赵腾辉，陈奕涵，韩巍，何义亮*

1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.中日友好环境保护中心水专项管理办公室，北京 100029

东江上游典型抗生素污染特征及生态风险评价

赵腾辉1，陈奕涵1，韩巍2*，何义亮1*

1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240；2.中日友好环境保护中心水专项管理办公室，北京 100029

近年来水体中不断被检出抗生素，但在饮用水源地中对抗生素的污染状况研究很少。为了探讨东江上游水体中典型抗生素的污染特征及潜在的生态风险，利用固相萃取（SPE）及液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，分别在时空尺度上测定了6类典型抗生素（磺胺类、喹诺酮类、β-内酰胺类、大环内酯类、四环素类、林可霉素类）的含量水平，并采用风险商法对其进行生态风险评价。结果表明：东江上游水体中被检测出的12种抗生素中，绝大部分检出率都较高，整体质量浓度范围在nd（未检出）～69.9 ng∙L-1，其中平均质量浓度最高的3种抗生素分别是四环素（32.24 ng∙L-1）、诺氟沙星（27.84 ng∙L-1）、氧氟沙星（24.54 ng∙L-1）。在时空分布上，东江上游干流抗生素的浓度主要受地表径流产生的面源污染影响，部分地区受到支流汇入的影响较大。与国内河流中抗生素的含量水平相比，东江上游抗生素浓度整体处于中等偏低水平，其中四环素和泰乐菌素相对偏高。抗生素与常规指标的相关性分析表明，抗生素大部分种类的浓度与有机物污染呈正相关，并且其含量水平受到环境因素的制约和影响。风险商法得出的生态风险评价结果表明，诺氟沙星和青霉素G存在较高风险，磺胺嘧啶、泰乐菌素、强力霉素、氧四环素和林可霉素达到了中等风险，整体上存在一定的生态风险。

东江上游；抗生素；污染特征；生态风险评价

中国是抗生素的生产和使用大国，据调查显示，我国2013年的36种抗生素的总使用量达到了92700 t，其中约有53800 t进入到环境中，给生态环境造成了巨大的压力（Zhang et al.，2015）。微量的抗生素会干扰微生物的正常生长代谢，对食物链上各级生物产生毒性效应，破坏生态环境的稳定性（Park et al.，2008），更会诱导抗生素抗性基因的产生，对环境生态和人类健康造成威胁（Chee-Sanford et al.，2009）。东江上游作为东江水资源的主要补给渠道，抗生素含量的数据比较缺乏。因此，科学合理地分析及评价东江上游的抗生素污染状况，具有重要的现实意义。

目前较为先进的抗生素分析方法是SPE及LC-MS/MS技术。蒋昊余等（2015）及陆克祥等（2010）分别利用其检测分析了北江及黄浦江的抗生素污染状况。近年来，已在河流、污水处理厂、水产养殖厂及医疗废水中检出了不同程度的抗生素残留（章强等，2014）。随着抗生素污染的加重，对水源地的研究和保护也受到了越来越多的重视。胡冠九等（2015）分析了南京典型县区饮用水源抗生素含量特征。抗生素作为一种痕量的有机污染物，其含量在时空上的迁移转化规律也是一个重要的研究课题。朱婷婷等（2014）分析了5类典型抗生素在深圳铁岗饮用水源地型水库中的污染特征，认为当地枯水期抗生素浓度高于丰水期。随着数学方法在环境中的应用日益广泛，目前已有很多研究者利用多元统计分析方法来研究有关环境的问题。目前环境污染物的生态风险评价主要的方法有毒性当量法、毒性中低值法和风险商法。其中风险商法常用于抗生素和其他药物的风险评价。Lee et al.（2008）使用风险商法对韩国水环境中抗生素的生态风险进行了评估。

