2022, Vol. 14 
2. 广西壮族自治区生态环境监测中心，广西南宁 530028
2. Guangxi Zhuang Autonomous Region Ecological and Environmental Monitoring Centre, Nanning, Guangxi 530028, China
喹诺酮类抗生素(QNs)作为抗菌药物从发现至今已经近30年，因其具有抗菌性强和不具有交叉耐药性的特点[1]，被广泛用于畜禽养殖和人类医疗中[2]。虽然QNs产量高、使用量大[3]，但绝大多数不会被生物体完全吸收[4]，并且它们会以母体或者代谢产物(氧化产物、水解产物等)的方式[5]，随着粪便和尿液排入环境中[6]。而QNs因其水溶性的特点[6]，在全世界的河流[7-8]、土壤[9]中都有被检出，其在水环境中的残留问题也得到了各界广泛的关注。
随着社会经济的发展，九洲江地区沿线用水量、排污量不断增加，河流水体受到不同程度的污染，水资源供需矛盾日益突出，已成为该地区社会经济持续发展的主要制约因素[10]。目前，水环境中抗生素的主要污染源来自工业废水、医院废水和生活污水[11]，它们经过污水管网在城市污水处理厂得到汇集[12]。有研究表明，污水处理厂不能完全去除污水中的抗生素，最终这些抗生素会通过污水和污泥进入环境中[13]。在中国不同地区，如济南[14]、厦门[15]、香港[16]等，抗生素在污水处理厂中的迁移转化已经被广泛研究。然而在中国广西壮族自治区，对污水处理厂中抗生素的研究非常有限。因此研究QNs在广西污水处理厂的分布特征具有重要意义。现对广西九洲江地区的6个污水处理厂中的QNs残留情况进行调查，研究QNs在污水处理厂中的分布情况，分析污染水平与主要环境变量之间的相关性，以期为九洲江地区的抗生素残留及防控的研究提供依据。
1 材料与方法 1.1 采样时间与点位2021年9月，选取九洲江地区典型的6个污水处理厂(表 1)为研究对象，采集其进水和出水，共计12个采样点位，每个点位设计3个重复实验，采样点位见图 1。6个污水处理厂主要收集城镇排放的生活污水及部分养殖废水，除了4#为生物膜反应器(MBBR)工艺外，其他5个污水处理厂皆为连续流一体化间歇生物反应器(IBR)工艺。MBBR工艺属于移动的生物膜法，IBR工艺属于周期循环的活性污泥法，前者主要作用于生物降解，后者主要作用于污泥吸附。
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表 1 污水处理厂基本信息 |
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图 1 采样污水处理厂分布 |
仪器：Oasis HLB固相萃取柱(美国Waters公司); ZORBAX SB-C18色谱柱(2.1 mm×100 mm×3.5 μm，美国Agilent公司); Milli-Q Integral 10纯水仪(美国Millipore公司); SG8便携式pH计(瑞士METTLER TOLEDO公司); M 600稀释配液仪(瑞士Hamilton公司); E 9000自动固相萃取仪(中国盛康公司); EVA32氮气浓缩仪(中国北京普立泰科仪器有限公司); 1260/6460高效液相色谱-三重四极杆质谱仪(美国Agilent公司); N/C 3100 TOC分析仪(德国Jena公司); AJ-3000气相分析吸收光谱仪(中国安杰科技公司); 0.22 μm有机尼龙滤膜(上海昔今实验仪器有限公司); 102标准COD消解器(美国HCA公司)。
试剂：11种QNs标准品，包括环丙沙星(CPX，99.9%)、达氟沙星(DNX，98.0%)、双氟哌酸(DFX，99.9%)、恩诺沙星(EFX，99.9%)、氟罗沙星(FRX，99.9%)、麻保沙星(MBX，99.9%)、诺氟沙星(NFX，98.0%)、氧氟沙星(OFX，99.9%)、奥比沙星(OBX，99.9%)、沙拉沙星(SFX，98.7%)、司帕沙星(SPX，99.8%)，均购自天津阿尔塔科技有限公司。甲醇和乙腈(色谱纯, 美国Thermo Fisher Scientific公司); 甲酸、乙二胺四乙酸二钠(Na2EDTA)、硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)(分析纯, 上海国药集团化学试剂有限公司)。超纯水用纯水仪制得。
1.3 样品采集与预处理 1.3.1 样品采集以5 g Na2EDTA作为固定剂，用不锈钢水样收集器采集水样，用500 mL棕色玻璃瓶盛装，玻璃瓶盖用锡箔纸包住，避免光解。样品运输至实验室，在0~4 ℃条件下保存，3 d内完成预处理并进行QNs的检测。采用便携式pH计测量pH值和水温，分别以H2SO4或者HNO3作为固定剂，将水样装入聚乙烯塑料瓶中，样品运输至实验室，在0~4 ℃条件下保存，7 d内完成化学需氧量(CODCr)、氨氮、总有机碳(TOC)和金属离子的检测。
