張 慧，郭文建，朱 晨，李紅莉，王桂勛，岳太星，丁波濤

山東省環(huán)境監(jiān)測中心，山東 濟南 250101

自青霉素問世以來，抗生素為人類健康及畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展作出了不可替代的貢獻。然而，近年來因不合理使用抗生素而造成的健康問題和環(huán)境污染問題越來越多。2007年，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署明確提出要關注藥品和個人護理用品(PPCPs)污染問題。2016年，G20峰會更是將抗生素耐藥性問題上升到國際高度。進入人、動物體內(nèi)的抗生素有40%～90%不能被吸收，主要以原藥或藥物活性成分的形式隨尿液和糞便排出體外、進入環(huán)境，進而影響人類飲水、飲食安全，造成細菌耐藥性的增加。

目前，中國很多水系水體中均能檢出多種抗生素，如大遼河[1]、欽州灣[2]、黃浦江[3]、珠江[4]、九龍江[5]、北京清河[6]等，而針對山東省境內(nèi)主要河流中抗生素整體污染水平的調(diào)查研究較少。本研究選擇我國用量最大的磺胺類、喹諾酮類、β-內(nèi)酰胺類、四環(huán)素類、大環(huán)內(nèi)脂類、硝基咪唑類等6類共20種常用抗生素作為研究對象，采用固相萃取-高效液相色譜/串聯(lián)質譜技術，測定其在山東省境內(nèi)主要河流中的含量，并初步研究其分布特征，以期全面反映山東省主要河流中抗生素污染狀況，并為后期的抗生素污染防治工作提供科學依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

6類共20種抗生素標準品。5種磺胺類：磺胺間甲氧嘧啶、磺胺嘧啶、磺胺二甲氧嘧啶、磺胺甲惡唑、磺胺二甲嘧啶；4種喹諾酮類：諾氟沙星、環(huán)丙沙星、氧氟沙星、氟羅沙星；3種β-內(nèi)酰胺類：青霉素G、阿莫西林、頭孢氨芐；4種四環(huán)素類：金霉素、強力霉素、土霉素、四環(huán)素；3種大環(huán)內(nèi)酯類：紅霉素、羅紅霉素、螺旋霉素；1種硝基咪唑類：甲硝唑，均購自德國Dr.Ehrenstorfer公司。回收率指示劑：磺胺二甲氧嘧啶-D6；環(huán)丙沙星-D8；紅霉素-D6。

溶劑：甲醇、乙腈均為色譜純；甲酸為質譜專用；其他化學試劑均為分析純；實驗用水為超純水。

儀器：固相萃取儀(Dionex SPE-280)；氮吹濃縮儀(Biotage)；液相色譜/串聯(lián)質譜儀(Agilent 1260+6460B QQQ，配ESI離子源)。

1.2 點位布設與樣品采集

選取流經(jīng)山東省境內(nèi)半島諸河流域、小清河流域、海河流域和淮河流域中的主要河流，這四大流域分別位于山東省的東部、中部、西北部和南部。綜合考慮流域面積、河流水量、流經(jīng)區(qū)域納污及日常監(jiān)管河流斷面等情況，在各流域干流及主要匯水支流共設置38個采樣點，上述四大流域分別布設7、10、4、17個點位，采樣時間為2016年11月。依據(jù)《水質采樣技術指導》(HJ 494—2009)規(guī)定的方法，每個點位均采用棕色瓶采集1 000 mL水樣，4 ℃冷藏保存，因四環(huán)素類和青霉素類抗生素[7]水環(huán)境中不穩(wěn)定，而且紅霉素在酸性條件下易分解為脫水紅霉素[8]，樣品須3 d內(nèi)分析完畢。

1.3 樣品前處理和分析

取500 mL水樣，過0.45 μm纖維濾膜去除懸浮顆粒物，加入回收率指示劑，用鹽酸調(diào)節(jié)pH至2.5左右，加入200 mg乙二胺四乙酸二鈉鹽以抑制金屬離子對抗生素的影響；選用Waters Qasis HLB SPE小柱，分別用5 mL甲醇和5 mL水活化后，以不高于10 mL/min的流速上樣；上樣結束后用5 mL水清洗小柱并氮氣干燥30 min；最后用6 mL甲醇分2次洗脫，收集洗脫液并氮吹濃縮至近干，用液相色譜初始流動相定容至1 mL。

