喹诺酮类抗生素在沿海湿地中的时空分布及其生态风险

《Oceans》：Spatial–Temporal Distribution and Ecological Risks of Quinolone Antibiotics in Coastal Wetlands

　　

喹诺酮类抗生素（QA）在各种自然环境中的残留近年来受到科学界的广泛关注。然而，关于抗生素在沿海湿地中的分布特征和潜在危害的信息仍然有限。本研究通过在中国江苏沿海四个季节采集的水体、沉积物、底栖生物和植物样本，调查了八种喹诺酮类抗生素（QA），包括吡哌酸（PPA）、氧氟沙星（OFL）、恩诺沙星（ENR）、环丙沙星（CIP）、沙拉沙星（SAL）、洛美沙星（LOM）、氟甲喹（FLU）和恶喹酸（OA）在沿海湿地中的存在、空间和季节分布以及生态风险评估。结果表明，所有选定的QA均以不同的频率和程度被检出，其在水体、沉积物、植物和底栖生物中的平均浓度范围分别为未检出（n.d.）至6.11 ng L^?1、3.10 μg kg^?1、6.14 μg kg^?1和17.13 μg kg^?1。抗生素浓度的季节差异显示冬季较高，夏季显著较低，而春季和秋季之间未观察到显著变化。基于风险商（RQ）方法，生态风险评估显示OFL、ENR、CIP和LOM呈现中等风险，其他QA呈现低风险或无风险。研究人员建议，在未来的研究中应考虑季节间预测无效应浓度（PNEC）值的差异以及抗生素混合物的毒性，以更好地反映实际风险水平。本研究提供了基础数据和评估模式，可供全球各国政府及其他科学团体作为评估沿海湿地中QA残留的参考。

**沿海湿地中喹诺酮类抗生素的时空分布与生态风险：研究背景、方法与结论解读**

**研究背景与问题提出**
抗生素作为抗微生物药物，广泛应用于人类和动物的传染病预防与治疗，以及畜禽养殖和水产养殖中的生长促进剂，其中30%–90%会通过尿液和粪便释放到环境中。尽管许多抗生素在水体中半衰期较短，但由于频繁和高剂量使用，它们可能呈现“伪持久性”，对生态环境和人类健康构成潜在威胁。以往研究多集中于土壤、地表水、沉积物或动物等单一介质中抗生素的赋存与分布，缺乏对多介质（如水体、沉积物、生物体）综合分析的全面认识，导致评估可能片面或存在误差。沿海湿地作为海陆交界带的关键生态系统，受陆源污染输入影响显著，然而关于抗生素在沿海湿地中的传输和归趋研究极为匮乏。尽管已有研究在沿海湿地沉积物中检测到重金属、农药和多环芳烃，但抗生素特别是喹诺酮类抗生素（QA）的分布特征和生态风险信息有限。鉴于喹诺酮类抗生素在南黄海地区水产养殖中作为兽药的主导地位，以及盐城沿海湿地靠近农业和城市区域，这些抗生素的持久性不仅威胁生态稳定性，还可能通过食物链和抗生素耐药菌的发展对人类健康构成潜在风险。因此，研究人员开展了本研究，旨在系统调查八种喹诺酮类抗生素（QA）在沿海湿地中的时空分布格局，并量化其潜在生态风险，为全球湿地环境预测、维护和修复提供科学依据。该论文发表于《Oceans》。

**主要关键技术方法**
研究人员在江苏盐城沿海湿地选取44个采样站位（S1–S44），于2020年春季（4月）、夏季（8月）、秋季（10月）和冬季（12月）四个季节采集了水体、沉积物、湿地植物和底栖生物样品。样品前处理包括冷冻干燥、固相萃取（SPE）等步骤，采用高效液相色谱-荧光检测器（HPLC-FLD）对八种目标喹诺酮类抗生素（QA）进行定量分析。通过外标法进行定量，质量控制（QC）结果显示回收率在76%–115%之间，相对标准偏差（RSD）低于10%。生态风险评估采用风险商（RQ）方法，基于实测环境浓度（MEC）与预测无效应浓度（PNEC）的比值，将风险分为低（0.01–0.1）、中（0.1–1）、高（≥1）三个等级。统计方面，使用SPSS 26.0进行Pearson卡方检验评估季节差异的显著性（p < 0.05），并计算沉积物-水分配系数（Kd）以评估抗生素的迁移潜力。

**研究结果**

**3.1 人类活动诱导的QA季节分布机制**
通过对比四个季节（春、夏、秋、冬）中八种QA在水体、沉积物、底栖生物和植物样品中的浓度，研究人员发现所有样品中抗生素残留均呈现相同趋势：冬季浓度显著高于其他季节，春季和秋季浓度显著高于夏季，而春季和秋季之间无显著差异。总体而言，秋季总浓度略高于春季。在植物中，恩诺沙星（ENR）的年平均浓度最高（7.12 μg kg^?1），秋季达到峰值（17.13 μg kg^?1）；而在夏季水体、沉积物和底栖生物中，氧氟沙星（OFL）浓度最高。冬季样品中，除OFL和ENR外，其他QA（如吡哌酸PPA、环丙沙星CIP等）的浓度均达到季节最大值。Pearson卡方检验证实了大多数抗生素检测频率存在显著的季节异质性（p < 0.05）。这种季节差异主要归因于夏季强降雨的稀释效应以及冬季低温抑制微生物降解和光解速率，同时秋冬季水产和畜禽养殖用药高峰也导致抗生素输入增加。

