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QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量

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徐圆, 徐宇峰, 曹赵云, 杨欢, 马有宁, 林晓燕, 严清. QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
引用本文: 徐圆, 徐宇峰, 曹赵云, 杨欢, 马有宁, 林晓燕, 严清. QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
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XU Yuan, XU Yufeng, CAO Zhaoyun, YANG Huan, MA Youning, LIN Xiaoyan, YAN Qing. Determination of antibiotic residues in soil and rice of the simulated paddy field by QUECHERS-LC-MS/MS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
Citation: XU Yuan, XU Yufeng, CAO Zhaoyun, YANG Huan, MA Youning, LIN Xiaoyan, YAN Qing. Determination of antibiotic residues in soil and rice of the simulated paddy field by QUECHERS-LC-MS/MS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
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QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量

  • 1.

    河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸 056038

  • 2.

    中国水稻研究所农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心，杭州 310006

    • 作者简介: 徐圆(1994—)，女，硕士研究生。研究方向：污水及污泥方向。E-mail：xy045130@163.com
    通讯作者: 严清(1982—)，女，博士，副研究员。研究方向：污水资源化等。E-mail：qyan2005@hotmail.com
  • 基金项目:
    国家自然科学基金青年资助项目(5170090712)

  • 中图分类号: X592

Determination of antibiotic residues in soil and rice of the simulated paddy field by QUECHERS-LC-MS/MS

  • 1.

    College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China

  • 2.

    Rice Quality Supervision and Testing Center, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, China Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China

    • Corresponding author: YAN Qing, qyan2005@hotmail.com

摘要

  • 摘要: 采用QuEChERS-LC-MS/MS法建立了稻田模拟系统中残留的4种目标抗生素的检测方法。样品经5%甲酸-乙腈提取，用内标法进行定量。结果表明，4种目标抗生素在0.10~100 µg·L−1内具有良好的线性关系(R2>0.998)。OFX、SMZ、ROX和TET的检出限分别为0.10、0.10、0.05、0.20 µg·L−1。4种目标物质在稻田水、稻米、水稻植株(地上部分和地下部分)和稻田土壤中的回收率分别为82.8%~166.1%、78.1%~103.5%、94.5%~97.8%、67.7%~100.2%、86.7%~93.9%，相对标准偏差分别为0.3%~8.3%、1.4%~3.8%、1.1%~6.8%和1.1%~2.4%。通过建立稻田模拟系统，长期用含相应质量浓度抗生素的污水灌溉，对稻田模拟系统中抗生素的残留进行了检测。检测结果表明，SMT和ROX在各基质中均有检出，检出质量浓度为未检出~250.908 µg·kg−1。OFX和TET在稻米样品中未检出，但在其余基质中均有检出，检出质量浓度为未检出~272.354 µg·kg−1。
    Abstract: A method was developed for the determination of four target antibiotics residual in the rice field simulation system by liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) coupled with QuEChERS. By optimizing the pretreatment conditions, 5% formic acid-acetonitrile was used to extract the antibiotics in each matrix, and the internal standard method was used to quantization detection. The results show that the four target antibiotics had a good linear relationship in the range of 0.1—100 µg·L−1 (R2>0.998). The limits of detection (LOD) of ofloxacin (OFX), sulfamethoxazole (SMZ), roxithromycin (ROX) and tetracycline (TET) were 0.10, 0.10, 0.05 and 0.20 µg·L−1, respectively. The average recoveries of the four target compounds in paddy water, rice flour, rice plants (aboveground and underground parts) and paddy soil were 82.8%—166.1%, 78.1%—103.5%, 94.5%—97.8%, 67.7%—100.2%, 86.7%—93.9%, respectively, with relative standard deviations (RSD, n=6) of 0.3%—8.3%, 1.4%—13.8%, 1.1%—6.8% and 1.1%—2.4%, respectively. A paddy field simulation system was established and irrigated for a long-term by the simulated wastewater containing antibiotics with the corresponding mass concentration. The antibiotic residues in the paddy field simulation system were detected. SMT and ROX were detected in each matrix, and the detected mass concentration was not detected-250.908 µg·L−1. OFX and TET were not detected in rice flour, but were detected in all other matrices, and the detected mass concentration was not detected —272.354 µg·L−1.

  • 自我国2017年发布《长江经济带生态环境保护规划》后，推动长江经济带发展的长江大保护行动就被提上了日程[1]。长江经济带自上海起，贯穿浙江、江苏、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、贵州、四川和云南共11个省(直辖市)，是我国经济发展的重点区域，在我国经济发展总格局中占据至关重要的地位。据统计，全国约37%重点化工园区位于长江经济带，长江及其主要干支流沿岸和重点湖泊附近(10 km内)聚集了约1.33×104个化工企业[2]。近年来，化工污染企业的聚集呈现自长江下游向中上游转移的趋势，且逐渐由东部传统集聚区(如江苏和浙江等)转移至中西部省份(如湖北和重庆等)，给长江经济带土壤和地下水环境污染修复和风险管控带来了巨大挑战[3]。化工行业涉及广泛，基础化学原料、肥料、农药、涂料、合成材料和日用化学品等产品制造往往伴随着高毒、高持久性污染物的产生[4]。化工污染地块中典型污染物主要包括苯系物、多环芳烃和氯代烃类等，且可能出现非水相液体(non-aqueous phase liquid，NAPL)[5-7]。化工生产过程会对企业及周边土壤和地下水环境造成严重污染，因此，为保证化工企业搬迁后土地再利用安全，退役化工污染地块土壤和地下水污染修复已成为了一系列亟待解决的问题。

    相较于传统原位修复技术，多相抽提(multi-phase extraction，MPE)技术环境友好，对修复地块扰动小，能够同时去除包气带和含水层中的污染物，尤其对于存在NAPL的污染地块具有良好的修复效果[8-11]。目前，MPE技术在国外已被广泛用于加油站、炼油厂等石油烃污染地块修复中，并得到了良好的效果。GABR等[12]针对Rickenbacker国际机场的航空燃油污染(约85%为饱和低分子芳烃)，布设了25排188口预制垂直井安装MPE系统抽提轻质非水相液体(light non-aqueous phase liquid，LNAPL)。该地块为砂质和粉质黏土、粉质砂土、黏质粉土和粉砂地层结构，LNAPL主要分布在粉质砂土层地下水位上。在真空诱导的抽提管内空气流速约为991~1 133 L·min−1条件下，MPE系统运行185 h共去除133 L LNAPL液体和467 kg气相有机污染物。BALDWIN等[13]构建了12口抽提井网络(安置于粉质黏土和砂质黏土层)MPE系统，修复受苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)污染的加油站地下水。该系统以平均850 L·min−1蒸气流速运行2 a，共抽出污染地下水1 400 m3，去除约119 kg石油烃，其中的11口抽提井地下水中BTEX浓度低于0.5 μg·L−1。近年来，MPE技术在国内也逐渐受到关注，已有用于修复土壤和地下水中氯代烃、苯系物和石油烃等相关工程应用案例[14-18]。本研究比较了长江经济带下游地区(主要包括上海、江苏、浙江和安徽)化工污染地块水文地质条件和污染物特征与MPE技术适用条件，结合修复案例分析了该技术在长江经济带下游地区化工污染地块中的应用潜力，以期为MPE技术在该区域的推广实施提供参考。

