陳麗紅，李強(qiáng)，肖欣欣，孟甜，張瑜，魏占亮，曹瑩

中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境檢測與實驗中心，北京 100012

四環(huán)素類抗生素是一類廣譜抗生素，主要包括天然類(四環(huán)素、土霉素和金霉素等)及半合成衍生物(強(qiáng)力霉素、甲烯土霉素和二甲胺四環(huán)素等)，其中使用最多的是土霉素、四環(huán)素和金霉素[1]，主要應(yīng)用于臨床治療和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中。據(jù)統(tǒng)計，我國每年約生產(chǎn)2.1×105t抗生素，其中，四環(huán)素類抗生素是生產(chǎn)和使用比例均較大的一類[2]。由于抗生素不能完全被機(jī)體吸收，未被吸收利用的抗生素會通過各種方式進(jìn)入水體以及土壤環(huán)境中。進(jìn)入環(huán)境中的抗生素會誘導(dǎo)大量耐藥性致病菌的出現(xiàn)，從而給生態(tài)環(huán)境安全帶來嚴(yán)重威脅[3-5]。

已有研究表明，中國農(nóng)業(yè)土壤中土霉素、四環(huán)素和金霉素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分別為0～8 400﹑0～2 450和0～5 520 μg·kg-1[6]。與國外調(diào)查相比，中國農(nóng)業(yè)土壤中四環(huán)素類抗生素污染較嚴(yán)重。例如，西班牙、荷蘭和意大利農(nóng)業(yè)土壤中土霉素的平均質(zhì)量濃度分別為15.7～105.4﹑0.67和127～216 μg·kg-1，西班牙農(nóng)業(yè)土壤中四環(huán)素平均質(zhì)量濃度范圍為18.8～64.3 μg·kg-1，丹麥農(nóng)業(yè)土壤中金霉素的質(zhì)量濃度范圍為0.6～15.5 μg·kg-1[7-9]。

化學(xué)物質(zhì)風(fēng)險評價技術(shù)指導(dǎo)文件(Technical Guidance Document on Risk Assessment, TGD)針對現(xiàn)有和新化學(xué)物質(zhì)，提出預(yù)測無效應(yīng)濃度(predicted no effect concentration, PNEC)作為風(fēng)險評價的生態(tài)安全閾值[10]，其推導(dǎo)方法與水質(zhì)基準(zhǔn)的定值方法基本一致[11]。推導(dǎo)方法主要有評價因子法(evaluation factor, AF)、物種敏感度排序法(species sensitivity rank, SSR)、物種敏感度分布法(species sensitivity distribution, SSD)和平衡分配法。在我國，楊燦[12]通過SSD法推導(dǎo)出四環(huán)素水質(zhì)慢性PNEC值為0.758 μg·L-1；杜雪[13]和秦延文等[14]采用評價因子法，推導(dǎo)出土霉素的水質(zhì)急性PNEC值分別為4.5 μg·L-1和1.04 μg·L-1。然而，針對四環(huán)素類抗生素在淡水沉積物和土壤中的PNEC值和對應(yīng)風(fēng)險尚未報道。

本研究以四環(huán)素和土霉素為例，基于我國本土生物物種的毒性數(shù)據(jù)。利用SSR法推導(dǎo)水質(zhì)PNEC值，同時與SSD法的計算結(jié)果進(jìn)行了比對。采用平衡分配法推導(dǎo)沉積物和土壤的PNEC值，并應(yīng)用提出的PNEC值對我國部分地區(qū)水質(zhì)、淡水沉積物和土壤的暴露生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行了初步評估，研究結(jié)論可為四環(huán)素類抗生素水質(zhì)、淡水沉積物和土壤標(biāo)準(zhǔn)制定提供建議，為我國四環(huán)素類抗生素污染監(jiān)測和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)提供參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 四環(huán)素和土霉素生態(tài)毒性數(shù)據(jù)篩選

生態(tài)毒性數(shù)據(jù)來自國內(nèi)外已發(fā)表的文獻(xiàn)和報告。篩選原則為：(1)為我國本土物種；(2)所有毒性數(shù)據(jù)都要求有明確的測試終點、測試時間及對測試階段或指標(biāo)的詳細(xì)描述；(3)對于同一物種在同一毒性終點有多個毒性值時，求幾何平均值[15]。

1.2 水質(zhì)PNECwater的推導(dǎo)方法

1.2.1 物種敏感度排序法(SSR)

