1 引言(Introduction)

药物和个人护理品(Pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)因其种类繁多、使用量大近年来一直成为环境热点问题.PPCPs广泛存在于水环境中, 如在地表水、沉积物和地下水中都有较高浓度的检出(Lapworth et al., 2012; Petrie et al., 2015; Yang et al., 2017), 甚至在饮用水中PPCPs也有不同程度检出(Benotti et al., 2009; Yang et al., 2017).由于PPCPs可通过各种途径被持续不断地排放到水体中, 而且大部分PPCPs具有强极性和不易挥发等特性, 在水体中通常呈现出“假持久性”现象, 并且PPCPs在生物体中具有累积效应, 对水生态环境和人们健康都会产生一定的威胁(Chen et al., 2014; Archer et al., 2017; Zhao et al., 2017; Yan et al., 2018).

城市污水处理厂出水被认为是PPCPs进入水环境中的主要途径.城市污水处理厂的来水主要为生活污水、工业废水和医院废水, 其中含有多种PPCPs类污染物, 而传统的污水处理技术并不能完全去除这些PPCPs, 使得它们随污水处理厂出水排放到了水环境中, 如Li等对北京市某污水处理厂出水中抗生素残留情况进行了调查, 该污水处理厂采取厌氧-缺氧-好氧法(A²O)-超滤-臭氧化作用的三级处理工艺对污水进行再生利用, 结果表明在三级处理出水中检测到有喹诺酮类、磺胺类和大环内酯类抗生素的存在, 其浓度分别为123、25.9和24.7 ng·L^-1, 并且氧氟沙星和红霉素对水生生物的生态风险不容忽视(Li et al., 2013)；同样在北京市某采取A²O-膜生物反应器(MBR)-臭氧次氯酸消毒为主要工艺的污水处理厂出水中有多达90种PPCPs被检出, 其中磺胺甲恶唑和美托洛尔浓度分别高达106和165 ng·L^-1, 并且对人体健康和生态环境都具有潜在的风险(Zhang et al., 2020)；在厦门市某污水处理厂(A²O-紫外消毒)出水中也有19种PPCPs检出, 其中氧氟沙星和诺氟沙星的检出浓度较高, 平均浓度分别为129和78.1 ng·L^-1(Ashfaq et al., 2017).除此之外, 在济南、天津、西安、重庆、上海等国内主要城市污水处理厂出水中同样有PPCPs检出, 这些污水处理厂主要采取传统活性污泥法、A²O、MBR、曝气生物滤池、氧化沟等污水处理技术, 其出水中苯扎贝特、氯贝酸、卡马西平、咖啡因、甲芬那酸的检出率均在50%以上, 并且发现卡马西平具有难降解性, 是污水处理厂出水中普遍存在的污染物(Li et al., 2015)；磺胺甲恶唑、诺氟沙星、氧氟沙星、克拉霉素、红霉素和美托洛尔在上述城市污水处理厂出水中的检出浓度较高, 分别为465.6、260.4、831.4、214.6、473.6和335.9 ng·L^-1(Ben et al., 2018).

有研究表明由于季节变化, PPCPs在污水处理厂出水中的赋存情况会有不同, 如氧氟沙星、美托洛尔、咖啡因等22种PPCPs在厦门市污水处理厂出水中浓度存在明显的季节变化, PPCPs在2月出水中浓度要高于其在8月出水中浓度(Sun et al., 2016)；咖啡因、苯并异噻唑酮、三氯生等12种PPCPs在松花江流域污水处理厂出水中浓度同样存在明显的季节差异(Li et al., 2018), 这与Zhao等对个人保健品苯并三唑的研究结果类似(Zhao et al., 2017).在北京, 已有相关研究表明在北京市某污水处理厂出水中部分喹诺酮类、磺胺类和大环内酯类抗生素浓度在冬春季节高于夏秋季节(Li et al., 2013), 这与Sui等对北京市两座污水处理厂出水中氯霉素、苯扎贝特和美托洛尔的研究结果较相近(Sui et al., 2011).虽然目前关于PPCPs浓度在污水处理厂出水中季节变化的研究已有开展, 但是PPCPs种类繁多, 当前的研究仅报道了小部分典型的PPCPs在出水中的季节变化情况, 尤其对于北京市来讲, 对用量大、社会关注度较高的典型PPCPs在污水处理厂出水中浓度的季节变化研究还至今没有系统开展.因此, 本研究选取了北京市5座典型污水处理厂, 以用量大、社会关注度较高的10大类共计17种PPCPs为目标分析物, 于2019年春季、夏季和秋季分别采集5座污水处理厂出水样品, 调查这17种PPCPs在污水处理厂出水中的检出和浓度分布情况, 并对其进行了生态风险评价, 以期对不同季节污水处理厂出水中PPCPs的赋存情况做一个初步研究, 为相关部门制定相应的管控政策提供数据支撑.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 样品采集