采用高效液相色譜/串聯(lián)質譜技術檢測。色譜分析條件：Eclipse Plus C18色譜柱(3.0 mm×100 mm，1.8 μm)，ZORBAX SB-C18保護柱(4.6 mm×12.5 mm，5 μm)，進樣量20 μL，流速0.2 mL/min，柱溫30 ℃，流動相A為0.1%甲酸水溶液，流動相B為0.1%甲酸乙腈溶液，梯度淋洗(1～2 min，85%A；2～3 min，85% A降至75% A；維持2 min；5～7 min，75% A降至65% A；維持10 min；17～18 min，65% A升至85% A；維持7 min)。質譜分析條件：離子源為電噴霧離子源(ESI)，采用正離子模式，利用多反應監(jiān)測(MRM)對待測物進行定性和定量分析。

1.4 質量控制

采用外標標準曲線法對樣品濃度進行定量分析。20種抗生素的檢出限為0.4～1.9 ng/L。加標量50 ng時，加標回收率為64.5%～132%，其中5種磺胺類和4種喹諾酮類均屬于人工合成抗生素，性質較穩(wěn)定，分別為92.0%～96.2%和92.6%～95.6%；β-內(nèi)酰胺類在水環(huán)境中易裂解，青霉素和阿莫西林分別為70.6%和 69.6%，頭孢氨芐為92.6%；四環(huán)素類易與金屬離子螯合[9]，回收率為126%～132%；大環(huán)內(nèi)酯類中紅霉素和羅紅霉素分別為98.4%和96.8%，螺旋霉素為64.5%；甲硝唑為78.9%。

2 結果與討論

2.1 山東省主要河流中抗生素污染物組成特征

山東省主要河流38個點位中，1#～7#屬于半島諸河流域，8#～17#屬于小清河流域，18#～21#屬于海河流域，22#～38#屬于淮河流域。各點位20種抗生素檢出濃度統(tǒng)計結果見表1。由表1可以看出，20種抗生素在山東省境內(nèi)地表水中均有檢出，檢出率為5.26%～100%，其中環(huán)丙沙星檢出率最高，38個點位檢出率100%，接下來依次是諾氟沙星、阿莫西林和羅紅霉素，檢出率分別為97.4%、94.7%、92.1%；青霉素、螺旋霉素和磺胺嘧啶檢出率較低，分別為7.89%、7.89%、5.26%。從檢出濃度來看，檢出濃度最高的抗生素為四環(huán)素(質量濃度239 ng/L)，其次為紅霉素(質量濃度135 ng/L)、羅紅霉素(質量濃度131 ng/L)、土霉素(質量濃度129 ng/L)和氧氟沙星(質量濃度107 ng/L)。檢出濃度中位數(shù)最高的分別為大環(huán)內(nèi)酯類中的紅霉素(質量濃度14.0 ng/L)和喹諾酮類中的諾氟沙星(質量濃度10.8 ng/L)和環(huán)丙沙星(質量濃度10.2 ng/L)。

表1 山東省主要河流抗生素濃度水平Table 1 The concentrations of antibiotics in main rivers of Shandong province

注：表中“濃度”均為質量濃度，單位為ng/L；ND表示測定濃度低于檢出限；SMM為磺胺間甲氧嘧啶，SDZ為磺胺嘧啶，SDM為磺胺二甲氧嘧啶，SMZ為磺胺甲惡唑，SM2為磺胺二甲嘧啶，NOR為諾氟沙星，CIP為環(huán)丙沙星，OFL為氧氟沙星，F(xiàn)L為氟羅沙星，PG為青霉素G，AMX為阿莫西林，CPL為頭孢氨芐，CTC為金霉素，DC為強力霉素，OTC為土霉素，TC為四環(huán)素，ERM為紅霉素，ROM為羅紅霉素，SPI為螺旋霉素，MTR為甲硝唑，∑20為20種抗生素。

