飲用水源地河流沉積物及抗生素水污染特性

 　　1 引言

　　抗生素作為治療疾病和促進(jìn)生長(cháng)的有效藥物被廣泛用于醫藥、農業(yè)、畜牧業(yè)及水產(chǎn)養殖業(yè)中.抗生素的長(cháng)期使用甚至是濫用導致大量抗生素被直接排放到環(huán)境中;由于不完全的代謝，有30%~90%的抗生素可以通過(guò)人體或動(dòng)物排泄的方式間接進(jìn)入環(huán)境中.抗生素在生活 廢水、沉積物、地下水、土壤、農業(yè)污水、市政污水甚至是飲用水中均有檢出.章強等報道我國地表水中含有濃度較高的68種抗生素.從整個(gè)中國地表水的污染情況來(lái)看，被檢測到含量最高的抗生素是氟喹諾酮類(lèi)和磺胺類(lèi)抗生素，養殖業(yè)廢水和城市污水則是抗生素的最高污染源頭.

　　氟喹諾酮類(lèi)(Fluoroquinolones，FQs)抗生素作為一種全合成的廣譜抗菌藥，能有效抑制革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽(yáng)性菌，且因為易于口服的特性被廣泛用于醫院、家備藥品、獸用，占全球抗生素市場(chǎng)份額的17%，其中諾氟沙星(Norfloxacin，NOR)、環(huán)丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)生產(chǎn)量最大，約占國內氟喹諾酮類(lèi)抗生素總產(chǎn)量的98%.國內外一些水體環(huán)境中均已檢測到有FQs的存在，如：瑞士格里芬湖、北意大利波河、法國塞納河;珠江口、黃河、渤海、海河.

　　近年來(lái)，FQs被認為是環(huán)境中的新興污染物，成為了全球科研界最熱點(diǎn)的研究問(wèn)題之一.我國FQs研究成果相對還較少，主要原因在于FQs有十余種，對其進(jìn)行分離、鑒定及定量測試方法要求高且分析耗時(shí)，費用較高，整體研究難度偏大.

　　本文選擇對廣東省某一飲用水源地河流中FQs的含量進(jìn)行探討.設置9個(gè)沉積物采樣點(diǎn)，同時(shí)向漁民現場(chǎng)購買(mǎi)活體魚(yú)樣，對沉積物和魚(yú)樣中3種FQs——NOR、CIP及恩諾沙星含量進(jìn)行測定，以期了解FQs在水源地河流沉積物和魚(yú)樣中殘留的特征.另一方面，有研究認為對FQs的凈化起主要作用的是污泥的吸附作用;FQs有很強烈的吸附能力，能夠強烈吸附在顆粒物和沉積物中.因此，本文對沉積物的有機質(zhì)含量、總氮、總磷也進(jìn)行了測定，以探查FQs含量與河流沉積物性質(zhì)的相關(guān)性及FQs可能的降解機制.本研究旨在初查水源保護區河流中抗生素的污染水平狀況科學(xué)數據、初析沉積物和魚(yú)體中FQs殘留的成因;本研究對建議水源保護區的管理措施、水域生態(tài)保護、降低生態(tài)環(huán)境風(fēng)險及保障人類(lèi)食品安全等方面均具有重要的科學(xué)實(shí)踐指導意義.

　　2 材料和方法

　　2.1 樣品采集

　　2014年10月于該飲用水源地河流一級和二級保護區內設置9個(gè)采樣點(diǎn)，編號為S1~S9，其中S3為支流、其余點(diǎn)位為干流.用彼得遜采泥器采集底泥樣200 g左右，購買(mǎi)5種魚(yú)樣：鰱魚(yú)、 鯉魚(yú)、鳙魚(yú)、鳊魚(yú)、鱘魚(yú)，體重為1~2 kg成體.樣品均24 h內帶回實(shí)驗室處理.取底泥、魚(yú)肉和魚(yú)內臟各200 g，置于-20 ℃冰箱保存.

