黃浦江流域中酚類環境激素的分布特征及生態風險評價

鮑陽陽,孫 瑞,徐奔拓,徐 剛,吳明紅

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

黃浦江流域中酚類環境激素的分布特征及生態風險評價

鮑陽陽,孫 瑞,徐奔拓,徐 剛,吳明紅

(上海大學環境與化學工程學院,上海 200444)

從黃浦江流域采集了15份冬季水體和懸浮物樣品,利用液相色譜-質譜聯用技術(liquid chromatography-mass spectroscopy-mass spectroscopy,LC-MS-MS)分析了水體和懸浮物樣品中壬基酚(nonylphenol,NP)、4-t-辛基酚(4-t-octylphenol,4-t-OP)、4-t-丁基酚(4-t-butylphenol,4-t-BP)和雙酚A(bisphenol A,BPA)的質量濃度分布.結果表明,黃浦江流域水體和懸浮物樣品中的酚類環境激素質量濃度范圍分別為47.25～356.43ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分別為167.69 ng/L和20.81 mg/g.因子分析結果說明,黃浦江水域中酚類環境激素主要以NP,4-t-OP和BPA為主,局部水域伴有4-t-BP的高殘留.生態風險評價結果顯示,黃浦江流域水體中的酚類環境激素的危害商數均小于1,表明不存在嚴重和頻發的酚類環境激素生態毒理風險,但其生物富集效應不容忽視.

酚類環境激素;液相色譜-質譜;因子分析;生態風險評價

壬基酚(nonylphenol,NP)、辛基酚(4-t-octylphenol,4-t-OP)、丁基酚(4-t-butylphenol,4-t-BP)和雙酚A(bisphenol A,BPA)是環境中典型的酚類內分泌干擾物(endocrine disrupting chemicals,EDCs),因其具有持久性和生物累積性,引起了人們的廣泛關注[1-2].大量研究表明,烷基酚(alkyphenol,AP)和BPA在水、底泥、土壤等多種環境介質中也普遍存在,故一直備受關注[3-6].AP和BPA都具有親脂疏水性,易吸附在水中的懸浮顆粒物上,通過食物鏈傳遞最終對人類健康造成嚴重危害.因此,開展河流中持久性有毒有機污染物濃度水平、分布規律、污染來源和生態風險方面的研究具有積極的現實意義.

黃浦江自西向東穿越整個上海地區.近年來,隨著上海人口的急劇增長、城市經濟的高速發展以及各種工業廢水和生活污水的不斷排放,對黃浦江水體中部分種類的EDCs的研究顯得尤其重要.Wu等[7]在上海3條河流水樣中均檢出了NP,4-t-OP和BPA,其中NP濃度已高于世界平均水平.此外,持續監測上海市典型環境介質所受到的環境酚類物質污染狀況,對潛在的污染源以及可能造成的生態風險進行科學的評估,可為我國更好地履行《斯德哥爾摩公約》提供基礎研究資料,也可為上海環境酚類污染物控制措施的建立提供一定的理論依據和技術支撐.

目前,已有的研究環境介質中酚類環境激素的方法多為氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spectrscopy,GC-MS).但是由于環境介質基質復雜、干擾物多,且GC-MS方法需要經衍生化、水解和凈化等復雜的預處理,因此,本研究利用液相色譜-質譜聯用(liquid chromatography-MS-MS,LC-MS-MS)儀對上海黃浦江表層水體及懸浮物樣品中的NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA進行了分析檢測.該方法能有效地排除干擾,最終建立了一種檢測限低、回收率高、重現性好,能夠快速進行分析的樣品前處理過程和檢測方法,實現了對上海黃浦江流域水樣中AP和BPA的定量測定,并討論了其污染特征和分布規律,對其水體進行了初步的生態風險評價.

1 材料與方法

1.1 樣品的采集和保存

本研究于2012年12月分別在上海黃浦江流域的上游(淀山湖)至下游(吳淞口)段,以及黃浦江與蘇州河、蘊藻浜交匯流域采集水體樣品共15份,采樣點如圖1所示,其中H1～H13為黃浦江的13個采樣點,S5為蘇州河的1個采樣點,Y3為蘊藻浜的1個采樣點.采樣前用擬采水樣刷洗容器,每個采樣點設3個平行現場混合.采集到的水樣置于棕色采樣瓶中帶回實驗室,經快速定性濾紙過濾去除大顆粒的泥沙,并通過GF/F膜(47 mm,1.20μm,Whatman)采集懸浮物.之后,在7 d內完成對樣品的分析.過濾采集到的懸浮物樣品經恒溫恒濕后稱重,置于4?C冰箱保存,待檢測.