    1.   MPE技术原理与技术流程

    MPE技术，也称为真空增强抽提技术，是一种可同时抽取地下气体和液体的原位修复技术。其工作原理是通过向抽提井施加一定的真空度，从与抽提井相连的地下包气带、毛细水带和饱水带中同时抽提出污染的气体和液体(通常包括土壤气体、地下水和NAPL)并进行处理，从而达到原位修复污染地块的目的[19-20]。MPE技术通常由多相抽提、多相分离和污染物处理3个主要工艺步骤组成，其工艺流程如图1所示。

    图 1  MPE技术工艺流程图
    Figure 1.  Process flow diagram of MPE
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    MPE技术对污染地块中有机污染物削减存在多种机制。在真空泵作用下，抽提井附近地层中的流体响应压力梯度不断流入抽提井，地下水中溶解态污染物和浮油层LNAPL被抽离去除 [9-10]。同时，与抽提井连通的土壤孔隙中气压下降，挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)和半挥发性有机物(semi-volatile organic compounds，SVOCs)向土壤气相加速转移，并随气流一起被抽离土壤。流通的气体使得土壤通气状况得到明显改善，土壤孔隙中氧含量增加，将有助于促进原位好氧微生物降解作用[21-22]。此外，MPE技术在抽取地下连续流体(地下水和NAPL)和土壤气体时，真空脱水作用降低了抽提井周边的地下水位，导致周围地层的空气渗透率升高，滞留在土壤中的VOCs和SVOCs将再分配至气相中，从而可提升污染物修复效率[19,23]。

    MPE技术对土壤气体和地下水的抽提流量主要受污染地块水文地质条件影响。通常认为，最适合MPE技术的渗透系数(K)为10−5~10−3 cm·s−1[19-20,24]，对应中低渗透性土质(砂~粉质黏土)[8,25]；而黏土通常K<10−6 cm·s−1，MPE技术难以达到理想修复效果。MPE技术原位修复污染地块时，分子量较小、易挥发和易溶解的有机污染物可被有效去除；而分子量较大和挥发性较低的有机污染物则更倾向与土壤基质结合[26]。通常，有机污染物饱和蒸气压(20 ℃)>0.133 kPa、亨利系数(20 ℃)>0.01和沸点250~300 ℃是MPE技术的适用范围[24,26]。MPE技术主要用于修复受挥发性有机物污染土壤和地下水，对脂肪族氯代烃和单环芳烃污染地块适用性最高，而氯苯、石油烃、多环芳烃和酚类化合物等污染物对MPE原位修复的适用性一般，其修复效果需结合污染地块地质条件综合评估。MPE技术不适用于炸药、杀虫剂、重金属、多氯联苯和非金属无机化合物污染地块的修复[27]。

    2.   MPE技术对长江经济带下游地区化工污染地块适用性

    2.1   水文地质条件

    由于沉积物成因类型及地貌发育过程的差异，不同地区地层结构及岩性组合类型多样。总结长江经济带下游地区地层结构特征，可更好地了解该区域水文地质和工程地质特点，为MPE技术可行性评估及污染地块修复方案设计提供参考。王靖泰等[28]对长江三角洲全新世地质环境的研究结果表明，该地区地层可分为3层：下段(厚5~15 m)主要为粉砂质黏土；中段(厚5~15 m)主要为淤泥质亚黏土；上段(厚3~13 m)长江以南主要为亚黏土，上段长江以北则以粉细砂为主[29]。林钟扬等[30]对长江三角洲南翼第四纪地层的勘察结果表明，该地区地层自上而下岩性可大致分为杂填土(0~1 m)、淤泥质亚黏土和亚黏土中段(1~8 m)、亚砂土(8~16.6 m)、淤泥质亚黏土和黏土(18.6~22.3 m)。宗开红等[31]对长江三角洲北翼第四纪地层的研究中发现，该地区地层结构自上而下大致分为素填土(0~1.3 m)、粉砂质黏土-黏土质粉砂(1.3~2 m)、粉砂(2~9.5 m)、淤泥夹粉砂团块(9.5~11.2 m)、黏土与粉砂互层(11.2~13.6 m)和粉细砂-细砂(13.6~19.4 m)。朱辉等[32]统计我国136个有机污染地块的相关数据后发现，相较于京津冀和辽中南地区，沪宁杭地区有机污染地块土层渗透性总体偏低，土层结构以粉土、粉质黏土和黏土为主，其中21%污染地块含有粉砂，部分地区存在淤泥质黏土。潜水含水层位于填土层下部、粉质黏土层上部，地下水埋深约0.2~4 m。其他研究中关于长江经济带下游地区的地层结构总结如表1所示。

    表 1  长江经济带下游不同地区的地层结构
    Table 1.  Geological structures of different areas in the downstream region of Yangtze River Economic Zone
    地区地层结构参考文献
    安徽省铜陵市郊区人工填土(厚1~5 m)，粉质黏土(厚1~3 m)，黏土、粉质黏土(厚3.2~8.5 m)，淤泥质黏土、粉质黏土(厚3.8~21.3 m)；局部分布粉质黏土和粉砂互层(厚16~18 m)，粉砂夹粉土(厚1~4.5 m)[33]
    江苏省南京市秦淮区填土(厚0.3~5.2 m)，粉土(厚2.5~8.6 m)，粉细砂(厚1.3~11.8m)，粉土夹粉砂(厚0.7~6.2 m)，粉质黏土(厚2.5~8.6 m)，泥岩(厚4.7~揭露最大厚度10.2 m)[34]
    江苏省镇江市姚桥镇素填土(厚2.5 m)，粉砂质黏土(厚0.8 m)，粉砂(厚2.7 m)，黏土与粉砂互层(厚6.8 m)，粉砂(厚1.3 m)，黏土夹粉砂(厚2.0 m)，亚砂土-粉砂(厚7.9 m，上部为黏土与粉砂互层，厚3.9m；下部为粉砂，厚4.0 m)[35]
    江苏省常州市横山桥镇耕植土(埋深0.8~1.9 m)，黏土、粉砂质黏土、细砂(埋深7.5~10.5 m)，黏土(埋深13.7~15.4 m)，粉砂质黏土、黏土(埋深46.5~48.5 m)[36]
    江苏省苏州市吴江经济技术开发区填土(厚2.4~3.9 m)，黏土(厚2.4~3.6 m)，粉质黏土(厚1.5~2.6 m)，粉土夹粉质黏土(厚2.1~5.2 m)，粉土(厚12.2~15.5 m)，粉质黏土(厚5.6~7.2 m)[37]
    上海市宝山区填土(埋深0~0.5 m)，黏土(埋深0.5~2 m)，淤泥质黏土(埋深7~12 m)，黏土(埋深15~32 m)；部分存在粉土/粉砂(埋深2~3 m和20~35 m)，淤泥质粉质黏土(埋深3~7 m)，粉细砂(埋深35~40 m)[38]
    浙江省杭州市滨江区杂填土(埋深0~0.7 m)，砂质粉土(埋深0.7~5.5 m)，粉砂夹砂质粉土(埋深5.5~16.9 m)，淤泥质/粉质黏土(埋深16.9~32.1 m)，淤泥质黏土(埋深32.1~36.3 m)，黏土(埋深36.3~41.2 m)[39]
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    总体而言，长江经济带下游地区多为中低渗透性地层结构，普遍分布的地层结构包括：填土层、粉质砂土层、粉土层、黏土或粉质黏土层。虽然不同地区之间的地层厚度存在一定差异(如图2所示)，但长江经济带下游地区的地层结构很大程度上与MPE技术适用条件(砂-粉质黏土)相符。

