張國芳

(上海城投〈集團〉有限公司，上海 200020)

喹諾酮類抗生素(quinolones，QNs)是一類化學(xué)合成的抗菌藥物，具有抗菌譜廣、高效低毒、作用機制獨特、藥物動力學(xué)好以及目標(biāo)生物無交叉耐藥性等特點。自1962年第一代喹諾酮類藥物—-萘啶酸(nalidixic acid)[1]問世以來，QNs已經(jīng)歷40多年的發(fā)展，從最初只能對大腸桿菌等革蘭氏陰性菌有活性的萘啶酸發(fā)展到能對革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌均有較好的殺滅活性，包括殺滅金黃色葡萄球菌、支原體和衣原體等微生物的第二代、第三代、第四代藥物，目前第三代藥物諾氟沙星等在臨床廣泛使用。

QNs能夠?qū)毦鶧NA合成中的DNA促旋酶、拓撲異構(gòu)酶II和拓撲異構(gòu)酶IV選擇性抑制，使細菌繁殖過程中的DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和重組受到阻礙，從而起到殺菌抑菌的效果[2]。在革蘭氏陽性菌細胞內(nèi)，拓撲異構(gòu)酶IV是拓撲異構(gòu)酶的作用靶點，而在革蘭氏陰性菌細胞內(nèi)，DNA促旋酶則被作為目標(biāo)靶點[3]。由于在治療細菌疾病方面的優(yōu)良特性，QNs被廣泛應(yīng)用于人類疾病治療、動物養(yǎng)殖和農(nóng)作物種植中[2]。然而，研究表明，目前使用的抗生素約有58.2%以母體形式通過糞便直接排到自然環(huán)境中[4]。水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)直接將抗生素投加到水體中，因此，QNs在地表水的污染更為嚴(yán)重。人類自身使用的抗生素多集中于醫(yī)療衛(wèi)生和家庭，部分未被分解的抗生素藥物通過醫(yī)院排水和生活污水直接排入城市污水管網(wǎng)，經(jīng)由污水處理廠處理后排入水體[5]。QNs的酸堿特性使其在環(huán)境中具有較好的遷移能力[6]，能夠通過地表徑流進入飲用水中，從而對人類健康造成潛在的影響。Zou等[7]在渤海灣沿岸水域中檢測出諾氟沙星及氧氟沙星濃度高達6 800 ng/L和5 100 ng/L，遠遠高于其他流域[8-10]。珠江廣州河段QNs最高檢測濃度達到510 ng/L，遠高于國內(nèi)其他地表水域。QNs不僅能在地表水中檢出，在地下水中也能檢出。Calinman等[11]對地下水中殘留抗生素情況進行綜述，發(fā)現(xiàn)氧氟沙星、加替沙星及其代謝產(chǎn)物在地下水中大量存在，部分地下水中QNs濃度達到μg/L水平。西班牙東北部巴塞羅那地下水中檢出氧氟沙星、諾氟沙星、環(huán)丙沙星、依諾沙星、恩諾沙星、單諾沙星這6種QNs，濃度在264～ 543 ng/L[12]。瑞典某制藥廠附近村莊井地下水中檢出環(huán)丙沙星和依諾沙星，濃度分別為14 000 ng/L和1 900 ng/L。天津地下水中也報道了QNs的檢出，檢出濃度為31.8～42.5 ng/L[12]。

因此，本研究對華東地區(qū)某水廠QNs殘留情況進行調(diào)查，研究QNs在水廠中的去除特征，并基于風(fēng)險商，初步評價QNs對人體健康可能造成的風(fēng)險。

1 材料與方法

1.1 試劑與設(shè)備

抗生素標(biāo)準(zhǔn)品：諾氟沙星(norfloxacin，NOR，>98%)、環(huán)丙沙星(ciprofloxacin，CIP，>99%)、氧氟沙星(ofloxacin，OFL，>99%)、恩諾沙星(enrofloxacin，ENR，>99%)、洛美沙星(lomefloxacin，LOM，>98%)、沙拉沙星(sarafloxacin，SAR，>98%)、達氟沙星(danofloxacin，DOF，>98%)、氟甲喹(flumequine，F(xiàn)JK，>99%)、惡喹酸(oxolinic acid，OXO，>99%)、環(huán)丙沙星-D8(CIP-D8)和13C3-咖啡因(13C3-caffeine)均購自Dr. Ehrenstorfer GmbH(Augsburg，Germany)。甲醇(99.9%，色譜純)和乙腈(99.9%，色譜純)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

