沈陽市污水處理廠出水中典型抗生素污染特征及生態(tài)風險評估

李 哲，徐洪波，曲 健*，祝琳琳，王 帥，王 男，鄭興寶，張 霄

（遼寧省沈陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 沈陽）

引言

抗生素作為藥物長期用于人和畜牧疾病防治，同時也作為促增長劑廣泛用于畜牧行業(yè)領域。我國作為抗生素的生產(chǎn)和使用國家，然而抗生素不能完全在生物體內被分解代謝掉，大部分抗生素會以原藥的形式排出到生態(tài)環(huán)境中?？股夭粌H會影響世界生態(tài)環(huán)境，而且對人和生物造成潛在危害。目前國內學者關于抗生素做了相關研究，我國的長江[1]、遼河[2]、太湖[3]和蓮花水庫[4]水體環(huán)境調查到抗生素目標化合物有檢出，以及關于污水處理廠出水中抗生素殘留狀況進行了研究[5]。

因此選取渾河流域沈陽段典型污水處理廠，以社會關注度高的四大類共計16 種抗生素為目標化合物，于2021 年春季和秋季采集污水處理廠出水樣品，調查研究16 種抗生素在污水處理廠出水中的檢出和濃度分布情況，并基于風險熵評價出水中殘留抗生素對生態(tài)和人體健康安全的潛在風險，以期為政府部門制定管控政策提供科學有效依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 樣品采集

于2021 年5 月和11 月按春季和秋季分2 次采集了排入渾河流域沈陽段26 座和27 座城市污水處理廠出口排水樣品。樣品采集前，預先在每升采樣瓶中分別加入0.25 g 乙二胺四乙酸二鈉和0.15 g 抗壞血酸，以排除水中金屬離子、余氯及氧化性有機物，樣品避光低溫保存。

1.2 實驗材料

研究選取四類(磺胺類SAs、喹諾酮類QNs、大環(huán)內酯類MCs、四環(huán)素類TCs)16 種典型抗生素作為研究目標化合物。其中抗生素標準品包括：①磺胺類: 磺胺甲嘧啶(sulfamerazine，SMZ)、磺胺吡啶(sulfonamido，SNM)、磺胺喹噁啉(sulfachinoxaline，SCX)、磺胺嘧啶(sulfadiazine，SDZ)、 磺 胺 甲 噁 唑(sulfamethoxazole，SMX)和磺胺二甲嘧啶(sulfamethazine，SMD)；②喹諾酮類:氧氟沙星(ofloxacin，OFL)、恩諾沙星(enrofloxacin，ENR)、環(huán) 丙 沙 星 (ciprofloxacin，CIP) 和 諾 氟 沙 星(norfloxacin，NOR)； ③大 環(huán) 內 酯 類: 阿 奇 霉 素(azithromycin，AZM)、羅紅霉素(roxithromycin，ROM)和克拉霉素(clarithromycin，CLR)；④四環(huán)素類: 土霉素(oxytetracycline，OTC)、四環(huán)素(tetracycline，TCY)和金霉素(chlortetracyclin，CTC)。以上抗生素標準品均購自農(nóng)業(yè)部，實驗所用甲醇和乙腈(農(nóng)殘級)購自Dikma 公司。

1.3 樣品前處理方法

準確量取樣品1.0 L，經(jīng)孔徑0.45 μm 濾膜過濾。以流速10 mL/min 樣品通過固相萃取柱，用10 mL5%甲醇的水溶液洗滌固相柱。用10 mL 甲醇洗脫固相柱，濃縮定容到1.0 mL，經(jīng)過0.22 μm 濾膜，-20 ℃冷凍保存。

1.4 儀器分析方法

采用超高效液相色譜- 串聯(lián)質譜儀(Waters H-Class XevoTQD液相- 質譜聯(lián)用儀，美國Waters 公司)。

液相色譜儀柱溫35 ℃；進樣體積10 μl；流動相(A)(乙腈B)0.1%甲酸水溶液；流速0.3 ml/min，見表1。

表1 抗生素的梯度洗脫程序分離參數(shù)

質譜離子源ESI 模式；霧化氣600 ℃，流速800 L/Hr；反吹氣流速50 L/Hr；監(jiān)測模式MRM。

1.5 質量控制

樣品監(jiān)測分析使用內標法定量分析。樣品中加入抗生素混合標液，計算抗生素加標回收率?？瞻准訕嘶厥章适?0.7%～121.5%，樣品加標回收率是56.6%～102.9%。

1.6 生態(tài)風險評價方法

研究采用風險熵值法(RQs)評估生態(tài)風險，RQs 可以通過抗生素的檢測濃度MEC 與風險閾值PNEC 的計算比值獲取:

式中，LC50 為半致死濃度；EC50 為半效應濃度；LOEC為最低效應濃度；NOEC 為最低無效應濃度；AF 為評價因子。依據(jù)歐盟文件TGD 中評價因子，急性毒性數(shù)據(jù)AF 選擇1000; 慢性毒性數(shù)據(jù)AF 選擇100。根據(jù)Hernando 等研究者[6]提出的風險熵值法來判斷生態(tài)風險等級: 低風險為（0.01≤RQs＜0.1），中等風險為（0.1≤RQs＜1.0），高風險為（RQs≥1.0）。