**3.2 QA空间格局对沿海湿地土地利用类型的响应**
各站位检测结果显示，水体、沉积物、底栖生物和植物中QA浓度较高的站位主要集中在东台（站3）、射阳（站23、24）、滨海（站40）和响水（站40）等区域。相对而言，位于自然保护区核心区（如射阳河口）的站位浓度较低。站3（东台）和站40（响水）毗邻高密度养殖区（鲫鱼和中华绒螯蟹），解释了ENR和OFL的高水平；站23和24位于射阳河入海口，输入来自上游家禽养殖的陆源污染。研究人员认为，这些高浓度区域与周边城市（如盐城、东台、射阳等）的医院、生活、农业和工业废水输入密切相关，且夏季强降雨导致大量生活污水进入沿海湿地。

**3.3 QA在沿海湿地中的分配、积累与归趋**
八种QA中，OFL、ENR和恶喹酸（OA）因其较高的检出频率和平均浓度被确定为代表性污染物。OFL在水体、沉积物和底栖生物中全年平均浓度最高（分别为3.68 ng L^?1、1.19 μg kg^?1和3.04 μg kg^?1），冬季分别达到峰值6.11 ng L^?1、3.10 μg kg^?1和6.14 μg kg^?1；ENR在植物中平均浓度最高（7.12 μg kg^?1），秋季峰值达17.13 μg kg^?1。各介质中最大浓度分别为：水体中PPA冬季18.4 ng L^?1，沉积物中OA冬季23.87 μg kg^?1，底栖生物中OA冬季13.39 μg kg^?1，植物中ENR秋季221.91 μg kg^?1。沉积物-水分配系数（Kd）计算表明，Kd值范围约100至超过10,000 L kg^?1，说明QA强烈倾向于在沉积相中积累，其分配行为与抗生素的疏水性（Log Kow）相关，沙拉沙星（SAL）、氟甲喹（FLU）和OA吸附亲和力最高。季节上，SAL在夏季分配系数出现峰值，可能与夏季有机质输入增加有关；OA和FLU在冬季和春季保留更强，可能与低温抑制降解及特定养殖周期有关。

**3.4 沿海湿地中QA的生态与健康风险评估**
基于风险商（RQ）方法，研究人员利用来自文献的半最大效应浓度（EC₅₀）或半致死浓度（LC₅₀）评估了八种QA对水生生物的生态风险。结果表明藻类是最敏感的营养级，OFL、ENR和CIP对藻类的RQ值在0.1–1.0之间，全年呈现中等风险；其中CIP在冬季的RQ值达到1.058，超过高风险阈值，表明其对初级生产者构成严重威胁。OFL、ENR和洛美沙星（LOM）对植物的RQ值略高于0.1，呈现中等风险；CIP对植物为低风险（RQ介于0.01–0.1）。无脊椎动物和鱼类的RQ值均低于0.01，风险可忽略。季节特征上，总体RQ值在冬季最高，夏季最低，与抗生素浓度变化一致。研究人员指出，由于固定PNEC值未考虑季节变化和混合物毒性，实际风险可能被低估；例如冬季藻类RQ总和超过2.0，表明复合威胁严重。建议未来研究引入季节特异性PNEC和混合物风险模型。

**3.5 对政策与环境管理的启示**
研究结果揭示了QA在冷干季的高风险，建议管理机构采用动态的季节性监管框架，在秋冬季对邻近水产养殖中的预防性氟喹诺酮类使用实施更严格的排放限制或临时禁令。建议建立地方“沿海湿地优先控制清单”，重点关注高风险化合物（OFL、ENR、OA），并扩展常规监测至藻类健康生物标志物。由于单一化合物毒性阈值无法反映混合物效应，未来的环境影响评估应纳入全废水毒性（WET）测试或累积风险模型。长期缓解措施应通过推广绿色水产养殖实践（如益生菌、疫苗接种、生态养殖）促进源头减排。

**结论与讨论**
本研究调查了沿海湿地水体、沉积物、植物和底栖生物中八种QA的赋存、空间分布、季节分布和生态风险特征。结果表明：（i）所选抗生素以不同频率和浓度被检出，冬季最高，夏季最低，春秋季相似；（ii）OFL、ENR和OA因高检出率被选为代表性抗生素污染物；（iii）部分站位监测含量较高，可归因于邻近城市大量医院、生活、农业和工业废水输入；（iv）初步生态风险评估表明，OFL、ENR、CIP和LOM对藻类和水生植物构成中高风险，尤其在于季，而对无脊椎动物和鱼类风险可忽略。该研究为当地环境管理提供了有价值的基线数据，并有助于理解沿海湿地生态系统中的抗生素污染。