12孔固相萃取裝置(Supelco，USA)；固相萃取柱：UniElut C18HCE [1 000 mg/(6 mL)，華譜新創(chuàng)科技有限公司)]；抽濾裝置(Whatman，UK)；玻璃纖維濾紙(GF/F，47 mm，Whatman，UK)；固相萃取小柱連接管(PTFE)、GM-1.0 A無油隔膜真空泵和DC-12氮氣吹干儀均購自上海安譜科學(xué)儀器有限公司。

Agilent Zorbax Eclipse Plus C18色譜柱(2.1 mm×150 mm，3 μm)；Agilent 1260高效液相色譜(Agilent Technologies，USA)；Agilent 6430三重四極桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(Agilent Technologies，USA)。

1.2 水廠概述及采樣點設(shè)置

本研究選取華東地區(qū)某水廠作為研究對象。該水廠包括常規(guī)(A線)和深度(B線)兩種飲用水處理工藝(圖1)。A線運行具體參數(shù)：預(yù)絮凝/混凝為16～20 mg/L的聚合氯化鋁；氯消毒為1.0 mg/L的次氯酸鈉。B線運行具體參數(shù)：預(yù)臭氧為0.1 mg/L臭氧；絮凝/混凝劑為10～15 mg/L聚合氯化鋁以及 0.1 ～ 0.15 mg/L聚丙烯酰胺；氯消毒為1.0 mg/L的次氯酸鈉。

水樣分別采集于水廠原水、常規(guī)處理工藝的沉淀池出水、砂濾池出水、氯消毒出水處和深度處理工藝的沉淀池出水、砂濾池出水、臭氧出水、活性炭濾池出水、氯消毒出水處，共計9個采樣點，具體采樣位置如圖1所示。使用5 L棕色瓶采樣，投加5 mL 0.1 mol/L的硫代硫酸鈉，冰袋保持低溫，運回實驗室，24 h內(nèi)完成固相萃取等前處理操作。采樣時間為2017年9月和2018年1月。

圖1 水廠工藝流程圖及采樣點設(shè)置Fig.1 Flow Chart of Water Treatment Process and Sampling Points

1.3 樣品分析

1.3.1 水樣前處理

水樣前處理參考文獻[13-14]并進一步優(yōu)化。將500 mL水樣經(jīng)0.7 μm玻璃纖維濾膜真空抽濾，加入0.2 g Na2EDTA，絡(luò)合水樣中Ca2+、Mg2+等金屬離子，用0.1 mol/L的鹽酸、氫氧化鈉和磷酸鹽緩沖溶液調(diào)節(jié)pH值至8.0，加入100 ng環(huán)丙沙星和咖啡因同位素標(biāo)記物(1 mL、100 μg/L的CIP-D8和13C3-Caffeine)內(nèi)標(biāo)物。HCE-C18萃取柱依次用10 mL甲醇、10 mL超純水和10 mL與水樣pH一致的磷酸鹽水溶液活化。以3～5 mL/min過萃取柱。萃取完后，真空泵25～30 min抽干，用5%(體積比)的甲醇水溶液淋洗，最后用10 mL甲酸/甲醇溶液洗脫。洗脫液在35 ℃水浴條件下，用氮氣緩慢的吹至近干，用50%(體積比)的甲醇水定容至1 mL，經(jīng)0.22 μm尼龍濾膜過濾，-20 ℃保存，待進樣分析。

1.3.2 HPLC-MS/MS分析

液相條件：進樣量為5～10 μL；流動相流速為0.4 mL/min；有機相為0.1%:99.9%的甲酸/乙腈溶液；水相為0.1%:99.9%的甲酸/水溶液。梯度洗脫程序：0～5 min，水相/有機相體積比由85%/15%線性降低至75%/25%，在13 min時降低至55%/45%，14 min時降低至15%/85%，并保持1.5 min，17 min時回到65%/35%并持續(xù)上升，18.5 min時回到85%/15%并保持0.5 min。