山東省四大流域6類抗生素占比統(tǒng)計結果詳見圖1。小清河流域、淮河流域及半島諸河流域大環(huán)內(nèi)脂類抗生素平均占比最高，分別為37.9%、35.9%、31.9%，其次為喹諾酮類抗生素，分別為30.2%、28.4%和31.8%；海河流域抗生素組成略有不同，以四環(huán)素類抗生素為主，平均占比達59.0%，喹諾酮類抗生素占比第二，為22.0%。而且結合表1可知，山東省境內(nèi)地表水中檢出的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素以羅紅霉素和紅霉素為主，喹諾酮類抗生素以氧氟沙星、環(huán)丙沙星和諾氟沙星為主，四環(huán)素類抗生素以四環(huán)素和土霉素為主。

圖1 山東省四大流域中6類抗生素占比情況Fig.1 The proportions of 6 types of antibiotics in four river basins of Shandong province

本研究測定出的山東省地表水中抗生素污染物組成與中科院廣州地化所應光國課題組的統(tǒng)計結果[10]基本一致，但β-內(nèi)酰胺類抗生素檢出量與統(tǒng)計結果存在差異，這可能是因為β-內(nèi)酰胺類化合物在環(huán)境中很不穩(wěn)定，極易發(fā)生水解，導致其在水環(huán)境中檢出量和檢出率偏低，其水解產(chǎn)物及對環(huán)境的影響仍有待進一步研究；磺胺類抗生素屬于人工合成類抗生素，性質非常穩(wěn)定，由研究結果可知，其在山東省內(nèi)用量并不是很大。

2.2 山東省主要河流中抗生素空間分布特征

各點位總濃度及6類抗生素占比情況詳見圖2。山東省半島諸河流域20種抗生素檢出總質量濃度在18.0～180 ng/L之間、平均總質量濃度61.4 ng/L；小清河流域在16.8～350 ng/L之間、平均總質量濃度175 ng/L；海河流域在74.3～347 ng/L之間、平均總質量濃度232 ng/L；淮河流域在36.6～265 ng/L之間、平均總質量濃度118 ng/L。海河流域平均檢出總濃度最高，全省38個點位平均檢出總質量濃度為135 ng/L。

應光國等[10]預測出我國58個流域中涉及本文的六大類常用抗生素平均總濃度在200 ng/L左右。本研究抗生素總濃度超出該水平的點位共10個，4個位于小清河流域(9#、8#、12#、15#)、3個位于海河流域(20#、21#、19#)、3個位于淮河流域(35#、34#、31#)，其中9#和20#抗生素總質量濃度最高分別達到350 ng/L和347 ng/L；檢出總質量濃度小于40 ng/L的點位共6個，3個位于半島流域(1#、3#、2#)、2個位于小清河流域(11#、10#)、1個位于淮河流域(36#)。11#質量濃度最低，為16.8 ng/L。

圖2 各監(jiān)測點位20種抗生素總濃度及6類抗生素占比情況示意圖Fig.2 The total antibiotics concentrations of all sampling sites and the proportions of 6 types of antibiotics

地表水中不同類抗生素的含量組成差異，一定程度上與其環(huán)境行為和使用量有關[11]，人口越密集區(qū)的下游往往抗生素污染越嚴重；對于適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖的入海(湖)河口、畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū)，由于外排廢水往往得不到較好處置而直接排放，抗生素濃度也會明顯增高。小清河流域的9#、8#位于小清河章丘下游段，12#位于支脈河博興縣下游段，15#位于溢洪溝墾利縣下游段；海河流域的20#、21#分別位于東營市神仙溝及挑河下游河口附近，19#位于徒駭河莘縣下游段；淮河流域35#位于北沙河滕州市下游，34#位于寧陽溝寧陽縣下游段，31#位于東溝河單縣下游段，這些檢出總濃度偏高的點位，其上游均接納大量來自流經(jīng)區(qū)域市、縣等污水處理廠排水及沿河村鎮(zhèn)排放的分散型未經(jīng)處理的直排污水。而檢出總濃度偏低的各點，其上游均無大規(guī)模城市污水處理廠外排廢水匯入或主要以工業(yè)廢水為主，如位于小清河流域淄博段主要排水口的10#、11#，主要以齊魯石化工業(yè)園區(qū)工業(yè)廢水為主，園區(qū)生活污水占比不大；半島流域的1#～3#，淮河流域36#，上游均無大的人口密集區(qū)，主要以地面徑流及沿河村鎮(zhèn)少量分散型直排污水為主。

