东江流域水质与水生态风险控制技术集成与综合示范项目 东江上游典型集水区痕量有机污 染物赋存特征与风险分析 上海交通大学何义亮
汇报内容 一. 研究现状二. 典型痕量有机污染物的赋存特征解析及评价三. 抗生素抗性基因及环境微生态的特征分析四. 展望
一 研究现状 东江上游典型集水区水环境风险控制技术集成与综合示范 课题定位东江上游集水区, 包括江西赣南源头区域以及广东河源上游区域 ; 东江上游干流长度 182km, 上游地区集水面积 15860km 2, 其中江西境内集水面积 3502km 2, 广东河源市境内集水面积 12358km 2 ; 呈现 y 型水系
二 典型痕量有机污染物的赋存特征解析及评价 选择包括定南 安远 寻乌 枫树坝水库以及东江干流上游等 19 个代表性采样点, 分别在丰水期 枯水期及平水期三个时段采样, 检测解析水体中溶解性有机质来源, 以及其中痕量有机污染物 ( 包括 8 种有机氯农药 16 种有机磷农药 7 种有机菊酯农药以及 17 种抗生素等 ) 的时空分布特征, 并对其环境风险进行评价 ; 在此基础上, 采用分子生物学技术和生物信息学手段, 分析其中抗生素抗性基因和微生物生态群落结构特点和相关性等
东江上游典型集水区采样点空间布局 干流定南水 东江上游干流区 干流寻乌水 时间 : 2015 年 7 月 ( 丰水期 ) 2015 年 11 月 ( 枯水期 ) 及 2016 年 3 月 ( 平水期 ) 空间 :S1: 安远入水 ;S2: 九曲镇桥头 ;S3: 桃溪村 ;S4: 长滩电站 ;S5: 寻乌来水 ;S6: 麻风村电站 ;S7: 丰乐桥 ;S8: 渡田河 ;S9: 定南入库 ;S10: 库 1 缓冲区 ;S11: 寻乌水入库 ; S12: 库 2 缓冲区 ;S13: 库尾 ;S14: 枫树坝水库出水 ;S15: 龙川县城 ;S16: 蓝口镇桥头 ; S17: 东源电站 ;S18: 新丰江水库出水 ;S19: 观音阁断面
2.1 水体中荧光溶解性有机质的识别与分析 (1) 水体中荧光溶解性有机质主要有三类主要成分, 分别为来自农业污染的类腐殖质和短波陆源腐殖质, 以及来自生活源污染的荧光类蛋白组分 ; (2) 时间变化上, 荧光类组分 ( 类腐殖质和短波陆源腐殖质 ) 平水期 > 枯水期 > 丰水期, 而荧光类蛋白质是平水期 > 丰水期 > 枯水期 ; (3) 空间变化上, 荧光类组分主要为源区最高, 分别为定南县城和寻乌县城贡献最高
2.2 典型农药的检测方法建立 (GC-MS) 抽滤固相萃取氮吹浓缩 GC-MS 检测 农药 (31 种 ): 有机氯农药 (α- 六六六 β- 六六六 γ- 六六六 δ- 六六六 p,p - 滴滴伊 o,p - 滴滴涕 p,p - 滴滴滴 p,p - 滴滴涕 ) 有机磷农药 ( 甲胺磷 敌敌畏 乙酰甲胺磷 氧乐果 乐果 甲基对硫磷 杀螟硫磷 马拉硫磷 毒死蜱 水胺硫磷 甲基异柳磷 喹硫磷 杀扑磷 丙溴磷 三挫磷 伏杀硫磷 ) 有机菊酯类农药 ( 联苯菊酯 甲氰菊酯 高效氯氟氰菊酯 氟氯氰菊酯 氯氰菊酯 氰戊菊酯 溴氰菊酯 苄氯菊酯 )
2.3 有机氯农药时空赋存状况 8 种有机氯农药除 δ- 六六六检出率较低外, 其余全检出, 最高点在丰水期渡田河 ; 时间变化上, 不同种类有机氯农药分布差异明显, 有机氯农药总含量丰水期 > 平水期 > 枯水期 ; 空间变化上, 源区含量整体高于东江上游, 但枯水期空间变化不明显 ; 枫树坝水库丰水期和平水期对于有机氯农药具有削减效果, 枯水期反而具有富集作用