    图 2  长江经济带下游地区安徽铜陵至浙江杭州断面典型地层结构示意图
    Figure 2.  Schematic diagram of typical geological structures in the downstream region of Yangtze River Economic Zone
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    2.2   长江经济带下游地区化工污染地块污染特征

    我国污染地块修复项目主要分布于京津冀和江浙沪等东部沿海区域[32]。近几年，50%以上的工业污染地块修复项目涉及多环芳烃、苯系物、石油烃和氯代烃等有机污染(单一或复合有机污染物)[40]。朱辉等[32]发现，我国有机污染地块中，检出频次最高的污染物为卤代有机溶剂，其次为苯系物、多环芳烃和石油烃，且有机污染物在地下水中的检出率普遍高于土壤。

    依托国家重点研发计划项目“长江经济带化工园区场地污染防治技术集成与工程示范”，项目组调研了长江经济带下游地区128处污染地块相关资料。污染地块涉及精细化工、氯碱化工、纺织化工、石油化工、钢铁化工和农药医药化工等多种类型，主要污染物为苯及苯系物、卤代烃、酚类、多环芳烃、石油烃、重金属和其他(包括氟化物、氰化物、二噁英和农药等)等7大类。调研数据显示，长江经济带下游化工污染地块中有83.6%涉及有机污染，单一有机污染地块占45.3%，重金属-有机复合污染地块占38.3%。多环芳烃和卤代有机化合物的污染地块最多，分别占总有机污染地块的43.9%和42.1%；苯系物和石油烃污染地块次之，分别占37.4%和33.6%；酚类化合物的污染地块最少，仅占7.5%。氯仿、1,2-二氯乙烷、氯乙烯、氯苯等氯代溶剂是长江经济带下游化工地块常见的卤代有机污染物，苯并[a]芘、苯并[a]蒽和萘等是长江经济带下游化工地块常见的多环芳烃类污染物，苯、甲苯、乙苯、硝基苯和苯胺是是长江经济带下游地区化工地块常见的苯系物类污染物[32]。将长江经济带下游地区化工地块主要污染物类型与MPE技术适用污染物类别进行对比(如图3所示)可知，MPE技术适用于该区域大部分化工污染地块土壤和地下水修复。对存在重金属或氟化物、氰化物、农药和多氯联苯等复合污染地块，则需选择合适的联用技术以强化MPE技术对土壤和地下水修复效果。

    图 3  长江经济带下游地区化工污染特征与MPE技术适用类型
    Figure 3.  Characteristics of chemical contaminated sites in the downstream region of Yangtze River Economic Zone and its suitable types for MPE technology
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    2.3   MPE技术与常用修复技术对比

    近些年，随着《中华人民共和国土壤污染防治法》《污染地块土壤环境管理办法》和《建设用地土壤修复技术导则》等法律或规定相继颁布，我国工业污染地块修复项目逐年增多，已形成庞大的需求，土壤修复行业前景广阔。王艳伟等[40]对全国2017年之前工业地块修复项目进行了统计，发现我国工业污染地块修复主要采用异位修复技术，以固化稳定化、化学氧化、焚烧、水泥窑协同处置等技术为主，原位修复技术占全部修复技术的比例低于10%；而同期美国应用原位修复技术占的比例为近50%，其中原位气相抽提技术应用占比最高，达到29%[40-41]。通过统计我国有机污染地块已实施的修复技术发现，土壤气相抽提技术占全部修复技术的比例由2007—2017年的12.1%上升至2018年的15.8%，该技术与化学氧化、原位热脱附一起已成为有机类污染地块主流修复技术[42]。MPE技术与常用修复技术的特点对比[43-47]如表2和表3所示。

    表 2  MPE技术与常用修复技术适用污染物类型对比
    Table 2.  Comparison of applicable contaminant species between MPE technology and other frequently-used remediation technologies
    修复技术名称非卤化VOCs1)卤化VOCs非卤化SVOCs2)卤化SVOCs石油烃POPs3)重金属
    固化/稳定化不适用不适用一般一般不适用适用适用
    原位化学氧化一般一般适用适用适用适用适用
    水泥窑协同适用适用适用适用适用适用不适用
    土壤气相抽提适用适用不适用不适用适用不适用不适用
    热处理适用适用适用适用适用适用不适用
    植物修复不适用不适用一般一般一般一般适用
    可渗透反应墙适用适用适用适用一般适用一般
    多相抽提适用适用适用适用适用适用不适用
    　　注：1)挥发性有机污染物；2)半挥发性有机污染物；3)持久性有机污染物。
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    表 3  MPE技术与常用修复技术特征对比
    Table 3.  Comparison of remediation technology characteristics between MPE technology and other frequently-used remediation technologies
    修复技术名称技术成熟度运行维护成本资金投入维护需求修复时间适用土壤渗透性污染物去除率二次污染风险
    固化/稳定化高一般较高较低<1 a中等>90%中
    原位化学氧化高高一般一般<1 a中等>90%高
    水泥窑协同一般一般较低较低<0.5 a—>90%高
    土壤气相抽提高高一般较低1~3 a较低70%~90%低
    热处理高高较高较高<1 a一般>90%高
    植物修复高低较低较高>3 a较低>90%低
    可渗透反应墙高一般较高一般>10 a—70%~90%低
    多相抽提高高较高一般3~10 a较低70%~90%低
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    在上述污染地块常用修复技术中，固化/稳定化可快速、高效地修复污染地块，应用广泛，但该技术主要用于处理重金属等无机污染物，对VOCs和石油烃适用性较差[42]。植物修复技术主要应用于重金属修复领域，投入成本较低，但该技术通常只能处理浅层污染，修复周期长，且同样不适用于修复VOCs污染土壤，不适用于化工污染地块的修复[46-47]。土壤气相抽提技术对挥发性有机污染物的处理效率高，但该技术对污染地块土壤渗透性要求较高，不适用于长江经济带下游地区污染地块中低渗透性土壤修复[45,48]。热处理和原位化学氧化技术适用范围较广，修复周期短，但面临投入成本高和二次污染等问题[46,49]。水泥窑协同处置技术是目前国内应用较广的地块修复技术，修复周期短，但该技术通常用于异位修复，需对污染土壤进行预处理，且涉及土壤挖掘和远距离运输，具有二次污染风险[44]。可渗透反应墙可修复的污染物范围较广，对VOCs、SVOCs、多环芳烃和重金属均具有很高的适用性，但该技术在修复过程中需定期更换活性材料，使用后的材料需妥善处置，且修复周期较长，需要进行长期监测[46,50]。相比上述技术，MPE技术适用于VOCs、SVOCs和石油烃等有机污染物高效去除，可用于渗透性较低的土壤。在选用MPE技术前，要考虑目标地块的地质特征和污染物类型等是否符合MPE技术适用范围。此外，该技术资金投入和运营维护成本相对较高，修复周期也较长。

