简述
1 引言
抗生素作为治疗疾病和促进生长的有效药物被广泛用于医药、农业、畜牧业及水产养殖业中.抗生素的长期使用甚至是滥用导致大量抗生素被直接排放到环境中;由于不完全的代谢，有30%~90%的抗生素可以通过人体或动物排泄的方式间接进入环境中.抗生素在生活废水、沉积物、地下水、土壤、农业污水、市政污水甚至是饮用水中均有检出。据报道我国地表水中含有浓度较高的68种抗生素.从整个中国地表水的污染情况来看，被检测到含量最高的抗生素是氟喹诺酮类和磺胺类抗生素，养殖业废水和城市污水则是抗生素的最高污染源头.结合韩国黑臭水体治理案例来探讨。
氟喹诺酮类(Fluoroquinolones，FQs)抗生素作为一种全合成的广谱抗菌药，能有效抑制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，且因为易于口服的特性被广泛用于医院、家备药品、兽用，占全球抗生素市场份额的17%，其中诺氟沙星(Norfloxacin，NOR)、环丙沙星(Ciprofloxacin，CIP)生产量最大，约占国内氟喹诺酮类抗生素总产量的98%.国内外一些水体环境中均已检测到有FQs的存在，如：瑞士格里芬湖、北意大利波河、法国塞纳河;珠江口、黄河、渤海、海河.
近年来，FQs被认为是环境中的新兴污染物，成为了全球科研界最热点的研究问题之一.我国FQs研究成果相对还较少，主要原因在于FQs有十余种，对其进行分离、鉴定及定量测试方法要求高且分析耗时，费用较高，整体研究难度偏大.
本文选择对广东省某一饮用水源地河流中FQs的含量进行探讨.设置9个沉积物采样点，同时向渔民现场购买活体鱼样，对沉积物和鱼样中3种FQs——NOR、CIP及恩诺沙星含量进行测定，以期了解FQs在水源地河流沉积物和鱼样中残留的特征.另一方面，有研究认为对FQs的净化起主要作用的是污泥的吸附作用;FQs有很强烈的吸附能力，能够强烈吸附在颗粒物和沉积物中.因此，本文对沉积物的有机质含量、总氮、总磷也进行了测定，以探查FQs含量与河流沉积物性质的相关性及FQs可能的降解机制.本研究旨在初查水源保护区河流中抗生素的污染水平状况科学数据、初析沉积物和鱼体中FQs残留的成因;本研究对建议水源保护区的管理措施、水域生态保护、降低生态环境风险及保障人类食品安全等方面均具有重要的科学实践指导意义.
2 材料和方法
2.1 样品采集
2014年10月于该饮用水源地河流一级和二级保护区内设置9个采样点，编号为S1~S9，其中S3为支流、其余点位为干流.用彼得逊采泥器采集底泥样200 g左右，购买5种鱼样：鲢鱼、 鲤鱼、鳙鱼、鳊鱼、鲟鱼，体重为1~2 kg成体.样品均24 h内带回实验室处理.取底泥、鱼肉和鱼内脏各200 g，置于-20 ℃冰箱保存.
2.2 主要试剂及仪器
标准物为CIP、ENR、NOR(色谱纯，德国Dr. Ehrenstorfer生产).甲醇制取100 μg ˙ mL-1的FQs标准储备液和10 μg ˙ mL-1的FQs混合标准储备液，-20 ℃保存.乙腈、正己烷、甲醇、甲酸、三乙胺和磷酸均为色谱纯，盐酸、无水硫酸钠、柠檬酸、乙二胺四乙酸二钠、磷酸氢二钠均为分析纯.主要仪器有高效液相色谱仪(SPD-20A 紫外-可见检测器)、氮吹仪(DC-12)、高速冷冻离心机(3K30)、漩涡混匀仪(XW-80A)、分光光度计(UV-1800).
