深圳鐵崗水庫水體中抗生素污染特征分析及生態風險評價

朱婷婷，段標標，宋戰鋒，彭盛華

深圳鐵崗水庫水體中抗生素污染特征分析及生態風險評價

朱婷婷，段標標，宋戰鋒，彭盛華

國家環境保護飲用水水源地管理技術重點實驗室，深圳市飲用水水源地安全保障重點實驗室，深圳市環境科學研究院，廣東 深圳 518001

近年來水體中不斷被檢出的抗生素逐漸成為研究者關注的焦點。許多國家的河流、湖泊、地下水中均檢出了抗生素殘留。目前國內外關于抗生素污染特征的研究主要集中在河流、河口灣和污水處理廠等水環境中，對于抗生素在飲用水源地水體中的污染狀況研究極少。利用高效液相色譜-串聯質譜技術（HPLC-MS/MS）檢測分析了5類典型抗生素在深圳鐵崗飲用水源地型水庫中的污染特征。結果表明，9種目標抗生素中，有8種在鐵崗水庫水體中被檢出，濃度范圍為1.1～203 ng·L-1，其中，林肯霉素檢出濃度最高，紅霉素次之，阿莫西林未檢出；入庫支流抗生素污染程度普遍高于鐵崗水庫，其中大官陂河中抗生素質量濃度最高（277.0 ng·L-1），九圍河次之（196.4 ng·L-1）；枯水期抗生素濃度高于豐水期。采用風險商值法初步評價的結果表明，枯水期時料坑水中紅霉素、大官陂河中磺胺甲噁唑和林肯霉素，以及豐水期時九圍河中林肯霉素的生態風險商（RQ）均大于1，對生態環境具有高風險；風險簡單疊加模型計算結果顯示，枯水期時料坑水、塘頭河、大官陂河以及豐水期時九圍河中抗生素的聯合毒性風險商（RQsum）均大于1，對生態環境可能會產生較高的風險。

飲用水源水；抗生素；污染特征；生態風險評價

近年來水體中不斷被檢出的抗生素逐漸成為研究者關注的焦點。許多國家的河流、湖泊、地下水中均檢出了抗生素殘留，其濃度大多在ng·L-1～μg·L-1水平(Xu等, 2007; Kümmerer, 2009; Homem和Santos, 2011; Benotti等, 2009; Mompelat等, 2009)。由于該類藥物在水體中濃度低、難降解、易重構，且對微生物具有抑制作用，使得它們在水體中得以長期存在(Sarmah等, 2006; Le-Minh等, 2010)[6,7]。目前，歐美等發達國家已經就水環境中抗生素的殘留水平和環境行為開展了較多研究，結果表明，水環境中微量水平的抗生素即會對生態環境和人體健康產生威脅(Kümmerer, 2009; Watkinsona等, 2007; Petrovi?等, 2003; Gao等, 2012; Zhu等, 2013)。近年來國內外關于抗生素污染特征的研究主要集中在河流、河口灣和污水處理廠等水環境中(梁惜梅等，2013)，而作為我國近年來才廣受關注的新型有機污染物之一，抗生素在飲用水源地水體中的污染情況還鮮有報道。

深圳是我國七大嚴重缺水城市之一，城市供水主要依賴于市內飲用水源地，由于地域狹小，其獨特的空間布局使得飲用水源地處在城市建成區的包圍之中，從而導致飲用水源地受污染的風險很高。目前，關于深圳飲用水源地中抗生素的調查研究尚屬空白，對于水源地中污染物的生態風險研究大多側重于重金屬等(鄭玲芳, 2013; 徐中義等, 2014)，對抗生素在水源地中的生態風險評價目前尚未有報道。本研究對深圳最大的飲用水源地型水庫—鐵崗水庫及其入庫支流中β-內酰胺類、大環內酯類、磺胺類等5類共9種常見的典型抗生素的污染特征進行了調查，并對水庫及支流中抗生素的生態風險進行了評估，揭示鐵崗飲用水源地水體中抗生素的污染現狀和風險水平，為后續抗生素污染防控工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1水樣采集

分別于2012年9月（豐水期）和2013年1月（枯水期）進行采樣。根據鐵崗水庫及其主要入庫支流的環境與水文基本特征，本研究布設了8個采樣點，分別為西麗引水入口、鐵崗水庫庫中1～3、塘頭河入水口、料坑水入水口、大官陂河入水口、九圍河入水口，具體位置見圖1。水樣采集與保存程序符合國家標準（GB/T 5750.2-2006）。

