西安市典型河流中4種抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

陳 瑩 趙曉光

(西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

據(jù)報(bào)道，2013年我國抗生素生產(chǎn)總量就達(dá)到2.48×105t，使用量達(dá)到1.6×105t[1]，成為最大的抗生素生產(chǎn)國和消費(fèi)國。大量未被利用的抗生素通過醫(yī)療垃圾、人畜排泄、廢水排放等途徑[2-3]進(jìn)入地表水環(huán)境中。水生生物一旦長期暴露，即便是低濃度的抗生素，也會(huì)對其產(chǎn)生各種不可逆的影響，從而破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡，經(jīng)過食物鏈傳遞，還會(huì)威脅到人類健康。因此，抗生素在水環(huán)境中的殘留具有巨大的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

西安市是我國西北部經(jīng)濟(jì)建設(shè)的關(guān)鍵地區(qū)，但存在許多規(guī)?；男竽琉B(yǎng)殖場且沒有完善的污水處理設(shè)施，獸藥及飼料添加劑中的抗生素隨廢水排入地表水環(huán)境中。因此，西安市的地表水環(huán)境中存在抗生素污染的風(fēng)險(xiǎn)。渭河是黃河最大的支流，灞河屬渭河右岸支流，這兩條河流在西安市供水、補(bǔ)水及生態(tài)建設(shè)中占據(jù)重要地位。對渭河和灞河進(jìn)行抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可以總體了解抗生素對西安市水生態(tài)環(huán)境的影響，為當(dāng)?shù)刂贫ㄏ鄳?yīng)的防控措施提供參考。四環(huán)素(TC)、諾氟沙星(NOR)、磺胺甲惡唑(SMZ)和羅紅霉素(ROX)是西安市地表水環(huán)境中檢出的4種代表性抗生素。本研究通過收集4種抗生素的急、慢性毒性數(shù)據(jù)，利用物種敏感度分布(SSD)法并結(jié)合評價(jià)因子(AF)法推導(dǎo)目標(biāo)抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)閾值(PNEC)。但是ROX因原始毒性數(shù)據(jù)不足，無法通過SSD法推導(dǎo)，故直接借鑒了ECOTOX數(shù)據(jù)庫(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)中的PNEC。最后，通過風(fēng)險(xiǎn)熵法對西安市典型河流渭河和灞河中的4種抗生素進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

1.1.1 毒性數(shù)據(jù)

由于本研究主要關(guān)注國內(nèi)地表水環(huán)境中抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，故優(yōu)先選取國內(nèi)淡水生物的毒理數(shù)據(jù)，主要遵循以下原則進(jìn)行數(shù)據(jù)選?。?1)有明確的受試生物、測試終點(diǎn)、暴露時(shí)間及文獻(xiàn)來源；(2)同一物種存在不同測試終點(diǎn)時(shí)，選取最敏感數(shù)據(jù)；(3)同一物種同一測試終點(diǎn)存在多個(gè)毒性數(shù)據(jù)時(shí)，選取其幾何平均值。TC、NOR、SMZ 3種抗生素的急性和慢性毒性數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 3種抗生素的急性毒性數(shù)據(jù)

表2 3種抗生素的慢性毒性數(shù)據(jù)

1.1.2 河流中的抗生素濃度

渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)整理自文獻(xiàn)[26]至[29]，列于表3中?？傮w來說，兩條河流中的4種抗生素質(zhì)量濃度處于ng/L水平，灞河大于渭河。

表3 典型河流中抗生素污染水平

1.2 PNEC推導(dǎo)

利用荷蘭國立公共衛(wèi)生和環(huán)境研究所(RIVM)研發(fā)的一款用于分析污染物毒性效應(yīng)的軟件ETX 2.0首先建立抗生素SSD曲線，得到僅有5%的物種會(huì)受到影響的抗生素濃度(HC5)。然后通過對數(shù)正態(tài)分布模型擬合毒性數(shù)據(jù)，并通過A-D擬合優(yōu)度檢驗(yàn)判斷其合理性。最后利用HC5/AF推導(dǎo)得到抗生素的PNEC[7]。AF一般取1～5，為保守評價(jià)抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，本研究選取最大值5。

1.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

抗生素對水環(huán)境的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小用風(fēng)險(xiǎn)熵(RQ)進(jìn)行評估，一般RQ<0.01屬于無風(fēng)險(xiǎn)；0.01≤RQ<0.10屬于低風(fēng)險(xiǎn)；0.10≤RQ<1.00屬于中風(fēng)險(xiǎn)；RQ≥1.00屬于高風(fēng)險(xiǎn)。對于多種抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)采用簡單的疊加模型。風(fēng)險(xiǎn)熵的計(jì)算公式見式(1)：

RQ=C/P

(1)

式中：C為抗生素質(zhì)量濃度，mg/L；P為抗生素的PNEC，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種抗生素對水生生物的PNEC推導(dǎo)結(jié)果及分析