2.3 沉积样和鱼样中FQs含量测定
2.3.1 样品前处理
沉积样用真空冷冻干燥机冷冻干燥48 h，粉碎，过10目筛，称2.0 g于离心管中，加入5 mL Na2EDTA-Mcllvaine 缓冲液(pH=4.0)和5 mL酸化乙腈，漩涡混匀仪提取1 min，超声波清洗机振荡10 min，高速冷冻离心机(10℃，8000 r ˙ min-1)离心取上清液，重复操作两次.上清液用0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤，高纯水稀释至250 mL，移至SAX-HLB串联柱进行固相萃取.洗脱液用氮吹仪吹干，流动相溶解，精确定容至1.0 mL，0.22 μm针头式过滤器过滤后待测.
鱼样用真空冷冻干燥机冷冻干燥48 h，粉碎机粉碎，称量鱼肉和鱼内脏5.0 g于50 mL离心管中，加入10 g无水硫酸钠和10 mL酸化乙腈溶液，同上处理.
2.3.2 质量保证与质量控制
外标法确定沉积物样中目标回收率FQs为70%～75%，鱼肉中目标回收率FQs为70%~83%.每个样本的平行试验结果确定了该方法的可靠性.
2.3.3 色谱定性和定量测定
标准曲线测定：吸取10、20、50、100、200、500、1000、2000 μg ˙ L-1的标准工作液各1.0 mL，测得标准曲线相关系数在0.994~0.999间.样品均采用高效液相色谱仪(HPLC)分析测定.柱温：30 ℃;流动相：磷酸缓冲液，乙腈(体积比为82 ∶ 18);流速：1.0 mL ˙ min-1;进样量:20 μL;紫外检测波长：波长280 nm.3种FQs的检出限都为0.50 ng ˙ g-1.
2.4 沉积物理化因子测定
OM采用重铬酸钾氧化-外加热法测定(NY/T 1121.6—2006);TN采用凯氏法(GB/T 7173—1987); TP采用过硫酸盐消化法(LY/T 1232—1999).
2.5 数据处理
数据用IBM SPSS Statistical 20统计软件及Excel 2013进行分析，采用Person相关性分析及多元线性回归分析统计方法，p<0.05 表示显著相关.
3 结果
3.1 FQs在沉积物中的分布
对沉积物的FQs色谱图进行定性与定量分析，3种FQs含量结果见图 1.
| 图1 9个采样点沉积物中3种FQs含量比较 |
从图 1可见，9个采样点均可检测到NOR和CIP，S2、S3、S4、S8均未检测到ENR.各样点FQs含量均为NOR>CIP>ENR.S9的FQs含量最高，NOR含量最高为248.25 ng ˙ g-1，CIP最高为158.69 ng ˙ g-1，ENR最高为56.81 ng ˙ g-1.
3.2 沉积物理化性质
对各采样点进行沉积物理化性质的分析，pH的变化范围在6.60~8.83，平均值为7.27.OM含量、TN含量、TP含量见图 2.
| 图2 9个采样点沉积物的有机质、总氮、总磷含量 |
各样点OM含量变化范围在0.955%~5.598%，S9测得最大值为4.51%，差异极显著(p<0.01).各样点TN含量变化范围在0.59～1.73 g ˙ kg-1，平均值为1.15 g ˙ kg-1，差异极显著(p<0.01).各样点TP含量变化范围在0.27～3.06 g ˙ kg-1，平均值为0.77 g ˙ kg-1，有显著差异(p<0.05).
3.3 沉积物FQs与理化性质的相关性及多元回归分析
对FQs与沉积物性质进行Person相关性分析(表 1)，NOR与OM、TP相关性极显著，相关系数(r)分别为0.948、0.985(p<0.01);CIP与OM、TP相关性极显著，r分别为0.935、0.973(p<0.01);ENR与OM、TP相关性极显著，r分别为0.956、0.947(p<0.01)，与TN相关性显著，r为0.676(p<0.05).NOR、CIP与ENR之间相关性极显著，r最小为0.927(p<0.01).
表1 FQs与沉积物化学性质的相关性分析
对NOR、CIP及NOR含量与OM、TN、TP进行多元线性回归分析(见表 2)，sig均小于0.001，R2在0.947~0.974间，回归方程有效，回归模型与实验得到的数据均吻合较好.从多元回归分析中得出NOR、CIP及NOR含量主要取决于TP的含量(表 2).
