基于Ⅳ级逸度模型的典型抗生素环境归趋行为动态模拟与风险评估研究

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抗生素被广泛用于人类和畜禽的疾病防治之中。但是,近年来抗生素滥用与污染问题日益严重,尤其是在中国、越南等发展中国家。目前,抗生素在环境介质中的环境归趋行为和生态风险评估已受到学术界的高度重视,是国内外抗生素污染与控制研究领域的热点科学问题之一。应用数学模型研究化学品在环境生态系统中的分布与归宿是环境模拟技术中的热点之一,环境数学模型是评价化学品在多介质环境中行为的一种有效工具。抗生素进入环境后,会在各个环境介质之间扩散、迁移、转化,以不同的途径和方式影响环境及人类的健康。因此,研究抗生素在环境中的分布和归趋是十分必要。目前,加拿大多伦多大学环境研究中心Donald Mackay教授提出的逸度模型是应用最广泛的环境多介质模型之一,在其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级逸度模型中,Ⅳ级逸度模型因能够研究有机污染物的动态环境行为,表征污染物在多介质环境中随时间变化的污染水平、迁移转化归趋的定量结果而备受推崇。淮河流域是我国主要粮食产区,人口众多,畜禽养殖业发达,抗生素的生产、使用和排放量大,带来的抗生素环境污染问题较为严峻。本文选择淮河流域蚌埠段为典型子流域研究区,以四环素类抗生素(TCs)4种主要异构体氧四环素(OTC)、四环素(TC)、金霉素(CTC)、强力霉素(DXC)为研究对象,通过构建适合淮河流域特征的Ⅳ级多介质逸度模型,开展了淮河流域抗生素环境介质归趋动态模拟研究。同时,根据运用Ⅳ级逸度模型的模拟研究结果,通过生态风险熵法对研究区不同环境相内的四环素类抗生素的生态风险进行了评估研究,对研究区相应的人体健康生态风险进行了预测,最后提出了该流域抗生素污染防治措施和管控建议。本文基于Ⅳ级逸度模型,模拟了TCs在2002--2020年间淮河流域蚌埠段的环境归趋。模型预测的TCs浓度值与实测值吻合较好,大部分残差低于1个对数单位。模拟结果表明TCs在多介质环境中的浓度变化从2002年至2020年一直处于缓慢增长状态,2015年之后TCs在土壤和沉积物中的浓度趋于逐渐平稳状态,在空气相中的含量及变化均较低,在水环境相内浓度变化明显,其中以DXC残留含量最高,预测到2020年研究区域水环境相内残留DXC浓度到35ng/L。在研究区域内TCs主要以污水灌溉和废水排放的形式进入到多介质环境系统中,并以水相平流输送为主要输出方式;TCs在介质间的迁移转化趋势明显,特别是在沉积物和水体以及土壤和水体间存在显著的质量交换。引入风险熵值法对淮河流域蚌埠段不同环境相内TCs的生态风险进行评估和人体健康风险评估,结果表明水相中残存的TCs的生态风险水平最高,其中OTC和DXC属于高风险水平,TC和CTC属于中风险,沉积物相中的风险水平最低,总体来看,淮河流域蚌埠段TCs风险水平较高,尤其是残留在环境中的DXC含量,应引起相关部门的重视,提出抗生素污染防控措施和政策;在研究区域内残留TCs的含量对人健康不构成直接危险,但其潜在的综合风险和长期风险值得关注。本研究的相关结果不仅可以促进对于淮河流域典型抗生素进入环境后的迁移转化行为和最终归趋规律的理论认知,也能够为流域环境管理部门从事抗生素环境污染调查、环境质量评价、生态健康风险评估提供理论指导和工作依据。
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