　　2.2 主要試劑及儀器

　　標準物為CIP、ENR、NOR(色譜純，德國Dr. Ehrenstorfer生產(chǎn)).甲醇制取100 μg · mL-1的FQs標準儲備液和10 μg · mL-1的FQs混合標準儲備液，-20 ℃保存.乙腈、正己烷、甲醇、甲酸、三乙胺和磷酸均為色譜純，鹽酸、無(wú)水硫酸鈉、檸檬酸、乙二胺四乙酸二鈉、磷酸氫二鈉均為分析純.主要儀器有高效液相色譜儀(SPD-20A 紫外-可見(jiàn)檢測器)、氮吹儀(DC-12)、高速冷凍離心機(3K30)、漩渦混勻儀(XW-80A)、分光光度計(UV-1800).

　　2.3 沉積樣和魚(yú)樣中FQs含量測定

　　2.3.1 樣品前處理

　　沉積樣用真空冷凍干燥機冷凍干燥48 h，粉碎，過(guò)10目篩，稱(chēng)2.0 g于離心管中，加入5 mL Na2EDTA-Mcllvaine 緩沖液(pH=4.0)和5 mL酸化乙腈，漩渦混勻儀提取1 min，超聲波清洗機振蕩10 min，高速冷凍離心機(10℃，8000 r · min-1)離心取上清液，重復操作兩次.上清液用0.45 μm玻璃纖維濾膜過(guò)濾，高純水稀釋至250 mL，移至SAX-HLB串聯(lián)柱進(jìn)行固相萃取.洗脫液用氮吹儀吹干，流動(dòng)相溶解，精確定容至1.0 mL，0.22 μm針頭式過(guò)濾器過(guò)濾后待測.

　　魚(yú)樣用真空冷凍干燥機冷凍干燥48 h，粉碎機粉碎，稱(chēng)量魚(yú)肉和魚(yú)內臟5.0 g于50 mL離心管中，加入10 g無(wú)水硫酸鈉和10 mL酸化乙腈溶液，同上處理.

　　2.3.2 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

　　外標法確定沉積物樣中目標回收率FQs為70%～75%，魚(yú)肉中目標回收率FQs為70%~83%.每個(gè)樣本的平行試驗結果確定了該方法的可靠性.

　　2.3.3 色譜定性和定量測定

　　標準曲線(xiàn)測定：吸取10、20、50、100、200、500、1000、2000 μg · L-1的標準工作液各1.0 mL，測得標準曲線(xiàn)相關(guān)系數在0.994~0.999間.樣品均采用高效液相色譜儀(HPLC)分析測定.柱溫：30 ℃;流動(dòng)相：磷酸緩沖液，乙腈(體積比為82 ∶ 18);流速：1.0 mL · min-1;進(jìn)樣量:20 μL;紫外檢測波長(cháng)：波長(cháng)280 nm.3種FQs的檢出限都為0.50 ng · g-1.

　　2.4 沉積物理化因子測定

　　OM采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定(NY/T 1121.6—2006);TN采用凱氏法(GB/T 7173—1987); TP采用過(guò)硫酸鹽消化法(LY/T 1232—1999).

　　2.5 數據處理

　　數據用IBM SPSS Statistical 20統計軟件及Excel 2013進(jìn)行分析，采用Person相關(guān)性分析及多元線(xiàn)性回歸分析統計方法，p<0.05 表示顯著(zhù)相關(guān).

　　3 結果

　　3.1 FQs在沉積物中的分布

　　對沉積物的FQs色譜圖進(jìn)行定性與定量分析，3種FQs含量結果見(jiàn)圖 1.

圖1 9個(gè)采樣點(diǎn)沉積物中3種FQs含量比較

　　從圖 1可見(jiàn)，9個(gè)采樣點(diǎn)均可檢測到NOR和CIP，S2、S3、S4、S8均未檢測到ENR.各樣點(diǎn)FQs含量均為NOR>CIP>ENR.S9的FQs含量最高，NOR含量最高為248.25 ng · g-1，CIP最高為158.69 ng · g-1，ENR最高為56.81 ng · g-1.