采用SSR法計算四環(huán)素和土霉素的最終慢性值(FCV)[16]。計算步驟為：(1)搜集與篩選數(shù)據(jù)；(2)求每個物種的物種平均慢性值(SMCV)和每個屬的屬平均慢性值(GMCV)；(3)從高到低對GMCV排序；(4)對GMCV設(shè)定R個級別(1～N)；(5)計算SMCV的累積概率(P)，P=R/(N+1)；(6)選擇累積概率最小的4個屬平均慢性值，用這4個屬平均慢性值和它們的累積概率計算最終慢性值(FCV)。計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

FCV=eA

(4)

式中：S、L和A為計算中采用的中間符號，沒有特殊含義；GMCV為屬平均慢性值；P為累積概率；FCV為最終慢性值。

在慢性數(shù)據(jù)缺乏的情況下，可以采用急慢性比值法計算FCV。首先，通過與求得FCV類似的方法先獲得最終急性值(FAV)，F(xiàn)CV為FAV與最終急慢性比(FACR)的比值。

PNECwater為FCV和最終植物值(FPV)兩者中的最小值，F(xiàn)PV是用藻類所做的96 h實驗或者是用水生維管束植物所做的慢性實驗得出的結(jié)果中的最小值。

1.2.2 物種敏感度分布法(SSD)

采用荷蘭公共健康與環(huán)境研究所(RIVM)推薦的EXT 2.0風(fēng)險評估軟件擬合SSD曲線[17]，并計算HC5(5%物種危害濃度，單位為μg·L-1)，PNECwater計算公式如下：

PNECwater=HC5/AF

式中：AF為評價因子，取值范圍為1～5，該研究中AF取值5[18-19]。

1.3 淡水沉積物PNECsusp的推導(dǎo)方法

由于缺乏淡水沉積物的生物毒性數(shù)據(jù)，因此PNECsusp采用平衡分配法進(jìn)行推導(dǎo)[20]，計算公式如下：

(5)

RHOsusp=Fsolidsusp·RHOsolid+Fwatersusp·RHOwater

(6)

(7)

Kpsusp=FOCsusp·Koc

(8)

式中：PNECsusp為沉積物環(huán)境預(yù)測無效應(yīng)濃度(mg·kg-1)；PNECwater為水環(huán)境預(yù)測無效應(yīng)濃度(mg·L-1)；RHOsusp為懸浮物體積密度(kg·m-3)，Ksusp-water為懸浮物-水分配系數(shù)(m3·m-3)，Kpsusp為污染物在懸浮物中的固-水分配系數(shù)(L·kg-1)；其他參數(shù)及取值列于表1中，Koc為有機(jī)碳-水分配系數(shù)(L·kg-1)，其值從EPI Suite V4.10軟件獲得，優(yōu)先使用軟件數(shù)據(jù)庫中的實測值，沒有實測值則采用軟件計算值。

1.4 土壤PNECsoil的推導(dǎo)方法

1.4.1 平衡分配法

由于土壤生物利用率及毒性效應(yīng)與土壤性質(zhì)有關(guān)，不同類型土壤試驗數(shù)據(jù)不能相比較，因此應(yīng)將試驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)土壤數(shù)據(jù)。無觀察效應(yīng)濃度(NOEC)與半數(shù)致死/有效濃度(L(E)C50)的校正公式如下[20]：

(9)

式中：Fom土壤(標(biāo)準(zhǔn))為標(biāo)準(zhǔn)土壤中有機(jī)質(zhì)的比率(kg·kg-1)，默認(rèn)值為3.4%；Fom土壤(試驗)為試驗土壤中的有機(jī)質(zhì)比率(kg·kg-1)。

如果無法獲得土壤生物毒性數(shù)據(jù)，采用平衡分配法計算PNECsoil[20]，公式如下：

(10)

PNECsoil的計算公式類似于PNECsusp，Ksoil-water為土壤-水分配系數(shù)(m3·m-3)，其余參數(shù)的釋義及取值列于表1。

1.4.2 評估因子法

如果獲得土壤毒性數(shù)據(jù)，采用評估因子法計算PNECsoil，如表2所示。

如果僅獲得一項土壤生物毒性數(shù)據(jù)，需同時采用平衡分配法和評估因子法計算，選擇PNECsoil較低值。

1.5 生態(tài)風(fēng)險評估

采用風(fēng)險商值(risk quotient, RQ)法[20]對我國部分地區(qū)淡水沉積物和土壤中四環(huán)素和土霉素的暴露風(fēng)險進(jìn)行評估，將四環(huán)素和土霉素的暴露濃度除以獲得的PNEC值，得到RQ。若RQ>1，則有風(fēng)險；若RQ<1，則無風(fēng)險。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 四環(huán)素和土霉素水質(zhì)PNECwater