本文针对东江上游流域，在3个典型水文期共采集了18个水样，利用SPE及LC-MS/MS技术，分别对磺胺类、喹诺酮类、β-内酰胺类、大环内酯类、四环素类及林可霉素类等12种典型抗生素进行了含量检测，进而探讨了抗生素浓度在时空上的变化规律；采用相关性分析法进行分析，寻找抗生素的污染特征规律，并用风险商法对其进行生态风险评价，以期为后续东江水源地的生态环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

TSQ Quantum液质联用仪（ESI源，美国Thermo Fisher Scientific公司）；色谱柱（2.1×50 mm，1.8 μm）（美国Agilent公司）；Poly-Sery HLB SPE Cartridge（200 mg，6 mL）、0.22 μm水相过滤膜（上海安谱科学仪器有限公司）；12管固相萃取装置；GM-O.33A型真空泵、砂芯漏斗（天津津腾实验设备有限公司）；85-2型快速混匀器（上海司乐仪器有限公司）；N-EVAP11155氮吹浓缩仪（美国Organomation公司）。

磺胺嘧啶（SDZ）、磺胺间甲氧嘧啶（SMM）、诺氟沙星（NFX）、环丙沙星（CFX）、氧氟沙星（OFX）、头孢氨苄（LEX）、青霉素G（PEN G）、泰乐菌素（TYL）、氧四环素（OTC）、四环素（TC）、强力霉素（DC）、林可霉素（LIN）标准品；回收率指示物环丙沙星-d8（CFX-d8）、阿莫西林-d4（AMX-d4）、磺胺嘧啶-d4（SDZ-d4）标准品；上机内标诺氟沙星-d5（NFX-d5）标准品(加拿大TRC公司)；甲醇、乙腈（色谱纯，上海安谱科学仪器有限公司）；乙二酸四乙胺二钠盐（EDTA-2Na）、盐酸、甲酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。所有抗生素标准品用甲醇预溶并定容，配成1000 mg∙L-1的单标储备液，并置于-20 ℃中避光保存。

1.2 样品采集及预处理

分别于2015年7月（丰水期）、2015年11月（枯水期）及2016年3月（平水期）在东江上游流域采样，包括枫树坝水库出水——S1（河源市龙川县枫树坝桥）；东江干流控制断面；S2（河源市龙川县东江二桥）；S3（河源市东源县蓝口大桥）；S4（河源市东源县新河大道）；新丰江水库出水S5（河源市源城区珠河大桥）；省界断面——S6（惠州市博罗县观音阁）。共设置6个采样点（图1），采集18个水样。采集距水面约0.5 m处水样，调节pH为3，并立即放入保温箱，保持4 ℃低温，运回实验室，48 h内完成前处理。

取1 L水样通过0.22 μm水相滤膜，过滤后水样（1 L）分别加入0.5 g EDTA-2Na，再加入50 μL质量浓度为1 mg∙L-1的回收率指示物（CFX-d8、AMX-d4、SDZ-d4），混匀。进行HLB柱活化：10 mL甲醇+10 mL Milli-Q水（pH=3.0），各活化3 min。然后水样过HLB柱，时间约3～5 h。水样抽完后，向小柱加入5 mL超纯水（5%甲醇），驻留3 min，淋洗去干扰杂质。再次，每个柱子加入10 mL Milli-Q（pH=3.0）水过柱，抽干约30 min，用10 mL甲醇洗脱，合并。最后用氮气吹干，加0.5 mL NFX-d5内标（80 mg∙L-1）定容，待测。

图1 东江上游采样点分布Fig.1 Sampling sites of the upper reaches of the Dongjiang River

1.3 抗生素检测

1.3.1 色谱-质谱条件

流动相：A相为0.1%甲酸溶液，B相为乙腈溶液，流速为0.3 mL∙min-1；进样体积为10 μL；柱温30 ℃。梯度洗脱程序：0～1.3 min，95%A；1.3～8 min，95%～60%A；8～10 min，60%A；10～12 min，95% A。电离源为电喷雾离子源正离子模式（ESI+），喷雾电压为3500 V；鞘气压力为30 kPa，辅助气压力为10 kPa，离子源温度为350 ℃，目标物母离子、子离子及碰撞能量等质谱参数详见表1。