圖1 鐵崗水庫采樣示意圖Fig. 1 The sampling sites of Tiegang Reservoir

1.2樣品分析

1.2.1 儀器與試劑

儀器：Agilent 1100型高效液相色譜儀（美國, Agilent）；API 2000三重四級桿串聯質譜儀（美國, AB Sciex）；多通道固相萃取儀（美國, Waters）；Bridge? C18色譜柱（2.1 mm×50 mm, 5 μm, 美國, Waters）；EYELA MG-2200氮吹濃縮儀（日本, Rikakikai），Allegra X-22R高速臺式離心機（美國, Backman Coulter），Q-POD型MILLI-Q超純水儀（德國, Millipore）。

試劑：甲硝唑（MTZ）、頭孢呋辛（CXM），購自德國Dr Ehrenstorfer GmbH公司；阿莫西林（AMC）、紅霉素（ERY）、磺胺甲惡唑（SMX）、磺胺二甲嘧啶（SMZ），均購自美國Sigma-Aldrich公司；羅紅霉素（ROX）、林肯霉素（LNC），購自瑞士Fluka公司；頭孢氨芐（CEX）購自德國Riedelde Ha?n公司。回收率指示劑，氯霉素-d5（英國, Cambridge Isotope 實驗室）；Na2EDTA溶液、NaN3溶液（美國, Sigma-Aldrich）；甲酸（美國, VWR International）。甲醇為色譜純，試驗用水為超純水。

1.2.2 樣品預處理

預處理：水樣經0.45 μm的玻纖濾膜過濾后，取500 mL濾液于1000 mL的聚丙烯瓶中，依次加入5 mL 5% Na2EDTA溶液和1 mL 10% NaN3溶液，用5 mol·L-1甲酸調節濾液的pH值至3.2；對于水樣中CEX的分析，取樣體積和各添加物體積均減半，用5 mol·L-1甲酸調節濾液樣品的pH值至2.5。

固相萃取：依次用4 mL甲醇、4 mL超純水對固相萃取柱進行活化處理，將上述預處理后的樣品導入多通道固相萃取儀，以1 drop·s-1的速度進行提?。ㄕ麄€過程保持柱子浸潤）；待樣品全部通過固相萃取柱后，加入4 mL超純水沖洗柱子中殘余的Na2EDTA；而后萃取柱在3000 rpm·min-1下離心2 min，重復2次，以除凈柱筒中剩余的水份；用4 mL甲醇對小柱進行洗脫，將洗脫液在速度適中的高純氮氣流下濃縮、定容至0.5 mL（頭孢氨芐水樣為0.25 mL），轉移萃取液于進樣瓶中，進行儀器分析。

1.2.3 LC-MS/MS分析

色譜條件：以濃度均為10 mM的甲酸水溶液（A）和甲酸甲醇溶液（B）為流動相，流速為300 μL·min-1，進樣體積10 μL，柱溫25 ℃。梯度洗脫程序：0～10 min，B相由10%線性升至90%；10～13 min，B相由90%降為10%，平衡時間為10 min。

質譜條件：采用多反應監測（MRM）模式。正離子模式（ESI+）：電壓為4.5 kV，離子源溫度500 ℃，AMC、MTZ、LNC、SMZ、CEX、SMX、ERY和ROX的掃描離子分別為m/z 366.3、172.2、407.0、279.1、348.1、254.1、716.6、837.8；負離子模式（ESI-）：電壓為5 kv，離子源溫度500 ℃，CXM的掃描離子為m/z 423.2。

1.2.4 質量控制與方法學驗證

采用現場空白和溶劑空白，進行樣品采集和試驗過程污染的控制與追蹤；在樣品序列的開始、中間及最后均設置一個標準曲線的中間濃度點樣本，監測儀器的靈敏度和重現性，確保其相對標準偏差小于5%，同時平行樣品間分析物濃度的變化要小于10%。

采用外標法對樣品的質量濃度進行定量分析，線性方程濃度范圍由1、5、20、100、400 μg·L-1這5個濃度值組成，其R2值均大于0.99（表1）。在實際空白樣品中進行加標回收試驗，加標水平為100 μg·L-1，平行測定7份，考察方法的回收率和精密度。結果表明，抗生素的回收率為60.1%～104.6%，RSD為0.7%～5.5%。以信噪比≧3時各目標抗生素的質量濃度為檢測限（LOQs），為0.4～0.8 ng·L-1。說明所采用分析方法的重現性和靈敏性較好，能夠滿足試驗要求。每個樣品測定3次，取平均值。