2.4 有机磷农药时空赋存状况 16 种有机磷农药除杀螟硫磷检出率低之外, 其它有机磷农药均高检出, 有机磷农药总量全年最高点在丰水期寻乌县城来水处 (1197ng/L); 时间水平上, 丰水期 > 平水期 > 枯水期 ; 空间水平上, 丰水期有机磷农药总量源区高于东江上游, 枯水期 平水期源区低于东江上游 ; 丰水期枫树坝水库具有削减作用, 枯水期 平水期具有富集效应
2.5 有机菊酯农药时空赋存状况 8 种有机菊酯类农药三期全检出, 时间变化上没有明显差异, 总量最高点在丰水期的寻乌来水处 ; 丰水期源区有机菊酯含量高于东江上游, 枯水期 平水期源区有机菊酯含量低于东江上游 ; 枫树坝水库对于有机菊酯类农药全年具有富集效应
2.6 不同时期农药污染特点解析 (1) 丰水期农药污染特点取决于不同区域水系差异 ; (2) 枯水期农药污染特点取决土地利用情况的差异 ; (3) 平水期农药污染特点整体呈现出兼顾丰水期和枯水期的特点
东江上游特征有机农药风险评估 评价方法 : 用风险商 RQ 表征生态环境风险程度, 若 RQ>1, 表明污染物对环境中生物存在高风险 ; 若 0.1<RQ<1, 表明污染物对水环境中生物存在中等风险 ; 若 RQ<0.1, 表明污染物的生态风险较低 β- 六六六和 o,p- 滴滴涕属于低风险 ; α- 六六六 δ- 六六六 p,p- 滴滴伊属于中等风险 ; γ- 六六六 o,p- 滴滴滴和 p,p- 滴滴涕属于高风险 溴氰菊酯 高效氯氟氰菊酯为低风险 ; 氰戊菊酯 氟氯氰菊酯 甲氰菊酯 联苯菊酯 氯氰菊酯为高风险 丙溴磷 甲 异柳磷 为中等风险 ; 甲胺磷 毒死蜱 乙酰甲胺磷 氧乐果 三唑磷高等风险为高风险
2.7 典型抗生素的检测方法建立 (LC-MS/MS) 抽滤固相萃取氮吹浓缩 LC-MS/MS 检测 抗生素 (17 种 ): 磺胺类药 ( 磺胺嘧啶 磺胺间甲氧嘧啶 磺胺喹喔啉 );β- 内酰胺类 ( 青霉素 G 青霉素 V 阿莫西林 头孢氨苄 ); 大环内酯类 ( 泰乐菌素 脱水红霉素 ); 四环 素类 :( 氧四环素 四环素 强力霉素 ); 喹诺酮类 ( 诺氟沙星 氧氟沙星 环 丙沙星 ); 其他 : 林可霉素 万古霉素
磺胺嘧啶 2.8 抗生素时空赋存状况 含量最高点在寻乌县来水, 最低点在新丰江水库出水 磺胺间氧嘧啶 含量最高点在定南长滩电站, 最低点在枫树坝库尾 丰水期 > 平水期 > 枯水期 诺氟沙星 含量最高点在定南县城来水, 最低点在枫树坝水库 1 缓冲区 平水期 > 枯水期 > 丰水期 氧氟沙星 含量最高点在安远来水处, 最低在新丰江水库出水 平水期 > 枯水期 > 丰水期 枯水期 > 丰水期 > 平水期
环氧沙星 含量最高点在定南县城来水, 最低点在枫树坝库 1 缓冲区 青霉素 G 含量最高点定南长滩电站, 最低点在寻乌电站 丰水期 > 平水期 > 枯水期头孢氨苄 含量最高点在寻乌电站, 最低点在枫树坝库 2 缓冲区未检出 枯水期 > 丰水期 > 平水期泰乐菌素 含量最高点在寻乌电站, 最低点在新丰江水库出水 枯水期 > 丰水期 > 平水期 丰水期 > 枯水期 > 平水期
强力霉素 含量最高点在寻乌水入库, 最低点在省控断面渡田河 四环素 四环素全年检出率为 77.2%, 时间上丰水期平均含量最高, 枯水期次之, 平水期最低, 含量最高点在渡田河, 最低点在蓝口镇桥头 丰水期 > 平水期 > 枯水期氧四环素 丰水期 > 枯水期 > 平水期 含量最高点在安远入水, 最低点在寻乌水入库 丰水期 > 枯水期 > 平水期 东江上游典型集水区河流水和水库水中均检测出抗生素的存在, 检出率最高为强力霉素, 检出率最低为氧四环素 ; 多种抗生素在丰水期 枯水期和平水期水平上有明显的变化, 枯水期的诺氟沙星 丰水期的四环素和氧四环素均得到了高浓度的检出 ; 枫树坝水库缓存净化抗生素作用较为明显
