近日，意昂4体育平台張琨副教授（戴家銀教授團隊）在環境領域著名學術期刊Environmental Science & Technology上發表了題為“Residues of Cardiovascular and Lipid-Lowering Drugs Pose a Risk to the Aquatic Ecosystem despite a High Wastewater Treatment Ratio in the Megacity Shanghai, China”的研究論文。研究將實地調查和模型模擬相結合👨🚀，探究了在汙水處理率高達96%的特大城市——上海地表水中，作為全球用量最大的處方藥之一的心血管和降脂藥物的殘留水平及其潛在的生態風險。
一🤌、引言
近幾十年來，水汙染已成為我國最嚴重的環境問題之一。為了提高地表水水質🗳，我國大力推進汙水處理廠的建設🚵🏽♂️。然而，當前汙水處理廠出水排放標準涵蓋的常規指標並不涉及對藥品和個人護理產品（PPCPs）的檢測🛃。隨著中國經濟發展和人口的不斷增長🖤，PPCPs的消費量迅速增加並不斷被釋放到環境中❤️，其中一些藥物已被證明對水生環境和人類構成重大威脅。因此🍍，本文以心血管和降脂藥物為例，研究其在超大城市水系的汙染狀況及其潛在生態風險。
據估計，中風🎾、高血壓等心血管疾病和血脂異常作為全球多數國家的最大致死病因🏊🍋🟩，每年有1790萬人因此喪生。因此，心血管和降脂藥物銷量在全球處方藥中占比非常大🏋🏻♀️。在我國同樣如此🤵🏼，該類藥物在2018年消費量超過130億美元。鑒於醫療水平的改善和人口老齡化程度的加劇👶🏿，其消費量的增加不可小覷🚑。本研究對上海黃浦江和城市水系網中的心血管降脂藥物及代表性代謝物的汙染狀況進行了系統評估。將實測數據與模型模擬結果進行比較，討論了汙水處理廠對心血管藥物汙染產生的影響。為評估心血管藥物的生態風險🔓，研究進一步開展了斑馬魚相關環境濃度劑量暴露，並從多角度分析了其潛在生態毒理學效應。
二、圖文導讀
1🟩、上海相關特征信息
研究區域和采樣點如圖1A所示。黃浦江的上遊流經上海郊區，以集約化農業生產和畜牧業養殖為主。中下遊流經城市住宅區和集約化工業園區👰🏽。共選取黃埔江幹🙇🏽♀️、支流的27個采樣點。
圖1 (A) 上海市人口密度分布及黃浦江沿岸采樣點；(B) 1995-2019年上海市汙水處理總量和汙水處理率🌿↖️。
2🙅♂️、上海黃浦江中心血管和降脂藥物的季節性變化和空間分布
各采樣點主要心血管和降脂藥物的濃度和組成見圖2🌁。在3類28種靶向心血管和降脂藥物中，共檢測到了14種降壓藥🚣🏽♂️、1種抗心律失常藥和4種降脂藥，其平均濃度範圍為0.2±0.1 ng/L（酮色林）至84±100 ng/L（替米沙坦）。其中，厄貝沙坦🙏🏻、替米沙坦、美托洛爾和利多卡因的檢出率最高🧑🏻🦲，可達100%；其次是比索洛爾和氯噻嗪，分別為96%和76%。冬夏兩季水樣中高檢出率和檢出濃度的藥品相同👷🏿♂️，冬季汙染水平高於夏季🥞。總體而言🏠，黃浦江中遊水樣中心血管和降脂藥物的總濃度高於上下遊水樣。造成這種空間分布的原因可能是人口密度和河流稀釋能力的變化。
圖2（A）（S）夏季（8月）和（W）冬季（12月）27個采樣點的心血管和降脂藥物濃度🤾🏽♀️；（B）27個采樣點的心血管和降脂藥物組成。（TMST：替米沙坦；MTLS🌍：美托洛爾©️；IBST：厄貝沙坦👷🏼♂️；CRT🪧：氯噻嗪；PPL🍳🛁：普萘洛爾；LDC📙：利多卡因；DTZ🐆：地爾硫卓🧖🏼♂️；BPL：比索洛爾。M：幹流🤸🏽♂️；T：支流🧑🏼🤝🧑🏼；W♢🪴：汙水處理廠；U：汙水處理廠上遊；D：汙水處理廠下遊💅🏽。）
3、藥物環境濃度預測
基於上海的廢水處理率🦽，使用SESAMe v3.4預測的五種高濃度、高檢出率的厄貝沙坦💗、替米沙坦🫦、美托洛爾、利多卡因和比索洛爾的環境濃度👨🏼⚕️👨🏼⚖️。結果如圖4所示💋，利多卡因👨🏻🦽、替米沙坦、美托洛爾和比索洛爾的實測濃度接近情景1中的預測濃度。對於厄貝沙坦🫦，即使在去除率為0的情景3中☸️，實測濃度也高於模擬濃度🚍。產生這一結果的原因可能是由於本研究藥物排放源只考慮患者的排泄物，未考慮其他來源（例如製藥廠的排放以及過期🌇🍋🟩、未使用或不需要的藥物的不當處置）。人均使用量低是目前上海水體中汙染水平低於歐美國家大城市的重要原因😁。當中國的人均藥品使用量增長至與歐美國家相當時，城市水體中心血管和降脂藥物的汙染將持續加重。