表1 目標抗生素的回歸系數、回收率、檢測限和相對標準偏差Table 1 Correlation coefficients, recoveries, the limits of quantitation and relative standard deviations of the selected antibiotics

1.3生態風險評價方法

水環境中殘留藥物的生態風險可以通過風險

商值來評價(EC, 2003; Vryzas等, 2011)。RQ的計算公式如下：

式中：MEC：環境實測濃度，即藥物在水環境中的實測質量濃度，ng·L-1；PNEC：預測無效應濃度，是在現有認知下不會對環境中微生物或生態系統產生不利效應的最大藥物濃度，ng·L-1；LC50為半致死濃度，EC50為半最大效應濃度，ng·L-1，LC50或EC50均由文獻中取得，當存在多個值時，取最小值；AF為評價因子，取water framework directive的推薦值（1000）；RQsum：聯合毒性風險商；RQi：抗生素i的RQ值。

根據各殘留藥物的RQ評價其在水環境中的生態風險。當0.01≦RQ＜0.1，為低風險；0.1≦RQ＜1，為中風險；RQ≧1，為高風險(EC, 2003; Hernando等, 2006)。

水環境中抗生素一般不是單一存在，而是多種抗生素共同存在的。目前關于抗生素環境風險的研究多集中在單一藥品效應研究，缺乏對藥品聯合效應的考察，而已有研究表明，水環境中多種抗生素共存時，抗生素的環境危害作用會因共存而加強(Cleuvers, 2003; Cleuvers, 2004)。因此，本文采用簡單疊加模型（式3）計算抗生素的聯合毒性風險商(Quinn等, 2008)。

2 結果與討論

2.1鐵崗入庫支流中抗生素污染特征

圖2列出了鐵崗水庫各入庫支流中抗生素質量濃度水平及分布情況?？梢钥闯?，枯水期時，除西麗引水受抗生素污染程度較輕外（質量濃度為36.2 ng·L-1），其他入庫支流抗生素污染程度均較嚴重，其質量濃度均超過150 ng·L-1，大官陂河中抗生素總質量濃度高達277 ng·L-1。豐水期時，各入庫支流中（九圍河除外）抗生素污染程度較枯水期時顯著降低，其抗生素質量濃度均不超過61 ng·L-1，西麗引水中抗生素總質量濃度僅為7.5 ng·L-1。九圍河由于污染較嚴重，枯水期時污水被截排，豐水期時仍有少量污水進入水庫。九圍河中抗生素污染嚴重，其總質量濃度高達196 ng·L-1。

圖2 鐵崗水庫入庫支流中抗生素質量濃度與種類分布Fig. 2 Distribution of antibiotics in the tributaries of Tiegang Reservoir

表2 各目標抗生素的PNECsTable 2 The PNECs of the selected antibiotics (ng·L-1)

各支流水樣中均未檢出AMC。已有研究表明，AMC極易發生水解，降解速率很快，因而自然水體中一般無AMC殘留(Mutiyar和Mittal, 2013)。枯水期時，SMX和LNC在各支流水樣中均有檢出，質量濃度范圍分別為6.1～47 ng·L-1和12～203 ng·L-1。一方面，這與SMX和LNC使用量較高有關，另一方面，SMX和LNC本身性質穩定，在自然環境中不易發生降解與水解是導致其檢出率和檢出質量濃度較高的重要因素(Huang等, 2001; Kuchta和Cessna, 2009)。CXM、ERY和MTZ的檢出率均為75%，質量濃度范圍分別為15～59 ng·L-1、12～66 ng·L-1和3.2～12 ng·L-1。CXM屬于β-內酰胺類抗生素，易發生水解(劉川等, 2013)，ERY為大環內酯類抗生素，在水中降解較快(徐維海, 2007)，而CXM和ERY檢出率和檢出質量濃度均較高，說明河流流域范圍內其使用量均很大。自然環境中MTZ性質較穩定，不易降解，但使用量較少，因而與CXM和ERY相比，其檢出質量濃度較低(Ingerslve等, 2001)。CEX和ROX檢出率為50%，CEX檢出較低，均不超過4 ng·L-1；SMZ僅在西麗引水中有檢出，其濃度僅為4.7 ng·L-1。豐水期時，大部分抗生素檢出濃度較枯水期時顯著降低。LNC和ERY在各支流水樣中（九圍河除外）均有檢出，檢出質量濃度范圍分別為3.1～32 ng·L-1和1.6～11 ng·L-1；SMX和MTZ檢出率為75%，質量濃度范圍分別為5.3～7.6 ng·L-1和1.1～8.2 ng·L-1；塘頭河和大官陂河中均檢出了CXM和SMZ，質量濃度較枯水期時大

