董 莞 莞， 何 欣， 鄭 洪 波， 張 瑛， 全 燮*， 穆 海 林

( 1.大連理工大學(xué) 能源與動力學(xué)院, 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

飲用水源作為與人體健康直接相關(guān)的水體，也不同程度受到抗生素污染．碧流河水庫是大連市主要的集中式飲用水水源，其匯水區(qū)域內(nèi)有人口約18.91萬，農(nóng)田、果園等種植面積約39.87 km2，肉雞養(yǎng)殖年存欄量近80萬只，由于抗生素在人類疾病治療和畜禽養(yǎng)殖中廣泛應(yīng)用，部分以原形通過人體和動物尿液及糞便排出體外，傳統(tǒng)的污水處理工藝無法有效去除抗生素及其代謝產(chǎn)物[13]，其水源水質(zhì)對居民飲用水安全至關(guān)重要．碧流河水庫自20世紀(jì)80年代運行以來，尚未開展過對抗生素污染狀況的全面調(diào)查．

本研究以碧流河水庫及其入庫河流為研究對象，對飲用水源中抗生素的污染狀況開展調(diào)查研究，利用LC-MS/MS法分析23種抗生素在水體和沉積物中的濃度，揭示大連市主要飲用水源的水體和沉積物中抗生素的污染現(xiàn)狀、空間和季節(jié)分布規(guī)律，以期為識別抗生素污染來源、開展抗生素污染物健康風(fēng)險評價，以及制定排放標(biāo)準(zhǔn)、進行污染防控等相關(guān)研究和管理工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

碧流河水庫位于大連市、營口市交界處的碧流河干流上，1975-10動工興建，1983-08-26落閘蓄水．水庫總庫容9.34×108m3，正常庫容7.14×108m3，死庫容0.7×108m3，壩址以上控制流域面積2 085 km2．碧流河水庫是大連市主要的集中式飲用水水源，蓄水量占大連市蓄水總量的40%以上，年供水量約占大連市區(qū)年供水總量的80%左右，涉及供水人口400余萬．

1.2 樣品采集

2014～2015年，按照豐水期(2014-08-05)、平水期(2014-10-27～2014-10-28)、枯水期(2015-04)3個采樣時間，分別對碧流河水庫庫區(qū)、碧流河、蛤蜊河、臥龍泉河、八家子河等5個采樣區(qū)域進行了樣品采集(具體見圖1)，共采集水體樣品102個、沉積物樣品69個．每個采樣點采集水樣不少于1 L，樣品采集于棕色玻璃瓶中，采樣后立即密封，所有水樣均低溫避光保存，運回實驗室后儲存于4 ℃冰箱中，1 d內(nèi)進行檢測分析．采集表層土壤和沉積物樣品，深度0～20 cm，土壤和沉積物樣品質(zhì)量不低于200 g，裝入聚乙烯PE密封袋中，低溫保存，運回實驗室后于-20 ℃冰箱中儲存．

1.3 儀器與試劑

儀器包括Agilent 2100SL液相色譜儀(Agilent，USA)；Agilent 6410B三重串聯(lián)四極桿質(zhì)譜儀(Agilent，USA)；色譜柱Xterra?MS C18(3.5 μm，2.1 mm×100 mm)；AT-280固相萃取儀(Thermol Fisher，USA)；Oasis HLB固相萃取柱(6 mL，200 mg，Waters，USA)；HGC-12A氮氣吹干儀(北京恒奧德儀器儀表有限公司)；電子天平(Max 120 g，d=0.01 mg，Sarturias，Germany)．

圖1 碧流河水庫及入庫河流采樣點位分布

甲醇(色譜純)購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；乙腈(色譜純)購自美國Sigma-Aldrich公司(Sigma-Aldrich，USA)；甲酸(分析純)購自天津天河化學(xué)試劑廠；甲酸銨(分析純)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司；鹽酸(色譜純)購自北京化工廠；實驗用超純水(18.2 MΩ·cm)取自Milli-Q純水儀(Millipore，USA)．

分別稱量抗生素標(biāo)準(zhǔn)品0.01 g，用甲醇溶解定容至10 mL，配制成濃度1 000 ng·L-1的標(biāo)準(zhǔn)儲備液，超聲溶解后置于棕色瓶中，儲存于-4 ℃冰箱中待用．

1.4 樣品前處理

水樣經(jīng)0.45 μm玻璃纖維濾膜過濾，準(zhǔn)確量取1 L水樣，加入內(nèi)標(biāo)C13標(biāo)記的磺胺嘧啶，用鹽酸調(diào)節(jié)pH為2～2.5．HLB小柱使用前依次使用10 mL甲醇、10 mL超純水和10 mL pH=2.5的鹽酸水溶液在重力作用下進行活化．采用真空抽濾泵將水樣導(dǎo)入固相萃取裝置，水樣以8～10 mL/min 的流速通過HLB小柱．上樣后，用10～20 mL超純水淋洗固相萃取柱，在真空條件下抽濾至干．用12 mL甲醇對目標(biāo)物質(zhì)進行洗脫，洗脫液收集至15 mL玻璃離心管中，在40 ℃水浴中氮吹至剩余液體約1 mL時加入1 mL甲醇淋洗管壁，繼續(xù)氮吹至近干，用0.1%甲酸-甲酸銨水溶液復(fù)溶，并定容至1 mL，待測．