于2019年5月、7月和9月按春季、夏季和秋季分3次采集了北京市5座污水处理厂出水样品, 水厂编号分别为A、B、C、D、E.每个月以平行双样的方式采集2个出水样品.每个点位采集1 L水样, 样品采集后装入棕色玻璃瓶, 在当日进行过滤和固相萃取等前处理过程.

2.2 实验材料

本研究选取了10大类共计17种PPCPs为目标分析物, 包括磺胺类抗生素2种, 为磺胺嘧啶和磺胺甲恶唑；非甾体抗炎药2种, 为双氯芬酸和甲芬那酸；喹诺酮类抗生素2种, 为氧氟沙星和诺氟沙星；大环内酯类抗生素2种, 为红霉素和克拉霉素；血脂调节剂3种, 为吉非罗齐、苯扎贝特、氯贝酸；β-受体阻断药2种, 为美托洛尔和普萘洛尔；抗精神病药1种, 为卡马西平；其他PPCPs 3种, 包括磺胺增效剂、驱虫剂和生物碱各1种, 分别为甲氧苄啶、避蚊胺和咖啡因；进样内标物为阿特拉津-¹³C₃, 上述标准品均购于德国Dr. Ehrenstorfer公司, 纯度≥98%.净化内标物红霉素-C¹³、环丙沙星-D₈和避蚊胺-D₆购于美国Cambridge Isotope Laboratories公司.其他溶剂如甲醇、乙腈、甲酸等为色谱纯, 实验用高纯水由Milli-Q装置(Millipore, 法国)制备.

2.3 样品前处理方法

样品前处理方法参照先前报道的方法(Zhang et al., 2018).将水样用玻璃纤维滤膜(使用前经450 ℃灼烧4 h)过滤.过滤后的1 L水样, 加入500 mg Na₂EDTA, 25 mg抗坏血酸, 并用盐酸调节pH值至4~5, 再加入50 ng的净化内标液, 混合均匀, 老化30 min.采用固相萃取(Solid Phase Extraction, SPE) 对加入内标液的水样进行净化和富集, 固相萃取采取HLB柱(Waters, 美国), SPE小柱分别用10 mL甲醇、10 mL高纯水、10 mL高纯水(pH=4~5)依次进行活化和平衡, 而后将含有内标的水样以5~10 mL·min^-1的流速通过SPE小柱, 待水样将近全部通过SPE小柱后, 用10 mL高纯水清洗盛水样的容器内壁, 以清洗容器内壁残留的目标分析物和内标物, 待水样全部通过SPE小柱后, 继续对SPE小柱抽真空以除去水分.最后用8 mL甲醇洗脱小柱, 洗脱液经氮吹后用含0.025%甲酸的甲醇水(1/1)溶液定容至500 μL, 加入50 ng进样内标液, 过0.22 μm针筒滤膜后, 上机待测.

2.4 仪器分析方法

采用高效液相色谱(LC-20ADXR岛津公司)-串联质谱(API3200 Qtrap Applied biosystems公司)联用仪对目标化合物进行定量分析, 色谱柱为Waters BEH-C18液相色谱柱(3.5 μm×3.0 mm×150 mm).