2.1.1 SSR法推導(dǎo)四環(huán)素水質(zhì)PNECwater

四環(huán)素的水生生物急性毒性數(shù)據(jù)篩選結(jié)果如表3所示，共獲得5門8科10個急性毒性數(shù)據(jù)[12,21-23]。同時獲得3門3科3個慢性毒性數(shù)據(jù)(表4)[12,24]。由于慢性毒性數(shù)據(jù)沒有達(dá)到3門8科的最低要求，故采用計算FCV的方法先推導(dǎo)FAV值。選擇最敏感的4屬：浮萍棘尾蟲(Stylonyciia屬)、大型溞(Daphnia屬)、天藍(lán)喇叭蟲(Stentor屬)和綠藻(Pseudokirchneriella屬)，依據(jù)式(1)～(4)求得四環(huán)素的FAV為0.532 μg·L-1。再采用FAV除以FACR求得FCV值。其中，F(xiàn)ACR為斑馬魚、大型溞和扁藻的急慢性比率(ACR)的幾何平均值(表4)。PNECwater為FCV和FPV兩者中的最小值，在比較四環(huán)素對浮游植物及大型水生植物的毒性數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PV采用文獻(xiàn)報道的綠藻(Chlorophyta)3 d-NOEC(0.002 mg·L-1)，最終得到四環(huán)素的PNECwater值為0.115 μg·L-1。

表1 化學(xué)物質(zhì)風(fēng)險評價技術(shù)指導(dǎo)文件(TGD)中默認(rèn)的環(huán)境參數(shù)[20]Table 1 The default environmental parameters in Technical Guidance Document on Risk Assessment (TGD)[20]

2.1.2 SSD法推導(dǎo)四環(huán)素水質(zhì)PNECwater

由于四環(huán)素慢性毒性數(shù)據(jù)不足，將表3中急性毒性數(shù)據(jù)除以FACR得到慢性毒性數(shù)據(jù)。利用RIVM推薦的EXT 2.0風(fēng)險評估軟件分析慢性毒性數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖1所示，得到PNECwater為4.32 μg·L-1。

表2 推導(dǎo)土壤環(huán)境預(yù)測無效應(yīng)濃度(PNECsoil)的評估因子[20]Table 2 Assessment factors for devivation of predicted non-effect concentration of soil (PNECsoil)[20]

表3 四環(huán)素的水生生物急性毒性值Table 3 Acute toxicity data of tetracycline for freshwater species

圖1 四環(huán)素的慢性物種敏感度分布曲線注：SMCV表示種平均慢性值。Fig. 1 The chronic species sensitivity distribution curves of tetracyclineNote: SMCV stands for species mean chronic value.

2.1.3 SSR法推導(dǎo)土霉素水質(zhì)PNECwater

土霉素的水生生物慢性毒性數(shù)據(jù)篩選結(jié)果如表5所示。共獲得4門10科12個慢性毒性數(shù)據(jù)[25-35]，已達(dá)到3門8科的最低要求。選擇最敏感的4屬：金頭鯛(Sparus屬)、斑點叉尾鮰(Ictalurus屬)、近頭狀偽蹄形藻(Pseudokirchneriella屬)和水蘊草(Egeria屬)，計算出土霉素的PNECwater為4.93 μg·L-1。

2.1.4 SSD法推導(dǎo)土霉素水質(zhì)慢性PNECwater

土霉素SSD曲線擬合結(jié)果如圖2所示，求得HC5為114 μg·L-1，PNECwater為22.8 μg·L-1。

本研究采用SSR法推導(dǎo)四環(huán)素和土霉素的PNECwater，同時與SSD法的計算結(jié)果進(jìn)行了比對，選擇PNECwater較低者用于風(fēng)險表征。因此，四環(huán)素和土霉素的PNECwater值為0.115 μg·L-1和4.93 μg·L-1(表6)。

2.2 四環(huán)素和土霉素淡水沉積物PNECsusp

由于缺乏四環(huán)素和土霉素的淡水沉積物毒性數(shù)據(jù)，本研究采用平衡分配法計算PNECsusp。除Koc以外的參數(shù)均采用TGD的默認(rèn)值。按照式(5)～(8)求得四環(huán)素和土霉素的PNECsusp分別為423 μg·kg-1和1.78×104μg·kg-1(濕質(zhì)量)。

表4 四環(huán)素的最終急慢性比率(FACR)Table 4 Final acute to chronic ratio (FACR) of tetracycline

表5 土霉素的水生生物慢性毒性值Table 5 Chronic toxicity data of oxytetracycline for freshwater species