目前大環(huán)內(nèi)脂類抗生素被廣泛用于人類疾病治療[12]，諾氟沙星和環(huán)丙沙星等喹諾酮類抗生素不僅在人類醫(yī)療中占有較重地位，也大量用于畜牧水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)，土霉素、四環(huán)素、強力霉素等四環(huán)素類抗生素由于副作用較大，在畜禽養(yǎng)殖中應用較多，一般作為抗病藥物、生長促進劑等添加于飼料中[13]。因此，分析地表水中抗生素組成可從一定程度上反映出其污染來源。本研究中，地表水中目前臨床常用的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素在檢出總濃度中占比超60%的點位有小清河的9#、北沙河的35#、墨水河的4#、梁濟運河入南四湖的22#，分別達到72.0%、67.5%、67.4%、60.1%，這應與上述點位正位于濟南、滕州、青島、濟寧等城市人口密集區(qū)下游，河流接納了來自城區(qū)污水處理廠大量外排污水有關；各流域中位于縣市區(qū)等人口密集區(qū)下游、但距離城區(qū)匯水口較遠河段的點位(8#、19#、23#、24#、25#、33#、34#、38#)，因同時接納沿河村鎮(zhèn)排放的分散型直排生活、畜禽養(yǎng)殖污水，呈現(xiàn)地表水中大環(huán)內(nèi)酯類與喹諾酮類抗生素占比相當?shù)默F(xiàn)象，這應與近年諾氟沙星、氧氟沙星等喹諾酮類藥物亦大量用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)有關。此外，位于東營市河口區(qū)下游的神仙溝(20#)及挑河(21#)四環(huán)素類抗生素在檢出總濃度中占比最高，分別達到80.8%、67.8%，這應與該區(qū)域近渤海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達、分散養(yǎng)殖廢水排放影響有關；且本研究發(fā)現(xiàn)，四環(huán)素類抗生素在檢出總濃度中占比超過50%的點位大都位于河流入海(湖)口附近水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū)，比如小清河流域位于支脈河墾利段的14#、淮河流域位于泗河入湖河口附近的30#及龍王河河口附近的37#、半島流域乳山河河口附近的6#，這與李壹等[14]研究結果基本一致。

3 結論

1)抗生素的特性和用量決定了其污染狀況和空間分布。山東省境內(nèi)主要河流中6類20種抗生素均有檢出，地表水中大環(huán)內(nèi)酯類、喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素整體檢出濃度占比相對較高；檢出的大環(huán)內(nèi)脂類抗生素以羅紅霉素和紅霉素為主，喹諾酮類抗生素以氧氟沙星、環(huán)丙沙星和諾氟沙星為主，四環(huán)素類抗生素以四環(huán)素和土霉素為主?？股匚廴疚锏慕M成與國內(nèi)相關統(tǒng)計結果基本一致。

2)山東省半島流域、淮河流域、小清河流域和海河流域20種抗生素平均總質量濃度分別為61.4、118、175、232 ng/L，全省平均總質量濃度為135 ng/L; 半島諸河流域抗生素污染較小，海河流域污染相對較為嚴重。臨床常用的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素在人口密集區(qū)濃度較高，與生活污染源緊密相關；四環(huán)素類抗生素的高濃度主要集中在河流入海(湖)口等畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)達地區(qū)，與畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖有關。

3)應加強抗生素污染的監(jiān)管。雖然近年山東省城鎮(zhèn)污水收集率及處理能力均顯著提高，境內(nèi)主要河流水質有了較大改善，但水中抗生素濃度仍處于較高水平，畜牧養(yǎng)殖業(yè)廢水排放的貢獻不容忽視，管理仍需進一步加強。