1.2 樣品的預處理及LC-MS-MS的測定

準確量取500 mL水樣,用HCl調節pH值至中性,向樣品中分別添加200μL13C6-n-NP和13C12-n-BPA內標后,再用30 mL二氯甲烷對水樣進行兩次萃取,每次震蕩萃取30 min.靜置分層后收集有機相,采用旋轉蒸發儀將萃取液濃縮到1 mL左右,氮吹后用甲醇定容至200μL進樣分析.將載有懸浮物樣品的濾膜剪碎,同樣加入內標,利用快速萃取儀(ASE-150, Dionex,USA)萃取樣品.為了減小基質效應對待測物分析的影響,本研究優化了多種淋洗溶劑(甲醇、丙酮、二氯甲烷純溶劑及混合溶液).結果表明,二氯甲烷能保證萃取濃縮過程中的回收率.各酚類環境激素的回收率為57.9%～113.7%,同時可見大量黃色雜質被淋洗下來.萃取液使用銅絲脫硫后同樣旋蒸、氮吹進樣.

圖1 黃浦江及其河流交匯上的15個采樣點Fig.1 15 sampling sites in the 3 rivers from Shanghai

使用G6460型液相色譜/串聯質譜儀,配有色譜柱(AgilentEC-C18,3.0×100 mm,2.7μm)以及電噴霧離子源(electro spray ionization,ESI,美國Aglient公司)對4種目標物的濃度進行測定.通過負離子方式進行檢測,離子噴射電壓為-4500 V,干燥氣溫度為350?C,干燥氣流速為10 L/min.本研究通過改變流動相組成(甲醇-水和乙腈-水)、梯度洗脫程序和流速,以期達到最大靈敏度,同時使待測物與其在樣品中的主要干擾物分離,達到減小基質效應的目的.結果表明:40%甲醇-60%水在10 min內變化為100%甲醇,再運行3 min,柱溫箱保持35?C,能保證較高的靈敏度.在定量分析的過程中,有很多的共流出峰.為了獲得所需的循環時間,采用了動態多反應監測(dynamic multiple reaction monitoring,DMRM)的掃描方式,顯著改善了復雜樣品的負載循環時間,在保留恒定循環時間的同時增強了分析物的信噪比,達到了較低的檢測限(0.4～4.0 ng/L),其質譜定量參數如表1所示,各酚類環境激素的總離子流如圖2所示.

表1 NP,4-t-BP,4-t-OP和BPA的質譜定量參數Table 1 Ions and MS-MS parameters for NP,4-t-BP,4-t-OP and BPA quantitation

1.3 質量控制與質量保證

在實際樣品分析過程中,每5個樣品伴有一個過程空白,用于測定分析過程中的背景干擾.將3倍信噪比(signal/noise,S/N)作為最低檢測限.在樣品進樣分析過程中,每5個樣品添加一個質量控制(quality control,QC)標準,用于檢測儀器的穩定性,校正保留時間,驗證響應;每20個樣品之間繪制一條已知濃度的定量標準曲線,用于外標法定量,R2≥0.99.

2種內標物在水和懸浮物中的回收率分別為67%±15%(13C6-n-NP),57%±6%(13C12-n-BPA)和82%±15%(13C6-n-NP),79%±15%(13C12-n-BPA).

圖2 4種酚類環境激素標準物質的LC-MS-MS譜圖Fig.2 LC-MS-MS chromatogram of reference standard for the 4 phenolic environmental hormones

2 結果與討論

2.1 黃浦江流域酚類環境激素的含量

本研究對所采集的15份樣品進行了液相質譜測定,得到的濃度分布結果如圖3所示.可見,4種酚類環境激素在水體和懸浮物樣品中均有檢出,其中H2中的4-t-OP和H9中的NP濃度低于最低定量檢測限.由圖3可知,4種監測的酚類環境激素在水體和懸浮物中的質量濃度范圍分別為47.25～356.43 ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分別為167.69 ng/L和20.81 mg/g.NP在水體和懸浮物中都占主要地位,其濃度在4種酚類環境激素總濃度中分別占75.7%(水體)和84.9%(懸浮物).與已知的中國其他典型城市的酚類環境激素含量對比發現:本研究結果與山東半島海域污染水平(ND～300 ng/g)[8]相似,介于廣州珠江等沿海地區(＞2000 ng/m)和京杭大運河的質量濃度水平(8.8～12.5 ng/g)[9]之間.與國外的研究結果相比,黃浦江水域水體中的酚類環境激素濃度要低于多數歐洲國家[10-12].這可能是由上海的地理位置、人類活動、經濟發展狀況等因素所決定的.

