鄧洋慧，郭昌勝,2，殷行行，羅 瑩，徐 建,2*

1.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境健康風險評估與研究中心，北京 100012

2.中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護化學品生態(tài)效應與風險評估重點實驗室，北京 100012

精神活性物質(zhì)(psychoactive substances，PSs)是一大類對人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有強烈興奮或抑制作用的化合物，在一定程度上影響人的思維、情感、意志行為等心理生理過程.PSs 的濫用一直是世界性的問題[1].水環(huán)境中的PSs 主要來源于吸毒人員的排泄物和醫(yī)院的正常用藥，以及制毒工廠違法偷排的廢水等[2].含PSs 的廢水最終進入污水處理廠[3]，但目前的污水處理工藝很難將其完全去除[4-7]，未被有效去除的物質(zhì)通過污水處理設(shè)施出水，最終進入地表水中.歐洲、日本和拉丁美洲等國家和地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的PSs 會隨水流進入地下含水層，甚至污染飲用水[8-9].《2021 年世界毒品報告》指出，全球有超過2.75 億的居民吸毒，其中近3 100 萬人為吸毒成癮者，主要使用的物質(zhì)包括大麻、阿片類藥物、可卡因及苯丙胺類興奮劑[3,6,10-16].美國、意大利、英國和西班牙等國家最早開展PSs 的檢測[14].Bartelt-Hunt 等[17]報道了美國密蘇里河受污水處理廠排水的影響，METH 的檢出濃度高達350.0 ng/L.Baker 等[18]在英國某污水處理廠進水及出水中檢測到甲基苯丙胺(methamphetamine，METH)、苯丙胺 (amphetamine，AMP)、氯胺酮(ketamine，KET)、去甲氯胺酮(norketamine，NK)、可卡因(cocaine，COC)、苯甲酰牙子堿(benzoylecgonine，BE)、搖頭丸(ecstasy，MDMA)及EPH 等，其濃度在1.0～2 300.1 ng/L 之間，并在受納河流中也檢出這些化合物，其濃度范圍在LOD(檢出限)～52.5 ng/L 之間.Mendoza 等[19]在西班牙馬德里的地表水中檢測到EPH、COC 和BE，其濃度分別高達1 020.0、103.0和823.0 ng/L.VAN-Nuijs 等[11]在比利時河流中檢出60.0 ng/L 的COC 以及222.0 ng/L 的BE[12].我國位于兩大毒品產(chǎn)地“金三角”和“金新月”之間，PSs 濫用問題由來已久.截至2019 年底，我國現(xiàn)有在冊吸毒人員240.4 萬名，占全國人口總數(shù)的0.18%，且我國PSs濫用的種類多元并存[20].前期研究[8]發(fā)現(xiàn)，我國污水處理廠進出水中檢測到了多種PSs，其中METH 濃度達到了456.8 ng/L，而其他PSs〔包括AMP、KET、可待因(Codeine，COD)〕的檢出濃度相對較低.Li 等[21]對北京市13 處污水處理廠進行了研究，發(fā)現(xiàn)8 處污水處理廠的進水中METH 濃度明顯較高〔平均值>(115.8±28.0) ng/L〕，出水中也未將其有效去除.筆者所在的課題組在北京市地表水中檢出了包括METH、EHP 和KET 在內(nèi)的多種PSs，可檢出濃度范圍為17.1～185.7 ng/L[22].Lin 等[23]在中國臺北高雄?屏東地區(qū)的地表水中檢測出KET 的濃度高達420.0 ng/L；Jiang 等[24]在中國臺灣西南部沿岸的海水中檢測出KET 濃度在nd～23.3 ng/L 之間.

PSs 因其較強的極性和生物活性，不易揮發(fā)且難以被生物降解[25]，進入水環(huán)境后對水生生物的毒性也不斷被證實[26-28].研究[29]發(fā)現(xiàn)，0.004 μmol/L 的METH和KET 混合物能夠顯著延緩青鳉魚的胚胎孵化時間、改變幼魚的游泳行為.Sancho-Santos 等[30]發(fā)現(xiàn)，將褐鱒魚暴露于1.00 和50.00 μg/L METH 溶液中35 d，褐鱒魚的肝臟和心臟均有退化改變發(fā)生.殷行行等[31]將斑馬魚暴露于0.01、1.00 和100.00 μg/L EPH 溶液中21 d，結(jié)果顯示，EPH 在斑馬魚體內(nèi)存在器官特異性分配，EPH 在斑馬魚體內(nèi)的平均含量表現(xiàn)為腦>卵巢>肝>腸>肌肉.目前有限的研究主要針對PSs 對生物個體毒性的影響，在環(huán)境暴露條件下它們對水生態(tài)環(huán)境的影響還不甚清楚，尤其在現(xiàn)實水環(huán)境中，PSs以什么形式和濃度水平存在，是現(xiàn)階段需要關(guān)注的重點.

