長三角農田土壤中滴滴涕的污染特征與生態風險
2016-12-12 01:42:06潘麗麗孫建騰詹宇朱利中
生態毒理學報 2016年2期
潘麗麗，孫建騰，詹宇，朱利中
浙江大學環境與資源學院，杭州 310058
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長三角農田土壤中滴滴涕的污染特征與生態風險
潘麗麗，孫建騰，詹宇，朱利中*
浙江大學環境與資源學院，杭州 310058
以長江三角洲地區農田土壤為研究對象，分析了土壤和蔬菜中滴滴涕(DDTs)的殘留水平和空間分布特征，評估了DDTs對土壤生態和人體健康的潛在風險。結果顯示，長三角地區農田土壤中DDTs含量范圍為<0.2～3 520 ng·g-1，平均63.8 ng·g-1，主要殘留在土壤耕作層(0～30 cm)。土壤中DDTs及其代謝產物殘留量較低，98.5%的點位土壤符合《中國土壤環境質量標準》的二級標準。15%的蔬菜樣品中檢出DDTs，其濃度為相應土壤DDTs濃度的9%～18%，土壤殘留的DDTs通過食物鏈進入人體導致的健康風險很小。低殘留DDTs對土壤微生物的群落結構和多樣性無顯著影響(-0.25 滴滴涕；農田土壤；生態風險；長三角 Received 30 November 2015 accepted 4 January 2016 滴滴涕(DDTs)具有殺蟲效率高、價格低廉等優點，曾在我國大規模使用[1]。因具有致癌、致畸和內分泌干擾作用，DDTs可對人體健康和生態環境產生危害。我國在1983年停止生產并在1984年禁止使用這類農藥。由于其高毒性、長期殘留性及生物累積性，農田土壤中殘留的DDTs一直受到人們的廣泛關注。 自DDTs被禁用以來，我國環境介質及生物樣品中DDTs的含量顯著降低。如谷類從1992年的3.9 ng·g-1降到2000年的0.24 ng·g-1[2]；在北京官廳水庫附近果園，2007年土壤中DDTs殘留量相較2003年大大降低[3]。近年來研究表明，雖然我國各地區農田土壤中都有DDTs殘留，但大多數地區土壤DDTs殘留量較低[4-7]，并未超過我國土壤環境質量標準(GB-15618—1995)中的二級標準(500 ng·g-1)，甚至低于一級標準(50 ng·g-1)[8]。同時，研究發現局部地區土壤中DDTs并不會對人體帶來嚴重的致癌和非致癌風險[9-11]。但迄今，DDTs仍被列為持久性有毒污染物和國家優先控制的高風險污染物。因此，有必要重新評估當前農田DDTs的區域污染現狀與健康風險。 長江三角洲地區是我國乃至世界上人口密度最高、經濟發展最快的地區之一，局部地區農田土壤污染較重。迄今，人們對長三角地區DDTs等POPs污染已做了很多研究工作，但大多以典型城市為研究對象。區域農田土壤中DDTs的人體暴露水平、生態健康風險等方面的基礎數據則相對缺乏。因此，應從大區域尺度上監測DDTs的殘留量，進而評估其對土壤微生物的生態風險和對人體的潛在健康風險，為我國土壤環境風險管理決策提供科學參考。 本研究在長三角地區45 800 km2區域采集了268個農田土壤樣品，分析土壤中DDTs的殘留狀況及空間分布特征，研究了蔬菜對DDTs的吸收累積量，探討了DDTs殘留與土壤微生物種群結構的關系，評估了DDTs的人體健康風險。試圖從生態風險及人體健康風險角度評估長三角地區DDTs殘留可能帶來的危害，以期為我國土壤DDTs污染風險管控提供科學依據。 1.1 實驗材料 2014年6月，在長三角地區按網格布點法均勻布點，采集241個表層農田土壤樣品(0～15 cm)[12]。根據前期研究結果，2015年3月在DDTs污染嚴重的3個樣點周圍新增27個復查樣點，并在其中20個復查樣點對應采集20個蔬菜樣品(包括青菜、油菜和蠶豆)，同時選取7個樣點，采集了土壤剖面樣品。土樣由鋁箔紙進行密封包裝，分析前于-20 ℃保存。采樣布點見圖1。 1.2 實驗材料 目標化合物包括p,p’-DDT，o,p’-DDT，p,p’-DDD，o,p’-DDD，p,p’-DDE和o,p’-DDE，標準品購于AccuStandard (New Haven, USA)；正十九烷標準樣品購于Supelco (Bellefonte, PA, USA)；ISOLUTE SPE-C18柱購于Supelco。所有試劑均為HPLC純。弗洛里土使用前經450 ℃活化處理。 1.3 分析方法 采集的土壤樣品冷凍干燥后進行初步研磨，挑出并丟棄其中的植物碎屑、小石子、塑料等雜質。隨后，土壤進行細致研磨并過75目(0.5 mm)不銹鋼篩。植物樣品洗凈后經冷凍干燥，充分研磨成粉末。植物和土壤在進行樣品分析之前于-20℃低溫保存。