城市污水受纳河流中典型抗生素转化产物识别、转化机制和毒性效应研究

As a group of emerging pollutants, antibiotics have drawn growing attention due to their high consumption and the spread of antibiotic resistant bacterial strains. But the study of antibiotics pollution mainly focused on the parent compounds, antibiotic transformation products ecological risks were ignored, the level of antibiotic contamination was underestimated. In this project, sulfonamides and quinolones were adopted as target compounds to investigate the transformation mechanism of antibiotics in a river receiving treated wastewater. A non-target analytical method based on high-resolution mass spectrometry coupled to liquid chromatography was used to identify the transformation products of antibiotic. Degradation pathways of antibiotics were studied, and the difference transformation mechanisms in different antibiotic structure were also discussed. On this basis, the biotoxicity and specific toxicity effects of antibiotics and transformation products were studied. The results will provide a theoretical basis for prevent and control pollution of antibiotics and environmental risk assessment.

抗生素是环境中一类新兴污染物，由于其使用量大和诱导产生抗生素耐药菌株，对人类健康和生态环境构成威胁，受到世界的广泛关注。但目前有关抗生素研究主要集中在抗生素母体对生态环境影响，忽视抗生素转化产物所带来的风险，低估了抗生素污染程度。本项目拟以南京城区污水处理厂尾水受纳河流为研究区域，以水体中常检出的磺胺类和喹诺酮类抗生素为研究对象，重点研究抗生素在河流迁移过程中生物、非生物以及二者耦合作用下的转化机制。借助于液相色谱-高分辨率质谱为主要检测手段的非目标化合物分析方法，对抗生素转化过程产生的产物进行高通量筛选识别，微观解析抗生素转化途径，并探讨不同结构类别抗生素转化规律的异同。在此基础上研究抗生素及转化产物的生物毒性和特异性毒性效应，评估其潜在的生态风险。研究结果将为抗生素污染防治和环境风险评估提供理论基础。

抗生素作为一类新型污染物在水环境中被广泛检出，其可以导致环境菌群结构失调，诱发耐药菌群或抗性基因的产生，从而导致其特殊的生态毒理效应。由于抗生素在环境介质中的浓度是痕量水平，为了能够获取其准确浓度，需要提高监测的准确性。本研究构建了一种针对抗生素采样监测的被动采样方法（Polar organic chemical integrative samplers，POCIS）用于河流中抗生素监测，并利用被动采样方法研究了药物及其转化产物对生物体产生的毒性效应。同时，探究了抗生素在纳污河流生物膜中的转化机理。项目取得了以下重要结果：(1) 构建优化了以多壁碳纳米管（Muti-wall carbon nanotubes, MWCNTs）为吸附剂的MWCNT-POCIS被动采样器，探讨了环境条件对POCIS采样速率(Rs)影响规律。研究发现环境因素对Rs值的影响不同，随着pH值增加，磺胺类抗生素Rs值降低，盐度一定程度上降低了目标物的Rs值，溶解性有机质的变化对目标物Rs值影响不显著。水流流速增加抗生素的Rs值增大，水流流速是影响Rs值改变的关键因素。(2) 利用POCIS采样器监测纳污河流中几种典型药物及其转化产物的残留情况，依据检出浓度评估水体中药物及其转化产物对斑马鱼胚胎产生的生态毒性效应。结果表明在实际环境浓度水平下，药物暴露会引起斑马鱼胚胎心率提高，影响目的基因Socs3、TNF-α和IL-1β相对表达量的变化。尽管纳污河流中药物残留浓度较低，但其对水环境带来的潜在生态危害不容忽视。（3）调查污水处理厂纳污河流水体和沉积物中抗生素污染水平，对流域抗生素污染现状做出评估，分析重点污染地区成因及与常规水质指标的相关性，结果表明水体中pH和COD含量在一定程度上可以反映磺胺类抗生素的含量水平，而TP、TN和COD含量对喹诺酮类、大环内酯类和四环素类抗生素具有一定的指示作用。同时，利用QuEChERS方法区分城市纳污河流中生物膜对抗生素的生物转化和生物积累过程，推测其转化机理。