　　3.2 沉積物理化性質(zhì)

　　對各采樣點(diǎn)進(jìn)行沉積物理化性質(zhì)的分析，pH的變化范圍在6.60~8.83，平均值為7.27.OM含量、TN含量、TP含量見(jiàn)圖 2.

圖2 9個(gè)采樣點(diǎn)沉積物的有機質(zhì)、總氮、總磷含量

　　各樣點(diǎn)OM含量變化范圍在0.955%~5.598%，S9測得最大值為4.51%，差異極顯著(zhù)(p<0.01).各樣點(diǎn)TN含量變化范圍在0.59～1.73 g · kg-1，平均值為1.15 g · kg-1，差異極顯著(zhù)(p<0.01).各樣點(diǎn)TP含量變化范圍在0.27～3.06 g · kg-1，平均值為0.77 g · kg-1，有顯著(zhù)差異(p<0.05).

　　3.3 沉積物FQs與理化性質(zhì)的相關(guān)性及多元回歸分析

　　對FQs與沉積物性質(zhì)進(jìn)行Person相關(guān)性分析(表 1)，NOR與OM、TP相關(guān)性極顯著(zhù)，相關(guān)系數(r)分別為0.948、0.985(p<0.01);CIP與OM、TP相關(guān)性極顯著(zhù)，r分別為0.935、0.973(p<0.01);ENR與OM、TP相關(guān)性極顯著(zhù)，r分別為0.956、0.947(p<0.01)，與TN相關(guān)性顯著(zhù)，r為0.676(p<0.05).NOR、CIP與ENR之間相關(guān)性極顯著(zhù)，r最小為0.927(p<0.01).

表1 FQs與沉積物化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

　　對NOR、CIP及NOR含量與OM、TN、TP進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸分析(見(jiàn)表 2)，sig均小于0.001，R2在0.947~0.974間，回歸方程有效，回歸模型與實(shí)驗得到的數據均吻合較好.從多元回歸分析中得出NOR、CIP及NOR含量主要取決于TP的含量(表 2).

表2 多元線(xiàn)性回歸中自變量的標準化系數(n=9)

　　3.4 FQs在魚(yú)體中的分布

　　對魚(yú)樣品的FQs色譜圖進(jìn)行定性與定量分析，得到魚(yú)樣中FQs的濃度，見(jiàn)圖 3.

圖3 5種魚(yú)類(lèi)魚(yú)肉中FQs的濃度

　　從圖 3可見(jiàn)，5種魚(yú)肉中均檢測出了NOR、CIP、ENR的存在.Cc、Hn和Pp魚(yú)肉中檢測到CIP>NOR>ENR，As、Sc魚(yú)肉中檢測到NOR>CIP>ENR，5種魚(yú)肉中ENR的含量相對低于NOR及CIP的含量.As魚(yú)肉中NOR含量最高為106.85 ng · g-1，Pp魚(yú)肉CIP含量最高為165.15 ng · g-1.

　　Pp魚(yú)肉與內臟中FQs含量比較見(jiàn)圖 4.

圖4 鳊魚(yú)魚(yú)肉和內臟中FQs的濃度

　　Pp魚(yú)內臟NOR的含量是魚(yú)肉的9.53倍，CIP含量是魚(yú)肉的3.21倍，ENR未有檢出.從NOR和CIP含量看，魚(yú)內臟中的含量高出魚(yú)肉.

　　4 討論

　　4.1 沉積物中FQs的殘留狀況

　　將本研究結果與目前國內外河流沉積物中FQs的含量進(jìn)行比較，見(jiàn)表 3.

