黄河水中抗生素的存在及其环境意义

38黄河水中抗生素的存在及其环境意义OccurrenceofAntibioticsintheYellowRiverUsingHighPerformanceLiquidChromatographywithMassSpectrum邹世春凌镇浩单位：中山大学化学院分析化学研究所【摘要】论文总结了抗生素在环境中的存在，归宿及对环境的影响。应用固相萃取、液相色谱/串联质谱法（HPLC-MS-MS）同时分析了黄河水体中几种重要抗生素的含量。总的结果表明，喹诺酮类抗生素的含量最高，其次是磺胺甲恶唑类和大环内酯类药物。这可能与这些抗生素的使用量有关，在邻近人口较集中的城镇的黄河中下游一带都有较高含量分布。与其它国家的研究相比，喹诺酮类与大环内酯类类药物甚至达到该国家污水厂的含量水平，也高于珠江广州河段抗生素含量水平。关键词：固相萃取，液相色谱/串联质谱，抗生素人们日常生活中大量接触的药物与个人护理品(PharmaceuticalsandPersonalCareProducts，简称PPCPs)的使用及其对环境生态的影响，多年来一直被忽视，直到1990年代后期才开始得到关注。PPCPs对环境中生物的影响较之其它类别有机污染物更为显著，更易产生生物累积。但在我国，相关研究并没得到足够的重视，我国是滥用药物，尤其是滥用抗生素类药物最为严重的国家之一。因此，加强对PPCPs环境污染研究，应属当务之急。本文总结了抗生素在黄河流域水体中的存在及其环境意义。1．实验部分1.1仪器与设备Agilent1100高效液相色谱仪和ABI/SCIEXAPI4000MS/MS液质联用仪；OasisHLB柱(Waters,6mL/500mg)；快速混匀器(QL2901江苏麒麟医用仪器厂)，真空泵,沙芯漏斗及过滤膜(0145μm)等。1.2试剂与标准溶液甲醇为色谱纯(Sigma公司)，其它试剂未做说明均为优级纯；红霉素、罗红霉素标样(99%，Sigma公司)；7种抗生素标样(氧氟沙星、诺氟沙星、罗红霉素、红霉素、磺胺嘧啶、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲噁唑，含量99％,sigma公司)；13C3-咖啡因溶液(1mg/mL，CambridgeIsotopeLabs，USA)1.3实验方法1.3.1采样沿着黄河东流，途经三门峡，洛阳，开封，荷泽等城市，一直到达东平湖。采样时间为2006年5月。采样图如图Ⅰ。1.3.2分离富集步骤水样经静置后,将上层清液通过0.45µm的滤膜真空抽滤,除去悬浮物。取1L水样并往其加入100µL，1µg/mL13C3-咖啡因后倾入预先分别经3mL甲醇和超纯水淋洗过的HLB固相萃取柱,开启真空泵,控制流速约为15mL/min。完成过柱后,以6mL甲醇淋洗,洗脱液收集于10mL具塞离心管中。在室温下用N2吹扫至近干,甲醇-水(60∶40)定容至1mL,待测。1.3.3测量条件色谱条件:色谱柱：ODS-P(4.6mm250mm，DIKMA)；进样量：20µL；流动相:乙腈(A)和0.2%甲酸溶液(B)；流速：0.4mL·min-1；梯度淋洗程序：40%A(0-8)min，然后在2min内将A相线性增加至60%并保持15min，随后在5min内降低A相至40%并保持5min。质谱条件:离子源为ESI；离子源Ⅰ(GS1)和Ⅱ(GS2)的气体流速分别为20和40mL/min，碰撞气和气帘气流速分别为6和15mL/min,气体均为N2；辅助加热气温度,450℃；电离电压,5500V。去簇电压(declusteringpotential,DP)、碰撞能(collisionenergy,CE)及3种抗生素的其它相关质谱条件39见表Ⅰ。检测方式为多反应选择监测(MRM)离子模式。