常州市地處江蘇省南部、長三角腹地，位于太湖西北部，地勢平坦，屬于典型平原河網(wǎng)地區(qū)，人口集中，工農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，屬于我國社會經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)[32].目前已有研究報道太湖流域的河流及污水處理廠中PSs 的污染現(xiàn)狀[33]，針對常州市揮發(fā)性有機污染物、有機磷酸酯和抗生素等新污染物賦存現(xiàn)狀已有相關(guān)研究[34-35]，但對PSs 在常州市水環(huán)境中的污染水平尚鮮有報道.鑒于此，該研究以常州市湖泊、河流及飲用水源為主要研究對象，使用UPLC-MS/MS 分析了13 種PSs 及代謝物在不同水體中的濃度分布特征；采用主成分分析和皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析目標污染物與采樣點間存在的相關(guān)性，并利用風險熵法評估PSs 的環(huán)境風險，以期為進一步分析PSs 在水環(huán)境中的來源、環(huán)境行為及最終歸趨提供參考.

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

EPH、AMP、METH、甲卡西酮(methcathinone，MC)、3,4-亞甲基二氧基苯丙胺(3,4-methylenedioxy amphetamine，MDA)、MDMA、NK、KET、BE、COC、MET、HR、COD(理化性質(zhì)見表1)與甲基苯丙胺-d8(METH-d8)均購自美國Cerilliant 公司；濃鹽酸(分析純)購自國藥集團化學試劑有限公司(北京)；色譜純甲醇、乙腈購自英國Fisher 公司；氨水(37%)與甲酸(99.9%)購自美國Sigma-Aldrich 公司；試驗用超純水由Milli-Q系統(tǒng)制備(Millipore，MA，美國)；固相萃取柱Oasis MCX(60 mg，3cc)購自美國Waters 公司；玻璃纖維濾膜(GF/FTM filters，直徑47 mm，孔徑0.45 μm)購自英國Whatman 公司.

表1 PSs 的理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of PSs

1.2 樣品采集

2019 年6 月在常州市3 個市轄區(qū)共布設(shè)29 個采樣點(記為CZ1～CZ29)(見圖1).其中，地表水源地水體(水庫)采樣點5 個，包括向陽水庫、新浮山水庫、海底水庫及茅東水庫；常州市兩條主要河流(京杭大運河及丹金溧漕河)以及支流河流采樣點19 個，武進區(qū)長蕩湖及滆湖水體采樣點5 個.每個采樣點取水樣1 L，置于提前用甲醇和Milli-Q 水洗凈并烘干的棕色玻璃瓶中.采樣結(jié)束后立即運回實驗室于4 ℃下冷藏.全部樣品在48 h 內(nèi)處理完畢.

圖1 常州市水環(huán)境采樣點分布Fig.1 Location of the sampling sites in the water environment of Changzhou City

樣品前處理及測定參照文獻[3]，取1 L 地表水樣經(jīng)0.45 μm 玻璃纖維濾膜過濾，濃鹽酸調(diào)節(jié)pH 至3，加入5 ng METH-d8；水樣以1 mL/min 的流速過Oasis MCX 萃取柱(經(jīng)5 mL 甲醇和6 mL 超純水活化平衡)富集；然后，用6 mL 超純水淋洗MCX 柱，抽干多余水分.萃取柱用6 mL 含5%氨水的甲醇進行洗脫；收集洗脫液至10 mL 離心管中，在40 ℃水浴中弱氮氣流吹至近干，用1 mL 水/乙腈溶液(體積比為9∶1)重構(gòu)樣品，經(jīng)0.22 μm 尼龍膜過濾，待測.

1.3 樣品分析

1.3.1 樣品測定

液相色譜柱為ACQUITY UPLC? BEH C18(1.7 μm，50 mm×2.1 mm，Waters，MA，USA)，進樣量為5 μL，流動相由0.1%甲酸水溶液(A)和乙腈(B)組成.流動相流速為0.45 mL/min，柱溫為40 ℃.洗脫梯度如表2 所示.