2.9 不同时期抗生素污染特点解析 (1) 丰水期抗生素污染特点取决于水功能区 ( 库区 ) 和生活区的差异 ; (2) 枯水期抗生素污染特点取决于生活区的差异 ; (3) 平水期抗生素污染特点取决于干支流水系的差异
2.10 抗生素生态风险评价 磺胺嘧啶 ( 寻乌水 渡田河除外 ) 磺胺间甲氧嘧啶 头孢氨苄 氧氟沙星 环丙沙星 四环素属于极低风险 ; 寻乌来水和渡田河水域中磺胺嘧啶属中等风险 青霉素 G 和诺氟沙星呈现高风险特征, 且东江源区风险程度高于东江上游 ; 泰乐菌素 强力霉素和氧四环素风险总体程度为中级风险
三 抗生素抗性基因及环境微生态的特征分析 2000 年, 世界卫生组织 ( WHO) 已将抗生素抗性基因 (Antibiotic Resistance Genes, ARGs) 作为世纪人类健康最重大的挑战! 2011 年, 世界卫生日的主题 抵御耐药性 今天不采取行动, 明天就无药可用 G20 峰会会议发表的 二十国集团领导人杭州峰会公报, 在最后一部分专门列举阐述影响世界经济的深远因素, 包括英国脱欧 气候变化 难民 恐怖主义 抗生素耐药性等 5 项 这就意味着, 抗生素耐药性的话题已经上升到了国际高度 近年来世界范围内研究者逐渐意识到抗生素抗性基因在环境中的持久性残留 传播和扩散比抗生素本身的危害还要大 金黄色葡萄球菌鲍曼不动杆菌绿脓假单胞菌
3.1 高通量荧光实时定量 PCR 检测分析 微生物滤膜截留 DNA 提取与分装基因芯片喷涂高通量实时 PCR 检测 (1) 检测项目按照基因对应抗生素类型分为氨基糖苷类抗生素 (Aminoglycoside) β- 内酰胺类抗生素 (β-lactamase) 氯霉素类抗生素(Chloramphenicol) 大环内脂类 - 林肯酰胺类 - 链阳性菌素 B 类抗生素 (MLSB) 磺胺类抗生素(Sulfonamide) 四环素类抗生素 (Tetracycline) 万古霉素类抗生素(Vancomycin) 和其他类或者发挥外排泵作用 (other/ efflux) 等 8 类抗生素抗性基因 ; (2) 5~6 个小时内可以快速完成水体中 超级细菌 抗性基因 blandm-1 MCR-1 基因 临床医学意义上整合子基因 CintI1 的检测
3.2 群落结构特性分析 利用高通量测序技术, 完成水体中微生物 ( 细菌和真核藻类 ) 的群落结构测定, 并基于 Network 分析其相关性 抗性基因的 Network analysis 抗性基因 - 微生物群落 Network analysis
3.3 环境因子与微生物群落相关性 环境指标 ( 自变量 ) 水环境中微生物菌落 ( 细菌和真核藻类 ) 时空维度变化及响应机制 ( 因变量 ) 细菌群落 --- 环境因子 真核藻类 --- 环境因子
细菌 --- 真核 ( 藻类 ) 响应关系
四 展望 (1) 生态风险评价中 PNEC 值的确定, 比如测试物种的差异 测试终点 测试时段 测试效应等因素影响 (2) 抗生素抗性基因作为一种新型污染物, 既不同于 POPs 等化学污染物, 也不同于大肠杆菌等病原生物性污染, 它的来源以及传播扩散污染与抗生素的使用密切相关, 亟待建立抗生素 ( 人用 / 兽用 ) 分类使用标准 (3) 尚未建立健全的抗生素和抗生素抗性基因在我国大气 土壤 水体 ( 地表水 污水厂 ) 沉积物中污染水平 分布等基础性数据 (4) 可移动元件基因是抗生素抗性基因和重金属抗性基因协同效应的基础, 需要开展多重抗性的迁移规律研究, 为控制抗性基因的传播提供理论依据 (5) 低浓度抗生素诱导抗生素抗性基因转移 浓度阈值 的确定, 进而用于约束抗生素的不合理使用 (6) 部分人工合成类抗生素烹饪很难降解, 可能会随着食物链富集在人体内, 而抗生素抗性基因是否会伴随着抗生素的富集而得到放大?
敬请指导! 谢谢