    3.   MPE技术在长江经济带下游地区化工污染地块原位修复中的应用现状

    目前，长江经济带下游地区已有多个化工污染地块采用MPE技术修复成功的案例。张云达等[14]将MPE技术成功运用于上海某工业仓库的氯代烃和二甲苯复合有机污染地块的修复。修复过程中，结合污染分布特征，采用了0~2 m轻污染填土层土壤异位氧化与2~6 m重污染粉质黏土层土壤多相抽提相结合的方案。MPE技术运行20 d后，污染物氯代烃和二甲苯含量均降低至修复目标。邱月峰[15]采用高负压单泵TPE系统原位修复了上海某苯系物和石油烃污染地块，抽提井以正六边形布设方式排列，气水混合物抽提至地面后经“加压溶气气浮+氧化处理”，再原位注入“过硫酸钠+亚铁”。经过60 d修复后，污染物含量均降低至修复目标。张晶等[16]利用MPE技术强化回收上海某电子机械厂搬迁地块地下LNAPL，该地块受石油烃、多环芳烃和苯系物复合污染，部分区域有明显LNAPL存在。首先，通过MPE技术抽除土壤气和地下水进行处理，抽得的LNAPL作为危险废物处置。经过45 d连续抽提，地下水中污染物浓度趋于平缓且不存在明显LNAPL。王锦淮等[17]使用MPE和原位化学氧化(in-situ chemical oxidation，ISCO)联合技术对上海某氯苯和二氯苯污染地块进行原位修复，使抽提区地下水中污染物降低至修复目标。闵浩[18]采用MPE+ISCO工艺对江苏省某受苯污染制漆厂原址地块进行了修复，该地块修复深度最深约为5.5 m，污染物所在土壤地层主要为素填土和粉质黏土。修复过程中利用真空泵抽取污染地下水与气体混合物，水相经分离后通过紫外氧化反应池进行处理，达标后的清水添加适量H2O2氧化药剂再经地下水抽提/回注水井原位回注。经过抽提/回注循环交替运行40 d后，地下水中苯的浓度基本稳定，低于人体健康风险控制阈值。最后，将氧化剂过硫酸钠和活化剂氢氧化钠原位回注，经原位化学氧化修复后，地下水中目标污染均降低至修复目标。上述工程案例的地块情况和详细工艺参数总结如表4所示。

    表 4  MPE技术在长江经济带下游地区化工污染地块中的应用案例相关参数
    Table 4.  Relevant parameters of MPE case studies for chemically contaminated sites in the in the downstream region of Yangtze River Economic Zone
    原地块用途地块地址主要污染物污染深度/m污染物初始质量浓度/(mg·L−1)主要地层结构土层渗透系数/(cm·s−1)地下水埋深/m抽提井尺寸/m布井间距/m抽提井影响半径/m井头真空度/MPa单井抽提量/(m³·h−1)修复工艺达标周期/d修复目标值/(mg·L−1)参考文献
    工业仓库上海氯代烃、二甲苯2.00~6.00二氯乙烯：47四氯乙烯：120二甲苯：0.11素填土、粉质黏土—0.90~ 1.00井深4.00 井口直径0.08外管径0.05抽提管长3.50直径0.022.00~3.001.50−0.03、−0.06水：0.30/0.50气：10.00/25.00上层土壤异位氧化(H2O2)+下层土壤MPE20二氯乙烯：0.02四氯乙烯：0.04二甲苯：0.07[14]
    漆厂、树脂厂上海苯系物、石油烃0.50~6.00—杂填土、粉质砂土、粉质黏土粉质砂土层：3.95×10−5粉质黏土层：3.33×10−6 0.55~1.10井深6.00抽提管外径0.0252.501.50−0.02~−0.032.00TPE+ ISCO(PS)60苯：0.03甲苯：35.60乙苯：0.15二甲苯：0.80联(二)苯：0.06二苯醚：7.78TPH：4.29[15]
    电子机械厂上海总石油烃、多环芳烃及苯系物0.50~4.00总石油烃：130苯并(a)芘：0.02苯并(a)蒽：0.25乙苯：0.461,2,4-三甲苯：0.82填土、粉质黏土、砂质粉土粉质黏土：1.74×10−5砂质粉土：1.74×10−40.80~ 1.20井深4.00外径0.04抽提管长2.50直径0.0253.001.50−0.02水：0.30气：14.00MPE+ ISCO (PS)45总石油烃：2.11苯并(a)芘：0.005苯并(a)蒽：0.002乙苯：0.041,2,4-三甲苯：0.05[16]
    化工企业上海氯苯、二氯苯6.00氯苯：62.101,2-二氯苯：23.901,4-二氯苯：15杂填土、浜填土、粉质黏土、淤泥质黏土、黏土层杂填土：5.78×10−4粉质黏土：4.63×10−5淤泥质粉质黏土：4.17×10−5淤泥质黏土：2.31×10−5黏土层：1.16×10−60.66~2.03井深6.00井口直径 0.08外管径0.05抽提管长5.00直径0.021.500.75−0.05水: 0.4气：15.00MPE+ ISCO(PS) 25氯苯：0.831,2-二氯苯：3.751,4-二氯苯：0.71[17]
    制漆厂江苏苯5.50苯：3.98 ~ 4.66素填土、粉质黏土—0.85~4.62井深6.00内径0.057—2.00~ 3.00−0.03水：0.10~0.15气：1.00~1.50MPE+ ISCO (H2O2)60苯：9.85[18]
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    MPE技术可在较短周期内使污染物达到修复目标，在长江经济带下游地区化工污染地块修复中将发挥越来越重要的作用。MPE技术修复成功的化工污染地块的地层结构主要包括填土层、粉质砂土层、砂质粉土层和粉质黏土层，土层渗透系数多分布于10−5~10−3 cm·s−1；主要污染物为苯系物、氯代烃、多环芳烃和石油烃；污染物分布深度和地下水埋深较浅(一般≤6 m，污染位于潜水含水层)，井头真空度维持在−0.02~−0.06 MPa即可实现对地下水气的快速抽提。但由于部分地块含有黏土或淤泥质黏土等微透水性地层结构，渗透系数偏低(<10−6 cm·s−1)，单一MPE技术对污染物的去除效果受到限制。此时，MPE技术与其他ISCO技术联用可有效消除抽提后期出现的“拖尾”现象，充分发挥MPE技术原位、快速、高效修复污染地块的优势。

    4.   MPE联用技术研究进展

    MPE技术作为一种环境友好的原位修复技术，在长江经济带下游地区化工污染地块修复中具有广阔的应用前景。然而，由于实际污染地块的复杂性，单一MPE技术应用时可能存在一定局限，往往需要根据污染地块水文地质条件和污染特征提前评估MPE技术适用程度，选用合适的联用技术以达到高效修复污染地块之目的。