表2 目標物質(zhì)的洗脫梯度Table 2 Elution gradient of target substance

目標物定量分析使用Xevo T-QS micro 三重四級桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(Waters，MA，USA)完成，采用多反應監(jiān)測(multiple reaction monitoring，MRM)與電噴霧正離子源(ESI+)模式.氮氣作為脫溶劑和霧化氣體，毛細管電壓為0.5 kV，離子源和脫溶溫度分別為150和400 ℃.目標物質(zhì)譜參數(shù)見表3.

表3 目標物質(zhì)的特征選擇離子及質(zhì)譜條件Table 3 Analyte ions for UPLC-MS/MS monitoring,and conditions of collision voltage and declustering potential

1.3.2 方法驗證與質(zhì)量控制

采用內(nèi)標法定量，線性范圍為0.01～10.00 μg/L，R2>0.99.分別以Milli-Q 水、自來水和地表水為基質(zhì)進行加標回收率試驗，加標水平為5 ng.

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Waters MassLynx V4.1 軟件對檢測出的峰譜圖進行分析，利用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計學分析，采用OriginPro 2017 軟件制圖.采用Pearson 相關(guān)分析和主成分分析(PCA)探討PSs 的來源.采用ArcGIS 10.2 軟件繪制PSs 的采樣點位圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 常州市水環(huán)境中PSs 的濃度水平

常州市水環(huán)境中13 種PSs 濃度和檢出頻率如表4 所示.其中，MC、MDMA、NK、COC、BE 均未檢出，COD 的檢出頻率僅為3.0%，其他7 種PSs 在常州市水環(huán)境中均有不同程度檢出，MDA、MET、AMP、METH、KET、HR 的檢出頻率分別為31.0%、55.2%、79.3%、86.2%、93.1%、96.6%，而EPH 的檢出頻率(100%)和檢出濃度最高，范圍為0.23～21.98 ng/L.我國主要水體中PSs 與其他國家相比結(jié)果如表5 所示.EPH 可作為AMP 和METH 的前體藥物，同時也作為醫(yī)療的合法用藥，如支氣管擴張劑和鼻減充血劑[37].較高EPH 的檢出頻率，也說明了其在常州市作為處方藥的廣泛使用.常州市水體中EPH 的污染水平低于北京市城市河流中EPH 的檢出濃度(nd～50.8 ng/L)[22]，與國外已有報道結(jié)果相比，遠低于西班牙馬德里Jarama 河和Manzanares 河(30.6～1 020.0 ng/L)[19]，稍高于英國馬斯登Calder 河(nd～16.5 ng/L)[18].

表4 常州市水環(huán)境中PSs 的LOD、LOQ、回收率以及入常州市水環(huán)境中其檢出濃度Table 4 LOD,LOQ,detection rates and concentrations of PSs in the water environment of Changzhou City

表5 國內(nèi)外地表水中AMP、METH、MET 和KET 的濃度Table 5 Concentrations of AMP,METH,MET and KET in surface water from different regions ng/L

常州市水環(huán)境中METH 的檢出頻率為86.2%，濃度水平在nd～8.47 ng/L 之間.METH 作為我國主要濫用藥物之一[20]，前期曾報道北京城市河流中METH濃度高達99.5 ng/L[22]；渤海灣36 條主要河流中METH的最高濃度達42.0 ng/L[14]；深圳河中METH 的最高濃度為239.0 ng/L[38]；滇池中METH 的濃度高達95.9 ng/L[23]；在中國臺灣青年節(jié)期間地表水中METH的濃度高達917.0 ng/L[39].而在西班牙的主要河流中METH 的檢出濃度最高為5.0 ng/L[19,22,40]，在英國主要河流中METH 的檢出濃度僅為0.3 ng/L.以上結(jié)果佐證了中國整體METH 濫用程度高于其他國家的事實[1,16,19].

常州市水環(huán)境中AMP 的檢出頻率為79.3%，低于EPH 和METH 的檢出頻率，濃度水平為nd～0.53 ng/L，遠低于METH.AMP 的主要來源是METH 的代謝產(chǎn)物和治療帕金森病的處方藥(司來吉蘭)的主要成分[41].有研究表明，METH 經(jīng)人體代謝后轉(zhuǎn)化為AMP排出的轉(zhuǎn)換率在4%～7%之間[42]，由此推斷，當AMP的濃度與METH 的濃度比為0.04～0.10 時，AMP 的主要來源是METH 的轉(zhuǎn)化代謝.該研究中AMP 和METH 的比值>0.1，說明常州市水體中AMP 的主要來源可能是處方藥司來吉蘭的使用.常州市水環(huán)境中AMP 的檢出濃度基本與北京市地表水一致，但稍低于環(huán)渤海入海的36 條河流(nd～0.8 ng/L)，低于鴨綠江(32.0 ng/L)[14]的檢出濃度.與國外研究相比，我國常州市水環(huán)境中AMP 濃度明顯低于西班牙馬德里Manzanares 河(309.0 ng/L)，與意大利(nd～0.7 ng/L)[2]、英國(<0.7 ng/L)[2]和瑞士(<1.2 ng/L)[43]等國家的檢出濃度水平相當.