TC、NOR、SMZ 3種抗生素對水生生物急性毒性的SSD曲線見圖1，根據(jù)SSD曲線得到的HC5及推導(dǎo)的急性PNEC見表4。急性毒性模型的A-D擬合優(yōu)度均低于0.05水平的臨界值0.752，符合正態(tài)分布，說明對數(shù)正態(tài)分布模型適用。由于HC5與PNEC成正比，而PNEC越小，抗生素對環(huán)境的友好程度就越低，故根據(jù)急性毒性的PNEC判斷，3種抗生素的環(huán)境友好性由高到低依次為NOR>TC>SMZ。

圖1 3種抗生素對水生生物急性毒性的SSD曲線Fig.1 The SSD curves of 3 antibiotics acute toxicity on aquatic organisms

TC、NOR、SMZ 3種抗生素對水生生物慢性毒性的SSD曲線見圖2，根據(jù)SSD曲線得到的HC5及推導(dǎo)的慢性PNEC見表4。慢性毒性模型的A-D擬合優(yōu)度均低于0.05水平的臨界值0.752，符合正態(tài)分布，同樣說明對數(shù)正態(tài)分布模型適用。根據(jù)慢性毒性的PNEC判斷，3種抗生素的環(huán)境友好性由高到低依次為為SMZ>TC>NOR。

圖2 3種抗生素對水生生物慢性毒性的SSD曲線Fig.2 The SSD curves of 3 antibiotics chronic toxicity on aquatic organisms

慢性毒作用帶是急性PNEC與慢性PNEC的比值。慢性毒作用帶越大，說明急性PNEC與慢性PNEC間的范圍越寬，因此發(fā)生慢性中毒后不易發(fā)現(xiàn)，容易被忽視，需加以重視。由表4可看出，NOR的慢性毒作用帶最寬，發(fā)生慢性中毒的危險(xiǎn)性最大。3種抗生素的慢性PNEC均小于急性PNEC，說明更應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這幾種抗生素對水生生物的慢性毒理效應(yīng)。

表4 3種抗生素的急、慢性PNEC及其慢性毒作用帶

2.2 4種抗生素的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

ROX的急性PNEC為0.15 μg/L，慢性PNEC為0.10 μg/L，TC、NOR和SMZ的急、慢性PNEC已在2.1節(jié)推導(dǎo)得到。渭河和灞河中4種抗生素的急、慢性風(fēng)險(xiǎn)熵計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 渭河和灞河中4種抗生素的急、慢性風(fēng)險(xiǎn)熵

渭河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，屬于無風(fēng)險(xiǎn)，而ROX的急性RQ介于0.10～1.00，屬于中風(fēng)險(xiǎn)；TC的慢性RQ<0.01，屬于無風(fēng)險(xiǎn)，NOR和SMZ的慢性RQ介于0.01～0.10，屬于低風(fēng)險(xiǎn)，而ROX的慢性RQ介于0.10～1.00，屬于中風(fēng)險(xiǎn)；ROX的急、慢性風(fēng)險(xiǎn)熵對總和的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到99.30%、84.97%，說明ROX是渭河的主要抗生素污染物。

灞河中，TC、NOR和SMZ的急性RQ<0.01，慢性RQ介于0.01～0.10，分別屬于無風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)，而ROX的急、慢性RQ介于0.10～1.00，屬于中風(fēng)險(xiǎn)，ROX的急、慢性風(fēng)險(xiǎn)熵對4種抗生素總風(fēng)險(xiǎn)熵的貢獻(xiàn)率分別為98.54%、75.93%，同樣是灞河的主要抗生素污染物。

總體而言，兩條河流中ROX的急、慢性風(fēng)險(xiǎn)熵均大于0.10，對4種抗生素總風(fēng)險(xiǎn)熵的貢獻(xiàn)率達(dá)到75%以上，屬于中風(fēng)險(xiǎn)，其他3種抗生素都屬于無風(fēng)險(xiǎn)或低風(fēng)險(xiǎn)。但由于ROX的PNEC來源不同，可能存在一定程度的高估。

3 結(jié) 論

(1) 利用SSD法并結(jié)合AF法推導(dǎo)得到TC、NOR和SMZ 3種抗生素對水生生物的急性PNEC分別為136.12、1 364.18、49.39 μg/L，慢性PNEC分別為4.40、0.59、6.28 μg/L。ROX直接借鑒了ECOTOX數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，急性PNEC為0.15 μg/L，慢性PNEC為0.10 μg/L。NOR的慢性毒作用帶最寬，達(dá)2 312.17，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注它的慢性毒理效應(yīng)。

(2) 通過風(fēng)險(xiǎn)熵法對西安市渭河、灞河中TC、NOR、SMZ和ROX的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)發(fā)現(xiàn)，TC、NOR和SMZ無風(fēng)險(xiǎn)或低風(fēng)險(xiǎn)，主要抗生素污染物為ROX，對4種抗生素總風(fēng)險(xiǎn)熵的貢獻(xiàn)率達(dá)到75%以上，屬于中風(fēng)險(xiǎn)。4種抗生素對水生生物的慢性毒性危害大于急性毒性危害。