-
抗生素种类繁杂,现已达到几千种,按照其化学结构主要分为β−内酰胺类、四环素类、喹诺酮类、大环内酯类、磺胺类、氨基糖苷类和氯霉素等,并且在多种环境介质中广泛存在。水体中抗生素污染的来源主要有医用、养殖业及制药工业废水排放。抗生素被使用后并不会被生物体完全吸收。残留抗生素以多种形式经各种途径排入水体等环境中,造成环境污染。国内的其他水环境(如地表径流、地下水、海洋等)中都能检测到抗生素的残留。不同水域间的抗生素残留量差别很大,残留量最高的是养殖废水。磺胺类、喹诺酮类、四环素类及氯霉素类等4类抗生素由于具有较好的防治疾病和促生长等作用而被广泛使用于水产养殖等行业,以达到治疗、预防动物传染性疾病和促进动物生长的目的[1-3]。水产养殖废水的排放是水环境中抗生素污染的重要的人为来源。陵水新村、黎安港和万宁小海海域是海南省重点海水养殖集中区,具有重要的生态及经济价值[4]。新村港位于海南省陵水县新村镇的东南部,港内南北长4 km,东西宽6 km,面积24 km2,拥有上千家鱼排,养殖着金鼓鳗鱼、珍珠龙胆等鱼类。万宁小海现面积约43 km2,周长约43 km,小海物产丰富,著名的和乐蟹、港北对虾和后安鲻鱼均产于此。调查区域主要为浅海养殖中的网箱养殖。网箱的主要结构是框架和网衣,框架起到支撑固定网衣的作用,网箱面积可达到数十平方米,深度约为2~4 m。网衣上常附着水藻、微生物等多种物质。浮动式网箱能随着水位的变化而上下浮动,在养殖中使用广泛,常用于养殖鱼类、螃蟹[5]。有研究表明,海南省每年每平方米的抗生素排放量处于我国相对较高水平[6],但重要水产养殖区域养殖水体中抗生素的分布特征鲜见系统报道。为此,本研究采集海南岛东部陵水新村、黎安港和万宁小海,海域养殖区的海水样品,通过LC-MS/MS 技术对样品中4类(磺胺类、喹诺酮类、四环素类及氯霉素类)40种抗生素进行定量分析,以揭示养殖区海水中抗生素残留的分布情况并进行生态风险评估,同时为养殖区生态水质监测和环境保护提供科学支持。
-
本研究于2018年8月采集陵水新村、黎安港和万宁小海养殖区海域表层海水样本,共采集样品15个,采样点分布见图1。同一采样点以棕色玻璃瓶采集1 L水样。水样采集时取同一截面水平面0.5 cm以下左中右3个点的混合样,每个样点采集3个重复。水样置于4 ℃冰盒中避光冷藏保存,并于48 h内进行前处理。采样时详细记录监测点位的水温、pH值、溶解氧和盐度等。
-
本研究对4类(磺胺类、喹诺酮类、四环素类、氯霉素类)40种抗生素进行检测,检测方法参照文献[7]。
-
取1 L已过滤水样,用盐酸-水溶液(V盐酸∶V水=1∶1)调节pH至2.5。依次用20 mL甲醇、6 mL超纯水、6 mL盐酸(pH2.5)对HLB柱进行活化。用已活化HLB柱对水样进行富集,流速控制在5 mL·min−1 左右。富集完成后用氮气轻柔吹干富集小柱,将氮吹干燥后的小柱用12 mL甲醇进行洗脱,收集洗脱液。洗脱液氮吹浓缩至近干。用流动相95%A(0.1%甲酸−1 g·L−1甲酸铵水溶液)和5%B(V甲醇∶V乙腈=1∶1)定容至1 mL,过0.22 μm尼龙滤膜,待测。
-
进样量10 mL,柱温40 ℃,流速0.30 mL·min−1。流动相A:0.1%甲酸−1 g·L−1甲酸铵水溶液;流动相B:V甲醇∶V乙腈=1∶1。梯度洗脱程序:起始5%B 3 min,然后在18 min内从5%B线性变化至88%B。质谱离子源:ESI+/ESI−切换,MRM数据采集模式。待检抗生素中氯霉素类抗生素采用负离子模式,其余抗生素采用正离子模式。
-
为研究抗生素在采样区水体中抗生素对水生生物的生态风险,采用风险熵值(RQs)来评估。风险熵值法(RQs)来自欧盟的技术指导文件(European commission technical guidance document, TGD),药品在环境中的生态风险可以根据风险熵值(RQs)大小来评估,此方法被广泛应用于分析废水和地表水中常检测到的药物环境风险。RQs通过污染物的环境实测浓度与预测无效应浓度的比值获得,公式如下:
$${\rm{RQs}} = {\rm{MEC}}/{\rm{PNEC}};$$ (1) 式中:MEC为抗生素的实测质量浓度,ng·L−1;PNEC为预测无效应浓度,即不会对生态环境产生不良影响的最大质量浓度,ng·L−1。
有研究[8-11]表明,多种抗生素存在于水体时,产生的毒性效应会加强。因此,用联合风险熵值法(RQsum)来代表多种抗生素对水生生态系统的生态风险,计算公式:
$${\rm{RQsum = }}\Sigma {\rm{RQ}}{\text{。}}$$ (2) 由于不同种类抗生素对不同物种的毒性不同,因此,选用最敏感物种的PENC作为评估值,6种检出的抗生素中丹诺沙星未能找出参考的PENC值,其余如表1所示。
表 1 抗生素对应最敏感物种的毒理数据
Table 1. Toxicological data of antibiotics for the most sensitive species
抗生素种类
Type of antibiotic最敏感物种
Most sensitive species毒性数据(mg·L−1)
Most sensitive species毒性
Toxicity评价因子
The evaluation factorsPENC/
(ng·L−1)参考文献
