2. 江苏省南京环境监测中心,江苏 南京 210013
2. Nanjing Environmental Monitoring Center of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 210013, China
抗生素作为抵抗疾病和养殖的重要辅助手段,消耗量日益增加。据有关研究显示,2000—2015年,全世界抗生素消耗量增长65%[1],我国每年抗生素的消耗量也是居高不下,达到1.6×105 t,其中,进入自然环境的抗生素就约有5.4×104 t[2]。磺胺类抗生素(Sulfonamides,SAs)是一类通过人工合成的氨苯磺胺衍生物,广泛应用于畜禽养殖、水产养殖和临床医学等领域[3-4],其具备抑制大多数革兰氏阴性菌及一些阳性菌的能力,对细菌感染有治疗作用,且成本较低,使用安全,是被广泛使用的抗生素之一。由于SAs的长期滥用,且对其排放监管较少和生物体吸收代谢不完全等因素,导致水环境中SAs持续累积,出现“假持久性”现象,会导致水生态发生变化,水生生物可能出现慢性或急性中毒现象[5],破坏生物多样性平衡。同时,现有的饮用水处理技术对SAs去除率较低[6],人体通过食物链、饮用水等途径长期摄入SAs,会导致人体出现免疫力降低风险,诱发过敏反应、“二重感染”,严重时还会引起致畸、致癌、致突变作用。
目前,国内外相关研究显示SAs在水体中存在不同程度的残留。唐娜等[7]对长江南京段水体中SAs进行了研究,发现水体中存在8种SAs,质量浓度为13.2~21.0 ng/L,整体处于较低水平。张晓娇等[8]对辽河流域水体进行研究调查,结果显示存在不同抗生素污染的情况,SAs占水体中检出抗生素的16.8%,平均质量浓度为93.93 ng/L,检出率达100%。另有研究表明,国内太湖[9]、珠江[10]、海河[11]、黄河[12]等流域均检出SAs,质量浓度在ng/L水平。长江扬州段位于长江下游,作为扬州地区的重要水系,境内有长江岸线80.5 km,不仅承担着区域内工业用水,更是饮用水水源之一,对扬州地区日常生活和生产有着长远的影响。近年来,长江扬州段周边工业化和城市化迅速发展,SAs的广泛使用导致了其在水环境中的积累。以往的调查监测结果显示,扬州临江某些区域地表水中SAs质量浓度较高,个别区域ρ(SAs)>1 000 ng/L,对生态环境存在一定的威胁,对人类健康构成潜在风险。依据《江苏省新污染物治理工作方案》(苏政办发〔2022〕81号)要求,选择长江扬州段4个水源地,对水源水中SAs进行调查研究,以了解SAs的污染特征,并基于风险商评价方法对生态风险和健康风险进行评估,可为长江抗生素环境治理提供基础数据,为持续改善生态环境质量提供技术支撑。
1 材料与方法 1.1 调查点位布设在长江扬州段布设4个饮用水水源地点位(S1—S4),点位示意见图 1。由图 1可见,点位S1属于开放式水源地,主要服务于仪征市供水需求,水源地位于长江干流主航道,来往船流量较大,若发生事故可能会威胁到水源地的安全;其紧邻扬州化学工业园区,区域内化工企业集中,企业危险化学品的生产和仓储过程威胁着水源地的安全。S2主要服务于扬州西部片区供水需求,上游准保护区范围内存在码头,准保护区范围外上游20 km范围内有船厂、污水处理厂及少量的化工仓储企业,上游20 km处紧邻扬州化学工业园区,存在一定环境风险。S3和S4主要服务于扬州市城区东部和南部片区以及江都区供水需求,2个水源地准保护区及上游20 km内未发现明显风险源。
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图 1 长江扬州段饮用水水源地采样点示意 |
仪器:超高效液相色谱-串联质谱仪(UPLC-MS/MS)(Xevo TQ-S,美国Waters公司);全自动固相萃取仪(Fotector Plus,睿科集团有限公司);氮吹浓缩仪(Auto EVA-60,睿科集团有限公司);HLB小柱(6 mL,500 mg,美国Waters公司)。
