典型抗生素在淮河流域(安徽段)水生生态系统中的分布特征、沉降趋势及其风险评估

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抗生素(Antibiotics)因其高效性、便携性和廉价性,在人和动物的疾病预防和治疗领域受到广泛使用,并常常作为饲料添加剂用于促进动物生长。在被生物体摄入后,超过一半的抗生素以其原型或者活性代谢物形式排出体外,通过各种途径进入水生生态系统并作用于环境生物,对生态环境乃至人类健康产生不利影响。国内外对抗生素在不同流域各类环境介质中污染特征和生态风险已经有了一定研究,而目前关于淮河流域中抗生素的来源、含量水平以及环境行为等方面的研究很少。淮河流域作为中国传统农业区,其流域内人口密度是全国平均人口密度的4.8倍,水产养殖和禽畜养殖发达,抗生素生产、使用和排放量大,其污染问题较为严峻。因此,本文选择淮河流域流经安徽省内的主河段作为研究区域,对磺胺类和四环素类共计24种抗生素开展了调查研究工作,揭示了抗生素在淮河流域安徽段含量水平,阐述了其在沉积物-水中分配规律和潜在污染物来源,并进行了环境生态风险评估和人体健康风险评估,主要结果如下:(1)针对淮河流域安徽段表层水和沉积物样品,本文优化了待测抗生素的前处理(加速溶剂萃取和固相萃取技术)及仪器检测方法(超高效液相色谱串联质谱),主要是加速溶剂萃取中的萃取剂、分散剂、温度和循环次数的选择,固相萃取中富集小柱的不同活化试剂的对比,以及氮吹体积和定容体积的优化。实际样品检出限和回收率均可以满足淮河流域安徽段抗生素残留检测要求。(2)在与国内水环境对比中,淮河流域安徽段表层水中所有抗生素含量处于较低水平,其中磺胺类抗生素含量范围(6.2-19 ng L-1)与太湖、苕溪等水域相近,四环素类抗生素含量范围(5.7-170 ng L-1)与辽河、白洋淀等水域相近;沉积物中所有抗生素含量处于较低水平,其中磺胺类抗生素含量范围(2.5-6.9 ng g-1)与官厅水库、太湖等水域相近,四环素类抗生素含量范围(6.9-27 ng g-1)与海河、辽河等水域相近。磺胺类抗生素使用习惯及污染源排放规律在淮河流域安徽段较为一致,且采样前期变化较小;四环素类抗生素在上游的使用习惯异于中下游,在采样前可能有较大变化,且相关物理运动(如挖沙等)可能对四环素类抗生素在沉积物中赋存有影响。四环素类抗生素最高值出现在阜阳市南照镇,支流污染可能是主要原因;磺胺类抗生素最高值出现在淮南市凤台县,医疗废水污染可能是主要原因。磺胺类抗生素主要集中在淮河流域安徽段上游,靠近河南省固始县,禽畜养殖是主要来源,而四环素类抗生素分布较散。水闸对淮河流域表层水中磺胺醋酰和多西环素具有富集作用,可能不对沉积物中抗生素具有富集作用;对表层水中磺胺二甲异呃唑、磺胺间二甲氧嘧啶以及沉积物中磺胺甲基异呃唑、美他环素具有降解作用。两处闸口不同的物理构造可能导致表层水和沉积物中物质赋存影响不一致。(3)通过计算沉积物-表层水之间的模拟传质系数,淮河流域抗生素沉降趋势在国内水域中处于中等水平,分子质量越大的抗生素可能越容易沉降在沉积物中,四环素类抗生素沉降趋势比磺胺类抗生素更易受到环境基质理化性质影响。磺胺二甲嘧啶、磺胺噻唑、磺胺甲噻二唑、磺胺邻二甲氧嘧啶、米诺环素及美他环素在淮河流域全河段呈现持续明显沉降趋势;磺胺醋酰、磺胺对甲氧嘧啶、土霉素及多西环素在淮河流域全河段趋向于向表层水中迁移;其余抗生素均存在部分沉降趋势,且存在一定的分布差异。水闸对磺胺类和四环素类抗生素沉降趋势影响较为相似。(4)通过计算待测抗生素之间相关性,对淮河流域安徽段沉积物和表层水中可能的污染源进行分析,主要污染源为禽畜养殖及医疗废水,部分来源于城市污水处理厂和固废处理厂。采用风险熵值法对三类典型水生生物进行生态风险评估,磺胺甲基异呃唑对藻类生物在全河段均呈现持续中风险且在国内水域对比中处于较高水平,美他环素对无脊柱生物在上游呈现持续低风险,多西环素、去甲基金霉素对无脊柱生物在全河段呈现整体中风险,所有抗生素对鱼类生物基本呈现无风险。对成人和儿童进行饮用水途径的抗生素健康风险评估,成人和儿童主要的饮用水健康风险因子较相似,均以磺胺二甲嘧啶、多西环素及四环素为主,成年人的健康风险水平要高于儿童。
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