土壤和沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后，研磨過60目不銹鋼篩.準(zhǔn)確稱量樣品1 g，加入內(nèi)標(biāo)C13標(biāo)記的磺胺嘧啶，使用硅藻土(Florisil60目，40 μm)填滿萃取池，在70 ℃條件下用甲醇靜態(tài)提取5 min，提取液氮吹至近干，用0.1%甲酸-甲酸銨水溶液復(fù)溶，并定容至1 mL．

1.5 樣品測定

采用高效液相色譜(Agilent 2100SL)-三重串聯(lián)四極桿質(zhì)譜(Agilent 6410B)聯(lián)用儀對樣品進行測定．目標(biāo)抗生素的極性、回收率和檢出限詳見表1．

表1 目標(biāo)抗生素極性、回收率和檢出限

色譜條件：Xterra?MS C18色譜柱(3.5 μm，2.1 mm×100 mm)，進樣體積10 μL，流動相A(水相)為0.1%甲酸-甲酸銨水溶液，流動相B(有機相)為乙腈，流速0.25 mL/min，進行梯度洗脫，洗脫總用時20 min.梯度洗脫程序：流動相B初始體積分?jǐn)?shù)為5%，在0.1 min內(nèi)升高至10%，在之后的9.9 min內(nèi)升高至60%，保持2 min，然后在0.1 min內(nèi)降低至10%，保持至20 min．

質(zhì)譜條件：采用多重選擇監(jiān)測模式(MRM)，電噴霧離子源(ESI+/ESI-)，干燥氣溫度為350 ℃；干燥氣流速為8 L/min；毛細管電壓為4 000 V；電噴霧壓力為0.172 MPa．

1.6 質(zhì)量控制

23種抗生素標(biāo)準(zhǔn)品的純度>98%，甲醇、乙腈、鹽酸為色譜純，甲酸、甲酸銨為分析純，實驗用水為超純水．使用空白對照、空白回收和平行樣提高質(zhì)量控制．以平行樣品加內(nèi)標(biāo)C13標(biāo)記的磺胺嘧啶測定目標(biāo)抗生素的回收率，范圍在58.6%～141.0%．采用外標(biāo)法進行定量分析，繪制目標(biāo)抗生素的標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線R2>0.99，線性關(guān)系良好．方法檢出限范圍0.001 8～3.6 ng·L-1，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差2.3%～12.8%．

1.7 生態(tài)風(fēng)險評估

抗生素在水環(huán)境中的生態(tài)風(fēng)險根據(jù)風(fēng)險商值(R)來評估．抗生素在水體中的R可以通過實際檢測濃度(measured environmental concentration，C)和預(yù)測無效應(yīng)濃度(predicted no-effect concentration，Cpne)的比值計算．Cpne通常可以通過半致死濃度(lethal concentration 50，LC50)或者半最大效應(yīng)濃度(concentration for 50% of maximal effect，EC50)與評價因子(assessment factor，F(xiàn)a)的比值計算．計算公式如下：

Ri=C/Cpne

(1)

Cpne=EC50/Fa；Cpne=LC50/Fa

(2)

(3)

式中：C為實際檢測濃度，ng·L-1，基于最壞情況考慮取實測抗生素濃度最大值計算；Cpne為預(yù)測無效應(yīng)濃度，ng·L-1；EC50為半最大效應(yīng)濃度，ng·L-1，LC50為半致死濃度，ng·L-1，EC50和LC50通過查詢文獻獲得；Fa為評價因子，取歐盟水框架指令推薦值1 000[14]．R為總風(fēng)險商值，采用簡單疊加法計算．根據(jù)Sáchez-Bayo等[15]提出的環(huán)境生態(tài)風(fēng)險等級分類方法，R<0.01為低風(fēng)險，0.01≤R<1為中等風(fēng)險，R≥1為高風(fēng)險．

2 結(jié)果和討論

2.1 抗生素的檢出水平

碧流河水庫庫區(qū)及其入庫河流中23種目標(biāo)抗生素的檢測結(jié)果如下．

碧流河水庫庫區(qū)及其入庫河流水體和沉積物中檢出的抗生素種類有所不同．其中，氟苯尼考和甲氧芐啶僅水體中有檢出，恩諾沙星僅在沉積物中有檢出．氟苯尼考是一種常用的獸用抗生素[16]，其在水體中高濃度的殘留可能來源于周邊區(qū)域的養(yǎng)殖廢水或投餌、投藥所攜抗生素進入水體．同時，由于氟苯尼考在呈現(xiàn)中性的天然水體中水解速度非常緩慢[17]，并且被沉積物吸附的能力較弱，導(dǎo)致其在水體中檢出濃度和檢出頻率均比較高，而在沉積物中沒有檢出．同樣地，甲氧芐啶也不易被沉積物所吸附，當(dāng)達到吸附平衡時大部分以溶解態(tài)的形式存在[18]，可能導(dǎo)致其在沉積物中的濃度低于檢出限．而與其他類別的抗生素比較而言，沉積物對氟喹諾酮類抗生素有較強吸附能力和吸附量，因此恩諾沙星更易于在沉積物中積累[18]，可能是該區(qū)域僅在沉積物中檢出恩諾沙星的原因．