表3國內外河流沉積物中FQs含量比較

        從表 3可見(jiàn)，本研究結果與珠江口FQs含量接近或超出，高于黃河、海河、遼河的FQs含量，顯著(zhù)高于大亞灣大鵬澳、海陵島及國外3條河流中的FQs含量.分析原因可能為雖然本研究河流為飲用水源保護區，但沿河兩岸有大片的淡水養殖魚(yú)塘、禽畜養殖業(yè)及處理率僅為40%左右的城鎮生活污水排放共同造成了嚴重的面源污染，加之該飲用水源河流為感潮河流，潮型為半日潮，潮汐頂托使得污染物在河道中回蕩，因此導致河流中抗生素濃度較高.海河中抗生素來(lái)源主要是農業(yè)畜牧、魚(yú)塘，黃河和遼河中抗生素的來(lái)源主要是工業(yè)及市政污水的排放，且3條河流不在市區中心，污染源相對較少;大亞灣大鵬澳和海陵島位于入�？�，海水流動(dòng)性大，易于污染物的擴散;國外對于抗生素污染的監管?chē)栏�，其FQs含量相對較低.

　　本研究中，沉積樣FQs含量NOR>CIP>ENR.猜測可能是ENR是一種新藥，價(jià)格也高于NOR和CIP，因此使用量相對較少.S9點(diǎn)位 FQs含量最高，此點(diǎn)位附近有一城市凈水廠(chǎng)，每日有處理后的污水排放，可能與該凈水廠(chǎng)未能重視削減FQs含量有關(guān);另一方面也反映出城鎮生活污水中也含有較高濃度的FQs抗生素量.

　　4.2 沉積物理化性質(zhì)對沉積物中FQs歸趨的影響

　　FQs在體內的代謝率<25%，導致大多數FQs以原型藥物的形式經(jīng)人和動(dòng)物排泄物、水產(chǎn)養殖飼料等途徑進(jìn)入到環(huán)境中，進(jìn)入水體后會(huì )迅速被沉積物中的OM吸附，難以降解.X and er對FQs凈化機制的研究表明，FQs在污水中的凈化方式包括生物降解和污泥吸附.Li的研究表明FQs會(huì )被污水和沉積物中的污泥強烈吸收，Zhou等的研究表明黃河中FQs的含量與沉積物性質(zhì)粘度、pH相關(guān).

　　本研究中(表 1和表 2)，3種FQs與OM、TP間呈極顯著(zhù)正相關(guān).S9點(diǎn)位OM含量最高，沉積物中的OM蘊含物質(zhì)復雜多元，FQs進(jìn)入水體后會(huì )迅速被吸附，因此S9點(diǎn)位測得的3種FQs也最高，這與張勁強等的研究也相符合.Carrasquillo認為FQs有很強烈的吸附固相，能夠強烈吸附在顆粒物和沉積物中(Carrasquillo et al.， 2008)，可見(jiàn)FQs與沉積物間的相互吸附作用強烈，也可以解釋FQs在沉積物中含量高的原因.

　　S9點(diǎn)位TP含量最高，TP易于吸附在沉積物中，FQs也易于吸附在顆粒和沉積物中，TP結構復雜，包含磷物質(zhì)種類(lèi)豐富，TP結構中的基團可能與FQs結構中基團相耦合，加強了FQs對于沉積物的吸附作用，因此S9點(diǎn)位測得的3種FQs也最高.但目前這種僅限于推測，尚未進(jìn)行實(shí)驗證明，因此，有待加強后續進(jìn)一步的研究.另一方面，從本文的多元回歸分析中得出NOR、CIP及NOR含量主要取決于TP的含量(表 2)，而沉積物中TP含量較高也反映了底質(zhì)富營(yíng)養化程度較高，因此，間接指示出在本水體中水體和底質(zhì)富營(yíng)養化也可能同時(shí)會(huì )伴存有抗生素的污染問(wèn)題.

　　3種FQs間會(huì )互相轉化，本研究進(jìn)行的相關(guān)性分析也得到3種FQs間顯著(zhù)相關(guān)(r大于0.927)，說(shuō)明三者間存在著(zhù)互相轉化的可能，原因可能是沉積物中有大量的真菌、細菌及各種酶，對FQs有一定的降解作用，但具體降解過(guò)程及產(chǎn)物等有待進(jìn)一步探究.

　　4.3 魚(yú)體中FQs的殘留狀況

　　將本研究結果與目前國內外魚(yú)體中FQs的含量進(jìn)行比較，見(jiàn)表 4.