    若渗透性较差的黏土层在污染地块地层结构中占比较高或污染物主要分布于黏土层，则应用单一MPE技术难以实现污染物完全抽出。戴昕等[51]针对MPE技术在低渗透性土壤中抽提效果受限的缺点，采用空气曝气AS-MPE联用修复系统，通过注气泵向含水层饱和区注入空气，向高污染且低渗透性区域提供正向气相压力梯度以促进局部空气流通，有效解决了MPE技术在不均匀低渗透性地块中抽提效率低的问题。申屠雷吉等[52]提出了一种新型气动压裂强化MPE系统，通过压裂井向污染地层中注入高温高压空气，增加地层裂隙，提升非饱和区域透气率，从而强化了MPE技术对低渗透性地层的修复效果。余湛等[53]通过电动强化MPE系统向污染介质中传输脉冲电压，使土壤中弱结合水摆脱双电层束缚成为可被抽提的自由水，以加快污染介质中的物质传质过程，从而提升了MPE技术抽提效率。谢宇等[54]提出了一种创新型MPE布井系统，以每2条气相抽提管和1条液相抽提管组成1个抽提单元，相邻抽提单元横竖交错，同时在地表加设液体喷淋装置以改变土壤低渗透性，从而最大程度地提升了MPE技术在低渗透性土壤中的抽提效果。

    若复合污染地块中存在不适用MPE技术修去除的污染物，如重金属、多氯联苯和农药等，可选择合适的联用技术进行优势互补，以强化修复效果。王国杰[55]通过实验室模拟研究发现，表面活性剂水基泡沫强化MPE技术可有效去除模拟土壤中的有机污染物芘。修复后，土壤中芘的去除率可达85%以上。尹炳奎[56]验证了热强化MPE技术可以促进氯代烃污染地块中污染物向气相迁移，热强化可有效削减污染地块中二氯甲烷、氯乙烯和四氯乙烯的浓度。王锦淮等[17]对比了使用单一MPE技术和MPE+ISCO(过硫酸钠+氢氧化钠)联用2种方案对受氯苯和二氯苯污染地块的修复效果。该研究结果表明，采用MPE + ISCO联合可显著提高修复效率，使抽提区地下水中污染物含量降低至修复目标。王儒等[57]将土壤原位淋洗技术与MPE技术联用，通过灵活选用特定淋洗液强化了MPE技术对土壤的修复能力。同时，将淋洗液回收装置与MPE设备相连，可提高淋洗液利用效率并有效避免二次污染，使有机污染土壤原位修复更经济高效。

    目前，针对低渗透性地层和难挥发有机污染物抽提的MPE联用技术研究多处于实验室研究阶段，尚缺乏在实际污染地块中开展应用的报道，需开展更多中试及以上规模的示范研究，以验证MPE技术与原位热脱附、生物修复、表面活性剂增溶、气动压裂等方法联用的可行性及实用性，进一步提升MPE技术在长江经济带下游地区化工污染地块中的应用潜力。

    5.   建议

    综合考虑MPE技术的适用性、修复效率、修复周期和修复成本等因素及该技术的不足，建议在以下方面开展研究。

    1)开发MPE技术模拟预测数值模型，针对目标地块工程与水文地质信息及污染物特征，优化MPE技术遴选，指导MPE技术系统设计和参数优化(如布井方式、布井深度、真空度、抽提速率和运行周期等)。

    2)开展中试及以上规模试验，验证MPE技术与原位热脱附、生物修复、表面活性剂增溶、气动压裂等方法联用的可行性及实用性，解决复杂地层结构及复合污染特征的修复瓶颈。

    3)设计新型MPE技术抽提系统构造，实现试剂注入系统、通风系统和地下水回注系统等多功能集成创新，减少对地下环境的影响并降低设施建造成本。

    4)开发MPE自动监测与控制系统，实现运行参数实时监测与系统高效调控。

  • 图 1  不同提取溶剂对稻田土壤中目标抗生素的回收率影响

    Figure 1.  Effects of different extraction solvents on the recovery of target antibiotics in paddy soil

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    图 2  不同基质条件下目标化合物的回收率

    Figure 2.  Recovery of target compounds under different substrate conditions

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    图 3  目标化合物在稻米中的积累

    Figure 3.  Accumulation of target compounds in rice

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    图 4  目标化合物在植株(地上部分)中的积累

    Figure 4.  Accumulation of target compounds in plants (aboveground part)

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    图 5  目标化合物在植株(地下部分)中的积累

    Figure 5.  Accumulation of target compounds in plants (underground part)

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    图 6  目标化合物在稻田土壤中的积累

    Figure 6.  Accumulation of target compounds in paddy soil

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    表 1  化合物的质谱检测条件

    Table 1.  Mass spectrometric detection conditions of the compounds

    化合物内标物母离子子离子电离模式碰撞能量/V
    SMZSM-D4254155.9a，108.1b+13，22
    TETSMT445410a，154b+17，25
    ROXSMT837.4679.2a，157.9b+18，30
    OFXNOR-D5362261a，318b+18，25
    SMT198100.1a，68.2b+25，35
    NOR-D5325307a，281b+20，16
    SM-D4283185.9a，124.1b+17，26
    　　注：a 定量离子，b 定性离子。
    化合物内标物母离子子离子电离模式碰撞能量/V
    SMZSM-D4254155.9a，108.1b+13，22
    TETSMT445410a，154b+17，25
    ROXSMT837.4679.2a，157.9b+18，30
    OFXNOR-D5362261a，318b+18，25
    SMT198100.1a，68.2b+25，35
    NOR-D5325307a，281b+20，16
    SM-D4283185.9a，124.1b+17，26
    　　注：a 定量离子，b 定性离子。
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    表 2  目标化合物的线性范围、线性关系、相关系数及检出限

    Table 2.  Linear ranges, linear relationship, correlation coefficient and limit of detection (LOD) of the target compounds

    化合物浓度范围/(µg·L-1)线性方程R2LOD/(µg·kg-1)
    稻米地上部分地下部分稻田土壤
    SMZ0.20~100Y=1 438.74x-326.7030.999 80.200.250.300.50
    OFX0.20~100Y=8 377.53x-10 546.80.998 10.200.250.350.35
    ROX0.10~100Y=4 707.46x+2 387.10.999 10.100.200.250.35
    TET0.50~100Y=2 524.58x-3 041.320.998 60.500.500.800.85
    化合物浓度范围/(µg·L-1)线性方程R2LOD/(µg·kg-1)
    稻米地上部分地下部分稻田土壤
    SMZ0.20~100Y=1 438.74x-326.7030.999 80.200.250.300.50
    OFX0.20~100Y=8 377.53x-10 546.80.998 10.200.250.350.35
    ROX0.10~100Y=4 707.46x+2 387.10.999 10.100.200.250.35
    TET0.50~100Y=2 524.58x-3 041.320.998 60.500.500.800.85
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-05-31
  • 录用日期:  2021-08-20
  • 刊出日期:  2021-09-10
徐圆, 徐宇峰, 曹赵云, 杨欢, 马有宁, 林晓燕, 严清. QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
引用本文: 徐圆, 徐宇峰, 曹赵云, 杨欢, 马有宁, 林晓燕, 严清. QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
shu
XU Yuan, XU Yufeng, CAO Zhaoyun, YANG Huan, MA Youning, LIN Xiaoyan, YAN Qing. Determination of antibiotic residues in soil and rice of the simulated paddy field by QUECHERS-LC-MS/MS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
Citation: XU Yuan, XU Yufeng, CAO Zhaoyun, YANG Huan, MA Youning, LIN Xiaoyan, YAN Qing. Determination of antibiotic residues in soil and rice of the simulated paddy field by QUECHERS-LC-MS/MS[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(9): 3116-3124. doi: 10.12030/j.cjee.202105171
shu

