氟喹诺酮类抗生素(fluoroquinolones,FQs)是在喹诺酮类抗生素主环的6或8位加入氟原子衍生而来，具有抗菌谱广、 抗菌活性强、 给药方便、 不良反应小、 无交叉耐药性等优点. 是近年来广泛用于人和其他动物细菌性感染的临床治疗药物^[1]. 作为氟喹诺酮类药物的消耗大国，中国每年生产约21万t抗生素，其中42％被应用于人类和动物细菌传染疾病的预防与治疗，58％作为促生长药物被用于畜牧业和水产养殖业^{[2, 3, 4, 5]}. 由于氟喹诺酮类药物具有良好的药物动力学性质，它们在体内的代谢率＜25%^[6]. 因此，大多数氟哇诺酮类药物以原型药物经人和动物排泄物、 医药废水以及水产饲料等途径进入到环境中^{[7, 8, 9]}. 氟喹诺酮类抗生素进入环境后，通过吸附、 降解、 迁移以及生物富集等一系列运移过程在土壤、 水、 沉积物以及植物中重新进行分配^[10]. 近年来，不同地区地表与地下水体环境中已频繁检出抗生素，且由于农田灌溉与富含抗生素的畜禽粪便大量作为有机肥用于农业生产，对土壤也造成一定污染^[11,12]. 环境中的抗生素浓度很低，但长时间的存在会影响环境生态系统中细菌、 水生生物、 土壤生物和植物的种群结构和营养转移方式，破环其平衡，并产生大量耐药菌，对人类健康构成威胁^{[13, 14, 15]}.

为初步探查某市地表、 地下水中5种FQs的污染状况，本研究对该市主要排污河C河水系及其傍河剖面进行了地表水与地下水的采样工作，同时对A河与B河及部分典型地段进行了地表水与地下水的采样以作对比. 分析总结了地表水和地下水中5种FQs的含量水平、 分布特征，以及在傍河剖面周边不同位置地下水中FQs含量与组成变化规律，初步探索了傍河剖面地面源和地下水中FQs的组成与含量对应关系，以期为进一步探讨水环境中抗生素污染特征与污染来源提供参考依据.

某市位于中国北部，西北部为山区，东南部为大面积冲洪积扇平原. 该市河网较为发育，A河和B河是该市两大主要河流，由于城市人口数量急剧增加导致供水量增加，加上连续干旱，降雨量减少，A河与B河出现水量严重不足，大部分干流一度出现无水状态，部分有水河段均为外来水源. C河流经该市东北部地区，是该市五大水系之中唯一发源于境内且常年有水的河流. C河水系现为该市最主要的排污水系，全长约186 km，流域面积达4 235 km²，包含了该市主要城区. 其间主要有H河、 D河、 E河和F河等城市排污河支流汇入.

于2013年8月针对某市主要排污河道与典型地段进行地表水与地下水采集. 本次地下水采集采用QED(Sample Pro^TM采样泵)低流量采样设备，地表水采集采用手持取样泵. 共布设12个采样点，采样点分布如图 1所示. 其中，地表水采样点以污染较为严重的C河水系为主，D河、 E河与F河分别为C河的支流； NF段、 DH段与SQ段分别为C河水系的次级排污沟. 同时为作对比，对主要以外来水源为主污染较轻的A河与B河段进行地表水的采集. 地下水采样点以C河水系傍河剖面为主，外加典型地段剖面以作对比. 采样点类型如表 1所示，主要包括: 河道2处、 傍河剖面5处、 排污河6处、 排污沟3处、 养殖场1处. 此次共采集地下水样24组，地表水样11组. 每个傍河剖面垂直河道布设2~5个地下水采样点. 样品存放在1 L棕色瓶中，放置在保温箱中加入冰块保存，带回实验室后将样品置于0~4℃冰箱保存.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区采样点分布示意 Fig. 1 Distribution of sampling sites in the research area

表 1(Table 1)

表 1 样品采集情况 Table 1 Condition of sample collection 典型研究区 研究区类型 地下水样品(组) 地表水样品(组) A1段 河道 0 1 B1段 (河道)傍河断面 2 1 C1段 (排污河)傍河断面 5 1 C2段 (排污河)傍河断面 5 1 C3段 (排污河)傍河断面 2 1 D1段 (排污河)傍河断面 5 1 E1段 排污河 0 1 F1段 排污河 0 1 ZH 养殖场 5 0 DH 排污沟 0 1 NF 养殖场排污沟 0 1 SQ 工业区排污沟 0 1