表4 魚(yú)肉和內臟中FQs含量比較

　　本研究測得5種魚(yú)的魚(yú)肉中的FQs含量均顯著(zhù)高于大亞灣大鵬澳和海陵島中魚(yú)的FQs的含量;部分魚(yú)類(lèi)魚(yú)肉和內臟中NOR、CIP含量高于美國、歐盟的許多國家的殘留標準(殘留限量為30 ng · g-1)，也高于我國農業(yè)部標準NY 5070—2001《無(wú)公害食品水產(chǎn)品中漁藥殘留限量》的殘留標準(NOR、CIP殘留限量為50 ng · g-1).分析原因乃為同上，主要是養殖魚(yú)塘、禽畜養殖業(yè)、城鎮生活污水及感潮河流的滯留效應，導致面源污染嚴重，水體中可能含有較高的FQs含量.Li的研究表明FQs在可食用的軟體動(dòng)物內臟中性質(zhì)穩定(Li et al.， 2012);孫言春的研究也表明FQs在魚(yú)體內吸收較快，消除較慢，FQs在魚(yú)體內富集作用較強.魚(yú)內臟部位為代謝器官，因此，更易積累，造成魚(yú)內臟中抗生素含量較高的現象.魚(yú)體內臟中FQs含量多數情況下高于魚(yú)肉中FQs含量，這個(gè)結果與He的研究結果一致.

　　魚(yú)肉中FQs含量高于沉積物中FQs含量，本研究與Björklund的研究結果不完全一致.從本研究結果看，魚(yú)肉中FQs含量有其種類(lèi)特異性，與魚(yú)的種類(lèi)、食性、代謝功能等相關(guān)，可能高出或低于沉積物中FQs的含量.但魚(yú)內臟中抗生素含量均極大地高于沉積物中FQs含量，可能與魚(yú)內臟更易積聚和富集FQs有關(guān).

　　在不同魚(yú)體內NOR、CIP含量大于ENR含量，一方面可能與ENR的使用量相對較少有關(guān);另一方面，ENR在魚(yú)體中會(huì )轉化成CIP此也可能為一相關(guān)因素.

　　5 結論

　　1)飲用水源地河流的9個(gè)樣點(diǎn)沉積物中均能檢測出FQs的殘留，平均含量為諾氟沙星(NOR)>環(huán)丙沙星(CIP)>恩諾沙星(ENR).最大含量分別為：NOR 248.25 ng · g-1，CIP 158.69 ng · g-1，ENR 56.81 ng · g-1.

　　2)沉積物3種FQs含量與沉積物有機質(zhì)含量、總磷相關(guān)性顯著(zhù)，相關(guān)系數平均為0.946、0.968(p<0.01).說(shuō)明FQs易于在沉積物有機質(zhì)中富集且與底質(zhì)富營(yíng)養程度有一定關(guān)系.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3)5種魚(yú)的魚(yú)肉中均能檢測出FQs的殘留，鱘魚(yú)魚(yú)肉NOR含量最高為106.85 ng · g-1，鳊魚(yú)魚(yú)肉CIP含量最高為165.15 ng · g-1，與FQs易于在魚(yú)體中富集有關(guān).鳙魚(yú)內臟FQs含量是魚(yú)肉的3.21~9.53倍;5種魚(yú)的魚(yú)肉中FQs含量可能高于或低于沉積物中FQs含量均值(49.30 ng · g-1).

　　4)飲用水源地抗生素污染可能主要來(lái)源于面源污染，因此，要加大對飲用水源地的保護力度，監管和嚴管抗生素在水產(chǎn)養殖業(yè)、禽畜養殖業(yè)的濫用，深入研究抗生素的毒性水平和毒性效應機制、抗生素的歸趨規律等，盡快全面建立抗生素在水體、沉積物及水產(chǎn)品中的國家標準，降低抗生素的環(huán)境風(fēng)險，從而切實(shí)保障飲用水安全及水產(chǎn)品生態(tài)安全.