表6 四環(huán)素和土霉素的預(yù)測無效應(yīng)濃度(PNEC)值Table 6 Predicted no effect concentration (PNEC) value of tetracycline and oxytetracycline

圖2 土霉素的慢性物種敏感度分布曲線Fig. 2 The chronic species sensitivity distribution curves of oxytetracycline

2.3 四環(huán)素和土霉素土壤PNECsoil

采用植物慢性毒性試驗中黑麥草10 d-NOEC值5 mg·kg-1[36]推導(dǎo)四環(huán)素PNECsoil值，應(yīng)用評價因子100，求得PNECsoil為0.05 mg·kg-1(濕質(zhì)量)。該文獻(xiàn)采用國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)試驗標(biāo)準(zhǔn)，默認(rèn)有機(jī)質(zhì)含量3%(Fom土壤(試驗))，通過式(9)，將NOEC值(5 mg·kg-1)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)土壤數(shù)據(jù)NOEC(標(biāo)準(zhǔn))為5.67 mg·kg-1，得到PNECsoil為0.057 mg·kg-1(濕質(zhì)量)。

土霉素PNECsoil值采用赤子愛蚯蚓14 d-NOEC值2.56×103mg·kg-1[35]進(jìn)行推導(dǎo)，應(yīng)用評價因子100，得到PNECsoil為25.6 mg·kg-1(濕質(zhì)量)。但由于該文獻(xiàn)試驗中未報道試驗土壤的有機(jī)質(zhì)含量和含水率，因此本研究未對該毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，因此可能造成PNECsoil值偏低。

由于本研究僅獲得一項土壤生物毒性數(shù)據(jù)，故同時采用評估因子法以及平衡分配法，選擇PNECsoil較低者用于風(fēng)險表征。采用平衡分配法求得四環(huán)素和土霉素的PNECsoil分別為68.5 μg·kg-1(濕質(zhì)量)和3.16×103μg·kg-1(濕質(zhì)量)。因此，四環(huán)素PNECsoil采用評價系數(shù)法推導(dǎo)的57 μg·kg-1(濕質(zhì)量)，土霉素采用平衡分配法推導(dǎo)的3.16×103μg·kg-1(濕質(zhì)量)。

2.4 我國部分地區(qū)水質(zhì)中四環(huán)素類抗生素的生態(tài)風(fēng)險評估

將我國部分地區(qū)江河和湖泊中四環(huán)素類抗生素的暴露濃度與本研究推導(dǎo)的土霉素PNECwater值(4.93 μg·L-1)相比較[37](表7)。水質(zhì)中常檢出的四環(huán)素類抗生素為土霉素和四環(huán)素，由于此類抗生素具有較高的分配系數(shù)，容易吸附在懸浮物或沉積物中，在水質(zhì)中檢出的頻率和暴露濃度較低。結(jié)果顯示，所有區(qū)域的此類抗生素暴露濃度均未超過土霉素的PNECwater值。

表7 我國部分地區(qū)水質(zhì)中四環(huán)素類抗生素濃度Table 7 The concentrations of tetracycline antibiotics in freshwater of China

2.5 我國部分地區(qū)淡水沉積物中四環(huán)素和土霉素的生態(tài)風(fēng)險評估

將本研究推導(dǎo)的四環(huán)素和土霉素PNECsusp與我國部分地區(qū)淡水沉積物中暴露濃度進(jìn)行比較[38-41](表8)，結(jié)果顯示，我國大部分地區(qū)淡水沉積物中四環(huán)素和土霉素濃度均低于PNECsusp值，四環(huán)素濃度范圍最低的是遼河(ND～4.82 μg·kg-1)，最高的是海河(2.0～135 μg·kg-1)，表明我國大部分地區(qū)淡水沉積物中四環(huán)素處于可接受水平，但部分點位四環(huán)素濃度高于PNEC值，如海河的少數(shù)斷面高達(dá)135 μg·kg-1，是PNECsusp的1.47倍，高四環(huán)素濃度可能會對底棲水生生物造成危害，值得關(guān)注。土霉素濃度范圍最低的是長江三角洲(0.3～14.0 μg·kg-1)，最高的是遼河(2.34～652 μg·kg-1)，均低于PNECsusp，說明我國大部分地區(qū)淡水沉積物中土霉素處于可接受水平。

