太湖典型抗生素多介质环境行为及生态健康研究

Antibiotics consumption is escalating with the growing number of individual organism to maintain health. Antibiotics can be released into the water bodies via multiple and potentially complex pathways. It is of significance to reveal the fate of antibiotics in aquatic ecosystem and assess the impact on ecosystem health for improving pharmaceuticals management. In this study, we aim to implement field investigations around the Taihu Lake basin. The representative antibiotics - Sulfonamides and Macrolides concentrations are measured in inflow and outflow rivers of the lake, and water column, bottom sediment, phytoplankton and zooplankton in the lake. We establish a dynamic multimedia environmental model to estimate emission intensity to the lake and elucidate the fate of antibiotics in various mediums, including partitioning, transfer and transformation. Model performance is evaluated using monitoring data on the spot. Considering Wulihu Bay as representative area, plankton dynamics model is established which covers the inhibition effect of antibiotics on plankton growth to illustrate biomass variation of phytoplankton and zooplankton under the future scenario. Based on eco-exergy theory, we determine the effect of antibiotics on ecosystem health, and the resulting findings can provide the valuable reference to comprehensive assessment of the ecosystem health of Taihu Lake. The results of this study can be used to supply necessary scientific basis for prevention and control of antibiotics in Taihu Lake, and also provide theoretical guideline of environmental health risk management of pharmaceuticals in China.

近年来，抗生素在保障有机体健康方面的使用量显著增长，并通过多种途径排放到水体环境中。揭示抗生素在水生生态系统中的归趋变化及其对生态健康的影响对健全医药品管理体系具有重要意义。本研究拟对太湖流域展开野外观测，检测典型抗生素磺胺类和大环内酯类物质在出入湖河流、湖体的水层、沉积层、浮游植物及浮游动物体内的浓度；建立动态多介质模型，合理评估源强排放，模拟分析典型抗生素在各个环境介质之间的分配、迁移和转化过程，并结合实际监测数据呈现模型表现力；以五里湖为示范区，建立浮游生物动力学模型，耦合抗生素对有机体生长的抑制作用，基于未来情景模式模拟浮游植物和浮游动物的生物量变化，采用生态埃三级理论阐明抗生素对生态健康的影响，为太湖生态系统整体健康评估提供参考。本研究结果将为太湖抗生素污染防控提供科学依据，为我国医药品环境健康风险管理提供理论指导。

抗生素污染容易诱发环境健康风险，已经得到广泛关注。天然湖泊作为其收纳系统起到了至关重要的作用。在全世界范围内已经进行了大量的抗生素浓度检测和比较工作，但是在湖泊管理方面遇到的几个问题还没有得到明确的解答：在什么时间、什么地点的抗生素污染物水平最为严重；哪种抗生素最具有“统治性”的地位；湖泊中抗生素的归趋变化如何。为了解决这些问题，在本研究中，（1）我们与2017年1月、4月、7月和10月，在太湖流域进行了调研，并在水层和沉积层中检测到了22种抗生素，而野生鱼类只有少量样品有抗生素检测，浮游生物类样品没有检出。（2）采用非度量多维尺度NMDS分析抗生素浓度的时刻差异性。（3）与传统的浓度比较方法相比，我们先将所有抗生素浓度标准化求和代表抗生素的整体污染水平，再采用方差分析评估不同时间、不同地点的污染状况。（4）基于收集到的观测数据、环境数据、污染物的物理化学参数，构建了多介质模型，即QWASI，模拟太湖典型抗生素的多介质环境行为。研究结果发现，太湖水层中大环内酯类、磺胺类、四环素类、喹诺酮类抗生素的检测浓度90%置信区间分别为 0.020-5.646, 0.040-7.887, 0.100-13.308 and 0.130-9.631 ng/L，而在沉积层为0.005-1.532, 0.002-0.120, 0.010-0.902 and 0.006-3.972 μg/kg 。整体而言，在囊括主要入湖河流、出湖河流和湖体的太湖流域中，抗生素浓度呈现空间同质性。抗生素物质的组成呈现季节差异，秋季的污染水平较低。，QWASI模型模拟了典型抗生素阿奇霉素和磺胺二甲基嘧啶，并将所有采样时间和采样地点的检测数据取平均值，结果显示模型模拟效果较好，模拟浓度与观测浓度的差异在一个数量级之内。模型计算的2017年阿奇霉素和磺胺二甲基嘧啶在太湖的总输入和总输出基本相等，达到质量平衡。但是基于有限的野外调研工作，我们仍然需要在未来的工作中加强采样和分析研究，包括模型的参数灵敏度和不确定性分析。本研究对太湖流域点源和非点源污染的管控提供了科学价值，其研究方法也为其它水体中溶解性有机污染物的时空变化分析提供了参考。