表2 多元线性回归中自变量的标准化系数(n=9)
3.4 FQs在鱼体中的分布
对鱼样品的FQs色谱图进行定性与定量分析，得到鱼样中FQs的浓度，见图 3.
| 图3 5种鱼类鱼肉中FQs的浓度 |
从图 3可见，5种鱼肉中均检测出了NOR、CIP、ENR的存在.Cc、Hn和Pp鱼肉中检测到CIP>NOR>ENR，As、Sc鱼肉中检测到NOR>CIP>ENR，5种鱼肉中ENR的含量相对低于NOR及CIP的含量.As鱼肉中NOR含量最高为106.85 ng ˙ g-1，Pp鱼肉CIP含量最高为165.15 ng ˙ g-1.
Pp鱼肉与内脏中FQs含量比较见图 4.
| 图4 鳊鱼鱼肉和内脏中FQs的浓度 |
Pp鱼内脏NOR的含量是鱼肉的9.53倍，CIP含量是鱼肉的3.21倍，ENR未有检出.从NOR和CIP含量看，鱼内脏中的含量高出鱼肉.
4 讨论
4.1 沉积物中FQs的残留状况
将本研究结果与目前国内外河流沉积物中FQs的含量进行比较，见表 3.
表3国内外河流沉积物中FQs含量比较
从表 3可见，本研究结果与珠江口FQs含量接近或超出，高于黄河、海河、辽河的FQs含量，显著高于大亚湾大鹏澳、海陵岛及国外3条河流中的FQs含量.分析原因可能为虽然本研究河流为饮用水源保护区，但沿河两岸有大片的淡水养殖鱼塘、禽畜养殖业及处理率仅为40%左右的城镇生活污水排放共同造成了严重的面源污染，加之该饮用水源河流为感潮河流，潮型为半日潮，潮汐顶托使得污染物在河道中回荡，因此导致河流中抗生素浓度较高.海河中抗生素来源主要是农业畜牧、鱼塘，黄河和辽河中抗生素的来源主要是工业及市政污水的排放，且3条河流不在市区中心，污染源相对较少;大亚湾大鹏澳和海陵岛位于入海口，海水流动性大，易于污染物的扩散;国外对于抗生素污染的监管严格，其FQs含量相对较低.
本研究中，沉积样FQs含量NOR>CIP>ENR.猜测可能是ENR是一种新药，价格也高于NOR和CIP，因此使用量相对较少.S9点位 FQs含量最高，此点位附近有一城市净水厂，每日有处理后的污水排放，可能与该净水厂未能重视削减FQs含量有关;另一方面也反映出城镇生活污水中也含有较高浓度的FQs抗生素量.
4.2 沉积物理化性质对沉积物中FQs归趋的影响
FQs在体内的代谢率<25%，导致大多数FQs以原型药物的形式经人和动物排泄物、水产养殖饲料等途径进入到环境中，进入水体后会迅速被沉积物中的OM吸附，难以降解.X and er对FQs净化机制的研究表明，FQs在污水中的净化方式包括生物降解和污泥吸附.Li的研究表明FQs会被污水和沉积物中的污泥强烈吸收，Zhou等的研究表明黄河中FQs的含量与沉积物性质粘度、pH相关.
本研究中(表 1和表 2)，3种FQs与OM、TP间呈极显著正相关.S9点位OM含量最高，沉积物中的OM蕴含物质复杂多元，FQs进入水体后会迅速被吸附，因此S9点位测得的3种FQs也最高，这与张劲强等的研究也相符合.Carrasquillo认为FQs有很强烈的吸附固相，能够强烈吸附在颗粒物和沉积物中(Carrasquillo et al.， 2008)，可见FQs与沉积物间的相互吸附作用强烈，也可以解释FQs在沉积物中含量高的原因.
S9点位TP含量最高，TP易于吸附在沉积物中，FQs也易于吸附在颗粒和沉积物中，TP结构复杂，包含磷物质种类丰富，TP结构中的基团可能与FQs结构中基团相耦合，加强了FQs对于沉积物的吸附作用，因此S9点位测得的3种FQs也最高.但目前这种仅限于推测，尚未进行实验证明，因此，有待加强后续进一步的研究.另一方面，从本文的多元回归分析中得出NOR、CIP及NOR含量主要取决于TP的含量(表 2)，而沉积物中TP含量较高也反映了底质富营养化程度较高，因此，间接指示出在本水体中水体和底质富营养化也可能同时会伴存有抗生素的污染问题.