图Ⅰ黄河及其流域水样采集位置略图表Ⅰ抗生素的相关质谱条件抗生素去簇电压/碰撞能分子离子/碎片离子抗生素去簇电压/碰撞能分子离子/碎片离子氧氟沙星130/24362/318磺胺嘧啶70/40250.9/92.2诺氟沙星120/25320/302磺胺二甲嘧啶75/25279.1/186.1罗红霉素120/54837.1/158.2磺胺甲噁唑68/26253.9/156.1红霉素(脱水)120/25716.1/558.313C3咖啡因80/25198.1/140.12．结果与讨论2.1抗生素在黄河流域的存在与分布黄河水样分析结果（ng/L），具体采样位见图Ⅰ所示。各采样点抗生素含量如表Ⅱ。结果显示不同位置的河流的抗生素的含量和种类有所不同。表Ⅱ各抗生素沿着黄河东流而下在黄河流域的含量分布(ng/L)样品编号及采样点磺胺类氟喹诺酮类大环内酯类磺胺甲恶唑氧氟沙星诺氟沙星红霉素（脱水）罗红霉素1风陵渡大桥------4--2三门峡水库------13--3小浪底水库--8274102954孟津大桥--3746--165洛阳石化总厂--5612856536杨沟村3264164----7首阳山电厂(孟津东良村)--56--------8高崖寨--111152--189龙门公路大桥--79------10伊洛河汇合口53----66--11首阳山电厂--114327776612河南化工厂--120236----13伊洛河神北村------366414黄河1--48106236615黄河223122127248916黄河3--120150392417汜水68129----624018汜水黄河56123172----19东平滩------769120沁河------563821沁河黄河17----103122花园口--128147----23开封大桥--115168----24濮阳东明公路大桥--209242----25金堤河(贾海桥)11----284226金堤河黄河--116300----平均值3811.7169.343.653.9中值115.515257.536从比较黄河与珠江广州河段(洪季)中抗生素的平均含量可知(如图Ⅱ)，不同地区含有抗生素的总类与数量差别较大，这与地区的经济种类和人口密度有关。图Ⅱ黄河与珠江广州河段(洪季)河水中几典型抗生素的浓度水平比较黄河水中含有氟喹诺酮类药物的量远高于珠江广州河段该类抗生素的量，而在大环内酯类药物，磺胺甲恶唑方面，两者的平均含量相差不多。表明黄河水中氟喹诺酮类药物与大环内酯类药物的污染较严重，应该给予重视。但从图Ⅲ可看出，黄河中的抗生素的含量与珠江河段枯季的含量相当，一方面由于气候和水系的不同，特别珠江处于亚热带水系较黄河发达，而且在洪季(5月分后)，珠江流域降水较多，从而使河流中抗生素的含量有所降低。此外，冬、春季节是感冒等疾病的多发季节，抗生素的使用量相对较大，从而造成春季珠江河水中抗生素类药物含量偏高。但从两方面的比较可知在全国不同河流的含量其实都很高，从下表黄河水与欧洲易北河的含量比较可知，我国河流抗生素污染已相当严重，应当重视。表Ⅲ黄河与易北河抗生素含量河流氧氟沙星诺氟沙星红霉素罗红霉素磺胺甲噁唑黄河37-26446-3244-10216-953-68易北河----30-7030-40--图5黄河中与珠江广州河段抗生素平均含量对比112.7169.343.653.9381413632152020406080100120140160180氧氟沙星诺氟沙星红霉素罗红霉素磺胺甲噁唑抗生素类型平均含量(ng/L)黄河的平均值珠江的平均值41图Ⅲ黄河与珠江广州河段(枯季)河水中几典型抗生素的浓度水平比较2.2氟喹诺酮类抗生素的分布特征该类抗生素是近十多年来研究最多、用量较大的一类合成抗菌药，如氧氟沙星和诺氟沙星等。图Ⅳ黄河水中氟诺酮类抗生素的含量分布氧氟沙星在其中18个采样地点都有检出，含量在37～264ng/L之间，诺氟沙星在其中15个采样点都有检出，含量在46～324ng/L之间，在所检出的抗生素中，该类抗生素的含量最高，其总体含量水平明显高于瑞士河流中同类抗生素，甚至与该国污水处理厂的含量水平相当[2]。图Ⅳ为各采样点诺氟沙星和氧氟沙星的含量分布。