1.3.2 样品预处理分别用10 mL甲醇和10 mL超纯水活化固相萃取柱，在200 mL水样中加入H2SO4或者HNO3使其pH值为3±0.1。将调节后的水样以5 mL/min的流量通过固相萃取柱，再用10 mL超纯水淋洗小柱，去除杂质。之后用氮气吹干小柱，用3 mL甲酸/甲醇混合液(V ∶V=1 ∶1)洗脱富集后的小柱，再用该溶液浸泡小柱5 min。用6 mL甲酸/甲醇混合溶液以1 mL/min的流速洗脱样品，收集洗脱液。用浓缩装置将上述洗脱液浓缩至1 mL以下，用甲醇定容到1 mL，混匀后过0.22 μm有机尼龙滤膜，置于2 mL的棕色进样瓶中，在-4 ℃条件下保存。
1.4 样品分析色谱条件：流动相A为0.5%的甲酸，流动相B为乙腈，流速为0.5 mL/min，柱温为25 ℃，进样体积为5.0 μL，最大压力限值为50 000.0 kPa。洗脱梯度：0~7.0 min，10%~25% B; 7.0~10.1 min，25%~65% B; 10.1~12.0 min，65%~80% B; 12.0~12.1 min，80%~10% B。
质谱条件：毛细管电压为4.0 kV，干燥气温度为350 ℃，雾化气气压为172.0 kPa，离子源为电喷雾正离子源(ESI+)，检测模式为多反应检测(MRM)，分析参数见表 2。
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表 2 QNs的MRM分析参数 |
采用外标法进行定量，以甲醇逐级稀释QNs标准品制备成0.5~100.0 ng/L的QNs标准溶液，经高效液相色谱串联质谱(HPLC-MS/MS)分析获得标准曲线。QNs的相关系数为0.996~0.999，各样品的回收率为53.9%~122.6%。此外，实验分别做了场地空白，方法空白和平行样用来控制背景值影响及交叉影响。
2 结果与讨论 2.1 污水处理厂进出水中常规指标分布特征九洲江地区采样点常规指标测定结果见图 2(a)—(d)。由图 2可见，6个污水处理厂的进水和出水，pH值为6.77~7.46; 水温为25.0~32.6 ℃。进水中，CODCr质量浓度最大值为1 366.8 mg/L(4#)，最小值为200.8 mg/L(2#); 氨氮质量浓度最大值为31.6 mg/L(1#)，最小值为10.8 mg/L(4#); Ca2+质量浓度的最大值为148.7 mg/L(4#)，其余金属离子质量浓度为1.8~68.1 mg/L; TOC质量浓度最大值为57.5 mg/L(5#)，其余水样中的检测质量浓度为3.3~22.7 mg/L。出水中，氨氮的质量浓度为0.5~16.3 mg/L。
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图 2 采样点常规指标测定结果 |
污水处理厂进出水中QNs最大、最小检出值及检出率见表 3。由表 3可见，在进水中，DFX、FRX和MBX未检出，CPX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX的检出率最高(100%)，其次是DNX(50.0%)和EFX(16.7%)。进水中QNs的总质量浓度为252.1~1 374.9 ng/L。除了未检出的3种QNs外，其他8种QNs的平均质量浓度从大到小依次为：NFX、CPX、OFX、EFX、SFX、DNX、SPX、OBX。可见NFX和CPX为该研究区域进水QNs的主要组分，分别占56.7%和20.0%。在出水中，只有CPX、DNX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX有检出，检出率为66.7%~100%。通过污水处理厂的处理阶段后，出水中QNs的总质量浓度为44.4~147.1 ng/L。采样点QNs检出浓度见图 3。
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表 3 污水处理厂进出水中QNs检出情况① |
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图 3 采样点QNs检出浓度 |
由图 3可见，在进水中，虽然5#和1#的日处理量低于6#，但在污水处理厂进水的质量浓度从大到小为：2#、5#、1#、6#、4#、3#，这可能与周边存在的畜禽养殖场有关。有研究表明，九洲江地区流域养殖业发达，但是缺乏有针对性的污染控制措施，造成畜禽养殖产生的污染成为流域的主要污染源[17]。在出水中，QNs的质量浓度从大到小为：1#、2#、3#、6#、5#、4#。有研究表明，NFX和CPX是主要的抗菌药物，由于使用成本较低，因此被广泛应用于医疗、畜牧业和水产养殖业中[2]。此外，CPX是EFX的代谢产物[17]，因此EFX的浓度也会影响CPX的浓度。研究区域的污水处理厂位于畜禽养殖业发达的九洲江地区，NFX和CPX在进水和出水中的检出浓度较高，明显高于畜禽养殖业不发达的中国北京[18]和瑞典的污水处理厂[19]，但与水产、畜禽养殖业发达的中国上海的污水处理厂[20]、广西狮潭水库[5]、广西北部湾养殖区[21]的检出情况类似。因此，不同污水处理厂QNs的检出情况与其周边使用的抗生素成分差异有关[22]。