質(zhì)譜條件：采用正電噴霧電離源，干燥氣溫度為350 ℃；氣體流為11 L/min；正電離模式毛細管電壓為4 000 V；負電離模式毛細管電壓為3 000 V；霧化器壓力為15 psi(1 psi=6.89 kPa)；9種QNs的母離子、2個子離子、碎裂電壓等參考前期研究[14]。

1.4 人體健康風(fēng)險評價

QNs在自然環(huán)境的殘留可能會影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至直接或間接地影響人類健康。因此，評價飲用水環(huán)境中QNs可能造成的人體健康風(fēng)險極其重要。本研究基于QNs對人體日均可接受最大攝入量的健康風(fēng)險商模型，計算對不同年齡段人群可能造成的健康風(fēng)險[15]，具體計算如式(1)和式(2)。

RQs=Cm/DWEL

(1)

DWEL=ADI×BW×HQ/(DWI×AB×FOE)

(2)

其中：Cm——目標(biāo)QNs在實際樣品中檢出濃度，μg/L；

DWEL——飲用水中的當(dāng)量值，μg/L；

ADI——日均可接受攝入量，μg/(kg·d)；

BW——人均體重，kg，參照美國ECOTOX數(shù)據(jù)庫和中華人民共和國農(nóng)業(yè)部農(nóng)牧發(fā)〔1999〕17號文件；

HQ——最高風(fēng)險，通常取1；

DWI——日飲水量,L/d；

AB——腸胃對污染物的吸收率，按1計算；

FOE——污染物的暴露頻率，數(shù)值取365 d/a。

各年齡段BW和DWI值借鑒金磊等[16]的研究，具體參數(shù)匯總?cè)绫?所示。考慮可能造成的最大風(fēng)險，選擇檢出濃度最高值計算風(fēng)險商。

表1 QNs可接受每日攝入量和各年齡段人群體重、日飲用水量Tab.1 Selected Age Groups, Average Body Weight, Drinking Water Intakes and Acceptable Daily Intakes of Selected QNs

注：“-”表示未得到相關(guān)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與討論

2.1 典型QNs在水源水中的污染特征

本研究選取9種典型的QNs作為研究對象，包括目前仍在獸藥中使用的第二代喹諾酮FJK和OXO，以及廣泛應(yīng)用于人類和獸藥中的第三代喹諾酮NOR、CIP、OFL、ENR、LOM、SAR和DOF。這9種典型QNs在該飲用水廠原水中的檢出情況如表2所示，除LOM、SAR、FJK和OXO未檢出外，其余5種QNs在原水中均以100%的頻率檢出。這5種QNs均處于ng/L水平，總檢出濃度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是檢出濃度最高的抗生素，達45.55 ng/L。這與上游水源來水中CIP的檢出情況類似，其檢出頻率雖為45.6%，但其最高檢出濃度達176.4 ng/L[17]。NOR和DOF次之，檢出濃度分別為23.79～38.54 ng/L和16.85～34.56 ng/L。ENR也有微量檢出，但其檢出濃度均未超過11 ng/L。與以往報道相比，該水源地中QNs的污染水平遠高于黃浦江[8]和長江[18]流域。例如，Jiang等[8]發(fā)現(xiàn)黃浦江水體中NOR、CIP、ENR、OFL和SRA的濃度均低于檢出限(8.34 ng/L)或未檢出。Chen等[19]在黃浦江水體中檢出ND～ 34.2 ng/L的NOR、CIP、ENR和OFL。Yan等[18]在長江水體中檢出的NOR、CIP、ENR和OFL濃度均低于14.2 ng/L。

表2 水廠QNs的檢出情況Tab.2 Occurrence of Quinolone Antibiotics in Water Treatment Plant (WTP)