可以看出，这两种氟喹诺酮类的最低含量出现在位于小浪底水库下游的孟津大桥附近（4#），分别为46ng/L和37ng/L。这可能是因为小浪底水库水体对抗生素浓度的稀释作用引起的。同样，在首阳山电厂(7#)、伊洛河汇合口(10#)、伊洛河神北村(13#)、黄河1(14#)、金堤河-黄河交汇报处(26#)等几个采样位置，也由于河水的稀释作用和0100200300400500600氧氟沙星诺氟沙星红霉素罗红霉素磺胺甲噁唑含量(ng/L)黄河珠江图6氟喹诺酮类抗生素含量分布0501001502002503003501234567891011121314151617181920212223242526采样位置含量(ng/L)氧氟沙星诺氟沙星42黄河水中泥沙的吸附作用使氟喹诺酮类药物的含量有所降低。在东平滩(19#)、沁河(20#)两个采样点，未检测出氟喹诺酮类药物的存在，表明沁河和新蟒河对黄河水中氟喹诺酮类药物的含量影响很小。然而，在濮阳东明公路大桥(24#)、杨沟村(6#)采样位置，因该地区人口密度相对较大，氧氟沙星的含量很高(209ng/L,264ng/L)，表明在该流域有大量抗生素注入黄河。反观诺氟沙星，其最高含量出现在首阳山电厂点(11#)，表明氧氟沙星药物在该流域有大量的使用。另外在河南化工厂(12#)、濮阳东明公路大桥(24#)、金堤河黄河(26#)处诺氟沙星的含量都较高，表明在对应流域氟喹诺酮类药物的使用较多。通过上述分析发现，在黄河中下游，该类抗生素的含量都较高(有大量的生活废水和工业废水)，如杨沟村、首阳山电厂、河南化工厂、金堤河黄河、濮阳东明公路大桥，这反映了氟喹诺酮类药物在我国具有较高的用量。相对而言，在人为活动相对较少的黄河上游，该类抗生素的含量都较低。同时，河水的稀释作用是影响河水中抗生素含量重要因素。此外，由于沉积物、悬浮物等颗粒物质对氟喹诺酮类药物具有较强的吸附或促进其降解等特性。因此，在水体中检测到的溶解态的氟喹诺酮类药物并不能完全反映抗生素整体污染水平。2.3大环内酯类抗生素的分布该类抗生素在中国的用量仅次于内酰胺类药物，主要包括红霉素和罗红霉素等。红霉素在酸性条件下不稳定，口服后易被胃酸破坏，发生分子内脱水环合反应，生成脱水红霉素。在环境中检测到的红霉素多为脱水的形式[3,4]，在美国和德国等国家的河流及污水处理厂，均检出较高含量的脱水红霉素等大环内酯类抗生素[5,6]。图Ⅴ黄河水中大环内酯类抗生素的含量分布从含量表(表Ⅱ)、采样图(图Ⅰ)、含量分布图(图Ⅴ)可知红霉素（脱水）在其中14个采样点有检出，含量在4～102ng/L之间；罗红霉素在其中14个采样点有检出，含量在16～95ng/L之间，两者的最高含量都是出现在小浪底水库(3#)，可知在该流域对黄河水内大环内酯类药物含量有大量的注入作用，因为该流域存在大量的养殖业，大环内酯类药物被大量地使用。在孟津大桥(4#)、杨沟村(6#)、首阳山电厂(孟津东良村)(7#)、河南化工厂(12#)、伊洛河神北村(13#)、沁河(20#)、沁河黄河(21#)、金堤河黄河(26#)采样位置处由于河水的稀释作用和黄河水中泥沙的吸附作用使相应采样位置流域大环内酯类药物的含量有所降低。在高崖寨(8#)、龙门公路大桥(9#)、花园口(22#)、开封大桥(23#)、濮阳东明公路大桥(24#)采样位置处都出现低含量，当然不可忽略河水的稀释和泥沙的吸附作用，但更重要的是表明在对应的流域内大环内酯类药物的使用量较少。而其余的采样位置处，含量都在42～91ng/L，而在对应流域内大部分是人口稠密的城镇与工业区、养殖区(如黄河2、东平滩、黄河1、首阳山电厂、伊洛河神北村等)，可知大环内酯类药物在该流域有较高的使用。2.4磺胺甲噁唑：图7大环内酯类药物含量分布020406080100120135791113151719212325采样位置含量(ng/L)红霉素罗红霉素43属磺胺类抗生素，该类抗生素是应用较早的一类人工合成抗菌药物。图Ⅵ黄河水中磺胺类抗生素的含量分布从