2.3 不同污水处理厂QNs的去除率基于水量基本平衡的条件下，污水处理厂QNs的去除率由进出水的检出浓度之差与进水检出浓度的比值来计算。污水处理厂中QNs的去除率见表 4。由表 4可见，8种QNs的去除率为0~100%，总去除率为66.6%~92.5%，这与广东污水处理厂[23]和杭州污水处理厂[24]的去除率情况相似。值得注意的是，污水处理工艺对不同QNs残留的去除率差异较大。例如，NFX在污水处理厂中的去除率为81.5%~100%，OBX、SFX和SPX的去除率为0~25.0%，0.9%~9.9%和2.3%~11.2%。出现这一情况的原因可能是OBX、SFX和SPX在水中半衰期较长且不易降解[1]，虽然检出率较高，但检出浓度不高[25-26]。此外，CPX在不同的污水处理厂去除率波动较大，去除率和其理化性质以及工艺参数等有一定的相关性[27]。值得注意的是，除了CPX外，4#污水处理厂对其他QNs的去除率都高于另外5个污水处理厂。有研究表明，CPX主要去除机制被认为是被污泥吸附，而不是生物降解[23]，这可能就是导致4#污水处理厂对CPX的去除率低于其他污水处理厂的原因。
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表 4 污水处理厂中QNs的去除率① |
当抗生素进入水环境中，一般会经过降解和吸附等一系列转化过程[23]，使其浓度发生变化，而水环境中的理化性质则会对其转化产生直接或间接的作用[28]。有研究表明，相关系数可以揭示抗生素之间可能存在的关系，并进一步判断其可能具有的相似分布特征[14]。因此，研究QNs与环境变量的相关性，可以了解环境变量对QNs变化的影响。选取pH值、温度、CODCr、氨氮和TOC这5种理化参数与检出的QNs进行相关性分析，此外，有研究表明，自来水中存在的Ca2+、Mg2+等金属离子也会对抗生素的转化产生影响[10]，因此也将Na+、K+、Ca2+、Mg2+等金属离子列入相关研究中。污水处理厂进出水中的QNs与环境变量冗余分析见图 4(坐标值为相关性r值)。
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图 4 污水处理厂进出水中的QNs与环境变量冗余分析 |
由图 4可见，各种抗生素均受到水中多种环境变量的影响。其中，Na+、K+、TOC与SFX、OBX、DNX、CPX、EFX、OFX、NFX之间呈正相关关系，与SPX呈负相关关系，这与Ca2+、Mg2+、pH值的情况刚好相反。由于QNs容易与有机质中的阳离子反应形成复合物吸附在污泥中[29]，因此Na+、K+和TOC的浓度在一定程度上影响QNs的浓度。有研究表明，pH值会影响抗生素的溶解度和表面电荷状态[30]，当水环境呈酸性时，抗生素的浓度较稳定[31-32]，当水环境中的pH值呈中性或碱性时，一些污染物(如Ca2+、Mg2+等)会与水中的OH-结合，形成稳定的螯合物[33]。而水温与QNs呈负相关关系，则是因为温度也是影响抗生素去除的因素之一[34-35]，与抗生素的去除效率呈负相关关系[36]。当温度过低时，处理工艺中的微生物活性会减弱，从而影响抗生素的生物降解[27]; 当温度过高时，水环境中的离子扩散运动加快，吸附平衡会被打破，继而导致部分原本吸附在污泥中的抗生素又释放到污水中，使水中的CODCr增加[37]，这也可能是CODCr和部分QNs呈负相关关系的原因。有研究表明，抗生素与氨氮存在一定的协同污染关系[38]。此外，除了SFX外，其余的QNs都与氨氮呈正相关关系，这与中国杭州湾地区情况相似[24]。
3 结论对广西九洲江地区6个污水处理厂进水和出水中的11种QNs进行调查分析，得出以下结论：
(1) 目标QNs中有8种被检出，其中CPX、NFX、OFX、OBX、SFX和SPX的检出率为100%，进水中QNs的总质量浓度为252.1~1 374.9 ng/L。NFX是该区域的主要QNs，其次是CPX。
(2) 除了CPX外，MBBR工艺对QNs的去除率优于IBR工艺。
(3) 冗余分析结果表明，对QNs和环境变量进行相关性分析，发现Na+、K+和TOC与多数QNs呈正相关关系，Ca2+、Mg2+、pH值与多数QNs呈负相关关系。
现有的技术不足以有效控制QNs造成的污染问题，应推进和开展QNs相关指标的管控和标准研究，以用来支撑抗生素在环境管理方面的需求。同时加强地区监管，从源头上减少QNs的使用和排放。
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