表 1 样品采集情况 Table 1 Condition of sample collection

采用高效液相色谱法对5种氟喹诺酮类抗生素进行测试，5种抗生素的理化性质参数如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 氟喹诺酮类抗生素(FQs)的理化参数 Table 2 Physical and chemical parameters of fluoroquinolones 名称 英文名 化学结构式 CAS登录号 分子式 相对分子质量 lgKow pKa 氧氟沙星 Ofloxacin ① 82419-36-1 C18H20FN3O4 361.37 -0.39 6.0,8.3 诺氟沙星 Norfloxacin ② 70458-96-7 C16H18FN3O3 319.33 -1.03 6.3,8.4 环丙沙星 Ciprofloxacin ③ 85721-33-1 C17H18FN3O3 331.34 0.28 6.0,8.8 洛美沙星 Lomefloxacin ④ 98079-51-7 C17H19F2N3O3 351.35 -0.30 5.8,9.3 恩诺沙星 Enrofloxacin ⑤ 93106-60-6 C19H22FN3O3 359.40 0.70 6.3,8.3 ① ② ③ ④ ⑤

表 2 氟喹诺酮类抗生素(FQs)的理化参数 Table 2 Physical and chemical parameters of fluoroquinolones

水样置于1.0 L的带聚四氟乙烯衬垫螺旋盖的棕色玻璃瓶中，加入500 mg Na₂EDTA，于4℃保存. 水样经玻璃纤维滤膜(GF/F，Whatman)过滤去除悬浮颗粒物，取水样两份，其中一份加入标准混合溶液浓度均为100ng ·L^-1，作回收率实验. 水样通过HLB固相萃取柱(6 mL，500 mg)萃取. 采用VisiprepTM-DL型固相萃取装置(Supelco，ΜSA)，Oasis HLB SPE柱(6 mL，500 mg)(美国Waters公司). 样品过柱前，HLB柱依次用6 mL CH₃OH和6 mL H₂O进行活化. 过柱时，流速控制在1~3 mL ·min^-1左右. 样品过完后，用10 mL 超纯水(洗去Na₂EDTA)冲洗小柱，抽真空干燥2 h，用10 mL酸化乙腈(CH₃CN ∶0.05 mol ·L^-1 H₃PO₄溶液=5 ∶1，体积比)洗脱，收集洗脱液，于平行蒸发仪中浓缩至1 mL以下，超纯水定容至1 mL待测.

5种FQs标准样品均来自德国Dr. Ehrenstorfer公司，样品测试采用LC-20A高效液相色谱(SPD-20A紫外检测器，日本岛津公司)，Inertsil ODS-SPC18型分析柱(4.6 mm×250 mm，5 μm，日本岛津公司)，LC Solution色谱工作站； 条件: 柱温为40℃； 柱平衡时间为30 min. 流动相A为5‰ H₃PO₄溶液(pH=2.5)； 流动相B为甲醇和乙腈的混合液(甲醇 ∶乙腈=60 ∶40，体积比)，流动相的有机相比例为20%； 检测波长为280 nm； 流速为1.0 mL ·min^-1； 进样量为10 μL.

向2组(每组7个样品)1 L超纯水中分别加入10 μL 100 ng ·L^-1标准混合溶液，进行7次平行测定，氧氟沙星、 诺氟沙星、 环丙沙星、 洛美沙星和恩诺沙星的方法检出限分别为3.0、 6.1、 4.9、 8.5和6.4 ng ·L^-1； 定量限范围为3.0~6.4 ng ·L^-1，相对标准偏差(RSD)均小于10%(n=7). 氧氟沙星、 诺氟沙星、 环丙沙星、 洛美沙星和恩诺沙星的平均回收率分别为83.4%、 88.6%、 85.3%、 82.4%和92.3%，出峰时间分别为13.265、 14.137、 15.864、 18.956和19.986 min. 为控制实验过程中人为污染，保证操作过程准确可靠，实际样品测试中还设置空白样、 样品平行样，空白样中未检出抗生素，平行样相对标准偏差均＜5%.