色谱条件：正离子模式下流动相A为高纯水(含0.01%的甲酸), B为甲醇, 流速为0.3 mL·min^-1, 进样体积为10 μL, 柱温为30 ℃, 梯度洗脱程序为0~2 min 20%B线性增加至60%B, 2~10 min线性增加至100%B, 保留4 min, 最终以20%B平衡6 min；负离子模式下流动相A为高纯水(含10 mmol·L^-1的醋酸铵), B为甲醇, 流速为0.35 mL·min^-1, 进样体积为10 μL, 柱温为30 ℃, 梯度洗脱程序为0~1 min 20%B线性增加至50%B, 1~9 min线性增加至100%B, 保留5 min, 最终以20%B平衡6 min；抗生素模式下流动相A为高纯水(含0.01%甲酸), B为乙腈, 流速为0.40 mL·min^-1, 进样体积为10 μL, 柱温为40 ℃, 梯度洗脱程序为0~7 min 3% B线性增加至15%B, 保留2 min, 9~12 min线性增加至30%B, 保留1 min, 13~18 min线性增加至42%B, 保留1 min, 最终以3%B平衡8 min.

质谱离子源为电喷雾电离源(Electrospray ionization, ESI), 扫描模式为多重反应监测.负离子模式喷雾电压为-4500 V, 干燥气温度500 ℃, 气帘气压力20 psi, 碰撞气压力5 psi, 辅助气1压力40 psi, 辅助气2压力60 psi；正离子模式和抗生素模式喷雾电压为5000 V, 干燥气温度500 ℃, 气帘气压力20 psi, 碰撞气压力5 psi, 辅助气1压力40 psi, 辅助气2压力60 psi.

2.5 质量控制

以同样品采样体积相同的超纯水作为全程序空白样品, 用来检验样品在采样、运输、分析等全过程中因外界因素干扰所引起的实验数据异常, 在每批次样品中设置1个全程序空白样品, 结果表明所有全程序空白样品中PPCPs浓度均小于检出限.

分别取300 mL甲醇、乙腈、甲酸, 氮吹浓缩至200 μL, 以同样品相同的检测条件进行上机检测, 进行溶剂空白检验, 每批次试剂做一个试剂空白样品, 用以检验因试剂不纯而引起的实验误差, 结果表明所有试剂空白中PPCPs浓度均小于检出限.

为了减少因样品采集过程引起的实验误差, 本研究以平行双样的方式对样品进行采集, 各PPCPs浓度的相对标准偏差为9.7%~18.7%；为了验证前处理过程对PPCPs浓度的影响, 在样品中加入红霉素-C¹³、环丙沙星-D₈、避蚊胺-D₆作为回收率指示物, 其回收率分别为64.5%~116%、78.3%~106%和60.6%~92.4%；为了验证各PPCPs定量分析方法的准确性, 采用超纯水加标回收的方法测定了各目标化合物的回收率, 其回收率为63%~115%.

采取内标法对各目标化合物进行定量分析, 以减少因前处理过程和仪器响应情况及样品基质干扰对目标化合物定量的影响.

2.6 生态风险评价方法

生态风险评价是通过定量表征方法, 科学评价有毒有害污染物对生态环境的潜在危害程度, 其表征方法有多种途径, 本研究采用商值法对PPCPs的生态风险进行评价, 风险商(RQ)的计算方法见式(1).

(1)

式中, MEC为污染物的实测环境浓度, PEC为污染物的预测浓度, PNEC为污染物的预测无效应浓度.本研究使用PPCPs的实测浓度MEC计算其风险商, 预测无效应浓度(PNEC)采用评估因子法确定, PPCPs的慢性毒性数据(ChV)来自美国环保署开发的Ecological Structure Activity Relationships Program (ECOSAR)预测分析器, 采用对鱼类、水蚤和绿藻最敏感的ChV来计算其相应的PNEC值, 磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、红霉素、克拉霉素、甲氧苄啶、普萘洛尔、卡马西平、避蚊胺、美托洛尔、咖啡因、氧氟沙星、诺氟沙星、双氯芬酸、甲芬那酸、苯扎贝特、氯贝酸和吉非罗齐采取的ChV值分别为0.101、0.068、0.747、0.31、0.069、0.227、0.096、0.492、0.745、0.358、114、116、4.22、0.315、0.618、22.9和0.889 mg·L^-1；根据美国和欧盟关于风险评价的相关规定, 当目标物的毒性数据来自3种生物的慢性毒性数据时, 建议外推因子选取为10, 但是本着保守的原则, 本研究选取了外推因子100确定各污染物的PNEC (赵建亮等, 2011), 各PPCPs的PNEC值见表 1.一般来说, 当RQ < 0.1时, 为低风险, 0.1≤RQ < 1时, 为中风险, RQ≥1时, 为高风险(郭强等, 2014).