QuEChERS-液相色谱-串联质谱法测定稻田中土壤及水稻中抗生素的残留量

    通讯作者: 严清(1982—)，女，博士，副研究员。研究方向：污水资源化等。E-mail：qyan2005@hotmail.com
    作者简介: 徐圆(1994—)，女，硕士研究生。研究方向：污水及污泥方向。E-mail：xy045130@163.com
  • 1. 河北工程大学能源与环境工程学院，邯郸 056038
  • 2. 中国水稻研究所农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心，杭州 310006
  • 收稿日期:  2021-05-31
  • 录用日期:  2021-08-20
  • 网络出版日期:  2021-09-23
基金项目:
国家自然科学基金青年资助项目(5170090712)

摘要: 采用QuEChERS-LC-MS/MS法建立了稻田模拟系统中残留的4种目标抗生素的检测方法。样品经5%甲酸-乙腈提取，用内标法进行定量。结果表明，4种目标抗生素在0.10~100 µg·L−1内具有良好的线性关系(R2>0.998)。OFX、SMZ、ROX和TET的检出限分别为0.10、0.10、0.05、0.20 µg·L−1。4种目标物质在稻田水、稻米、水稻植株(地上部分和地下部分)和稻田土壤中的回收率分别为82.8%~166.1%、78.1%~103.5%、94.5%~97.8%、67.7%~100.2%、86.7%~93.9%，相对标准偏差分别为0.3%~8.3%、1.4%~3.8%、1.1%~6.8%和1.1%~2.4%。通过建立稻田模拟系统，长期用含相应质量浓度抗生素的污水灌溉，对稻田模拟系统中抗生素的残留进行了检测。检测结果表明，SMT和ROX在各基质中均有检出，检出质量浓度为未检出~250.908 µg·kg−1。OFX和TET在稻米样品中未检出，但在其余基质中均有检出，检出质量浓度为未检出~272.354 µg·kg−1。

English Abstract

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  • 抗生素不仅可以治疗人类疾病，还可以作为生长促进剂促进动物生长，因此被广泛应用于人类医疗和动物蓄养方面[1-2]。抗生素进入动物和人体后，不能被充分吸收。未被吸收的抗生素通过尿液和粪便排出体外，可能直接排入周边环境，并造成环境污染[3]，也可能随生活污水一起进入传统污水处理厂(WWTPs)中。由于WWTPs缺少针对抗生素类污染物的去除单元，故抗生素类污染物不能被完全去除，残留的抗生素随WWTPs尾水排放进入水体及周边环境中[4-5]。尽管抗生素类污染物质在水环境中检测出的残留质量浓度极低(ng·L−1或µg·L−1级别)，但环境中持续低浓度的抗生素残留不仅可以选择性抑杀一些环境微生物，而且能够诱导一些耐药菌群或抗性基因(antibiotic resistance genes, ARGs)的产生，且ARGs可以通过水平基因转移在微生物之间转移，一旦转移到人类致病菌中，将会导致抗生素疗效降低甚至治疗失效，严重威胁人类健康[6]。城市在抗生素使用量和集中性上占据主要地位，因此，WWTPs尾水直接排放入河流或作为农田灌溉用水已成为环境抗生素及抗性基因污染的一个主要来源[7-10]。

    将WWTPs尾水回用于农业灌溉是缓解城市水资源短缺的一项重要措施[11-13]。尾水中残留的抗生素在再生水灌溉时会转移至土壤中，并诱导抗生素抗性细菌的产生，而ARGs通过基因的垂直转移和水平转移使ARGs在土壤中传播和扩散，从而对生态环境和人类健康造成威胁[14-15]。然而，目前污水灌溉对土壤造成的不利影响研究多集中于重金属、好氧有机物、pH、TSS及微生物等污染方面，WWTPs尾水中频繁检出的抗生素类新兴有机污染物却被忽略，关于污水厂尾水用于稻田灌溉时尾水中抗生素在稻田作物及土壤中的残留还未见有相关的报道。

    目前，对于环境中抗生素残留量的检测方法有生物检测法、理化检测法和联用技术[16]，相对来说，生物检测法、灵敏性低、准确性差、不够稳定，所以运用较少。理化检测法中应用较多的为超高效液相色谱法(UPLC)和气相色谱法(GC)，而联用技术相对来说灵敏度高、重复性好、检出限低，是目前应用最多的检测方法。其中，液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)法能够定性、定量的检测环境中的抗生素，并具有较低的检出限(ng·L−1)和较高的回收率，故得到广泛应用[17]。QuEChERS法具有快速、简单、便宜、有效、耐用和安全等优点，是一种可以提取食品中农药和药物残留等化学污染物的新型前处理技术[18-19]。本研究选取被广泛使用及在WWTPs尾水中检出频率较高的抗生素(磺胺甲恶唑、氧氟沙星、罗红霉素、四环素)为研究对象，采用QuEChERS的前处理净化手段，结合HPLC-MS/MS法相结合的方法，建立了稻田模拟系统中土壤及水稻中残留抗生素的测定方法。该方法操作简单、灵敏度高、重现性好，可满足稻田系统中土壤及作物中抗生素残留的检测分析，从而为保障再生水灌溉安全风险监测提供有效手段。

    • 1.   材料与方法

      1.1.   主要仪器

    • TSQ Quantum Access Max三重四极杆质谱仪(配备电喷雾离子源)、Poroshell 120 EC-C18柱(2.1×150 mm，2.7 µm)(美国Agilent)、METTLER TOLEDO电子分析天平、高速匀浆机(德国IKA)、台式离心机(美国Thermo Fisher)、KQ-300TDE超声仪(昆山市超声仪器有限公司)、超纯水仪(美国Millipore)

      • 1.2.   主要材料与试剂

    • 磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole，SMZ)、氧氟沙星(Ofloxacin，OFX)、罗红霉素(Roxithromycin，ROX)、四环素(Tetracycline，TET)、西玛通(Simatone，SMT)、诺氟沙星(Norfloxacin-D5，NOR-D5)、磺胺甲嘧啶(sulfamethazine-D4，SM-D4)标准品：纯度≥99%，均购买自上海麦克林(Macklin)公司，其中SMT、NOR-D5、SM-D4为内标物。甲醇、乙腈均为色谱级，购买自德国Merck公司，甲酸(色谱纯)购买自美国Tedia公司。无水硫酸镁(分析纯)、氯化钠(分析纯)购买自美国Sigma-Aldrich公司。其他有机试剂均为高效色谱级、无机化学品均为分析纯。

      • 1.3.   实验方法

    • 1)标准溶液的配制。将所有的标准品溶解于甲醇中，OFX、SMZ、ROX和TET母液质量浓度分别为500、1 000、1 000及1 000 mg·L−1；内标物SMT、NOR-D5和SD-D4母液质量浓度分别为10、100及100 mg·L−1。制备好的母液装入50 mL玻璃试管中，于−20 ℃条件下保存。上机前用甲醇将母液稀释至1 mg·L−1，再用初始流动相(乙腈∶水=10∶90)稀释配制工作溶液，所配浓度梯度为0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50、100 µg·L−1，稀释后的溶液于4 ℃条件下保存，尽快使用。内标溶液同样用甲醇稀释至10 mg·L−1，保存于4 ℃冰箱中，配制工作溶液时最后加入内标物，使内标物质量浓度均为20 µg·L−1，每15 d更换新鲜溶液。