试剂:17种磺胺类抗生素标准品,包括磺胺醋酰(SFM)、磺胺吡啶(SPD)、磺胺嘧啶(SDZ)、磺胺甲噁唑(SMX)、磺胺噻唑(STZ)、磺胺甲基嘧啶(SMZ)、磺胺二甲异噁唑(SFX)、磺胺甲噻二唑(SMT)、磺胺二甲异嘧啶(SSD)、磺胺二甲嘧啶(SM2)、磺胺间甲氧嘧啶(SMM)、磺胺甲氧哒嗪(SMP)、磺胺对甲氧嘧啶(SFT)、磺胺氯哒嗪(SCP)、磺胺喹噁啉(SQX)、磺胺多辛(SDX)、磺胺间二甲氧嘧啶(SDM)以及内标磺胺甲基嘧啶-D4(SMZ-D4),均购自百灵威科技有限公司。甲醇(色谱纯)购自德国Merck公司;甲酸铵、甲酸、乙二胺四乙酸二钠(EDTA·Na2)均购自阿拉丁科技有限公司;盐酸购自国药集团药业股份有限公司。17种磺胺类抗生素标准品先用甲醇配制成10.0 mg/L的标准中间液,再以甲醇作为溶剂,用标准中间液配制1.00 mg/L的混合标准物质储备液,均存储在冰箱中于-20 ℃保存,备用。
1.3 仪器分析条件液相色谱柱型号为ACQUITY UPLC BEH C18(1.7 μm×2.1mm×50 mm),柱温为35 ℃,样品进样体积为5.0 μL,流速为0.4 mL/min。流动相分别为A相甲酸(体积分数为0.1%)、甲酸铵溶液(5 mmol/L),B相甲醇,液相梯度洗脱程序见表 1。
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表 1 磺胺类抗生素正离子模式(ESI+)下液相梯度洗脱程序 |
采用离子电喷雾正离子模式(ESI+),多反应监测模式(MRM)。质谱参数如下:毛细管电压为3.0 kV;离子源温度为150 ℃,去溶剂温度为500 ℃;脱溶和锥形气体均为氮气,流速分别为1 000和50 L/h。磺胺类抗生素质谱检测参数和检出限见表 2。
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表 2 磺胺类抗生素质谱检测参数和检出限① |
2023年10月,在长江扬州段4个水源地调查点位使用有机玻璃采水器采集地表水表层水样,采样量为4 L,采样深度为0~0.5 m,贮存在洁净的棕色玻璃瓶中,样品应充满容器,不留空气,于4 ℃下低温保存,24 h内分析。
所采水样加入EDTA·Na2,使其质量浓度达到0.50 g/L,搅拌溶解,然后用稀盐酸调至pH值为3.0,取1 L处理后的水样,过0.45 μm孔径滤膜,使用HLB小柱对过滤后的水样进行萃取富集,上样前依次使用3 mL甲醇,3 mL纯水,3 mL纯水(pH值=3.0)对HLB小柱进行活化,然后进行大体积上样,流速为5 mL/min。上样结束后,用10 mL纯水淋洗,氮吹干燥30 min,使用3 mL甲醇进行洗脱,重复3次,所得洗脱液在40 ℃下,氮吹浓缩至近干,用流动初始相复溶至0.5 mL,再加入内标溶液,定容至1 mL,涡旋震荡,使用UPLC-MS /MS分析待测。
1.5 质量控制实验采用内标法进行定量分析,通过空白试验、平行实验以及回收率实验对精密度和准确度进行控制。空白试验结果显示,磺胺类抗生素质量浓度均低于检出限。回收率实验中,在空白样品和实际样品中分别加入一定量磺胺类抗生素混标,按照实验前处理步骤进行提取,得出空白样品磺胺类抗生素回收率为82.4%~119%,实际样品回收率为74.3%~124%。平行样实验中,平行样品测定3次,相对标准偏差为2.4%~13%。以信噪比(S/N)≥3计算检出限(LOD)为0.1~0.3 ng/L。
1.6 风险评估 1.6.1 生态风险评估利用风险商值法对长江扬州段水源地水体中磺胺类抗生素进行生态风险评估[13-14]。生态风险商(RQ)<0.01,处于无风险状态;0.01≤RQ<0.1,处于低风险状态;0.1≤RQ<1.0,处于中风险状态;RQ≥1.0,则处于高风险状态,计算公式如下:
$ \mathrm{RQ}=\frac{\mathrm{MEC}}{\mathrm{PNEC}} $ | (1) |