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 目标化合物的检出率及与其他城市水厂出水中检出浓度对比

所分析目标化合物的检出率和浓度分布情况如表 1所示.所选取的目标化合物均有检出, 其中磺胺类抗生素磺胺甲恶唑、大环内酯类抗生素克拉霉素、抗精神病药卡马西平、驱蚊剂避蚊胺、β-受体阻断药美托洛尔、生物碱咖啡因、喹诺酮类抗生素氧氟沙星和非甾体抗炎药双氯芬酸为最高检出目标物, 其在所有水厂出水中检出率均为100%；磺胺类抗生素磺胺嘧啶、大环内酯类抗生素红霉素、磺胺增效剂甲氧苄啶、非甾体抗炎药甲芬那酸、血脂调节剂苯扎贝特和氯贝酸为高检出目标物, 在大部分样品中有检出, 其中红霉素在各水厂出水中均在夏季和秋季有检出, 在春季均为未检出；β-受体阻断药普萘洛尔、喹诺酮类抗生素诺氟沙星和血脂调节剂吉非罗齐为低检出目标物, 仅在个别样品中有检出, 并且普萘洛尔均在春季检出, 诺氟沙星均在夏季检出, 吉非罗齐也主要在春季有检出.

目标化合物的检出浓度与近年广州、上海、南京等国内大中型城市污水处理厂出水中浓度的对比情况见表 2.其中咖啡因、磺胺甲恶唑、甲氧苄啶、克拉霉素、红霉素、普萘洛尔、吉非罗齐、苯扎贝特、氯贝酸、氧氟沙星和诺氟沙星的检出浓度总体上均低于其他城市污水处理厂出水中的检出浓度, 这可能由于2008—2017年, 北京市先后对污水处理厂进行了提标改造, 由改造前多为A²O或者氧化沟为主的污水二级处理工艺, 升级为以生物滤池+过滤+脱色为主的三级处理工艺(冯硕等, 2020), 设计出水水质主要依据《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)和《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)；卡马西平和双氯芬酸与其他城市污水处理厂出水中的检出浓度相当；磺胺嘧啶、美托洛尔和避蚊胺的浓度略高于与其他城市污水处理厂出水中的检出浓度.

3.2 目标化合物浓度的季节变化情况

各目标化合物在5座污水处理厂出水中的季节总浓度变化情况如图 1所示.其中磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、克拉霉素、吉非罗齐、苯扎贝特、氯贝酸、美托洛尔、普萘洛尔、卡马西平、甲氧苄啶、避蚊胺在春季出水中的浓度明显高于其在夏季和秋季出水中浓度, 双氯芬酸、甲芬那酸、氧氟沙星、诺氟沙星和咖啡因在夏季出水中浓度要略高于其在春季和秋季出水中浓度, 红霉素在春季均未检出, 在夏季和秋季出水中均有检出, 且浓度相当.

目标化合物在污水处理厂出水中的浓度高低受多种因素影响, 由于不同PPCPs其所属药物类别不同, 导致其在不同季节里用量不同, 势必会影响其在污水处理厂进水中的浓度, 进而影响其在出水中的浓度；另一个重要的影响因素是受温度的影响, 由于目前在污水处理厂中主要的处理工艺均是生化处理, 在冬季温度较低, 这不利于活性污泥中微生物对目标化合物的降解, 而在夏季, 温度较高, 生化降解效率增加, 因此, 受温度的影响, 在冬季和春季, 目标化合物在污水处理厂出水中的浓度较高, 而在夏季和秋季, 其在污水处理厂出水中的浓度较低(Clara et al., 2004; Vieno et al., 2005; Sui et al., 2011; Xu et al., 2011; Li et al., 2013; Sun et al., 2016)；除此之外, 在早期一些雨污合流的污水处理厂中, 由于受降雨影响, 导致进水浓度降低, 并且由于污水流量增大, 减少了水力停留时间, 对目标化合物的去除效率降低, 综合影响目标化合物在出水中的浓度(Sui et al., 2011; Sun et al., 2016), 然而本研究中采样的污水处理厂均采取了雨污分流的方式对雨水进行单独处理, 因此, 降雨对目标化合物在出水中的浓度影响较小.