ReferenceCIP M. aeruginosa EC50=0.017 急性 1000 17 [12] DOX Lemna gibba EC50=0.316 急性 1000 316 [13] TC P. subcapitata EC50=3.31 急性 1000 3310 [14] OTC P. subcapitata EC50=1.04 急性 1000 1040 [15] THI M. aeruginosa EC50=0.320 急性 1000 320 [16]
Characteristics of antibiotic pollution and ecological risk assessment in eastern Mariculture area of Hainan Province
-
摘要: 为揭示海南东部(万宁和陵水)海水养殖区中抗生素的污染情况,笔者利用LC-MS/MS对海水中磺胺类、四环素类、氯霉素类和喹诺酮类等4类40种抗生素进行检测。结果表明,13个采样点的抗生素残留质量浓度为10.28~156.63 ng∙L−1,检出喹诺酮类抗生素2种、四环素类抗生素3种、氯霉素类抗生素1种,磺胺类抗生素未检出。在检出的6种抗生素中,土霉素在采样区海水中含量最高(16.20 ng∙L−1),其次是四环素(5.39 ng∙L−1)、强力霉素(4.10 ng∙L−1)、甲砜霉素(1.84 ng∙L−1)和环丙沙星(0.18 ng∙L−1),最低的是丹诺沙星的含量(0.13 ng∙L−1)。陵水海水养殖区检出的6种抗生素平均残留浓度高于万宁海水养殖区,相同区域抗生素残留浓度具有相似性。采用风险商值法对水体残留抗生素进行风险评估,结果表明,海南万宁和陵水海水养殖采样区环境中残留抗生素具有一定生态风险,尤其是陵水新村渔港水体中土霉素对相应敏感物种具有中等风险,影响藻类等浮游植物的生长。Abstract: In order to assess the distribution characteristics and pollution status of antibiotics in Wanning and Lingshui mariculture areas in Hainan province, Lc-ms /MS was used to detect four classes of 40 antibiotics including sulfonamides, tetracycline, chloramphenicol and quinolones in seawater. The results showed that 13 sample point concentration of antibiotic residues in the range of 10.28−156.63 ng∙L−1, and two quinolones, three tetracyclines, one chloramphenicol were detected. Among the 6 antibiotics, the content of oxytetracycline in seawater was the highest, with a mean of 16.20 ng∙L−1, followed by tetracycline, doxycycline, thiamphenicol and ciprofloxacin, with mean values of 5.39, 4.10, 1.84 and 0.18 ng∙L−1 respectively, and the lowest was Danofloxacin with a mean value of 0.13 ng∙L−1. The risk assessment of residual antibiotics in water was carried out by using the RQs risk assessment method. The results showed that there were certain ecological risks in the environment of the sampling areas of Mariculture in Wanning and Lingshui, Hainan. In particular, oxytetracycline in the fishing port of Lingshui New Village had medium risks to the relevant sensitive species and affected the growth of phytoplankton such as algae. It is recommended to control the use of these antibiotics in the process of mariculture to reduce ecological risks, and to conduct long-term observation on the ecological risks of antibiotics in mariculture areas.