      2)稻田模拟系统的建立。2019年11月，在浙江省杭州市中国水稻研究所某人工气候室中建造稻田模拟系统，稻田系统灌溉水模拟污水处理厂二级出水的水质(COD=60 mg·L−1；氨氮=8 mg·L−1；TN=20 mg·L−1；TP=1 mg·L−1)，同时添加4种目标抗生素的混和物(OFX、SMZ、ROX与TET)，添加质量浓度分别为0、10、30、100和500 µg·L−1。模拟灌溉水用自来水配制，所用配方参照文献[20]。根据灌溉水中抗生素浓度的不同，将模拟箱进行编号，其中未添加抗生素的对照组编号为P(0)，添加质量浓度为10、30、100和500 µg·L−1的目标抗生素处理组分别编号为P(10)、P(30)、P(100)和P(500)，每个处理组设置2个平行。所有的稻田模拟装置为PVC塑料方箱，尺寸为60 cm×40 cm×15 cm，系统内的填充土壤取自中国水稻研究所实验田基地同一块田中的稻田土。提前取好实验用土，晒干并称取相同质量的土壤放入模拟箱中。为模拟WWTPs水力停留时间，每隔24 h对模拟箱中的水进行更换，根据水稻不同生长周期需水量差异，每次补充水量为1~3 L。实验期间总共种植了2轮水稻，选用“中浙优8号”优质水稻种子。水稻种子用水培法育苗，幼苗长至2~3叶时，移入模拟箱，进行水稻栽培实验。

      3)样品前处理。稻田土壤：在第2轮水稻成熟期，用梅花5点取样法取每个模拟箱中土样，混匀后的样品装入密封盒中，立即送回实验室，进行冷冻干燥。将冷冻干燥后的土壤研磨过筛，准确称取5.00 g过筛土样于250 mL离心管中，加入20 mL超纯水充分浸泡，加入5%甲酸-乙腈25 mL，匀浆1 min(10 000 r·min−1)，加入1.00 g NaCl和10.00 g MgSO4作为萃取剂，继续匀浆1 min(10 000 r·min−1)，4 000 r·min−1离心5 min，取1 mL上清液过0.22 µm滤膜。将滤液上机测定。

      稻米：取完土壤样品后，随即剪下成熟稻穗，将稻谷摘下自然风干，经过脱壳、磨精、磨粉过筛，保存于4 ℃冰箱中备用。准确称取5.00 g米粉于250 mL离心管中，提取方法同稻田土壤。水稻植株(地上部分)：第2轮水稻收割完稻穗后，取水稻茎、叶样品，用自来水洗净，吸取表面水分，立即送回实验室，-80 ℃条件下保存。取出冷冻的茎叶，用吸水纸吸取表面水分，剪碎后准确称取5.00 g(鲜质量)于250 mL离心管中，提取方法同稻田土壤。水稻植株(地下部分)：将收割完茎叶的根拔出，用自来水清洗干净，吸干表面水分后，于-80 ℃条件下保存。取出水稻根，用吸水纸吸干表面水分，准确称取5.00 g(鲜质量)于250 mL离心管中，提取方法同稻田土壤。

      4)色谱条件。Agilent Poroshell 120 EC-C18柱(2.1×150 mm，2.7 µm)为色谱柱，柱前接预柱。流动相为A：0.1%的甲酸水溶液，B：乙腈，流速设置为200 µL·min−1，进样量为2.0 µL，柱温30 ℃。梯度洗脱程序：0~10 min为10%~90%B；10~12 min为90%B；12~12.1 min为10%~90%B；12.1~17 min为10%B。

      5)质谱条件。根据4种目标化合物和3种内标物质的化学性质，均采用电喷雾正离子源(ESI+)扫描，动态多反应监测(MRM)。离子传输管温度为300 ℃，气化温度为350 ℃，鞘气压力为35 Arb，辅助气压力为15 Arb，喷雾电压为3 500 V。其他质谱优化结果见表1。

      6)加标回收实验。不同基质对目标化合物具有不同的基质效应，因此，在测定回收率时，本实验分别选取空白水稻植株、稻田土壤及稻米作为3类基质，对4种目标抗生素进行加标回收实验。采用1.3.3节中的前处理方法进行样品处理，并按照优化后的色谱及质谱条件进行测定。不同基质条件下的每组实验均进行6次平行实验，计算4种目标物质(OFX、ROX、SMZ和TET)的平均回收率及相对标准偏差值。

    2.   结果与讨论

      2.1.   前处理提取溶剂的优化

    • 本实验选取稻田土壤为基质，在100 µg·L−1的加标水平下且在体积分数不同的甲酸-乙腈(乙腈、0.5%甲酸-乙腈、1%甲酸-乙腈、2%甲酸-乙腈和5%甲酸-乙腈)条件下，比较了4种目标抗生素的回收率，以确定最佳提取溶剂。结果表明，甲酸的加入可以有效提高4种目标抗生素在稻田土壤中的提取效率。图1为不同提取溶剂条件下稻田土壤中4种目标抗生素的回收率。由图1可以看出，甲酸的存在对OFX、ROX和TET这3种抗生素的提取影响较大，纯乙腈条件下，3种抗生素的回收率均<60%。加入甲酸后，提取效率明显增加。其中ROX的回收率在1%甲酸-乙腈之后趋于平缓，在甲酸含量为1%、2%及5%时，其回收率分别为94.86%、94.84%及96.56%。OFX、SMZ和TET的回收率随甲酸含量的增加而升高，在甲酸体积分数为5%时达到最高，分别为86.7%、92.3%和88.5%。综合考虑，由于TET在低浓度甲酸下，回收率较低(<60%)，为同时满足4种目标物的提取需求，最终选择5%甲酸-乙腈作为前处理提取剂。

      • 2.2.   方法的线性关系、检出限和定量限

    • 将4种目标化合物的1 mg·L−1标准溶液，按梯度稀释，梯度浓度分别为0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50、100 µg·L−1。采用内标法进行定量，用已优化好的色谱条件和质谱条件进行测定，分别以4种目标物质的质量浓度(µg·L−1)为横坐标，以定量离子的峰面积为纵坐标，绘制标准曲线。所得各物质的标准曲线及检出限(LOD)如表2所示。R2均大于0.998，检出限为0.05~0.20 µg·L−1。

      • 2.3.   基质效应的评价

    • 基质效应主要是由于样品中存在非目标成分，在运用ESI+离子源时，这些其他物质会增强或减弱目标化合物的电离结果，进而影响仪器测定结果的准确性[21]。由于内标物在色谱和质谱扫描过程中的行为与目标化合物一致，因此，本实验采用内标法补偿基质效应。采用空白基质(稻米、水稻植株、稻田土壤)进行前处理后配制相同质量浓度的标准溶液，对4种目标抗生素进行基质效应(Me)评价。用空白基质中目标分析物的峰面积A和乙腈中目标分析物的峰面积B的比值考察基质效应的大小，根据式(1)计算样品的基质效应[22]。