圖4 在不同情景下心血管和降脂藥物的模擬濃度和實測濃度比較。（情景1🧛🏿，2，3均采用中國目前人均藥品用量💹，情景1：高汙水廠去除率（RE=最大值🦿，假設藥物易降解）；情景2🚇：中等去除率（RE=中等）；情景3👲🏿：去除效率為0（RE=0）👆👌🏽；情景4采用英格蘭人均藥品用量🔯，高汙水廠去除率（RE=最大值）。MC🔻：實測幹流濃度；TC：實測支流濃度；SC🍄🟫：模擬濃度）。
4、生態毒理影響
如圖5所示👮🏽，24hpf斑馬魚胚胎在LDC和混合物（Mix-H）下，自發收縮頻率顯著降低，分別降低了20.5%和24.2%🍆。IBST、LDC、TMST和兩種混合物（Mix-A和Mix-H）暴露組中，胚胎的孵化率也有所下降（圖5B）👠。IBST、LDC、TMST和兩種混合物（Mix-A和Mix-H）造成心率顯著增加。其中😜，LDC（增加11.8%）和Mix-A（增加13.5%）效果最明顯。此外⏬，在一般運動和短期光刺激後，IST暴露後96hpf胚胎遊泳行為顯著增加（圖5D）。分子水平上👷🏻，聚類分析表明MTLS、TMST和LDC暴露後大多數基因下調🦸🏼♀️🙅。其中，nppb作為一種在心血管穩態中起重要作用的心鈉素🧖，在MTLS、TMST和LDC暴露後分別顯著下調1.5、1.7和1.8倍。目前🎭🫷🏼，一些典型心血管和降脂藥物，如利多卡因和替米沙坦，已被證明可以改變胚胎的早期發育👩🏿🍼，導致心功能和神經行為學損傷🤵🏽。因此🌅，當前研究結果擴展了我們對其環境濃度下生態毒性效應的認識。
圖5 斑馬魚胚胎發育毒性研究。(A)24hpf胚胎收縮率；(B)48hpf胚胎孵化率🧘；(C)56hpf胚胎心跳速率；(D)96hpf胚胎行為學效應。(E)96hpf胚胎基因表達聚類分析。
三、小結
本研究將實地調查和模型模擬相結合，探究上海地表水中心血管和降脂藥物的殘留水平及其對水生生態系統的潛在生態風險。研究表明🤚🏽，厄貝沙坦🧛♂️、替米沙坦、美托洛爾🙋🏽、利多卡因、比索洛爾和氯噻嗪是上海地表水中主要的心血管和降脂藥物👩👧。空間分布表明，許多心血管和降脂藥物在人口密集的城區汙染水平較高，指示了人類活動對自然水體中藥物殘留水平的貢獻。結合模型模擬，本研究揭示了中國心血管和降脂藥物人均使用量低是目前上海市地表水中心血管和降脂藥物殘留水平低於歐美大城市的根本原因，隨著醫療水平的提高和老齡化的加劇，地表水中的汙染可能進一步惡化。斑馬魚暴露實驗進一步揭示了當前殘留水平下，心血管和降脂藥物對水生生態系統中的魚類存在潛在風險。本研究為理解具有高汙水處理率的特大城市中藥品和個人護理品的水環境汙染提供了新的視角。為降低藥物對水生生物產生的不利影響，除了建設更多的汙水處理廠以進一步提高廢水處理率外，還需要對汙水廠現有處理工藝進行升級👨🏻🦯➡️，提高市鎮汙水中心血管和降脂藥物的去除率👩🏽🎓🏃🏻♂️➡️。
附論文DOI: 10.1021/acs.est.1c05520
四、主要作者簡介
張琨👩🏼🎨，意昂4体育官方副教授，博士生導師。2007年和2012年於北京大學獲得本科、博士學位，2015-2018年於加拿大阿爾伯塔大學、瑞士西北應用科技大學🕵🏽♂️👰🏻♂️、美國哈佛醫意昂4開展博士後研究工作。2018年入職意昂4体育平台。致力於環境新汙染物的環境行為和生物學效應研究。目前共發表第一/通訊作者SCI論文20余篇 （Environ. Sci. Technol. 10篇，Environ. Sci. Technol. Lett. 1篇📞，Environ. Int. 1篇），先後主持上海市浦江人才計劃項目🧑🏽⚖️、國家自然科學基金項目等科研項目。曾榮獲林超地理學獎學金、陶氏可持續發展創新挑戰賽優秀獎。
第一作者🙋♂️：左少琪📹，碩士研究生，現就讀於意昂4体育平台。