質量濃度均小于20.0 ng·L-1，因府河流域地處成都市人口密集區域，河流流經市區，沿岸多為居民區，部分生活污水收集不完全以及雨水對生活垃圾、地面塵土等面源沖刷，一定程度上導致抗生素濃度的增高（Zhou et al.，2013）?？菟谥形挥谖鹘拥腟15和蒲江河的S30 累計濃度最大，分別為806 ng·L-1和413 ng·L-1，其中喹諾酮類的FLE 和OFL 為主要的污染物，質量濃度分別為642 ng·L-1和384 ng·L-1，貢獻率為79.7%和93.2%，這兩種抗生素屬于人畜共用藥，同時采樣點附近鄉鎮聚集，部分村名圍網養殖，向水中投放飼料和抗菌藥等，這有可能是因為雨水沖刷把沿岸養殖的抗生素環境殘留沖入河流中導致這兩種藥物的檢出濃度較高的原因（Zhou et al.，2013）；蒲江河流域中的S30 為所有點位中累計濃度最小的點，僅為0.810 0 ng·L-1，該點遠離鄉鎮，附近人口活動較少，且無明顯農業種植地，抗生素無明顯來源途徑。

2.3 與國內其他地區河流和湖泊比較

由于大量抗生素通過各種途徑不斷的進入水體環境，我國眾多河流水體中已檢測到不同種類抗生素存在，并且質量濃度差異較大。與國內其他地區地表水和湖泊水體抗生素濃度相比（表2），水體中抗生素污染程度最高的河流是北京清河流域（高麗等，2014），為45.3—3.82×103ng·L-1，最低的是賽里木湖（張亞茹等，2021），為ND—32.5 ng·L-1。成都市地表水流域中四環素類抗生素低于我國蘇州市水體（楊俊等，2019）、袁河（李佳樂等，2022）以及珠江流域（Li et al.，2018），與黃浦江（Jiang et al.，2011）抗生素檢出濃度相當，高于其余對比流域。喹諾酮類抗生素檢出濃度低于珠江、青獅譚（莫苑敏等，2019）以及清河流域，遠高于渾河（盧正山，2020）以及黃浦江。對比結果表明，不同種類的抗生素在不同水體中的含量分布具有一定的地域性差異，這可能與當地人口數量，經濟水平以及環境行為有關（Ma et al.，2015）。成都市研究流域中抗生素的殘留水平與國內其他流域水體相較而言，研究流域中四環素類和喹諾酮類抗生素的最高檢出濃度均低于國內大部分河流，抗生素濃度水平處于中等水平。

表2 國內不同地區水體中抗生素殘留水平Table 2 Antibiotic residue levels in different domestic regions ng·L-1

3 生態風險評價

對于抗生素的污染濃度，目前還沒有一個環境標準來進行規范，本文研究參照歐洲技術委員會的指導文件（EC，2003）。風險熵值（risk quotient，RQ）可用于評價水環境中抗生素的潛在風險水平。風險熵值通常是由藥物殘留的預測環境濃度（MEC）和預測無影響濃度（PNEC）的比值來確定。計算公式詳見式 (1)、式 (2)和式 (3)。

式中：

ρm(measured environmental concentration)——實際測定濃度；

ρn(predicted no effectconcentration，PNEC)——無效應濃度，ng·L-1；

ρLC,50(median lethal concentration，LC50)——半數致死濃度，ng·L-1；

ρEC,50(median effective concentration，EC50)——半數有效濃度，ng·L-1；

fa(assessment factors，AF)——評價因子。

為了方便計算。其中PNEC 值通過已發表文獻獲得（Park et al.，2008；Benoǐt et al.，2009；Luo et al.，2011；Ma et al.，2015；趙騰輝等，2016；Liu et al.，2018；趙富強等，2021）。根據查閱到的毒性數據，對選取的成都市地表水流域中比較有代表性的9 種抗生素進行環境風險評估，毒性數據詳見表3。通過急性毒性值LC50和EC50與評估因子AF 來計算,通常AF 取1 000。當RQ≥1，存在高風險，即污染物暴露會給水體生態環境帶來危害；當0.1≤RQ＜1，存在中風險，即污染物暴露會對水體生態環境帶來潛在危害；當RQ＜0.1，存在低風險，即污染物濃度對水體生態環境無害。