常州市水環(huán)境中KET 的檢出頻率(96.6%)相對較高，濃度水平為nd～3.29 ng/L，低于滇池中KET 的檢出濃度(12.6 ng/L)，與我國其他幾大湖泊中KET的檢出范圍(

2.2 常州市水環(huán)境中PSs 的空間分布及組成

由圖2 可見，在常州市武南河的CZ26 采樣點，METH、MDA、EPH 均有較高的檢出濃度，分別為8.47、7.96、21.98 ng/L.采樣點武南河是滆湖的主要匯水河流之一.滆湖位于太湖流域上游，橫跨常州市武進區(qū)和無錫宜興市，是蘇南太湖流域的重要組成水系，是典型淺水湖泊，具有飲用、灌溉、航運、游覽和水產(chǎn)增養(yǎng)殖等多種功能[46].近年來，隨著滆湖周圍地區(qū)經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市化進程的加快，滆湖流域污染負荷不斷增加，且由于滆湖兩岸居民密集，導致生活污水及工業(yè)廢水排放量較大.通過對滆湖采樣分析，發(fā)現(xiàn)METH、MDA、EPH 的檢出濃度均小于武南河上采樣點，可能是由于采樣時間為6 月，處于南方的雨季，河水流速較大，對污染物有稀釋作用，且在武南河采樣點的上游、滆湖的下游存在一個大型醫(yī)院和一個世界公園，因此這3 種物質(zhì)的檢出濃度較高可能與周邊有相關(guān)污染源有關(guān).

在4 個水庫的采樣點中，HR、MET 的占比較高，主要在新浮山水庫(CZ16 和CZ17 采樣點)和海底水庫(CZ18 采樣點)有較高濃度的檢出，可能與兩個水庫附近有大量酒店、農(nóng)莊及大型度假區(qū)有關(guān).向陽水庫和茅東水庫中均未檢出HR、MET，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這兩個水庫附近較為空曠，鮮有人類活動.由于近年來我國對PSs 的整治和管控，在KTV、酒吧等公共娛樂場所查獲吸毒人員數(shù)量越來越少，私人住宅、出租屋、機動車內(nèi)等隱蔽場所逐漸成為查獲吸毒人員主要場所[19]，因此，此次在新浮水庫和海底水庫檢測出較高濃度的HR、MET，可能與上述人類活動有關(guān).如圖2所示，在湖泊、河流中檢出的PSs 占比較高的均為METH、AMP、KET、EPH，與《2019 年中國毒品形勢報告》報道結(jié)果一致，上述4 種PSs 是我國目前主要濫用藥物[20].

圖2 常州市水環(huán)境中PSs 的組成特征Fig.2 Composition of PSs in the water environment of Changzhou City

2.3 PSs 源解析

采用主成分分析對常州市水環(huán)境中PSs 的同類來源進行解析.首先獲得分數(shù)圖和因子加載，經(jīng)變量最大旋轉(zhuǎn)后，提取出特征值>1 的因子有5 個，分別占總方差的42.47%、21.87%、16.63%、9.96%和5.94%.結(jié)果(見圖3)顯示，AMP、METH、EPH 以及位于京杭大運河、滆湖及長蕩湖的采樣點對主成分2 的負荷相對較高，這3 種物質(zhì)均屬于苯丙胺類藥物，常被用作興奮劑，說明這些藥物與人類的頻繁消費和濫用有關(guān)，同時這些采樣點附近存在大量污水處理廠，由于AMP 的主要來源是司來吉蘭的主要成分，而EPH常被用作平喘藥和鼻通藥，因此其主要來源是污水處理廠的排放以及醫(yī)院廢水，而HR、KET、MET 以及位于武進區(qū)的采樣點對主成分1 的負荷相對較高，主要是因為HR 和KET 是我國濫用量較多的藥物，據(jù)《2019 年中國毒品形勢報告》顯示，2019 年我國HR的濫用量占PSs 總濫用量的37.5%，KET 的濫用量占PSs 總濫用量的2.3%[20].而MET 因其特有藥理學作用而被廣泛用于阿片類(主要是HR)成癮的治療[47]，我國于2003 年開始試行MET 維持治療，在臨床中發(fā)現(xiàn)，吸毒人員進行足量的MET 維持治療，可以在一定程度上減少其對諸如HR 等毒品的生理依賴[48].另外，MET 維持治療也被用于麻醉品的依賴治療，尤華等[49]開展了無錫市MET 維持治療濫用PSs的研究，結(jié)果顯示，MET 維持治療同樣被用于治療METH 和KET 的成癮，常州市大型醫(yī)院主要分布在天寧區(qū)及武進區(qū)，因此這些藥物的主要來源可能是醫(yī)院廢水的排放[50].