幅降低；CEX和ROX僅在料坑水中檢出，質量濃度均低于4 ng·L-1。九圍河中檢出了CXM、SMX、MTZ和LNC 4種抗生素，其中LNC的質量濃度很高，約占其總濃度的71%。

2.2鐵崗水庫中抗生素污染特征

圖3列出了鐵崗水庫各采樣點水樣中抗生素質量濃度水平及分布情況。由于鐵崗入庫支流中均沒有AMC殘留，庫中各水樣中AMC檢出率也為0?？菟跁r，各水樣中均檢出了ERY、SMZ、SMX和LNC 4種抗生素，且抗生素質量濃度相差不大，均在33 ng·L-1左右，其中以ERY和LNC為主，占抗生素總濃度70%以上。豐水期時，ERY和LNC在庫中各水樣中的檢出率為100%，抗生素質量濃度較豐水期時明顯降低，其中，庫中1和庫中2水樣中抗生素總質量濃度在5.5 ng·L-1左右。

結合圖2可以看出，不同時期鐵崗水庫中（豐水期時庫中3除外）抗生素質量濃度水平及分布情況與西麗引水類似。這是因為，西麗引水是鐵崗水庫流量最大的入庫支流，對鐵崗水庫抗生素貢獻率最大，而其他入庫支流由于流量均較小，盡管其抗生素污染程度較高，但對鐵崗水庫抗生素貢獻率較低。加之水庫水量的稀釋作用，支流中存在的MTZ、 ROX等抗生素進入水庫后均低于其LQOs，因而未能在水庫中得以檢出。此外，豐水期時庫中3水樣中還檢出了少量SMZ和SMX，且抗生素總質量濃度（為13 ng·L-1）均高出庫中1、2水樣，研究推測，由于九圍河入水口距庫中3采樣點較近，豐水期時九圍河污水的排入可能使得該采樣點附近水域污染加重，導致庫中3水樣中抗生素質量濃度與種類較庫中1、2有所增加。

圖3 鐵崗水庫庫中抗生素污染分布狀況Fig. 3 Distribution of antibiotics in Tiegang Reservoir

表3 枯水期鐵崗水庫水體中抗生素生態風險商Table 3 The RQs of the selected antibiotics in Tiegang Reservoir in the dry season

2.3鐵崗水庫水體中抗生素生態風險評價

生態風險商評價結果見表3和表4?？梢钥闯?，不同時期時，鐵崗水庫水體中中CEX、CXM、SMZ和MTZ的RQ均低于0.01，無明顯生態風險?？菟跁r，抗生素生態風險水平較高，ERY、SMX、LNC的RQ均高于0.1，處于中風險及以上水平，其中料坑水中ERY（3.30）、大官陂河中SMX（1.57）和LNC（2.90）的RQ均大于1.0，處于較高風險水平，對生態環境的危害作用較大。

豐水期時，鐵崗水庫水體中抗生素風險水平有所降低，僅九圍河中LNC處于高風險水平（RQ為2.00）。除大官陂河外（0.08，低風險），ERY在鐵崗水庫和其他入庫支流中的RQ均大于0.1，SMX在鐵崗入庫支流（西麗引水除外）中的RQ也均高于0.1，對各自水環境具有中等程度的危害性。而由于九圍河污水的影響，鐵崗庫中3中SMX的RQ為0.05，處于低風險水平。LNC在鐵崗水庫和西麗引水中的RQ低于0.1，生態風險較低；入庫支流中（九圍河除外）LNC的RQ均在0.1以上，處于中風險水平。

風險簡單疊加模型計算結果顯示，枯水期時，鐵崗水庫水體中抗生素聯合毒性風險水平較高，鐵崗水庫和西麗引水中抗生素RQsum均在0.93以上，其他入庫支流中抗生素RQsum均大于1.0，其中料坑水中抗生素RQsum高達4.99，對生態環境存在較高的危害性。豐水期時，抗生素聯合生態風險有所降低，僅九圍河中抗生素RQsum大于1.0，其他入庫支流和鐵崗水庫中抗生素RQsum均在1.0以下，均處