表1 典型抗生素、回收率指示物及上机内标的串联质谱检测参数Table 1 Tandem mass spectrometric parameters for typical antibiotics, recovery indicator and internal standard substance

图2 东江上游水体抗生素含量水平Fig.2 The concentration of antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River

1.3.2 定量方法及回收率

采用NFX-d5作为上机内标并进行内标法定量，以CFX-d8、AMX-d4、SDZ-d4作为回收率指示物，分别对实验过程进行监控和校正。以纯水和东江上游水样为基底，进行加标回收实验，加标浓度为50 ng∙L-1，回收率分别在71%～122%、69%～125%。

1.4 生态风险评价方法

根据欧盟的环境风险评价方法，本文选择风险商（RQ）法来表征生态环境风险程度。

MEC为污染物实际测试浓度；PEC为污染物环境预测浓度；PNEC为预测无效应浓度。PENC等于毒性数据（LC50/NOEC或LE50/NOEC）与评估因子（AF）的比值。当采用急性毒性L(E)C50数据时，AF取值1000；当采用慢性毒性NOEC数据时，AF取100。

PNEC是表征污染物对环境中的生物无影响的浓度阀值，若RQ≥1，表明污染物对水环境中的生物存在高风险；若0.1≤RQ＜1，表明污染物对水环境中的生物存在中等风险；若RQ＜0.1，表明污染物的生态风险极低（Hernando et al.，2006）。

1.5 数据分析

采用SPSS 21.0对数据进行相关性分析。

2 结果与讨论

2.1 抗生素含量水平及时空分布

由图2可知，检测的12种抗生素中有6种检出率为100%，包括SMM、NFX、OFX、CFX、LEX、DC；LIN检出率最低，为44.4%。其中喹诺酮类（NFX、OFX、CFX）检出率全部为100%，说明此类抗生素广泛分布于东江上游地区，污染源具有持续性。喹诺酮类抗生素被广泛应用于医药行业，同时也是兽用抗生素的一种，属于我国抗生素使用量较大的一类。在所有检出的抗生素中，平均质量浓度最高的3种抗生素分别是TC（32.24 ng∙L-1）、NFX（27.84 ng∙L-1）、CFX（24.54 ng∙L-1）。四环素是十大兽用抗生素之一，在所有抗生素中被检出的平均质量浓度最高，这很可能缘于该区域内养殖污染源的不合理排放，同时还有近年来四环素被大量用于化学合成类抗生素，进入环境后需要较长降解时间的原因。NFX、CFX的平均质量浓度分别排第二和第三，与较高的检出率相对应。LIN的平均质量浓度为1.16 ng∙L-1，在所有抗生素中最低，与最低的检出率对应，印证了LIN在环境中的污染风险较小。

图3表明了东江上游抗生素浓度的时空分布。S1作为枫树坝水库出水，和下游龙川县S2处对比，抗生素总浓度没有明显变化，但下游S2中OTC的浓度有明显的降低。S3地处蓝口镇的生活区，TC浓度明显低于其他点，其他常见的兽用抗生素，如TYL、OTC、DC，检出率也较低，说明该区域受到养殖业污染的情况较轻。从S3到东源县新河大道S4处，TC浓度有一个明显的增长，说明该区域养殖污染较重。新丰江水库库区内农村聚居区域呈现以居民生活为主，种植与农家小规模养殖业并存的格局，S5作为新丰江水库出水，TC浓度保持在较高水平，而其他类抗生素总量低于东江上游其他各采样点，由此可知新丰江水库除了受到潜在养殖污染源的影响，基本保持低污染的状态。S6处于东江上游的最下端，地处惠州市观音阁，总体浓度与上游各采样点保持一致，没有污染加重的现象出现。