$ \mathrm{R Q}_{\text {sum }}=\sum \mathrm{R Q} $ | (2) |
式中:RQ——生态风险商,无量纲;RQsum——联合生态风险商,无量纲;MEC——水体中抗生素的质量浓度,ng/L;PNEC——预计无效应质量浓度,ng/L。
1.6.2 健康风险评估$ \mathrm{HQ}=\frac{\mathrm{MEC}}{\mathrm{DWEL}} $ | (3) |
$ \text { DWEL }=\frac{\mathrm{ADI} \times \mathrm{BW} \times \mathrm{BQ}}{\mathrm{DWI} \times \mathrm{AB} \times \mathrm{F O E}} $ | (4) |
式中:HQ——健康风险商,无量纲;MEC——水体中抗生素的质量浓度,μg/L;DWEL——饮用水当量,μg/L;ADI——日均可接受摄入量,μg/(kg·d);BW——体重,kg;BQ——最高风险,按1计算;DWI——日均饮水量,L/d;AB——肠胃吸收率,按1计算;FOE——暴露频率,350 d/a,按0.96计算。
4种磺胺类抗生素的每日可接受摄入量见表 3,磺胺噻唑(STZ)、磺胺二甲异噁唑(SFX)、磺胺甲噻二唑(SMT)、磺胺间甲氧嘧啶(SMM)未查询到ADI值。各年龄段人群的平均体重、日饮水量[16]见表 4。选取每种磺胺类抗生素的最大检出质量浓度用于DWEL及HQ的计算,评估长江扬州段水源地水体中磺胺类抗生素的健康风险。
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表 3 4种磺胺类抗生素的每日可接受摄入量 |
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表 4 各年龄段人群的平均体重、日饮用水量 |
当HQ≤0.01,表明抗生素对人体健康处于无风险状态,风险可以忽略;当0.01<HQ≤0.1,则处于低等风险状态;当0.1<HQ≤1,处于中等风险状态;当HQ>1时,人体健康则处于高风险状态,风险不可接受[16]。
2 结果与讨论 2.1 长江扬州段水源地水中磺胺类抗生素的赋存特征长江扬州段水源地各监测点位检出的磺胺类抗生素质量浓度见表 5。由表 5可见,4个水源地点位水中共检出8种磺胺类抗生素,检出率为44.1%;检出质量浓度为0.2~16.1 ng/L,平均值为4.2 ng/L,中位数为1.1 ng/L。其中,检出质量浓度最高的为SCP,ρ(SCP) 为7.2~16.1 ng/L;其次为SMX,ρ(SMX)为8.1~14.4 ng/L,这可能与SCP、SMX不易被降解吸附,具有良好的化学稳定性和环境迁移能力相关[18]。4个点位中磺胺类抗生素检出总质量浓度为23.8~43.9 ng/L,各水源地点位按照总质量浓度高低排序为S1>S3>S4>S2(图 2)。
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表 5 长江扬州段水源地各监测点位检出的磺胺类抗生素质量浓度① |
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图 2 长江扬州段水源地水体中各点位SAs浓度特征 |
有研究显示,长江南京段新污染物的质量浓度较高[19],点位S1处于长江扬州段上游位置,承接来自长江南京段的水体,点位S1的抗生素质量浓度较高可能是受上游输入影响;点位S3与S4分别位于芒稻河的两侧,芒稻河作为过水通道将淮河水引入长江,有研究发现淮河流域中也存在不同程度的抗生素残留[20],受淮河水和长江水的共同影响,可能导致S3与S4点位磺胺类抗生素的质量浓度高于S2点位;而S2上游为长江干流的分支,其所处地点位于一个水流较快的区域,水流动态可能形成了一种自然稀释效应,磺胺类抗生素可能会被迅速稀释,从而导致S2点位抗生素质量浓度较低。整体上,研究区域内ρ(SAs)水平与唐娜[7]、封梦娟等[16]报道的长江南京段水体中ρ(SAs)水平基本一致。
