辽宁省生态清洁小流域抗生素监测及生态风险评估
时间：2023-02-21 23:25:03 来源：千叶帆 本文已影响人
付晓燕，李翔宇，杨萌，王迎春，李振国，刘莲莲，张旭鸿，李志远
(1.辽宁省大连生态环境监测中心，辽宁 大连 116023；
2.大连市生态环境事务服务中心，辽宁 大连116023；
3.上海爱博才思分析仪器贸易有限公司，上海 100015)
生态清洁小流域是将水资源保护、面源污染防治、农村垃圾及污水处理等治理措施综合到一起的一种新型小流域综合治理模式。生态清洁小流域建设以小流域为单元，以水源保护为中心，以控制水土流失和面源污染为重点，坚持山、水、田、林、路、村、固体废弃物和污水排放统一规划，预防保护、生态自然修复与综合治理并重[1-3]。
抗生素作为一类新兴的水质污染物，广泛存在于各类水体中。抗生素是用于治疗各种非病毒感染的药物。按照其化学结构，抗生素主要分为磺胺类抗生素、喹诺酮类抗生素、β-内酰胺类抗生素、四环素类抗生素、大环内酯类抗生素、氯霉素类抗生素等[4-6]。抗生素的过量使用会导致病原微生物产生耐药性，使得抗生素能杀死细菌的有效剂量不断增加。低剂量的抗生素长期排入环境中，会造成敏感菌耐药性的增强。并且，耐药基因可以在环境中扩展和演化，对生态环境及人类健康造成潜在威胁。除了能引起细菌的抗药性，抗生素对其他生物及人类也可能产生一定的毒性[7-10]。因此，生态清洁小流域建设对抗生素污染及治理的研究迫在眉睫[11-12]。
为评估人为活动和畜禽养殖排放等因素对小流域造成的抗生素生态风险，有效防治小流域面源污染，切实改善农村环境质量，现以辽宁省生态清洁小流域的6个代表性水域为研究区域，于2021年开展小流域抗生素污染调查，摸清抗生素污染水平、组成特征及污染状况，评价生态清洁小流域抗生素生态风险，为多方位开展项目实施综合效益评价增加新污染物控制指标，为改善小流域水体环境质量提供技术支撑和数据支持，为生态清洁小流域综合治理和抗生素污染防治提供科学依据与数据参考。
1.1 监测时间
2021年10月。
1.2 监测点位
根据辽宁省生态清洁小流域种类、规模、地表水分布情况，共选取6个典型生态清洁小流域作为代表区域，分别为抚顺市项目区LY01、铁岭市项目区LY02、鞍山市项目区LY03、阜新市项目区LY04、朝阳市项目区LY05和盘锦市项目区LY06，共计14个监测点位，涉及湖库和河流的上中下游，具体见图1。
图1 生态清洁小流域抗生素污染监测点位示意
1.3 仪器、材料及试剂
仪器、材料：高效液相色谱-三重四极杆线性离子阱串联质谱仪(QTRAP© 6500+ LC-MS/MS，美国AB SCIEX公司)；
Proshell 120 EC-C18色谱柱(3 mm×100 mm×2.7 μm,美国安捷伦公司)；
Milli-pore 纯水处理装置(美国Millipore公司)。亲水聚四氟乙烯(PTFE)微孔滤膜(0.22 μm，上海安谱公司)。
试剂：抗生素标准品氯霉素类：氟苯尼考(FFC)、氯霉素(CAP)；
大环内酯类：罗红霉素(ROX)、红霉素(ERY)、脱水红霉素(ERY-H2O)、替米考星(TIC)；
喹诺酮类：氧氟沙星(OFX)、诺氟沙星(NOR)、环丙沙星(CIP)、恩诺沙星(ENR)、培氟沙星(PFLX)；
四环素类：土霉素(OTC)、金霉素(CTC)、四环素(TC)、强力霉素(DC)；
磺胺类：磺胺甲噁唑(SMX)、磺胺甲基嘧啶(SMZ)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺间甲氧嘧啶(SDM)、磺胺二甲嘧啶(SM2)、甲氧苄胺嘧啶(TMP)；
β-内酰胺类：阿莫西林(AMX)；
均购自百灵威科技有限公司，均为固体标准品，纯度均大于99.0%。乙腈(色谱纯)购自德国Merck 公司；
甲酸(色谱纯)购自国药集团药业股份有限公司。
1.4 样品采集