3种FQs间会互相转化，本研究进行的相关性分析也得到3种FQs间显著相关(r大于0.927)，说明三者间存在着互相转化的可能，原因可能是沉积物中有大量的真菌、细菌及各种酶，对FQs有一定的降解作用，但具体降解过程及产物等有待进一步探究.
4.3 鱼体中FQs的残留状况
将本研究结果与目前国内外鱼体中FQs的含量进行比较，见表 4.
表4 鱼肉和内脏中FQs含量比较
本研究测得5种鱼的鱼肉中的FQs含量均显著高于大亚湾大鹏澳和海陵岛中鱼的FQs的含量;部分鱼类鱼肉和内脏中NOR、CIP含量高于美国、欧盟的许多国家的残留标准(残留限量为30 ng ˙ g-1)，也高于我国农业部标准NY 5070—2001《无公害食品水产品中渔药残留限量》的残留标准(NOR、CIP残留限量为50 ng ˙ g-1).分析原因乃为同上，主要是养殖鱼塘、禽畜养殖业、城镇生活污水及感潮河流的滞留效应，导致面源污染严重，水体中可能含有较高的FQs含量.Li的研究表明FQs在可食用的软体动物内脏中性质稳定(Li et al.， 2012);孙言春的研究也表明FQs在鱼体内吸收较快，消除较慢，FQs在鱼体内富集作用较强.鱼内脏部位为代谢器官，因此，更易积累，造成鱼内脏中抗生素含量较高的现象.鱼体内脏中FQs含量多数情况下高于鱼肉中FQs含量，这个结果与He的研究结果一致.
鱼肉中FQs含量高于沉积物中FQs含量，本研究与Björklund的研究结果不完全一致.从本研究结果看，鱼肉中FQs含量有其种类特异性，与鱼的种类、食性、代谢功能等相关，可能高出或低于沉积物中FQs的含量.但鱼内脏中抗生素含量均极大地高于沉积物中FQs含量，可能与鱼内脏更易积聚和富集FQs有关.
在不同鱼体内NOR、CIP含量大于ENR含量，一方面可能与ENR的使用量相对较少有关;另一方面，ENR在鱼体中会转化成CIP此也可能为一相关因素.
5 结论
1)饮用水源地河流的9个样点沉积物中均能检测出FQs的残留，平均含量为诺氟沙星(NOR)>环丙沙星(CIP)>恩诺沙星(ENR).最大含量分别为：NOR 248.25 ng ˙ g-1，CIP 158.69 ng ˙ g-1，ENR 56.81 ng ˙ g-1.
2)沉积物3种FQs含量与沉积物有机质含量、总磷相关性显著，相关系数平均为0.946、0.968(p<0.01).说明FQs易于在沉积物有机质中富集且与底质富营养程度有一定关系。
3)5种鱼的鱼肉中均能检测出FQs的残留，鲟鱼鱼肉NOR含量最高为106.85 ng ˙ g-1，鳊鱼鱼肉CIP含量最高为165.15 ng ˙ g-1，与FQs易于在鱼体中富集有关.鳙鱼内脏FQs含量是鱼肉的3.21~9.53倍;5种鱼的鱼肉中FQs含量可能高于或低于沉积物中FQs含量均值(49.30 ng ˙ g-1).
4)饮用水源地抗生素污染可能主要来源于面源污染，因此，要加大对饮用水源地的保护力度，监管和严管抗生素在水产养殖业、禽畜养殖业的滥用，深入研究抗生素的毒性水平和毒性效应机制、抗生素的归趋规律等，尽快全面建立抗生素在水体、沉积物及水产品中的国家标准，降低抗生素的环境风险，从而切实保障饮用水安全及水产品生态安全.
原标题：饮用水源地河流沉积物及抗生素水污染特性@韩国黑臭水治理案例