      式中：Me为基质效应，%；B为基质配制标准溶液的响应值；A为目标物在纯净溶剂(乙腈)中的响应值。结果表明，4种目标化合物的基质效应在89.7%~106.8%，基质效应的影响可以忽略不计。

      • 2.4.   加标回收结果

    • 选取稻米、水稻植株(地上部分)、水稻植株(地下部分)和稻田土壤为基质进行加标回收实验。准确称取不同基质5.00 g于离心管中，加标水平为100 µg·L−1，加入对应的3种内标物，加20 mL超纯水后浸泡30 min，加入5%甲酸-乙腈25 mL，匀浆1 min，加入1.00 g NaCl和10.00 g MgSO4，继续匀浆1 min，4 000 r·min−1离心5 min。取1 mL上清液过0.22 µm滤膜，上机测定。图2为4种目标抗生素在4种基质中的平均回收率。由图2可见，4种化合物的回收率为67.7%~103.5%，RSD值为0.3%~13.8%，符合实验要求。

      • 2.5.   实际样品测定

    • 本实验利用优化好的QuEChERS-LC-MS/MS方法，以含抗生素的模拟污水长期灌溉的稻田系统为研究对象，测定了稻米、水稻植株(地上部分和地下部分)和稻田土壤中4种目标抗生素的残留情况，其结果如图3、图4、图5、图6所示。由图3可以看出，在稻米样品中，4种目标抗生素在低浓度处理组(P(10)和P(30))中均未检测到(<LOQ)。SMZ在高浓度处理组(P(100)和P(500))中可被检出，检出质量浓度分别为0.851 µg·kg−1和1.716 µg·kg−1。ROX仅在P(500)处理组中被检出，检出质量浓度为0.142 µg·kg−1。有研究[23]表明，抗生素在植物中的积累与抗生素各自的辛醇/水分配系数(logKOW)密切相关。SMZ的logKOW<1，因此，土壤基质对SMZ的吸附率较低，长期存在于稻田系统中的SMZ通过水稻根部吸收进入水稻体内，进而迁移到稻米中。在本实验结果中，稻米样品中均未检测到OFX和TET，SMZ和ROX虽被检测到，但只在高浓度抗生素条件下才被检出，这与YAN等[24]的研究结果类似。有研究[25]表明，人类每年通过食用作物接触抗生素的量为1.10~7 950 µg·a−1，通过风险评估分析，食用这些作物所带来的风险可以忽略不计。在实际污水处理厂出水中，常见的抗生素残留质量浓度低于100 µg·L−1，这表明低浓度抗生素存在，对稻米安全并没有影响，WWTPs尾水回灌稻田具有推广应用的价值。

      分别考察了4种目标抗生素在水稻植株地上部分及地下部分中的残留情况，结果如图4和图5所示。由图4可以看出，SMZ在所有处理组的水稻茎叶中均被检测到，而其余3种目标物只在高浓度处理组(P(100)和P(500))中被检出。SMZ在低浓度抗生素条件下(10 µg·L−1和30 µg·L−1)的检出质量浓度分别为0.514 µg·kg−1和2.303 µg·kg−1。图5为植株地下部分中目标物的残留情况。可以看出，4种目标化合物在所有处理组中均可被检测到，且检出浓度随添加抗生素浓度的增加而升高。对比图4和图5可以看出，在相同处理条件下，4种目标物在水稻植株地下部分的检出浓度均高于地上部分。OFX在水稻地下部分中整体检出浓度较高。在P(500)处理组中，TET在水稻地上部分及地下部分中的检出浓度均为最高，分别为9.709 µg·kg−1和26.047 µg·kg−1。以上研究结果表明，目标抗生素进入稻田环境中后被水稻植株根际所吸收，大部分在根际累积，少部分迁移到水稻的茎叶中。

      图6显示了4种目标抗生素在稻田土壤中的检出质量浓度。在所有处理组中，4种抗生素均被检测到。其中OFX和ROX在稻田土壤中的检出质量浓度显著高于SMZ和TET，最大值分别为272.354 µg·kg−1和250.908 µg·kg−1，而TET和SMZ的最高检出质量浓度分别为31.339 µg·kg−1和27.747 µg·kg−1。有研究[26]表明，抗生素在土壤中的残留量与他们的分子结构、半衰期、抗性及吸附性有关，不同的物理化学性质，导致不同种类的抗生素在土壤中的吸附率存在差异。在土壤基质中，在相同处理条件下，OFX的残留量均为最大。虽然OFX具有较低的logKow(<2.5)，但氟喹诺酮类抗生素在固体基质中吸附性较高[27-29]。氟喹诺酮类抗生素本身含有羰基、氨基和羧基等化学键，具有两性特征，土壤的pH对其在土壤中的吸附影响较大，使得这类抗生素较容易被土壤吸附，在土壤中的吸附率可以达到接近100%[30]。本研究结果显示，尽管在低浓度处理组(P(10)和P(30))中，4种目标物的检出浓度均相对较低，但在土壤基质中的残留量普遍高于其他3种基质。

      综上所述，OFX的检出质量浓度在稻田土壤及水稻根部中较高，分别为8.633~272.354 µg·kg−1和1.766~24.152 µg·kg−1。在水稻植株成熟茎叶中部分可检出，检出质量浓度为0~0.921 µg·kg−1，在稻米样品中未检出(<LOQ)。灌溉水中的抗生素大部分被稻田土壤基质所吸附，其次在水稻根际积累，进而往水稻茎叶中迁移，稻米中残留量最低。从本实验研究结果可以看出，如果长期用含高浓度抗生素污水灌溉稻田，OFX和ROX在稻田土壤中的检出浓度较高，超过生态毒性效应触发值(100 µg·kg−1)[31]。而SMZ和TET 2种目标物在稻田土壤中的残留量相对较少。GU等[31]的研究表明，在菜地环境中TET较容易被降解，检出浓度低于检出限，这和本研究结果相似。因此，从我们获得的实验结果可知，污水尾水回用于农业灌溉时，其残留的低浓度抗生素不会在可食部分中积累，所产出的大米的在日常消费不会构成人体健康威胁。

    3.   结论

    • 1)通过优化QuEChERS方法的提取溶剂，建立了基于LC-MS/MS法快速定性定量分析稻田模拟系统中土壤及植株中4类常用抗生素残留的方法，该方法操作方便、灵敏度高、重复性好。

      2)用5%甲酸-乙腈作为提取溶剂，样品提取回收率达到67.7%~103.5%，相对标准偏差为0.3%~13.8%。4种目标化合物及内标物在同一色谱条件下得到较好的分离，各物质在0.10~100 µg·L−1内呈良好线性关系，R2>0.998。

      3)在测定的实际样品中，4种抗生素在各基质中的残留量大小为稻田土壤>水稻植株(地下部分)>水稻植株(地上部分)>稻米，检出浓度为0~272.354 µg·kg−1。由于污水处理厂出水中实际抗生素的质量浓度远低于100 µg·L−1，因此，我们可以推断污水处理厂出水回用于稻田生态系统的灌溉，可以在实现污水资源化的同时实现尾水的无害化。

    参考文献 (31)

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