表3 9 種目標抗生素的ρn值Table 3 The ρn values of the nine target antibiotics

盡管抗生素對魚類等較高等動物來說處于低風險水平，但對一些低等生物來說卻具有較高的風險，而且抗生素低劑量長期暴露在水體環境中，可使這些生物產生耐藥性，進而影響抗生素對人類的治療效果,所以對水環境中抗生素的生態風險評價就顯得十分重要。據文獻報道（Cleuvers，2003，2004），當多種抗生素共同存在于水環境中時，抗生素之間可能存在協同作用以增加對環境的生態風險。因此，本研究采用疊加模型計算其毒性風險熵（RQsum)（Quinn et al.，2008），以此反映不同流域抗生素殘留對環境的的生態風險情況。研究流域豐水期和枯水期的風險熵結果詳見表4 和表5。

表4 豐水期研究流域水體中抗生素風險熵Table 4 Antibiotic risk entropy in water waterments

表5 枯水期研究流域水體中抗生素風險熵Table 5 Antibiotic risk entropy in water basin

濛陽河流域水體中，9 種抗生素豐水期的RQ均低于0.1，無明顯生態風險水平；枯水期中DC 和ENR 抗生素的RQ 高于0.1 但低于1，處于中等風險水平，LOM 和NOR 抗生素的RQ 均大于1，對生態環境存在較高的危害。毗河流域水體中僅OFL在枯水期表現為中等風險水平，其余抗生素RQ 均低于0.1，表現為無明顯生態風險水平。西江河流域中，抗生素僅在枯水期表現生態風險，其中DC、ENR 和OFL 抗生素RQ 高于0.1，LOM 和NOR 抗生素的RQ 均大于1，對生態環境存在危害風險。錦江流域水體中僅OFL 和DC 分別在豐水期和枯水期RQ 高于0.1，處于中風險水平，其余抗生素對水體均表現為無風險。蒲江河流域水體中，豐水期抗生素對水環境無生態風險，但OFL 和DC 的RQ 高于0.1 以上，處于中高風險水平，對水體環境存在較高程度的危害。

從風險熵疊加結果RQsum可以看出，不同水期水環境中殘留的抗生素對流域生態環境的危害有所差異，枯水期加和風險值遠高于豐水期，對水體存在高風險危害。濛陽河、西江河和蒲江河流域較其余兩條流域的疊加風險水平高，其RQsum均高于1.5 以上，尤其是西江河及濛陽河，RQsum高達4.50，對生態環境存在較高的危害，應該引起重視。

3 結論

1）通過兩個水期的采樣，成都市研究流域中共檢出16 種抗生素，質量濃度介于ND—642 ng·L-1間，檢出率在0—90.3%之間；豐水期檢出率最高的是FLU 和TC，分別為90.3%和87.1%；枯水期檢出最高為四環素，為77.4%。

2）時空分布結果顯示，枯水期累積濃度遠高于豐水期。在研究的25 種抗生素中，OFL 在兩個水期中貢獻率均比較大，占比均高于90%。其中位于西江河流域的S15 為所有研究流域中累計濃度最大的點，質量濃度高達814 ng·L-1，最小的點也位于該流域，僅0.810 ng·L-1。研究結果顯示，整體上，抗生素的濃度隨著不同水期、不同地域和采樣點周圍環境的變化存在一定的差異性，人口密集、農業種植較為廣泛的采樣點抗生素的殘留濃度顯著高于無明顯人為活動地區的污染濃度，由此反映出研究流域中抗生素的污染主要受人為活動和農業種植影響較大。與國內其他水體比較，成都市研究流域中抗生素殘留水平處于中等水平。

3）枯水期生態風險高于豐水期，枯水期LOM和NOR 在濛陽河及西江河流域、DC 在蒲江河流域中的RQ 均大于1，抗生素加和風險RQ≥0.1，持中高風險水平。這表明成都市研究流域中抗生素的使用較為普遍且對生態環境存在一定的潛在危害，因此，應適當采取措施控制水環境抗生素污染。但是，目前國內對于抗生素的使用和排放的監管還沒有明確的法規，因此，成都市地區的地表水抗生素的檢出所反映出的水環境安全問題需要持續關注。