在时间变化上，S1、S4和S6处均呈现出丰水期整体浓度较高，这说明丰水期的大量地表径流所造成的雨水冲刷是造成抗生素污染加剧的主要原因。S2与S3在枯水期抗生素的浓度较高，可能是由于其局部上游存在支流的输入，这些支流的集水区主要属于和平县中人口较少的山区，以致降雨产生的地表径流对S2、S3处抗生素浓度的贡献被大大稀释。S5处常用抗生素并没有呈现出时间上的差异性，这可能缘于污染源本身的污染情况没有明显的季节差异。

2.2 抗生素与常规指标的相关性分析

为了研究东江上游水体中抗生素与常规指标的关系，对其进行相关性分析。

抗生素作为一种痕量的有机污染物，在水体中易发生水解、光解等各种化学反应，还受pH、溶解氧、氧化还原电位等理化指标的影响，是一个极其复杂的环境体系（Luo et al.，2011）。由表2可知，磺胺类、喹诺酮类、大环内酯类均与CODMn显著相关，CODMn是有机物污染的特征指标，说明抗生素这种痕量的有机污染物与CODMn这种传统的宏观指标具有同源性。从抗生素总浓度来看，其与浊度、氧化还原电位都有一定的相关性，说明抗生素在水环境中的含量水平受到了环境因素的影响。

图3 东江上游抗生素浓度时空分布Fig.3 The content level of typical antibiotics at temporal and spatial scope

2.3 不同地区水体中抗生素浓度比较

近年来，国内典型的河流中都有不同程度的抗生素检出，如图4所示（秦延文等，2015；林殷，2008；Liang et al.，2013；Jiang et al.，2011；Zou et al.，2011；Yan et al.，2013；Zheng et al.，2011；Chen et al.，2012）。东江上游抗生素的总体质量浓度在nd～69.9 ng∙L-1，在国内河流中属于中等偏低水平。如图4所示，东江上游SDZ的浓度偏低，小于黄浦江、渤海湾、长江口及九龙江口；OTC与PENG浓度较低，远低于其他河流；OFX、CFX、OFX、LEX、PEN G尽管检出率高，但是检出浓度均低于其他河流；CFX在不同地区都有不同程度检出，东江上游属于中等水平；TC检出浓度较高，仅低于渤海湾；TYL检出浓度较高，高于黄浦江。

表2 抗生素浓度与常规指标的相关性分析Table 2 Correlations between typical antibiotics concentration and traditional water quality index

图4 不同地区水体中抗生素浓度比较Fig.4 Comparison of antibiotics residues in water from different regions

2.4 东江上游抗生素潜在生态风险评价

通过ECOTOX毒性数据库及相关文献（Ma et al.，2015；ECOTOX Database）推算每种抗生素的PENC值，基于最坏情况考虑，选取最敏感的物种作为测试生物种。具体每种抗生素的毒性数据见表3。

表3 抗生素对应敏感物种的毒性数据Table 3 Aquatic toxicity data of antibiotics to sensitive aquatic species

由图5可知，NFX和PEN G为高风险，SDZ、TYL、DC、OTC和LIN都达到了中等风险，SMM、OFX、CFX、LEX和TC风险较小。总体上，12种抗生素中超过一半都达到了中等风险，生态风险显著。与国内不同地区抗生素浓度进行对比，发现NFX、PEN G、SDZ、OTC的浓度都偏低，但是在生态风险评价中仍然具有较大风险，说明这些抗生素在浓度很低的情况下也会对生态环境造成较大的危害，仍需给予重视。

图5 东江上游水体抗生素RQ值Fig.5 RQ for antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River

3 结论

（1）东江上游被检测出的12种抗生素中，绝大部分检出率都较高，说明该区域抗生素残留是一个普遍现象。抗生素整体质量浓度范围为nd（未检出）～69.9 ng∙L-1，其中，喹诺酮类抗生素的检出率及检出浓度都较高，存在较高风险。平均质量浓度最高的3种抗生素分别是四环素（32.24 ng∙L-1）、诺氟沙星（27.84 ng∙L-1）、氧氟沙星（24.54 ng∙L-1）。在时空分布上，东江上游干流抗生素的浓度主要受地表径流产生的面源污染影响，部分地区受到支流汇入的影响较大。