-
Key words:
- mariculture area /
- antibiotics /
- pollution characteristic /
- ecological risk
-
表 1 抗生素对应最敏感物种的毒理数据
Table 1 Toxicological data of antibiotics for the most sensitive species
抗生素种类
Type of antibiotic最敏感物种
Most sensitive species毒性数据(mg·L−1)
Most sensitive species毒性
Toxicity评价因子
The evaluation factorsPENC/
(ng·L−1)参考文献
ReferenceCIP M. aeruginosa EC50=0.017 急性 1000 17 [12] DOX Lemna gibba EC50=0.316 急性 1000 316 [13] TC P. subcapitata EC50=3.31 急性 1000 3310 [14] OTC P. subcapitata EC50=1.04 急性 1000 1040 [15] THI M. aeruginosa EC50=0.320 急性 1000 320 [16] -
[1] 张俊, 袁媛, 宗华丽, 等. 地表水中新型有毒有机污染物研究进展[J]. 海河水利, 2017(4): 42 − 48. doi: 10.3969/j.issn.1004-7328.2017.04.014 [2] 刘晓晖, 王炜亮, 国晓春, 等. 抗生素的水体赋存、毒性及风险[J]. 给水排水, 2015, 51(12): 116 − 121. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2015.12.029 [3] 苏小欢. 水环境中抗生素的迁移转化及其危害[J]. 广州化工, 2015, 43(5): 156 − 158. doi: 10.3969/j.issn.1001-9677.2015.05.057 [4] 杨辉, 王文师, 李庆彪, 等. 海南陵水县发展深水网箱养殖的探讨[J]. 海洋开发与管理, 2015, 32(1): 49 − 52. doi: 10.3969/j.issn.1005-9857.2015.01.012 [5] 韩千帆. 山东半岛海水养殖场中抗生素的分布、复合污染和风险评估[D]. 济南: 山东大学 . 2020. [6] ZHANG Q, YING G, PAN C, et al. Comprehensive Evaluation of Antibiotics Emission and Fate in the River Basins of China: Source Analysis, Multimedia Modeling, and Linkage to Bacterial Resistance [J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(11): 6772 − 6782. [7] 姜春霞, 黎平, 李森楠, 等. 海南东寨港海水和沉积物中抗生素抗性基因污染特征研究[J]. 生态环境学报, 2019, 28(1): 128 − 135. [8] BACKHAUS T S M G L. The single substance and mixture toxicity of quinolones to the bioluminescent bacterium Vibrio fischeri. Aquat Toxicol.[J]. 2000, (49)(1/2): 46 − 61. [9] CLEUVERS M. Aquatic ecotoxicity of pharmaceuticals including the assessment of combination effects [J]. Toxicology Letters, 2003, 142(3): 185 − 194. doi: 10.1016/S0378-4274(03)00068-7 [10] CLEUVERS M. Mixture toxicity of the anti-inflammatory drugs diclofenac, ibuprofen, naproxen, and acetylsalicylic acid [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2004, 59(3): 309 − 315. doi: 10.1016/S0147-6513(03)00141-6 [11] YANG LH, Ying GG, Su HC, et al. Growth-inhibiting effects of 12 antibacterial agents and their mixtures on the freshwater microalga pseudokirchneriella subcapitata [J]. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, No. 5(Vol. 27): 1201 − 1208. [12] ROBINSON A A, BELDEN J B, LYDY M J. Toxicity of fluoroquinolone antibiotics to aquatic organisms [J]. Environmental toxicology and chemistry, 2005, 24(2): 423 − 430. doi: 10.1897/04-210R.1 [13] BIALK-BIELINSKA A, STOLTE S, ARNING J, et al. Ecotoxicity evaluation of selected sulfonamides [J]. Chemosphere, 2011, 85(6): 928 − 933. doi: 10.1016/j.chemosphere.2011.06.058 [14] GONZALEZ-PLEITER M, GONZALO S, RODEA-PALOMARES I, et al. Toxicity of five