2.6 我國部分地區(qū)土壤中四環(huán)素和土霉素的生態(tài)風(fēng)險評估

根據(jù)收集的四環(huán)素和土霉素土壤暴露濃度[42-59]，結(jié)合推導(dǎo)的PNECsoil值，計算我國部分地區(qū)土壤中四環(huán)素和土霉素的RQ值，結(jié)果分別如表9和表10所示。由表9可知，25個區(qū)域中有5個區(qū)域的土壤RQ>1。RQ值從大到小依次為山東省(3.998)>四川省彭州市(3.823)>遼寧省沈陽市(3.512)>浙江省北部(1.561)>珠江三角洲(1.237)。9個區(qū)域(四川省彭州市、浙江省寧波市、珠江三角洲、江蘇省徐州市、山東省、天津市、福建省莆田市、浙江省北部、遼寧省沈陽市)的土壤四環(huán)素最高值超過本研究提出的PNECsoil57 μg·kg-1，這些土壤存在潛在生態(tài)風(fēng)險，值得關(guān)注。

表8 我國部分地區(qū)淡水沉積物中四環(huán)素和土霉素的含量Table 8 The concentrations of tetracycline and oxytetracycline in freshwater sediments of China

表9 我國部分地區(qū)土壤中四環(huán)素的含量Table 9 The concentrations of tetracycline in soil of China

表10 中國部分土壤中土霉素的含量Table 10 The concentrations of oxytetracycline in soil of China

由表10可知，我國部分地區(qū)土壤中土霉素的含量范圍介于0～8.40×103μg·kg-1[42-43,45-49,51-56,59-62]，將本研究推導(dǎo)出的土霉素PNECsoil與我國部分地區(qū)土壤暴露濃度相比較，結(jié)果顯示，23個區(qū)域中有1個區(qū)域的農(nóng)田土壤(上海市)的平均暴露濃度超過PNECsoil，RQ為1.229。江蘇省徐州市、浙江省北部和上海市的最高值超過本研究提出的PNECsoil3.16×103μg·kg-1，這些土壤具有潛在的生態(tài)風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)引起重視。

2.7 不確定性分析

生物毒性數(shù)據(jù)的篩選、不同的PNEC值推導(dǎo)方法、沉積物和土壤中四環(huán)素和土霉素的暴露濃度變化是生態(tài)風(fēng)險評估過程中產(chǎn)生不確定性的主要因素。首先，水生生物的區(qū)系分布具有很強(qiáng)的地域性，這不僅體現(xiàn)在國內(nèi)外物種差異中，在我國不同流域中分布的水生生物也存在較大差異，因此受試生物的篩選是水質(zhì)PNEC推導(dǎo)的重點之一，本研究篩選的水生生物均為我國的本土水生生物。其次，有文獻(xiàn)報道氨氮、鎘等水質(zhì)PNEC受溫度、pH和溶解性有機(jī)碳(DOC)等水質(zhì)參數(shù)的影響[63]，因此，在篩選毒性數(shù)據(jù)時，需要進(jìn)一步分析這些參數(shù)對毒性數(shù)據(jù)的影響。但目前尚未有文獻(xiàn)報道水質(zhì)參數(shù)對四環(huán)素和土霉素PNEC的影響。此外，不同的推導(dǎo)方法也會影響PNEC值。最后，由于四環(huán)素和土霉素在沉積物和土壤中的暴露濃度數(shù)據(jù)有限，為了更全面精確地了解四環(huán)素和土霉素的暴露情況，需要進(jìn)一步搜集整理并開展全國范圍沉積物和土壤中四環(huán)素和土霉素暴露濃度的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

綜上所述，本研究結(jié)果表明：

(1)運用TGD推薦的計算PNEC方法，推導(dǎo)出我國水質(zhì)、淡水沉積物及土壤中四環(huán)素的PNEC值分別為0.115 μg·L-1、423 μg·kg-1(濕質(zhì)量)和57 μg·kg-1(濕質(zhì)量)；土霉素的PNEC值分別為4.93 μg·L-1、1.78×104μg·kg-1(濕質(zhì)量)和3.16×103μg·kg-1(濕質(zhì)量)。

(2)應(yīng)用獲得的四環(huán)素、土霉素PNEC值對我國部分地區(qū)水質(zhì)、淡水沉積物和土壤進(jìn)行暴露生態(tài)風(fēng)險評價，結(jié)果表明水質(zhì)無暴露風(fēng)險，處于可接受水平，沉積物風(fēng)險區(qū)域主要集中在海河，土壤風(fēng)險區(qū)域主要集中在山東省、四川省彭州市、遼寧省沈陽市、浙江省北部、珠江三角洲、浙江省寧波市、江蘇省徐州市、天津市、福建省莆田市和上海市，部分區(qū)域點位存在潛在的生態(tài)風(fēng)險。