1.5 仪器分析条件及方法
1.5.1 液相色谱条件
流动相：A为0.1%(V/V)甲酸水溶液，B为0.1%(V/V)甲酸乙腈；
流速：0.8 mL/min，进样体积：500 μL。流动相梯度洗脱程序：0～1.5 min，10%B到 30%B；
1.5～3.0 min，30%B到40%B；
3.0～4.5 min，40%B到90%B；
90%B保持0.5 min；
5.0～5.1 min，90%B到10%B；
10%B保持2.5 min。
1.5.2 质谱条件
离子源：电喷雾电离(ESI)源，正/负离子切换模式；
离子源温度：600 ℃；
多反应离子监测(MRM)模式；
离子喷雾电压：2 500～4 500 V；
气帘气 (CUR)压力：30.0 kPa；
喷雾气(GS1)压力：45.0 kPa；
辅助加热气(GS2)压力：45.0 kPa。
1.6 质量控制
22种抗生素定量标准曲线的浓度范围包括1.0，5.0，10.0，20.0，50.0，100，200 ng/L，线性相关系数r>0.995。样品的最低检测限(LOD)以3倍信噪比(S/N)来计算，22种水中抗生素的方法检出限为0.3～1.2 ng/L。采用外标法对样品进行定量分析。
调查样品共14个，设置20%平行样，共进行2个空白加标及3个样品加标，结果表明，平行样相对偏差(RSD)<6.7%，加标回收率在86.8%～103%。
1.7 生态风险评估方法
本研究选择Hernando等[13]提出风险商值法进行生态风险评估，对于在水环境中已存在的污染物，用环境监测浓度(MEC)进行生态风险评价。药物残留在水体环境中的生态风险可以根据风险商值(RQ)来评价。
“六个环节”指的是“巧抛问题、引导探究、互动解疑、点拨指导、展示点评、巩固提升”，并且这六个教学环节环环相扣，构成一个有机的整体。
RQ=MEC/PNEC
(1)
PNEC=LC50/AF
(2)
或PNEC=EC50/AF
(3)
式中：RQ——风险商；
MEC——污染物实际质量浓度，ng/L；
PNEC——预测无效应浓度，ng/L;LC50——半致死浓度，ng/L；
EC50——最大半效应浓度，ng/L；
AF——评价因子。
22种抗生素的PNEC值见表1。
RQ的评价标准为：当RQ≥1，该区域污染处于高风险状态；
0.1≤RQ<1.0，处于中等风险状态；
RQ<0.1，处于低风险状态。对于生态风险的高低，本研究的分类方法为低、中、高风险，该方法也是国内外最为通用的分类方法。
表1 22种抗生素的PNEC值[14-17] ng/L
2.1 生态清洁小流域抗生素的赋存情况
6个小流域设置的14个点位中共检出抗生素8种，分别是SMX、ROX、ERY-H2O、TIC、NOR、TMP、FFC和OFX。8种抗生素的总质量浓度范围为0.013～0.313 μg/L，平均值为0.072 μg/L。各点位抗生素总浓度水平见图2。图2中每条柱子高度代表下方点位抗生素总浓度水平。
图2 各点位(流域)抗生素总质量浓度水平
由图2可见，抗生素总浓度最高的小流域是LY06项目区，抗生素总质量浓度为(0.118±0.169) μg/L，其次是LY02项目区，抗生素总质量浓度为(0.100±0.120)μg/L。其他4个小流域抗生素总质量浓度水平相当，最低的是LY04项目区，总质量浓度为0.015 μg/L。
生态清洁小流域水体中抗生素的质量浓度与检出率见表2。由表2可见，抗生素的质量浓度检出范围为ND～198 ng/L，平均值为0～22 ng/L，检出率范围为0%～100%。检测出的抗生素中，罗红霉素(ROX)的质量浓度最高，检出率最高的是磺胺甲噁唑(SMX)。
表2 生态清洁小流域水体中抗生素的质量浓度与检出率(n=14)(1)ND代表未检出。
ng/L