目前，在世界范围内的河流、 养殖废水、 制药及医院废水中、 氟喹诺酮类抗生素已被广泛检出^[16]. 将该市河流与国内外其他地区水体中氟喹诺酮类抗生素含量对比如表 3，结果显示，该市水体中FQs平均含量处于较高水平，达789.1 ng ·L^-1. 渤海湾水体中FQs浓度最高，达到1 500.0 ng ·L^-1，水体中FQs浓度最低的是法国塞纳河，浓度只有19.9 ng ·L^-1.

表 3(Table 3)

表 3 世界不同国家和地区范围内不同水体中FQs检出情况 Table 3 Concentrations of FQs detected in water from different countries and regions of the world 采样地点 采样年份 5种FQs总浓度 /ng·L-1 文献 法国塞纳河 2002 19.9 [17] 美国Charmoise河 2000 124.0 [18] 德国 2002 ND~120.0 [19] 黄河 2009 940.0 [20] 渤海湾 2011 1 500.0 [21] 莱州湾 2012 583.0 [22] 香港维多利亚港 2006 270.0 [23] 某市典型河流及沟渠 2013 789.1 本研究

表 3 世界不同国家和地区范围内不同水体中FQs检出情况 Table 3 Concentrations of FQs detected in water from different countries and regions of the world

在该市采集的11个地表水样中，OFL和LOM均检出11个，检出率高达100%； NOR检出10个，检出率达90.9%； ENR与CIP检出率为81.8%.

对11个地表水样品中的氟喹诺酮类抗生素的含量进行统计分析，如图 2所示. 结果表明，地表水中FQs总浓度中位数为752.3 ng ·L^-1，OFL和LOM在地表水中浓度较高，最高值分别达3 453.5 ng ·L^-1和3 815.6 ng ·L^-1，平均检出浓度分别为525.3 ng ·L^-1和360.7 ng ·L^-1. 地表水中不同类抗生素的含量组成差异，一定程度上与其环境行为与使用量有关. OFL、 LOM与NOR的医疗行业用量排名居前，NOR与CIP在畜牧水产养殖业广泛使用^[24]，所以这几类抗生素在地表水环境中分布较广，而ENR是兽用专用药，用量比较局限，在自然界可以发生光解反应，动物体内可以代谢生成CIP^[25]，这些因素共同导致地表水体中ENR含量水平与检出率偏低.

图 2

Fig. 2

图 2 典型地段地表水中5种FQs类抗生素含量水平及组成特征 Fig. 2 Concentrations and constitution characteristics of five kinds of FQs in surface water of typical areas

对比该地区不同河流中5种FQs含量水平，如图 2所示. 可以看出，C河排污水系中FQs含量水平明显高于对照组A河与B河，组成特征也存在一定差异. C河水系作为城市主要排污水系，具有典型的城市河流污染特征. 虽然该市河流污染治理力度逐年加大，污水处理能力日益增高，水质有了较大改善，但由于污染物排放超过环境容量，C河水系中水质依旧较差. 水系干流和主要支流的水源为市内各污水处理厂处理之后的排水，而水系中较小的沟渠水则为污染源直接排放的基本未经处理的污水. C河水系中FQs含量水平高低为沟渠＞支流＞干流. 沟渠SQ段、 DH段和NF段分别位于工业园区、 居民区工业区混合区域和奶牛养殖场附近，推测沟渠内水为不同来源未经处理的污水，故污染物浓度较高，且组成特征彼此存在差异. 作为C河的一条支流，D1段河水中FQs组成特征与C河类似，但含量水平远远高于C河，平均浓度高达1 879.5 ng ·L^-1，由于D河为该市区排污河道，大部分河水为污水处理厂处理之后的排水与部分未经处理的污水，水质较差. C1、 C2和C3段分别位于C河上下游不同地段，在河水运移过程中，FQs含量水平与组成特征没有较大差异，浓度范围为646.8~752.3 ng ·L^-1，主要以OFL与NOR为主. 相比之下，对照组A河与B河FQs含量水平较低，主要是因为这两条河流的水源均为外来水，水质较好.

该市采集的24个地下水样中，NOR检出24个，检出率高达100%； OFL检出23个，检出率达95.8%.