（2）在与不同地区河流抗生素浓度的对比中发现，东江上游抗生素浓度整体处于中等偏低水平，其中四环素和泰乐菌素相对偏高。

（3）抗生素与常规指标的相关性分析结果表明，抗生素大部分种类的浓度与有机物污染呈正相关，并且其含量水平受到环境因素的制约和影响。

（4）采用风险商法进行的生态风险评价结果表明，诺氟沙星和青霉素G存在较高风险，磺胺嘧啶、泰乐菌素、强力霉素、氧四环素和林可霉素达到了中等风险，整体上存在一定的生态风险。因此，应该加强东江上游污染源的监控和整顿，开展痕量有机污染物的专项治理工作。

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The Contamination Characteristics and Ecological Risk Assessment of Typical Antibiotics in the Upper Reaches of the Dongjiang River

ZHAO Tenghui1, CHEN Yihan1, HAN Wei2*, HE Yiliang1*
1.School of environmental science and engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2.Water special management office, Sino Japanese Friendship Environmental Protection Center, Beijing 100029, China

Antibiotics were detected in water in recent years, but there was little research on the contamination of antibiotics in the drinking water source.This article investigated the contamination characteristics and ecological risk of typical antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River by SPE (Solid Phase Extraction) and LC-MS/MS (Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry).The content level of the six typical antibiotics (sulfonamides, quinolones, β-lactams, macrolides, tetracyclines, lincosamides) was measured at temporal and spatial scope and ecological risk was assessed by RQ (risk quotient) method.The results showed that most of the detection rate of the 12 antibiotics detected in the upper reaches of the Dongjiang River was high, the overall mass concentration ranges were from nd (not detected)～69.9 ng∙L-1and the top three of the highest average mass concentration were tetracycline (32.24 ng∙L-1), norfloxacin (27.84 ng∙L-1), ofloxacin (24.54 ng∙L-1).In the spatial and temporal distribution, the concentration of antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River was mainly affected by non-point source pollution caused by surface runoff, and some areas were affected by tributary influx.Compared with the content of the antibiotics in domestic rivers, the concentration of antibiotics was in the medium level or slightly lower in general and the concentration of tetracycline and tylosin is relatively high.The correlation analysis between antibiotics and routine indexes indicated that the concentration of most antibiotics was positively correlated with organic pollution, and the level of antibiotics was influenced by environmental factors.The result of the ecological risk assessment by RQ method indicated that norfloxacin and Penicillin G have high risk.Sulfadiazine, tylosin, doxycycline, oxytetracycline and lincomycin had medium risk and the upper reaches of the Dongjiang River had some ecological risk as a whole.

the upper reaches of the Dongjiang River; antibiotics; contamination characteristics; ecological risk assessment

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.10.016

X52

A

1674-5906（2016）10-1707-07

赵腾辉, 陈奕涵, 韩巍, 何义亮.2016.东江上游典型抗生素污染特征及生态风险评价[J].生态环境学报, 25(10): 1707-1713.

ZHAO Tenghui, CHEN Yihan, HAN Wei, HE Yiliang.2016.The contamination characteristics and ecological risk assessment of typical antibiotics in the upper reaches of the Dongjiang River [J].Ecology and Environmental Sciences, 25(10): 1707-1713.

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07206001）

赵腾辉（1990年生），男，硕士研究生，研究方向为水污染控制。E-mail: zhaothui@163.com *通信作者，韩巍，男，助理研究员，研究方向为水污染治理。E-mail: hanwei_2002@126.com。何义亮，男，教授，研究方向为水污染控制。E-mail: ylhe@sjtu.edu.cn

2016-09-20