本研究中磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、克拉霉素、吉非罗齐、苯扎贝特、氯贝酸、美托洛尔、普萘洛尔、卡马西平、甲氧苄啶、避蚊胺在春季出水中的浓度明显高于其在夏季和秋季出水中浓度, 这可能主要由于不同月份气温不同所致, 为此本课题组对北京市历史气温进行了调查, 据国家气象科学数据中心最新公开资料记载(国家气象科学数据中心, 2020), 在本研究采样季中北京市春季、夏季和秋季的平均气温分别为22.3、28.0和23.1 ℃, 这进一步证明了温度对PPCPs在污水处理厂出水中的浓度分布具有一定的影响；双氯芬酸、甲芬那酸、氧氟沙星、诺氟沙星和咖啡因在夏季出水中浓度要略高于其在春季和秋季出水中浓度, 红霉素在春季均未检出, 在夏季和秋季出水中均有检出, 且浓度相当, 这可能主要由于上述PPCPs在夏季的用量较大, 导致其在出水中的浓度较高, 因为不同的PPCPs由于其所属药物类别不同, 会由于季节不同而其用量不同, 如生物碱咖啡因、个人防护品阿伏苯宗和苯并异噻唑酮等、广谱抗菌剂三氯生和三氯卡班在夏季的用量明显高于其他季节(Sun et al., 2014; Sun et al., 2016; Zhao et al., 2017; Li et al., 2018), 抗生素类药物在冬季用量要高于其他季节, 同时人体血脂和血压在冬季均比其他季节偏高, 致使血脂调节剂和抗高血压药物在冬季用量要普遍高于其他季节(Peter et al., 2008; Sui et al., 2011; Sun et al., 2016).

除此之外, 总结了先前关于北京市污水处理厂出水中PPCPs浓度的相关报道, 结果见表 3.从与历史数据的对比结果可见, 在污水处理厂出水中, 总体上目标化合物在冬春季节的浓度高于其在夏秋季节的浓度, 这与本研究的结果较一致.但值得注意的是本研究中双氯芬酸、甲芬那酸、氧氟沙星、诺氟沙星和咖啡因在夏季出水中浓度要略高于其在春季和秋季出水中浓度, 这与先前研究(表 3)有一定的差异性, 这需要在后续的研究中进一步去证实.

3.3 目标化合物的生态风险评价

对各PPCPs的RQ值进行了计算, 结果表明避蚊胺在D水厂春季样品中的RQ值为0.12, 为中风险污染物, 在其他样品中均为低风险污染物；磺胺甲恶唑和美托洛尔的最大RQ值分别为0.09和0.08, 接近中风险, 均为A水厂春季样品；其他PPCPs均为低风险污染物.因此, 避蚊胺、磺胺甲恶唑和美托洛尔应加以重视, 并加强日常监测, 注意冬春季节其在出水中的生态风险情况.

4 结论(Conclusions)

1) 本文选取的PPCPs在5座污水处理厂出水中均有检出, 检出率为100%的PPCPs包括磺胺甲恶唑、克拉霉素、卡马西平、避蚊胺、美托洛尔、咖啡因、氧氟沙星和双氯芬酸.

2) 目标PPCPs在北京市污水处理厂出水中存在明显的季节变化, 其中磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、克拉霉素、吉非罗齐、苯扎贝特、氯贝酸、美托洛尔、普萘洛尔、卡马西平、甲氧苄啶、避蚊胺在春季出水中的浓度明显高于其在夏季和秋季出水中浓度, 双氯芬酸、甲芬那酸、氧氟沙星、诺氟沙星和咖啡因在夏季出水中浓度要略高于其在春季和秋季出水中浓度, 红霉素在春季均为未检出, 在夏季和秋季出水中均有检出, 且浓度相当.

3) 通过对目标PPCPs的生态风险评价发现, 避蚊胺在D水厂春季样品中为中风险污染物, 在其他样品中均为低风险污染物；磺胺甲恶唑和美托洛尔的最大RQ值分别为0.09和0.08, 接近中风险；其他PPCPs均为低风险污染物.