2.2 不同處理工藝對典型QNs的去除規(guī)律

為掌握不同飲用水處理工藝對典型QNs的去除特征，分析該水廠原水中檢出的5種典型QNs在各處理單元的濃度變化，結(jié)果如圖2所示。水源水進入水廠前均有預(yù)加氯過程，因此，在水廠原水中檢測到的目標(biāo)QNs濃度會略微小于水源地進入管網(wǎng)的QNs濃度。圖2(a)為QNs在該水廠常規(guī)水處理工藝中的濃度變化。常規(guī)工藝是通過絮凝劑將懸浮的大分子顆粒物吸附沉降的過程，該過程只發(fā)生簡單的物理吸附，對溶解性的QNs去除效果有限，絕大多數(shù)目標(biāo)污染物在常規(guī)處理階段去除率不足20%。CIP和DOF在常規(guī)處理工藝去除率最高，分別為40%和23%。圖2(b)為深度處理工藝，與常規(guī)處理工藝相比，深度處理工藝在濾池后增加了臭氧氧化和活性炭濾池兩項工藝。深度處理工藝對目標(biāo)QNs的去除效率為23%～63%，是傳統(tǒng)沉淀和砂濾去除率的2～3倍。Simazki等[20]對日本6座水廠中包括抗生素在內(nèi)的64種藥物殘留情況進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)目標(biāo)污染物在水廠中低于50 ng/L，且具有臭氧氧化的深度處理工藝對目標(biāo)污染物的去除率在33% ～ 57%，明顯高于常規(guī)處理，與本研究結(jié)果類似。

圖2 水廠各工藝中QNs的去除 (a)常規(guī)工藝；(b)深度工藝Fig.2 Removal of Selected QNs by Different Water Treatment Processes (a) Conventional Process; (b) Advanced Process

表3為各水處理工藝與上一個工藝相比對目標(biāo)QNs的去除率。其中，常規(guī)處理工藝主要包括沉淀池和砂濾池。在常規(guī)水處理工藝中加入絮凝劑和混凝劑對水體中的懸浮顆粒物進行絮凝沉降，并捕獲少量溶解的有機污染物，通過沉淀和砂濾實現(xiàn)固液分離達到凈化水質(zhì)的作用。傳統(tǒng)的水處理工藝對QNs去除效果有限，沉淀池和砂濾池對5種目標(biāo)QNs的去除率分別在3.4%～34.8%和0.3%～12.1%。這與國內(nèi)外報道的傳統(tǒng)水處理工藝對痕量有機污染物去除效果有限的結(jié)論相符[21-22]。Xu等[23]對城市飲用水處理廠中殘留的4種QNs進行調(diào)查，原水中抗生素濃度為51～248 ng/L，而水廠出水中仍有5～46 ng/L的抗生素檢出。

表3 各工藝對QNs的去除率Tab.3 Removal of Selected QNs by Different Water Treatment Processes

臭氧活性炭工藝是目前國內(nèi)外較為常用的飲用水深度處理方法。其中，臭氧階段，臭氧與水中有機污染物通過分子形式或形成強氧化性的羥基自由基(·OH)，起到去除的效果。報道指出，·OH對氨基、脂肪族化合物和活性芳環(huán)具有較強的選擇性[24]，適合水體中有機污染物的去除。該水廠深度處理工藝就是在傳統(tǒng)處理工藝的基礎(chǔ)上增加了臭氧氧化和活性炭吸附工藝，與傳統(tǒng)工藝相比，明顯提高了對QNs的去除效率。結(jié)果表明，NOR、CIP和DOF在臭氧階段去除率分別為46.3%、35.4%和27.5%，OFL和ENR去除率相對較低，去除率為6.8%和12.6%?；钚蕴抗に囃舆B在臭氧之后，通過吸附作用捕捉殘留的有機污染物。因此，與臭氧氧化階段相比，活性炭對QNs的處理效果有限，去除率低于10.0%。雖然深度處理工藝較傳統(tǒng)工藝去除效率有所提升，但并沒有實現(xiàn)QNs的完全去除。Liu等[25]在研究臭氧對CIP、NOR和LOM的去除時發(fā)現(xiàn)，在臭氧投加量為2.0～5.0 mg/L時，去除效果可達到90.0%～99.0%的去除率。本研究臭氧過程對QNs去除效率低的原因，可能是自然水體中存在大量的溶解性有機碳(DOC)，臭氧首先與DOC反應(yīng)，再與水中溶解的少量抗生素發(fā)生反應(yīng)，從而使臭氧降解QNs的效果比試驗結(jié)果差。