2.2 与国内外河流、湖泊比对研究研究表明,抗生素污染现象在国内外河流、湖泊中广泛存在,国内外部分水体中SAs污染水平比较见表 6。由表 6可见,与国内外河流及湖泊相比,如国内珠江[10]、黄浦江[21]、洪湖[22]、鄱阳湖[23]、大通湖[24]、骆马湖[25]及滆湖[26],国外越南湄公河[27]、西班牙Serge河[28]、美国Poudre河[29]以及日本卡图拉河[30],长江扬州段水源地水体中磺胺类抗生素质量浓度处于较低水平;与太湖贡湖湾及东洞庭湖相比,部分磺胺类抗生素质量浓度略偏高。
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表 6 国内外部分水体中SAs污染水平比较① |
对检出的8种磺胺类抗生素进行生态风险评估,其中STZ、SFX、SMT未能查询到相关毒性数据,选取了检出质量浓度较高的前5种磺胺类抗生素进行生态风险评估,所涉及的敏感物种毒理参数见表 7。
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表 7 目标磺胺类抗生素的敏感物种毒理数据 |
长江扬州段水源地点位水体中5种SAs生态风险商(RQ)及RQsum见图 3。由图 3可见,各监测点位均未出现高风险,其中,SMX的RQ(3.36×10-3~6.00×10-3)最高,其次分别为SCP、SMM和SDZ,SM2的RQ(4.21×10-4~7.93×10-4)最低。RQsum为6.26×10-3~1.15×10-2,4个点位中S1点位的RQsum最高,处于低风险状态;其余点位的RQ及RQsum均 < 0.01,表明长江扬州段水源地水中磺胺类抗生素对水生生物的生态风险影响较低。
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图 3 长江扬州段水源地水体中5种SAs生态风险商(RQ)及RQsum |
长江扬州段水源地水体中4种磺胺类抗生素对人体健康的风险商(HQ)见图 4。由图 4可见,4种磺胺类抗生素对不同年龄段的HQ为6.04×10-7~6.33×10-5,其中SCP的HQ最高,为9.58×10-6~6.33×10-5;整体上看,HQ均 < 0.01,表明研究区域内水体中磺胺类抗生素对人体健康无风险,与长江下游水源地地区以及珠三角地区研究结论较为一致[21, 38]。但磺胺类抗生素的HQ趋势呈现出随着年龄下降而增高的趋势,尤其对于低龄儿童,更易引发健康风险,需要长期关注。
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图 4 长江扬州段水源地水体中4种磺胺类抗生素对人体健康的风险商(HQ) |
(1) 长江扬州段4个水源地共检出8种磺胺类抗生素,其中磺胺氯哒嗪(SCP)质量浓度最高,为7.2~16.1 ng/L,其次分别为磺胺甲噁唑(SMX)、磺胺间甲氧嘧啶(SMM)以及磺胺嘧啶(SDZ),质量浓度分别为8.1~14.4,6.4~8.8和1.1~2.6 ng/L。4个采样点位检出磺胺类抗生素总质量浓度为23.8~43.9 ng/L,其中,点位S1检出质量浓度最高。与国内外河流、湖泊相比,长江扬州段水源地水体中SAs质量浓度整体处于较低水平。
(2) 长江扬州段水源地SAs的生态风险评估结果显示,5种SAs的生态风险商值(RQ)均 < 0.1;点位S1的RQsum处于低风险,其余点位均为无风险,表明长江扬州段水源地对水生生物生态风险影响较低。
(3) 长江扬州段水源地SAs的健康风险评估结果表明,4种SAs对不同年龄段的健康风险商值(HQ)随着年龄下降而增大,但均 < 0.01,表明研究区域内水体中磺胺类抗生素对人体健康无风险。
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