圖3 水樣及懸浮物樣品中的酚類環境激素的分布特征Fig.3 Distribution patterns of the phenolic pollution congeners in the water samples and the suspended solids samples

2.2 黃浦江流域中主要的環境酚類激素及其來源

由于酚類環境激素在物理化學性質上存在一定差異,運用因子分析可以使分類更加清晰.本研究采用KMO和球形Bartlett對數據進行因子分析的適宜性檢驗,并利用因子分析進一步識別黃浦江水體中主要的酚類環境激素[13].

如表2所示,根據因子分析得出,主成分1對原始變量的解釋貢獻了總方差的51.23%,載荷值最高的指標分別為4-t-OP,NP和BPA,說明這3種酚類環境激素可以解釋黃浦江流域水體中近50%的水體酚類環境激素含量及分布信息.4-t-OP,NP和BPA主要來源于壬基酚聚氧乙烯醚的降解以及化工塑料制品的合成過程.主成分2的貢獻率是34.30%,其載荷值最高的是4-t-BP,其次是NP.4-t-BP主要是在生產阻燃劑和穩定劑時進入環境中的,其本身不存在于自然界中.以上因子分析的結論也正符合AP和BPA在工業中的使用量.4-t-BP作為工業原料的使用量明顯少于壬基酚聚氧乙烯醚的使用量,而BPA的使用量與壬基酚聚氧乙烯醚相當.

表2 主成分負荷矩陣Table 2 Principal component loadings matrix

2.3 黃浦江流域酚類環境激素的分布情況及其特點

由圖3可見,在黃浦江流域中,NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的質量濃度范圍為47.25～356.43 ng/L,總體趨勢是隨著河流的流向濃度逐漸升高,但是各采樣點之間的濃度有一定的起伏,整體的濃度水平隨著上海人口密集度以及沿江工業化程度的增大而升高.由圖3可以看出,除了H8采樣點,H3～Y3采樣點的濃度表現出了由郊區到市區逐漸增大的趨勢,可以看作是圍繞Y3,S5和H9采樣點為中心的3個濃度高值區.由于蘇州河污染程度普遍較高,S5采樣點反映的應是蘇州河高于其他河流的污染狀況;Y3采樣點分布在吳淞工業園區內,受工業影響較大;H9采樣點是蘇州河進入黃浦江的交匯點,大量的廢水從外灘地區排放到黃浦江里[7].酚類污染物在黃浦江上游(H1和H2采樣點)的濃度低并不完全是因為其地處受污染影響相對較小的農業區,較多的細小顆粒物的吸附、極豐富的懸浮生物產生的降解也對其低濃度起著重要作用[2].這種分布趨勢一方面說明黃浦江流域與蕰藻浜交匯處是研究區域水體中酚類環境激素的重要物質來源,另一方面也與黃浦江和蕰藻浜地區特殊的水文條件和生態環境有關.

在本研究的15個水體采樣點中,4-t-OP/NP的質量濃度比值在0.04～0.13之間,與海河[14]和珠江三角洲[15]的調查結果類似,說明黃浦江流域使用的烷基酚聚氧乙烯醚表面活性劑的主要成分也是壬基酚聚氧乙烯醚[16].

懸浮物中酚類環境激素的濃度總量為2.3～40 mg/g,平均濃度為20.81 mg/g,如圖3虛線所示.整個研究區域內南北方向濃度較低且變化不大,東西方向的濃度差異比較明顯.濃度最高的3個采樣點為黃浦江上游的H3,H5和H6.這3個采樣點的酚類環境激素的平均濃度為42.9 mg/g,其余采樣點的濃度均低于20 mg/g.黃浦江流域及其交匯處的懸浮物酚類環境激素的濃度分布都與懸浮物的輸運方向和粒度密切相關,并在一定程度上受沉積環境的影響.已有的研究表明,酚類有機污染物易吸附于細顆粒物質中,且懸浮物的輸送基本往東北方向;下游方向隨著懸浮物的沉降,細菌豐度迅速降低.此處微生物的活性要遠遠高于其他區域[17],母體化合物在較高的微生物活性下發生了轉化的初級降解過程,因而造成了目標物的累積,使得在H5和H6采樣點懸浮物的濃度都比較高.除此之外,由于流速和水體鹽度的改變,大量的蘇州河流域來沙在黃浦江交匯處(H9采樣點)發生電化學絮凝并大量沉降,形成了最大的混濁帶[18],導致懸浮物濃度明顯降低.推測此處表層底泥中NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的濃度會呈現一定水平,這需要在以后的研究中做進一步論證.