antibiotics and their mixtures towards photosynthetic aquatic organisms: implications for environmental risk assessment [J]. Water Res, 2013, 47(6): 2050 − 2064. doi: 10.1016/j.watres.2013.01.020 [15] KOLAR B, ARNUS L, JERETIN B, et al. The toxic effect of oxytetracycline and trimethoprim in the aquatic environment [J]. Chemosphere, 2014, 115: 75 − 80. doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.02.049 [16] ANDO T, NAGASE H, EGUCHI K, et al. A novel method using cyanobacteria for ecotoxicity test of veterinary antimicrobial agents [J]. Environ Toxicol Chem, 2007, 26(4): 601 − 606. doi: 10.1897/06-195R.1 [17] 陈昌福, 王玉堂. 水产养殖中抗生素类药物使用现状、问题与对策(连载一)[J]. 中国水产, 2015(4): 65 − 68. doi: 10.3969/j.issn.1002-6681.2015.04.023 [18] 战文斌, 绳秀珍. 海水养殖鱼类疾病与防治手册[M]. 北京: 海洋出版社, 2010: 168 − 186. [19] 王志芳. 广西罗非鱼主产区养殖池塘的重金属和抗生素检测及风险评价[D]. 南宁: 广西大学, 2018. [20] 方昊, 余军楠, 王智峰, 等. 江苏典型中华绒螯蟹养殖区抗生素污染特征与生态风险评估[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(11): 1436 − 1444. [21] 郝勤伟, 徐向荣, 陈辉, 等. 广州市南沙水产养殖区抗生素的残留特性[J]. 热带海洋学报, 2017, 36(1): 106 − 113. [22] 张瑞玲. 北部湾典型养殖区抗生素污染特征及海产品食用风险[D]. 南宁: 广西大学, 2018. [23] 张永鹏. 渤海湾近岸海域抗生素及抗生素抗性基因的污染特征研究[D]. 天津: 天津大学, 2018. [24] 刘晓晖. 洞庭湖流域水环境中典型抗生素污染特征、来源及风险评估[D]. 济南: 山东师范大学, 2017. [25] 李媛. 高桥红树林区常用抗生素残留及细菌耐药性研究[D]. 湛江: 广东海洋大学, 2013. [26] NA G, FANG X, CAI Y, et al. Occurrence, distribution, and bioaccumulation of antibiotics in coastal environment of Dalian, China [J]. Marine Pollution Bulletin, 2013, 69(1 /2): 233 − 237. doi: 10.1016/j.marpolbul.2012.12.028 [27] YAN C, YANG Y, ZHOU J, et al. Antibiotics in the surface water of the Yangtze Estuary: Occurrence, distribution and risk assessment [J]. Environmental Pollution, 2013, 175: 22 − 29. doi: 10.1016/j.envpol.2012.12.008 [28] XIONG W, SUN Y, ZHANG T, et al. Antibiotics, antibiotic resistance genes, and bacterial community composition in fresh water aquaculture environment in china [J]. Microbial Ecology, 2015, 70(2): 425 − 432. doi: 10.1007/s00248-015-0583-x [29] JIANG L, HU X, XU T, et al. Prevalence of antibiotic resistance genes and their relationship with antibiotics in the Huangpu River and the drinking water sources, Shanghai, China [J]. Science of The Total Environment, 2013, 458/459/460: 267 − 272. doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.04.038 [30] 张力媛. 喹诺酮类抗生素检测方法的优化及其在水中光解、水解特性研究[D]. 长春: 吉林农业大学,2016. [31] 詹杰, 魏树和. 四环素在土壤和水环境中的分布及其生态毒性与降解[J]. 生态学报, 2015, 35(9): 2819 − 2825. [32] 彭艳, 丁世敏, 刘蕖, 等. 水环境中抗生素的光化学降解研究进展[J]. 广州化工, 2016, 44(10): 14 − 17. doi: 10.3969/j.issn.1001-9677.2016.10.007 [33] BEN Y, FU C, HU M, et al. Human health risk assessment of antibiotic resistance associated with antibiotic residues in the environment: A review [J]. Environmental Research, 2019, 169: 483 − 493. doi: 10.1016/j.envres.2018.11.040