南水北调中线干渠抗生素污染分布特征及环境行为研究

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抗生素作为一种新兴环境污染物质可通过环境介质及食物链扩散引起微生物抗菌素耐药性(AMR)以及抗性基因(ARGs)在环境中的广泛传播,影响生态系统、威胁人类健康。近年来国内外水气固三相环境中均有抗生素类物质的频繁检出,对抗生素在环境中的赋存情况、环境行为、生态风险以及健康风险等方面开展研究,为确定抗生素优先控制种类,控制抗性基因的传播及减少耐药微生物的增长具有重要意义。本研究基于超高效液相色谱质谱联用法(UHPLC-MS/MS)的基础上,针对南水北调中线干渠水源工程表层水及沉积物中抗生素的污染情况进行调研,并对抗生素分布特征、环境行为及生态风险等方面进行分析。采用固相萃取(SPE)、超声助提等分离技术,采用超高效液相色谱-质谱(UHPLC-MS/MS)联用的多物质同步检测方法,对南水北调干渠表层水体及沉积物中磺胺类(SAs)、大环内酯类(MLs)、哇诺酮类(QNs)、四环素类(TCs)、β内酰胺类(β-Ls)、林可酰胺类(LMs)以及聚醚类(PEs)7大类83种抗生素的含量与分布特征以及影响因素进行分析与研究,采用风险熵值法评估其对不同水生物种的生态风险及对不同年龄阶段人群的健康风险,获得了以下成果:(1)对水体及沉积物中83种抗生素采用SPE-UHPLC检测方法。在流速为0.2 m L/min及0.25 m L/min,进样量5.0μL,以甲醇和0.1%(v:v)甲酸的水溶液分别作为流动相的条件下,出峰及分离效果良好,标准曲线线性良好,且线性范围广(1~400 ppb),线性系数R2均大于0.99。加标回收率分别为79.3%~115%(水)and 67.2%~129%(沉积物),方法检出限为0.001~0.35 ng/L(水)及0.001~0.14 ng/g(沉积物),满足定量分析要求。(2)南水北调中线水体及沉积物中共有31种抗生素检出,涉及6大类;其中β-Ls未检出。水样中单种抗生素浓度范围为nd~18.8 ng/L,沉积物中单体抗生素检出浓度为nd~43 ng/L,相比于国内其他水源地,南水北调中线干渠水体及沉积物抗生素浓度均较低。从季节性差异来看,水体春季抗生素含量显著高于夏季;沉积物无明显季节差异。从空间分布来看,水体中抗生素总浓度呈现沿程增加的趋势,各渠段抗生素含量平均值为:丹江口水库、南阳段<河南段<河北段<天津、北京段。(3)通过组成差异分析,发现MLs、LMs以及PEs的主要污染渠段为河南段,以赵庄东南(ZZDN)及候小屯西(HXTX)最为显著,需加以重视;在沉积物中,河南段沉积物中抗生素种类最多,在秋季,姚营(YY)是沉积物中MLs的主要来源,这些点位可能长期受到抗生素污染,需加以注意。(3)亲水性较强的LMs(log Kow=0.56~2.16)载荷箭头指向水中样品,而更易分布在沉积物中的MLs(log Kow=1.63~4.34)、PEs(log Kow=5.43~8.53)、QNs(log Kow=-1.03~2.50)和TCs(log Kow=-1.30~2.24)载荷箭头指向沉积物样品,表明水和沉积物组成差异明显,主要与各种类抗生素在两相间的分配行为有关。(4)通过PCA-MLR分析两季水体中抗生素的污染来源发现,干渠表层水体抗生素污染来源主要有以下几种:1)畜牧、家禽等养殖场污染;2)人为污染或直接排放污染;3)农用地土壤污染以及4)水产养殖污染。(5)选取三种模式水生生物绿藻、大型蚤和鱼,利用风险熵法评价水中抗生素的生态风险。结果表明所有检出的抗生素对绿藻、大型蚤和鱼均无生态风险(RQ<0.01),而通过联合风险熵值RQsum的计算发现在部分断面(如新峰)对大型蚤存在低生态风险(0.01<RQsum<0.1)。利用风险熵值法评估沉积物对沉积物中抗生素对最不利生物的生态风险,发现SGD在沉积物中可能存在潜在的较低风险(0.01<RQ<0.1)。抗生素健康风险评价结果显示,南水北调干渠表层水体抗生素累积RQ值,远低于1,表明南水北调干渠抗生素无潜在健康风险。但在干渠南段ENR对0~3个月婴儿有较高风险,应加以重视。
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