氯消毒是水廠水源水處理的最后一個工藝。通常飲用水中氯的投加量在1.0～2.0 mg/L，且接觸時間不少于30 min。同時，出廠水中往往要求保持一定的預(yù)氯含量，可以防止管網(wǎng)中微生物的滋生對水質(zhì)造成影響。NOR、CIP在氯消毒階段的去除率為10.9%和22.9%，OFL、ENR和DOF的去除率在1.8%～4.5%。Li等[26]在研究氯對痕量QNs的去除時發(fā)現(xiàn)：加氯量為10～15 mg/L時，OFL在1～ 5 min被完全去除；而氯對NOR和CIP的去除率有限，在加氯量為5～15 mg/L時，去除率為59.9% ～ 84.9%；同時，當(dāng)余氯量低于0.75 mg/L時，抗生素含量基本維持不變。

2.3 水廠典型QNs的人體健康風(fēng)險評價

水源水中檢出的QNs對從嬰幼兒到成人各年齡段的健康風(fēng)險如圖3所示。所有目標(biāo)QNs對人體健康風(fēng)險的商值在6.93×10-6～ 2.59×10-3，即所有目標(biāo)QNs在華東地區(qū)典型水源地中的風(fēng)險商均小于1，且比較不同年齡段的人群發(fā)現(xiàn)，QNs對人體的風(fēng)險值隨著年齡的增加而減少。其中，所有QNs對0 ～ 3個月的嬰幼兒表現(xiàn)出較高的風(fēng)險；6歲以下的兒童，風(fēng)險商值隨著年齡的增長而降低，較明顯；11歲以上的人群風(fēng)險商值變化并不明顯。其中，CIP風(fēng)險商值最高，對1～2歲的兒童風(fēng)險商值高于1.09×10-3，這是由于CIP在所研究的QNs中其ADI值最低，僅為1.6 μg/(kg·d)。同時，ENR和DOF的RQs也高于0.000 1，其余目標(biāo)QNs均小于0.000 1。

圖3 水廠出廠水的人體健康風(fēng)險評價Fig.3 Human Health Risk Assessment of Residual Quinolone in Finished Water of WTP

研究結(jié)果表明，華東地區(qū)水源水中QNs對人體健康無直接影響，這與其他研究已報道的結(jié)果類似[10,27]。Gaffney等[28]評價了葡萄牙自來水廠中31種化合物對不同年齡段人群造成的健康風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)包括QNs在內(nèi)的所有藥物均小于0.01。由于飲用水環(huán)境中殘留著多種包括抗生素在內(nèi)的有機污染物，它們之間存在的綜合風(fēng)險和長期風(fēng)險值得長期的關(guān)注。同時，目前飲用水處理對痕量抗生素的去除效果有限，部分抗生素通過管網(wǎng)進入人體，其低劑量的長期接觸會導(dǎo)致兒童肥胖，甚至誘發(fā)飲用水中抗性細菌、抗性基因的增殖，增加飲用水輸水管網(wǎng)及二次供水中的微生物安全風(fēng)險[29]。因此，需對水廠中殘留的抗生素進一步控制。

3 結(jié)論

(1)除LOM、SAR、FJK和OXO未檢出外，其余5種QNs在原水中均以100%的頻率檢出，總檢出濃度在67.61～123.06 ng/L。其中，CIP是檢出濃度最高的抗生素，達45.55 ng/L。

(2)“臭氧+活性炭”深度處理工藝較“絮凝/混凝+沉淀”常規(guī)處理工藝對QNs的去除效率更高。

(3)出廠水中QNs的人體健康風(fēng)險在6.93×10-6～2.59×10-3，遠小于1，說明對人體無直接風(fēng)險。但是，多種抗生素相互之間的復(fù)合作用以及長期暴露的潛在風(fēng)險值得進一步關(guān)注。