準確稱取土壤(5 g)和植物樣品(1 g)，加入內標PCB-209 (20 ng)，用15 mL正己烷/二氯甲烷(1:1; V/V)混合液超聲萃取60 min。萃取結束后離心10 min (2 500 r·min-1)，收集上清液，重復提取2次。將上清液合并后旋轉蒸發濃縮至約1 mL，轉移到填有1 cm Na2SO4和6 g弗洛里土的層析柱中，用60 mL正己烷/二氯甲烷(4:1; V/V)混合液洗脫。收集洗脫液，氮吹濃縮至近干，并用正己烷定容于1 mL，進入氣相色譜分析。 應用氣相色譜法(Agilent 6890N GC，產地為美國)分析待測液中污染物的濃度。毛細管柱為DB-5(長30 m，內徑0.25 mm，膜厚0.25 μm)，采用電子捕獲檢測器(ECD)。柱溫箱初始溫度為80 ℃，保持2 min，以10 ℃·min-1的速率升至140 ℃，以4 ℃·min-1的速率再次升溫至280 ℃并保持5 min。進樣口溫度為240 ℃，檢測器溫度為300 ℃。載氣為高純氮氣。 磷脂脂肪酸法(PLFA)采用氯仿-甲醇-檸檬酸提取法[13]。土壤樣品中依次加入檸檬酸緩沖液、氯仿和甲醇，混勻后靜置并收集上清液，重復提取2次。上清液中加入檸檬酸緩沖液和氯仿，混勻后靜置并收集下層氯仿相，氮氣吹干后以甲醇吹洗2次后用氯仿移至C18固相萃取柱，氯仿和丙酮分別洗去極性脂和中性脂，以甲醇洗脫磷脂，收集洗脫液并氮氣吹干。加入甲醇/甲苯(V:V; 1:1)，KOH-甲醇溶液(0.2 mol·L-1)，37 ℃水浴加熱15 min，加入正己烷/氯仿(V:V; 4:1)、冰醋酸(1 mol·L-1)和超純水，混勻后靜置至溶液分層，收集上層正己烷相。用正己烷/氯仿(V:V; 4:1)重復提取一次，收集上層正己烷相。合并正己烷相氮氣吹干，定容至75 μL。用帶有MIDI Sherlock微生物鑒定系統氣相色譜(Agilent 6890N，美國MIDI公司MIDI Sherlock微生物鑒定系統，版本4.5)進行鑒定。 圖1 長江三角洲農田土壤采樣分布圖Fig. 1 Sampling network in the core Yangtze River Delta (YRD) region 圖2 長三角農田土壤中總DDTs濃度(ng·g-1)(A)和(DDD+DDE)/(DDT)比值(B)的空間分布[9] 注：普通克里金插值算法，2倍標準差色階拉伸。Fig. 2 Spatial distributions of DDTs concentrations (ng·g-1) (A) and (DDD+DDE)/(DDT) ratios (B) in agricultural soils of Yangtze River Delta [9] Note: The ordinary Kriging method was used for the spatial interpolation, with the color ramp created with the standard deviation stretch (n=2). 表1 長江三角洲地區農田土壤DDTs的殘留水平 (ng·g-1，干重) 注：ND表示未檢出。 Note: ND means none-detectable. 1.4 健康風險評估 應用USEPA方法評估土壤中DDTs對人體的健康風險[14]。以平均每日劑量(ADD，mg·kg-1·d-1)估算DDTs的非致癌風險和致癌風險，包括非食入途徑(土壤攝入、呼吸吸入及皮膚接觸)和食入途徑(農產品的攝入)[15]，其估算方式如下所示。 (1) (2) (3) (4) 式中：ADDingest為土壤攝入量，ADDinhale為呼吸吸入量，ADDdermal皮膚接觸量，ADDintake為食物攝入量；Csoil為污染物含量(mg·kg-1)；IRS為土壤攝入率(mg·d-1)；EF為暴露頻率(d·y-1)；ED為暴露時間(y)；CF為轉化因子(kg·mg-1)；BW為體重(kg)；AT為平均暴露壽命(d)；IhR為吸入率(m3·d-1)；PEF為微粒排放因子(m3·kg-1)；SA為土壤表面積(cm2·d-1)；AF為土壤粘附因子(mg·cm-2)；ABS為土壤吸入率(無量綱)；BAF為植物從土壤吸收污染物的富集因子；IRF為農產品日攝入率(mg·d-1)。 非致癌風險由HI估算： (5) 式中，RfD(mg·kg-1·d-1)為不會造成非致癌風險的污染物最大允許量。 致癌風險由以下式子進行估算： RISK=ADD×SF (6) 式中，SF(mg·kg-1·d-1)為口服因子。 1.5 質量保證與質量控制 目標污染物定量采用七點校正曲線和內標法進行。15個樣品為一個批次，每分析一批次樣品，增加分析方法空白和基質加標樣品。本研究中6種目標污染物的回收率為83.5%～95.2%。