2.4 黃浦江流域酚類環境激素的生態風險評估

為了評價酚類環境激素對上海黃浦江流域水生生物產生的潛在生態風險,利用危害商數(hazard quotient,HQ)的方法評價其初步的生態風險.根據選定的生態受體和引用的毒性數據,4種化合物的HQ計算公式如下:式中,Ce為環境中的NP,4-t-OP和BPA濃度(假設是暴露濃度),CP為NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的無效應濃度,其值分別為0.33,0.122[7],1.6[19]和1.0μg/L[20].黃浦江及其支流表層水中的酚類環境激素的HQ值如表3所示.結果表明,在黃浦江及其支流表層水體中,NP的HQ值除H1采樣點(0.0854)外,其他采樣點均在0.1～1.0范圍內,說明此區域內的NP值得關注;此外,除4-t-OP在局部采樣點值得關注外,其他各采樣點的酚類環境激素的HQ值大多小于0.1,說明除NP外的酚類環境激素對黃浦江及其支流冬季水生生物的生態風險相對較低.

表3 黃浦江中NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的生態風險評價Table 3 HQ values of NP,4-t-OP 4-t-BP and BPA in water samples

由于NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA均為親脂性化合物,根據水分配系數logKow可以推測其在生物體內會產生一定的生物累積.大量的實驗室和野外研究也證實了這一點.根據已有文獻報道的生物富集因子(bioconcerntration factors,BCF),發現淡水魚類長期暴露在一定的質量濃度水平(平均為167 ng/L)下,通過藻的富集進入水生食物鏈并進一步生物放大,其每日攝入量I均能達到μg·L-1級(見表4),所以水生食物鏈導致的生物放大不容忽視.這樣的生物富集對黃浦江的魚類和水產品類養殖場的影響更大.黃浦江下游入海口雖然存在稀釋作用,但酚類環境激素總量仍然大于20 ng/L,對長江口的水產品(小黃魚、梅童魚、刀魚)影響也非常大.這些也是上海居民日常主要食用的水產品的重要組成.除了水生生物或其他水產品富集,其他食品組成如陸地生物和水果、蔬菜等通過水體或懸浮物富集的量有待進一步研究.

表4 淡水魚對NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的富集因子Table 4 BCFs of some fi shes to NP,4-t-OP,4-t-BP and BPA

除了從這些靜態的指標對酚類環境激素生態毒理風險進行評價,還可從總量上進行評價.黃浦江上游作為上海重要的水源地,直接進入自來水廠供水系統,西部市區用水大多數采用黃浦江水廠供水.直接飲用含有一定濃度酚類激素的水源同樣會對周邊居民產生較大影響.當長江口陳行水庫、青草沙水庫供水不足時,需要從太湖調水[25],水質更為惡劣.這些動態因素的改變,已成為影響黃浦江周邊居民正常生活的潛在危害.

3 結束語

本研究區域內水體和懸浮物中酚類環境激素的質量濃度范圍分別為47.25～356.43 ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分別為167.69 ng/L和20.81 mg/g.經過因子分析和濃度分布分析,得出本研究區域內的酚類環境激素的污染狀況及分布具有明顯的區域特征,在工業發達及人口稠密地區呈現一定程度上的聚集性.經危害商數分析,其主成分1代表的主要目標物的危害商數均小于1.0,對水生生物的生態風險相對較低,但其可以通過在藻類等浮游生物中富集進入食物鏈造成生物放大,從而危害生態系統健康和平衡的潛在危害不容忽視.

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Distribution and ecological risk assessment of phenolic environmental hormones in Huangpu River basin

BAO Yang-yang,SUN Rui,XU Ben-tuo,XU Gang,WU Ming-hong
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Transformation and distribution characteristics of phenolic environmental hormones in 15 winter water and suspended solids samples from Huangpu River were studied. Pollution levels,spatial distributions of nonylphenol(NP),4-t-octylphenol(4-t-OP),4-tbutylphenol(4-t-BP)and bisphenol A(BPA)in water and suspended solids were analyzed by liquid chromatography-mass spectroscopy-mass spectroscopy(LC-MS-MS).The results showed that concentration of the above 4 phenolic environmental hormones in water and suspended solids were 167.69 ng/L with a range of 47.25～356.43 ng/L,and 20.81 mg/g with a range of 2.29～48.50 mg/g,respectively.The factor analysis showed that the principal pollutants were NP,4-t-OP and BPA,with a high concentration of 4-t-BP in some basins.Ecological risk assessment showed that hazard quotient were below 1 in the above 4 phenolic environmental hormones,and no ecological risk was found.Special attention should be paid to the potential hazard caused by algae accumulation.

phenolic environmental hormones;liquid chromatography-mass spectroscopymass spectroscopy(LC-MS-MS);factor analysis;ecological risk assessment

X 821

A

1007-2861(2015)04-0472-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.017

2014-04-13

國家自然科學基金資助項目(41430644,41173120,41273126,41473090);長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT13078)

吳明紅(1968—),女,教授,博士生導師,博士,研究方向為環境中有機污染物的分析檢測與降解等. E-mail:mhwu@sta ff.shu.edu.cn