抗生素通过各种途径进入包气带后会发生复杂的迁移转化行为，主要包括吸附、 降解和通过植物吸收参与生态系统循环3种途径^[26]. 有学者研究发现，—COOH官能团在氟喹诺酮类抗生素的吸附过程中起到了很大的贡献作用^[27]； FQs抗生素中含有较多酸碱解离基团，不管在酸性或碱性环境中降解作用都比较明显^[28]，故FQs从地表水途径包气带进入地下水的过程中浓度迅速降低. 对24个地下水样品中的5种FQs的含量水平进行统计分析，如图 3所示. 结果表明，地下水中FQs总体含量水平明显低于地表水，FQs总浓度中位数为309.5 ng ·L^-1. NOR和LOM在地下水中浓度较高，最高值分别达657.7 ng ·L^-1和307.3 ng ·L^-1，平均检出浓度分别为169.4 ng ·L^-1和68.7 ng ·L^-1.

图 3

Fig. 3

图 3 某市典型地段地下水中5种FQs类抗生素含量水平及组成特征 Fig. 3 Concentrations and constitution characteristics of five kinds of FQs in groundwater of typical areas

对比该市不同地段地下水中FQs的平均含量水平与组成特征，如图 3所示. 结果表明，地下水中FQs的含量水平与组成特征均与地表水存在较大差异. C河水系傍河剖面周边地下水中FQs含量水平明显高于B河段与ZH段. 可能与C河排污水系地表水补给地下水有关. D1段傍河剖面地下水中FQs的检出浓度最高，其次是C河段地下水，ZH段与B1河段周边地下水中FQs检出浓度较低，与地表水中FQs含量水平的分布特征类似. 地下水中FQs以NOR和LOM为主. ZH段地下水采样点位于一大型养殖场附近，由于其地下水中FQs含量水平较NF段同类型养殖场废水中FQs含量水平相差甚远，且比其他未受污染地段地下水中FQs含量水平还低，推测该段地下水受养殖场内排放废水影响较小. 傍河剖面C1、 C2和C3段周边地下水中含量水平与组成特征类似，含量水平在395.0~415.0ng ·L^-1之间，均以NOR为主，NOR含量水平占FQs总含量水平的质量分数分别为66%、 45%和78%. D河为C河一条支流，D1段地下水中FQs组成特征与C河段地下水相近，地下水中FQs含量上的差异与前文讨论地表水中FQs含量水平支流＞干流的结论相契合.

即使药物经自然衰减作用被大量消减，仍有少量药物进入地下水体^[29]. 为确定傍河剖面处周边地下水中FQs是否来源于河水，对研究区C河水系傍河剖面处河水与地下水进行单独分析. 对比不同傍河剖面处河水与周边地下水中FQs含量水平，如图 4所示. 结果表明，傍河剖面处河水中FQs含量水平明显高于周边地下水. 地表水中FQs含量水平在不同傍河剖面处的变化趋势与地下水一致，故推测傍河剖面处河水与周边地下水存在一定的水力联系.

图 4

Fig. 4

图 4 傍河段面处河水与地下水中FQs总浓度对比 Fig. 4 Comparison of total FQs concentrations in surface water and riverside groundwater

为确定傍河剖面处地表水与地下水之间的补排关系，选取傍河C1段、 C2段与D1段河水与其周边不同距离处地下水样品进行分析，如图 5所示. 结 果表明，傍河剖面河水与周边地下水中FQs含量水平与组成特征存在差异. 河水组分主要以NOR与OFL为主，地下水中主要以NOR为主. 距离C1段最近的钻孔地下水中NOR的浓度高达657.7 ng ·L^-1，占到5种目标抗生素总浓度的78.7%. 傍河剖面处周边地下水中FQs总浓度随着地下水采样点与河道距离的增加呈现整体递减趋势，傍河地段包气带岩性较简单，且在观测期内地表水位高于潜水位，剖面岩性与水位如图 6所示，故推断傍河剖面处地下水中FQs来源于地表河水补给.