2 結果與討論

2.1 抗生素污染水平

所分析目標化合物的檢出率和濃度分布情況如表2 所示。渾河流域沈陽段27 座污水處理廠除CTC和TCY 未檢出外，14 種抗生素均有不同程度地檢出。ROM的檢出率最高，達到62.3%。SNM、SMX、OFL 和AZM檢出率為41.5%～58.5%，其余9 種抗生素的檢出率在1.9%～35.8%。抗生素濃度水平在ND～65.5 ng·L-1，檢出濃度最高的為NOR，其次為ROM和OFL，其余抗生素的檢出濃度均低于30 ng·L-1。

表2 目標化合物在各水廠出水中的濃度和檢出率

喹諾酮類抗生素的總檢出濃度最高，總計達到136.4 ng·L-1，NOR 檢出濃度最高，為65.5 ng·L-1；其次是OFL，為60.2 ng·L-1。研究中NOR 和OFL 濃度與遼河流域地表水中的濃度較為接近[2]。這可能是與近年來喹諾酮類抗生素的廣泛使用密切相關。

大環(huán)內酯類中ROM 質量濃度是ND～62.1 ng·L-1，為大環(huán)內酯類抗生素濃度最高。其次為AZM，達到28.8 ng·L-1。本研究中AZM濃度低于廈門市飲用水源地蓮花水庫中(ND～232.61 是ng·L-1)，ROM濃度和蓮花水庫中抗生素檢出濃度較為接近[4]。大環(huán)內酯類抗生素一般來說物理化學性質相對穩(wěn)定，城市污水處理廠附近人口較為密集，可能導致城市污水廠出水中大環(huán)內酯類質量濃度升高。

對比喹諾酮類和大環(huán)內酯類抗生素，磺胺素類檢出濃度相對較低。其中SMX 檢出濃度處于較高水平，為ND～22.8 ng·L-1，檢出率為50.9%。長江南京段中SMX 濃度為9.67 ng·L-1，低于抗生素檢出濃度[1]?；前奉愔饕獞迷谛竽琉B(yǎng)殖領域，附近流域可能存在相似行業(yè)廢水排入狀況。

3 種四環(huán)素類抗生素檢出濃度最低。其中OTC 為ND～6.5 ng·L-1。OTC 檢出濃度低于太湖貢湖灣水域的研究結果[3]。四環(huán)素類抗生素在自然生態(tài)環(huán)境條件下物理化學性質較為活潑，受到光照和微生物的影響從而發(fā)生變化，因此在城市污水處理廠排水出水中的檢出濃度相對較低。

總體來說，研究中檢出的NOR、ROM和OFL 處于較高濃度水平，其余抗生素基本處于較低濃度水平，抗生素在不同地區(qū)的使用和廢水等有所差別，導致抗生素質量濃度有著較大不同，見表2。

2.2 抗生素濃度季節(jié)變化特征

目標抗生素濃度在27 座污水處理廠出水中的季節(jié)變化特征如圖1 所示。春季和秋季的4 大類抗生素平均濃度的總和分別為28.2 ng·L-1和36.6 ng·L-1。秋季的抗生素總濃度是春季的1.3 倍，呈現(xiàn)出秋季高于春季的趨勢。

圖1 抗生素季節(jié)變化特征

抗生素季節(jié)變化特征不僅與環(huán)境空氣溫度、降雨量和微生物活性等因素有關，還與農(nóng)業(yè)林業(yè)抗生素使用密切有關。喹諾酮類季節(jié)濃度變化相對明顯，喹諾酮類通常應用在畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，在不同季節(jié)使用量存在較大差異; 大環(huán)內酯類和磺胺類抗生素在春季出水中的檢出濃度高于在秋季出水中濃度，這可能主要受到不同季節(jié)天氣自然條件所影響[5]；出水中四環(huán)素類抗生素因檢出濃度較低，季節(jié)變化特征不顯著。

在污水處理廠出水中，總體上目標化合物在春季節(jié)的濃度低于其在秋季節(jié)的濃度，這與北京市污水處理廠研究結果有所不同[5]。

2.3 生態(tài)風險評價

依據(jù)最嚴重的風險情況，選擇10 種抗生素的最大質量濃度計算風險熵值。

由圖2 可知，OFL 和CIP 的風險熵值均大于1.0，表明喹諾酮類存在較高風險水平，對于生態(tài)環(huán)境存在嚴重的潛在風險，其中OFL 的風險熵值達到5.327，是主要風險因子。

圖2 出水中抗生素的風險商值

SMX、NOR 和ROM的RQ 值介于0.1～1.0 之間，處于中等風險水平；SNM 的風險熵值介于0.01～0.1區(qū)間，處于低風險水平；SMD、AZM、CLR 和OTC 抗生素的風險熵值小于0.01，屬于無風險。有研究表明抗生素長期存在可能產(chǎn)生抗性基因，而抗性基因污染近些年來成為生態(tài)環(huán)境關注重要問題，因此應加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，管控抗生素在出水中的生態(tài)風險狀況，見表3。

表3 抗生素對應最敏感物種的毒理數(shù)據(jù)

3 結論

（1） 污水廠出水中16 種抗生素，除CTC 和TCY外，均有不同程度檢出?？股貪舛人皆贜D～65.5 ng·L-1，檢出濃度最高的為NOR，其次為ROM和OFL。除NOR、ROM和OFL 處于相對較高的污染水平，其余基本處于中等以下水平。

（2） 出水抗生素總質量濃度在時間分布上表現(xiàn)出較為明顯的季節(jié)分布特征，在春季的總體濃度低于秋季。

（3） 生態(tài)風險評價結果表明，OFL 和CIP 的生態(tài)環(huán)境風險較高，其中OFL 是出水中主要風險因子。