每個分析樣品都要添加內標物，以控制整個分析流程的回收率。內標物PCB-209的回收率為74.8%～107.6%。加標樣品相對標準偏差低于15% (n=3)，在常規樣品分析中相對標準偏差低于10% (n=3)。根據信噪比為3，確定DDTs的檢測限為0.2 ng·g-1。每天校正標準曲線。方法空白中沒有目標污染物檢出，最后結果沒有經過回收率校正。 2.1 農田表層土壤中DDTs的殘留及來源 長三角地區的大部分點位表層土壤中均有DDTs檢出(檢出率為98.9%)，但殘留含量大多較低(表1)。根據我國土壤環境質量標準(GB-15618—1995)[8]，98.5%點位的農田土壤DDTs含量達到二級標準。與我國其他地區相比，長三角地區土壤DDTs殘留量略高(表2)。個別點位DDTs殘留量高于往年，從整體上看，長三角地區土壤中DDTs殘留量呈現逐年下降趨勢，DDTs的潛在風險逐步降低。 DDTs污染比較嚴重的點位主要分布在上海、上海-江蘇及上海-浙江交界處(圖2)，這些地方蔬菜基地和工業基地共存，農田土壤DDTs含量相對較高。利用(DDD+DDE)/DDT比值法[30]，判別在上海及江蘇北部，DDTs主要來源于近期三氯殺螨醇的使用[12]；而浙江寧紹平原和省際交界處，土壤DDTs主要為歷史殘留。 表2 我國不同地區農田土壤DDTs的殘留水平 (ng·g-1，干重) 圖3 土壤剖面中DDTs濃度的垂直變化Fig. 3 Vertical profiles of DDT residues in agricultural soil 圖4 土壤和蔬菜中DDT的濃度Fig. 4 DDT concentrations in agricultural soils and vegetables 2.2 土壤剖面中DDTs的殘留狀況 本研究選取了7個采樣點，采集了土壤剖面樣品，其中每個剖面深度為80 cm，每10 cm為一層。土壤有機質對DDTs的吸附固定作用，導致DDTs主要存在于土壤耕作層(0～30 cm)[31]，在土壤剖面中呈現出垂直急劇降低的趨勢；由于翻耕等人為活動對土壤的擾動作用，土壤剖面中DDTs濃度下降具有一定的波動性(圖3)。因此，殘留在土壤中的DDTs基本不會經淋溶滲透作用進入土壤深層，對地下水安全的威脅較小。 2.3 蔬菜中DDTs的殘留量 1983年我國開始禁止使用DDTs農藥，蔬菜樣品中DDTs主要來源于土壤吸收。另外，DDTs可通過大氣沉降進行遷移[32]，大氣沉降可能是蔬菜樣品中DDTs的來源之一。本研究采集了20個蔬菜樣品(包括青菜、油菜和蠶豆)，僅在上海和江蘇3個蔬菜樣品檢測到DDTs的殘留(圖4)，但殘留量遠低于土壤，其濃度為相應土壤DDTs濃度的9%～18%，主要原因：①蔬菜生長周期短，吸收量少；②蔬菜對土壤中DDTs的吸收能力較弱[33]。與國內其他地區相比，長三角蔬菜中DDTs的含量與其他地區相當(廣州：0.36～1.99 ng·g-1[34]；香港：0.04～0.70 ng·g-1[35]；蘭州：ND～8 ng·g-1[36])。該地區土壤殘留的DDTs通過食物鏈進入人體導致的健康風險很小。 2.4 DDTs對土壤微生物的影響 微生物是土壤生態系統的重要組成部分，當大量有機污染物進入土壤環境時，土壤微生物的數量和組成都會受到影響，進而改變土壤微生物群落結構與功能，影響土壤肥力及土壤生態系統的平衡。 圖5 長三角農田土壤中殘留DDTs的非致癌(A)和致癌風險(B)Fig. 5 Non-cancer (A) and carcinogenic risks (B) of DDTs in the agricultural soils of the YRD region 表3 DDTs濃度與微生物群落組成的spearman相關性分析Table 3 Spearman correlation coefficients (R, n=20) between concentrations of DDT residues (ng·g-1) and relative abundances of microbial groups 選取20個不同DDTs濃度水平的土壤樣品，以PLFA法分析DDTs對微生物群落組成的影響(表3)。DDTs與細菌、真菌、放線菌和原蟲豐度的相關性較小(-0.25 2.5 DDTs對人體健康的風險 DDTs的非致癌風險主要取決于p,p’-DDT的殘留濃度，它主要以3種途徑(土壤攝入、食品攝入及皮膚接觸)進入人體并產生非致癌風險，以皮膚接觸為主(圖5A)。一般認為當HI>1時，DDTs能對人體產生非致癌風險[15]。總體而言，土壤中殘留的DDTs對成人和兒童的非致癌風險普遍較低，僅有1.1%和0.7%的點位分別對兒童和成人有非致癌風險。