图 5

Fig. 5

横坐标为地下水编号，序号越大表示地下水采样点与河道距离越大 图 5 不同傍河剖面河水及周边地下水中5种FQs浓度柱状图 Fig. 5 Concentrations of FQs detected from surface water and groundwater in different river riverside profiles

图 6

Fig. 6

图 6 C2河段剖面岩性 Fig. 6 Stratigraphic lithology of C2 riverside profile

由于地下水环境处于黑暗条件下，抗生素的光解作用减弱，在包气带与地下含水层中抗生素的吸附作用比较明显. 李顺义等研究发现，NOR在土壤 中的吸附作用跟pH有较大关系，pH为5~11时，土壤对NOR的吸附量是先降低后升高，在pH为8~9时，吸附作用最弱^[28]. 假设傍河剖面处地下水中FQs是由地表河水补给，实时监测数据显示地下水环境中pH值基本在6.5~8之间，将不同傍河剖面河水与其周边地下水中NOR浓度占FQs总浓度比重变化与所处地下水环境pH进行分析，如图 7所示. 结果表明，地下水环境中pH在6.5~8范围内，NOR在河水与地下水中所占FQs的比重差异与pH存在高度相关性. 随着pH的升高地下水中NOR浓度占FQs总浓度的比重逐渐增高. 推测pH在6.5~8范围内，随着pH的升高，包气带中土壤NOR的吸附作用逐渐减弱，导致地下水中NOR比重逐渐增大. 与李顺义等^[28]研究的结论基本一致，也验证上述河水补给地下水的假设.

图 7

Fig. 7

图 7 不同傍河剖面处河水和地下水中NOR占FQs总浓度比重变化与地下水环境pH关系 Fig. 7 Relationship between the proportion variation of NOR concentrations in total FQs concentration between surface water and groundwater in different riverside profiles and the environmental pH of groundwater

药物在地下环境中的运移主要取决于自身的理化特性和环境特征两方面^[30]. 由图 8可知，傍河剖面河水与其周边地下水中5种抗生素所占FQs总浓度的比重变化趋势基本一致，表现为NOR、 LOM、 ENR比重升高，OFL与CIP比重降低. 如果河水补给地下水假设成立，由于C河水系傍河剖面岩性大致相同，那么药物在包气带中所经历的迁 移转化过程比较类似，5种污染物从地表水迁移至地下水后所占FQs总浓度的比例变化应该大体一致. 在自然界水体环境中，抗生素的光解占了抗生素降解的一大部分^[31]，有学者研究发现，CIP在发生光解作用时是喹诺酮环(环丙环的破裂和氟的溶剂分解)和侧链发生反应； 而NOR只有一种光解反应途径，光解反应条件比较局限^[32]，加之CIP容易在土壤的表层积累，向下层土的迁移很弱^[25]，这些原因共同导致NOR向地下水运移过程中所占5种FQs总浓度的比重升高与CIP所占比重降低，与本研究测试结果基本一致.

图 8

Fig. 8

虚线为地表水，实线为地下水 图 8 典型傍河剖面处河水与周边地下水中5种FQs组成 Fig. 8 Constitution characteristics of the 5 types of FQs detected in surface water and groundwater of typical riverside profiles

基于研究区地段水文地质剖面资料，加之以上论证，基本可以判断研究区傍河剖面周边地下水是由河水补给，傍河剖面河水可能是周边地下水中FQs的污染来源之一. 但由于地下水中污染物含量的变化受污染源、 地下环境条件、 降解能力等多方面的影响^[33]，故对于地下水中抗生素的更多来源与运移过程还需进一步研究.

(1)某市典型地段地表水中FQs含量水平整体大于地下水中FQs含量水平； 地表水中FQs浓度平均值为789.1 ng ·L^-1，主要以氧氟沙星与洛美沙星为主； 地下水中FQs浓度平均值为342.7 ng ·L^-1，主要以诺氟沙星与洛美沙星为主. 地表水与地下水中恩诺沙星的浓度都很低.

(2)该市主要排污河C河水系中FQs的组成特征与其他水系存在较大差异，含量水平明显高于其他水系； C河水系中FQs含量水平表现为沟渠＞支流＞干流； C河水系傍河剖面地下水中FQs含量水平高于其他地段.

(3)傍河地段随着地下水采样点与河道距离的增加，地下水中FQs含量水平逐渐降低，5种抗生素从地表水到地下水中所占FQs总浓度的比重变化一致，初步证实傍河剖面周边地下水由河水补给，傍河剖面处河水可能是地下水中FQs的主要污染来源.

致谢: 清华大学环境学院在本研究的野外工作中提供了相应的协助与技术指导，在样品测试分析方法上给予了很大帮助.