于中風險水平。

表4 豐水期鐵崗水庫水體中抗生素生態風險商Table 4 The RQs of the selected antibiotics in Tiegang Reservoir in the wet season

3 結論

（1）鐵崗水庫水體中共檢出了8種抗生素，質量濃度范圍為1.1～203 ng·L-1。其中，LNC的檢出濃度最高，ERY次之，AMC在所有采樣點均未被檢出。與珠江、深圳河、深圳灣的檢測結果(葉計朋等, 2007)相比，鐵崗水庫的抗生素殘留處于較低的水平。

（2）枯水期時鐵崗水庫抗生素殘留情況比豐水期更嚴重。入庫支流的抗生素污染程度普遍高于鐵崗水庫，其中以大官陂河抗生素殘留濃度最高，九圍河次之。鐵崗水庫抗生素殘留種類及濃度范圍與西麗引水基本一致。

（3）按照MEC/PNEC風險綜合評價體系，枯水期時料坑水中ERY、大官陂河中SMX和LNC，豐水期時九圍河中LNC的RQ均大于1.0，對環境具有高風險；風險簡單疊加模型計算結果表明，枯水期時料坑水、塘頭河、大官陂河以及豐水期時九圍河中抗生素的RQsum均大于1.0，對生態環境可能會產生較嚴重的危害。

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Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Antibiotics in Tiegang Reservoir in Shenzhen

ZHU Tingting, DUAN Biaobiao, SONG Zhanfeng, PENG Shenghua
State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Management and Technology, Shenzhen Key Laboratory of Drinking Water Source Safety Control, Shenzhen Academy of Environmental Sciences, Shenzhen 518001, China

Antibiotics have widely been used in agriculture, aquaculture, animal husbandry, human disease treatment and personal care. In recent years, the antibiotics detected in the water environment have gradually become a focus of concern and research. There were antibiotic residues in the rivers, lakes and groundwater in many countries. Currently, many efforts have been made to investigate the occurrences of antibiotics in the rivers, estuaries, sewage treatment plants and so on. Nevertheless, limited studies were conducted on antibiotic residues in the source water. The pollution characteristics of 5 typical groups of antibiotics in Tiegang drinking water source in Shenzhen were investigated using high performance chromatography-electrospray ionization tandem mass spectrometry. Results showed that 8 of the 9 target antibiotics were detected with the concentrations ranged from 1.1 to 203 ng·L-1. Among them, lincomycin was detected with the highest concentration, while erythromycin and amoxicillin were not found in the study. The contamination levels in the tributaries were relatively higher than in the Tiegang reservoir generally, and the highest concentration was detected in Daguanpi river(277.0 ng·L-1), then followed by Jiuwei river(196.4 ng·L-1). The antibiotic contamination levels in dry season were higher than in wet season. The ecological risk assessment revealed that risk quotients(RQs) were over than 1 for the erythromycin in Liaokengshui River, sulfamethoxazole and lincomycin in Daguanpi River(dry season), and lincomycin in Jiuwei river(wet season), indicating the high ecological risk. And the joint risk quotients(RQsums) of antibiotics for Liaokengshui river, Tangtou river, Daguanpi river(dry season) and Jiuwei river(wet season) calculated by simple risk addition model were all higher than 1, which indicated antibiotics would cause obvious hazard to the ecological environment currently.

source water; antibiotics; pollution characteristics; ecological risk assessmen

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1674-5906（2014）07-1175-06

深圳市環境科研項目(SZCG2012033773)；深圳市知識創新計劃(JCYJ20120618154913166)

朱婷婷（1983年生）女，工程師，博士，主要研究方向：水污染防治和飲用水源保護研究。E-mail: xiaozhu.tt@163.com

2014-02-25

朱婷婷，段標標，宋戰鋒，彭盛華. 深圳鐵崗水庫水體中抗生素污染特征分析及生態風險評價 [J]. 生態環境學報, 2014, 23(7): 1175-1180.

ZHU Tingting, DUAN Biaobiao, SONG Zhanfeng, PENG Shenghua. Pollution Characteristics and Ecological Risk Assessment of Antibiotics in Tiegang Reservoir in Shenzhen [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(7): 1175-1180.