本研究共调查6个生态清洁小流域6类22种抗生素，与国内其他河流抗生素调查对象相比[16-21]，由于抗生素种类不同、抗生素单体种类及数量不同、点位数量不同等原因，不能准确的比较其与各河流抗生素质量浓度的高低，因此与国内其他河流抗生素污染情况作比较(表3)。由表3可见，生态清洁小流域抗生素平均质量浓度均低于辽河流域、珠江、邕江、清河和海河流域 。
表3 国内其他河流抗生素种类及质量浓度水平 ng/L
2.2 生态清洁小流域抗生素的组成特征
各点位抗生素组分的占比见图3。由图3可见，检测出的8种抗生素中，组分占比最多的是SMX，其在14个点位中均被检出，占比为4.6%～100%，平均占比为72.7%。有9个点位中SMX的占比为100%。其次是ROX，在4个点位中均被检出，占比为0%～70.0%，平均占比为9.8%。第3位是TIC，在2个点位中均被检出，占比为0%～83.5%，平均占比为7.2%。第4位是FFC，在3个点位中均被检出，占比为0%～57.8%，平均占比为5.4%。其余抗生素的平均占比均不足5%。
图3 各点位抗生素组分的占比
14个采样点位抗生素的组成整体比较简单，绝大多数点位以SMX为单一组成物质。组成相对复杂的点位出现在TL0103、CY0201、PJ0103(检出的抗生素种类均为5种)和PJ0102(检出抗生素种类为4种)。从抗生素浓度水平来看，LY06项目区和LY02项目区为2个抗生素总浓度较高的小流域，其点位PJ0103、TL0103的抗生素的组成也相对复杂。对于LY06项目区，除了SMX外，OFX和TIC浓度也有相对较高，而对于LY02项目区，与LY06项目区相似的是检出的SMX和TIC浓度相对较高，不同的是，LY02项目区采样点中还检测出了较高浓度的FFC。
2.3 生态清洁小流域抗生素污染来源分析
生态小流域中抗生素污染情况复杂，通过与文献报道中生活污水及畜禽养殖(猪、牛等)废水常检出抗生素类型进行比对分析，结合现场调查及抗生素组成进行溯源分析，污染来源主要为小流域附近小型规模化养殖场废水、农村散养区粪污及生活污水未采取处理措施排放导致。又由于养殖种类不同造成抗生素种类有所不同，畜禽养殖废水和生活污水可以引入更多种类的抗生素进入水体。生态清洁小流域与国内北方其他河流中抗生素检出种类相似[16-21]。
2.4 抗生素生态风险评估
6个项目区地表水中检出抗生素的生态风险评估结果见图4。由图4可见，有4种抗生素的RQ≥1，分别是罗红霉素、脱水红霉素、诺氟沙星和磺胺甲恶唑，说明存在高风险；
有2种抗生素0.1RQ<1，分别是替米考星和氧氟沙星，说明存在中风险；
其他种类抗生素均为低风险。
图4 抗生素生态风险评估结果
不同类型抗生素RQ单因子评价显示，CY0201和PJ0103点位，属于抗生素高生态风险区域；
其余点位均属于中、低生态风险区域。
(1)6个小流域中共检出抗生素8种，总质量浓度范围为0.013～0.313 μg/L，平均值为0.072 μg/L。检测出的抗生素中，质量浓度最高的是ROX，检出率最高的是SMX。抗生素总质量浓度最高的小流域是LY06项目区，其次是LY02项目区。总体来说，6个小流域的抗生素浓度远低于我国大部分河流和流域。
(2)抗生素检出种类主要为磺胺类和大环内酯类，各点位抗生素组分占比排序为：SMX>ROX>TIC>FFC，其余抗生素的平均占比均不足5%。
(3)抗生素的主要来源是畜禽养殖和生活污水。项目区内存在畜禽养殖抗生素使用缺乏科学的指导、不合理运用的情况，同时畜禽养殖废水、生活污水均未经完全处理就直接排放，造成了抗生素污染。
(4) ROX、ENR-H2O、NOR和SMX存在高风险，其余种类抗生素呈现中、低风险。CY0201和PJ0103点位，属于抗生素高生态风险区域。生态清洁小流域水体中暴露出的抗生素生态风险不容忽视，亟待进一步探究环境风险，摸清抗生素来源并采取有效的防治措施。
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