2.2 抗生素的時空分布特征

從季節(jié)上看，豐水期水中抗生素檢出種類少、濃度低；土壤中抗生素檢出種類少，但濃度高．豐水期水中僅檢出4種抗生素，與平水期和枯水期比較，豐水期檢出的抗生素種類最少，抗生素總的平均濃度(5.6 ng·L-1)也最低．平水期和枯水期檢出的抗生素總的平均濃度相近，分別是21和22 ng·L-1．河流中抗生素主要有水解、光降解、生物降解和沉積物吸附等遷移轉(zhuǎn)化途徑[28]，夏季溫度較高，生物活性增強，生物降解作用增大，同時由于豐水期受到降雨量的稀釋作用和溫度影響，豐水期抗生素污染物濃度比平水期和枯水期低；而由于枯水期處于人、畜疾病多發(fā)的冬季和春季，抗生素使用量增加，同時較低的溫度不利于生物降解，因此抗生素污染物濃度高[29]．相反，盡管豐水期沉積物中抗生素的檢出種類最少，但是與平水期(1.8 ng·g-1)和枯水期(3.3 ng·g-1)抗生素總的平均濃度相比，豐水期沉積物中抗生素總的平均濃度較高(29 ng·g-1)．其中磺胺嘧啶的最大濃度為48 ng·g-1，檢出率達82%．水中的磺胺嘧啶傾向于被有機質(zhì)含量高的沉積物所吸附，導(dǎo)致磺胺嘧啶容易在沉積物中富集[30]．

表2 本文及文獻中水和沉積物抗生物濃度

(a) 水體

(b) 沉積物

圖2 抗生素在各采樣區(qū)域水體和沉積物中空間分布情況

Fig.2 The antibiotic spatial distribution in water and sediment of each sampling region

2.3 抗生素的生態(tài)風(fēng)險

碧流河水庫庫區(qū)及其入庫河流水環(huán)境中檢出的抗生素的生態(tài)風(fēng)險商值計算結(jié)果見表3．

表3 碧流河水庫及其入庫河流水體中抗生素的生態(tài)風(fēng)險商值

Tab.3 RQs of antibiotics in the water from Biliuhe Reservoir and its inflow rivers

抗生素Cme/(ng·L-1)EC50/(μg·L-1)FaCpne/(μg·L-1)RR貢獻率/%依諾沙星1.3×1020.049 3[33]1 0000.049 32.7 87.9恩諾沙星N.D.0.049[34]1 0000.04900磺胺嘧啶5.40.135[35]1 0000.1350.0401.3磺胺甲嘧啶6.011.9[36]1 00011.90.000 500磺胺二甲嘧啶4.219.52[37]1 00019.520.000 220磺胺地索辛0.909.85[36]1 0009.850.000 0910磺胺甲唑151.53[38]1 0001.530.009 50.3甲氧芐啶7.216[35]1 000160.000 450氯霉素170.13[39]1 0000.130.134.2氟苯尼考1.2×1022.3[40]1 0002.30.0511.7林可霉素9.60.07[41]1 0000.070.144.6

3 結(jié) 論

碧流河水庫及其入庫河流均存在不同程度的抗生素污染．各區(qū)域抗生素污染水平與該地區(qū)流域人口數(shù)量呈現(xiàn)一致性．碧流河水庫及其入庫河流抗生素濃度在夏季較低，春冬季偏高，與東北地區(qū)氣候關(guān)系呈現(xiàn)出相關(guān)性，部分主要用于呼吸道感染治療的抗生素在春冬季使用量較大．水庫及周邊區(qū)域養(yǎng)殖業(yè)對水環(huán)境中抗生素污染的影響顯著．碧流河水庫及其入庫河流抗生素濃度水平與長江下游水源地及三峽庫區(qū)重慶段基本一致，低于太湖及洞庭湖區(qū)域，說明碧流河水庫抗生素污染狀況與國內(nèi)其他水源地相比較輕，顯著低于美國加利福尼亞地區(qū)的地下水，但略高于西班牙埃布羅河和法國羅納-阿爾卑斯大區(qū)的河流水體．生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果顯示，該區(qū)域水環(huán)境中首要生態(tài)風(fēng)險來源為依諾沙星，處于高風(fēng)險．碧流河水庫庫區(qū)及其入庫河流水環(huán)境中其他抗生素處于中、低風(fēng)險．應(yīng)進一步開展碧流河水庫抗生素風(fēng)險評價，采取措施減少抗生素的使用和排放．