除個別污染嚴重的點位外，基本可以忽略DDTs殘留對人體的非致癌風險。 DDTs的致癌風險主要通過土壤攝入、皮膚接觸、呼吸吸入和食物攝入的途徑進入人體，以食物攝入途徑為主(圖5B)。一般認為，當risk<10-6時，致癌風險等級為非常低；當10-6 土壤中DDTs的殘留及生態風險一直受到人們的廣泛關注。為科學評估DDTs的區域生態和健康風險，采集了人類活動頻繁的長江三角洲農田土壤，通過分析檢測該地區DDTs的殘留狀況，發現大部分土壤中DDTs殘留量較低，98.5%點位的農田土壤達到我國土壤環境質量標準(GB-15618—1995)[8]中二級標準。通過分析不同深度土壤樣品中DDTs含量，發現DDTs主要分布在土壤耕作層(0～30 cm)，在土壤剖面中呈現垂直急劇降低的趨勢，未經淋溶滲透作用進入土壤深層，不會對地下水安全構成威脅。蔬菜樣品DDTs檢出率為15%，且濃度較低，土壤殘留的DDTs通過食物鏈進入人體導致的健康風險很小。此外，不同DDTs殘留濃度土壤樣品PLFA分析表明，農田土壤中DDTs的殘留不會顯著影響微生物群落結構，故不會對生態環境帶來威脅。最后，土壤中殘留的DDTs對人體的非致癌風險和致癌風險均比較低。因此，目前長三角地區農田土壤中DDTs對土壤生態環境和人體健康的風險均較小，在今后開展區域土壤環境污染調查時可考慮不再將DDTs作為高風險的優先控制和監測的污染物。 致謝：感謝浙江大學農生環測試中心魏孜在樣品處理及檢測中給予的幫助。 [1] Nakata H, Nasu T, Abe S, et al. 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DDTs were only detected in 15% of all the vegetable samples, and the concentrations were 9%-18% of those in the corresponding soils. To reveal the variations in diversity of soil microbial community induced by DDTs, the phospholipid fatty acid (PLFA) analysis was carried out. The results show that the DDTs concentrations are not significantly correlated with the diversity of microbial community (-0.25 agricultural soil; DDTs; ecological risk; Yangtze River Delta 10.7524/AJE.1673-5897.20151130024 國家重點基礎研究計劃(2014CB441101)；國家自然科學基金(21507111)；浙江省自然科學基金(LY14B070009)；中央高校基本科研業務費專項(2014QNA6009，2015FZA6007) 潘麗麗(1990-)，女，博士研究生，研究方向為環境污染控制技術，E-mail: lilypan2717@163.com； *通訊作者(Corresponding author)， E-mail: zlz@zju.edu.cn 2015-11-30 錄用日期：2016-01-04 1673-5897(2016)2-509-09 X8 A 簡介：朱利中(1959—)，男，浙江大學教授，國家杰出青年基金獲得者，973項目首席科學家。主要研究方向為污染物多介質界面行為與調控技術，出版著作教材5部，發表SCI收錄論文197篇，被SCI論文他引6100多次，主持完成的2項成果獲國家自然科學二等獎、國家科技進步二等獎，5項成果獲省部一等獎。 潘麗麗, 孫建騰, 詹宇, 等. 長三角農田土壤中滴滴涕的污染特征與生態風險[J]. 生態毒理學報，2016, 11(2): 509-517 Pan L L, Sun J T, Zhan Y, et al. Contamination characteristics and ecological risks of DDTs in agricultural soils from the Yangtze River Delta of China [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 509-517 (in Chinese)1 材料與方法(Materials and methods)
2 結果(Results)
3 討論(Discussion)