圖3 常州市水環(huán)境中PSs 的因子載荷與主成分得分Fig.3 Loading and score plot of PCA of PSs in the water environment of Changzhou City

常州市水環(huán)境中不同PSs 濃度之間的相關(guān)分析見表6.結(jié)果顯示，AMP 濃度與METH 濃度呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為?0.38(P<0.05)，這可能是因為AMP是METH 的活性代謝產(chǎn)物，地表水中的AMP 部分來源于METH 的降解(包括人類濫用后的體內(nèi)降解和進入水環(huán)境后的降解)[41].AMP 濃度與EPH 濃度呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為?0.39(P<0.05)，由于EPH 是AMP 和METH 合成時的重要前體藥物，因此這也與METH 向AMP 的降解有關(guān)[51].EPH 濃度與METH濃度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.97(P<0.01)，說明二者的濫用形式及濫用人員存在一定的相似性.EPH濃度與MDA 濃度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.98(P<0.01)，METH 濃度與MDA 濃度也呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.97(P<0.01)，這反映了我國目前毒品濫用種類多元并存、違法人員同時濫用多種毒品的現(xiàn)狀[19,52].

表6 常州市水環(huán)境中PSs 濃度的相關(guān)性Table 6 Relevance of PSs concentrations in Changzhou City

2.4 環(huán)境風險評估

基于風險熵(risk quotient，RQ)方法[19]對常州市12 種PSs 進行風險評估，RQ≥1.0 為高風險，0.10≤RQ<1.0 為中等風險，0.01≤RQ<0.1 為低風險.計算方法見式(1)(2)：

式中：MEC 為物質(zhì)在水環(huán)境中的檢出濃度，mg/L；PNEC 為物質(zhì)毒性的預測無效應濃度，mg/L；EC50為物質(zhì)對水生物毒性的半數(shù)效應濃度，通過文獻或US EPA 提供的ECOSAR 軟件計算求得，mg/L；AF為評價因子，采用歐盟水框架指令的推薦值(1 000).

筆者收集了12 種PSs 在不同水生生物(魚類、水溞和藻類)中的半數(shù)致死(效應)濃度〔L(E)C50〕，選出最為敏感的生物毒性數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)得到對應的PNEC 值(見表7).常州市水環(huán)境中PSs 的生態(tài)風險評估結(jié)果見圖4.由圖4 可見，CZ17、CZ18、CZ22、CZ23 和CZ24 采樣點水體中MET 對水生生物存在低風險；其余11 種PSs 的RQ 均小于0.01，不存在生態(tài)風險，表明其對河流中水生生物不會產(chǎn)生危害.該研究發(fā)現(xiàn)，PSs 通常是多種共存的，單一物質(zhì)的風險效應并不能說明實際情況，其對水生態(tài)系統(tǒng)的長期潛在風險仍不容小覷.

圖4 常州市水環(huán)境中PSs 存在的生態(tài)風險Fig.4 RQ values of PSs in the surface water in Changzhou City

表7 12 種PSs 的半數(shù)致死(效應)濃度L(E)C50 和PNEC 值Table 7 Half effect concentration L(E)C50 and PNEC values of 12 psychoactive substance

3 結(jié)論

a) 常州市水環(huán)境中PSs 的污染水平和分布特征分析結(jié)果顯示，13 種PSs 中檢測濃度最高的是EPH(21.98 ng/L)，其次是METH (8.47 ng/L).PSs 檢出濃度最高的采樣點出現(xiàn)在滆湖的出水河流武南河.

b) 源解析結(jié)果表明，常州市武進區(qū)主要河流中PSs 受醫(yī)院廢水的影響較為嚴重，而其余幾個區(qū)污染主要受到醫(yī)院廢水和污水處理廠的共同影響.

c) 常州市水環(huán)境中有5 個采樣點的MET 對水生生物存在低風險，其余目標污染物對水生生物不產(chǎn)生風險，但不能忽視PSs 對水生生態(tài)系統(tǒng)存在長期及潛在的復合毒性效應.