云南省會澤縣農田土壤中全氟化合物污染特征研究

黃楚珊，馬鵬程，王小嬌，陳棉彪，張麗娟，于云江，黃建洪，胡國成,*

1. 環境保護部華南環境科學研究所，廣州 510535 2. 國家環境保護環境污染健康風險評價重點實驗室，廣州 510535 3. 昆明理工大學，昆明 650500 4. 錦州醫科大學，錦州 121000

全氟化合物(perfluorinated compounds，PFCs)是指烷基鏈上氫原子完全被氟原子取代的一類有機氟化物，因其具有良好的表面活性、較高的化學穩定性及疏水、疏油等特性，被廣泛應用于紡織、皮革、包裝、農藥、電鍍、防火薄膜、地板上光劑、洗發香波等工業生產及生活消費領域[1]。研究表明，全氟化合物在全球生態系統中廣泛存在[2-8]，部分PFCs可沿食物鏈傳遞，具有生物放大作用[9-10]。PFCs具有肝臟毒性、免疫毒性和生殖毒性[11-13]，對生態環境及人類健康構成潛在威脅[14-15]。鑒于PFCs的長距離遷移性、生物累積性、環境難降解性及生物毒性等特征，2009年5月，聯合國環境規劃署(UNEP)將全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate，PFOS)及其鹽類和全氟辛烷磺酰氟等正式列為持久性有機污染物(persistent organic pollutants，POPs)。PFCs對生態系統和人類健康的潛在危害已成為當今科學界的研究熱點問題之一。

土壤作為多孔非均勻的復雜物質流動系統，PFCs可通過大氣沉降、地表徑流和農田灌溉等方式蓄積；土壤中的PFCs也可通過蒸發、淋溶、擴散等方式進入大氣和地表水[16]。目前關于土壤中PFCs的研究主要集中在京津冀[17-18]、淮河流域[19]、珠江三角洲[20-22]等經濟發達地區，而我國西南高海拔山區土壤中PFCs的研究資料較少。因此，本文以云南省會澤縣農田土壤為研究對象，分析云南高海拔山區農田土壤中PFCs的污染水平，闡述農田土壤中PFCs的污染現狀及其特征，分析其潛在來源，為我國西南高海拔山區農田土壤環境保護提供基礎數據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究地點

云南省會澤縣(東經103°03′～103°55′、北緯25°48′～27°04′之間)位于滇東北高原，烏蒙山主峰地段，海拔2 120 m，地勢西高東低，南起北伏，由西向東呈階梯狀遞減；屬典型的溫帶高原季風氣候，年平均晴日225 d，年日照2 100 h，年平均氣溫12.7 ℃，年平均降水量為858.4 mm，當地農田主要種植玉米、蔬菜等作物。

1.2 試劑和儀器

試劑：全氟己酸(perfluoro-n-hexanoic acid, PFHxA)、全氟庚酸(perfluoro-n-heptanoic acid，PFHpA)、全氟辛酸(perfluoro-n-octanoic acid，PFOA)、全氟壬酸(perfluoro-n-nonanoic acid，PFNA)、全氟癸酸(perfluoro-n-decanoic acid，PFDA)、全氟十一酸(perfluoro-n-undecanoic acid，PFUnA)、全氟十二酸(perfluoro-n-dodecanoic acid，PFDoA)、全氟十三酸(perfluoro-n-tridecanoic acid，PFTrDA)、全氟十四酸(perfluoro-n-tetradecanoic acid，PFTeDA)、全氟己烷磺酸鈉(sodium perfluoro-L-hexanesulfonate，L-PFHxS)、全氟辛烷磺酸鈉(sodium perfluoro-l-octanesulfonate，L-PFOS)及同位素標記化合物13C4-PFOA、13C4-PFOS均購于美國威靈頓公司。色譜純甲醇、冰醋酸(優級純)、氨水(優級純，25%)、醋酸銨(色譜純)均購于美國。Oasis WAX 固相萃取柱購于美國Waters公司。

儀器：液相色譜串聯質譜儀器(LC/MS/MS)：快速液相色譜(美國Agilent 1260 Infinity)；質譜系統(美國AB SCIEX 4000 Qtrap)。氮吹儀(日本MG-2200)、固相萃取裝置(美國)、超聲清洗機(中國上海，SCQ-1000C)等。

1.3 樣品采集

2015年6月，按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T166—2004)[23]在云南省會澤縣A鎮(S1～S9)和B鎮(S10～S14)采集土壤樣品，每個采樣點采集3個土壤樣品，共采集42份土壤樣品。采樣點如圖1所示。每個土壤樣品用四分法取1 kg裝袋帶回實驗室。將采集的土壤樣品置于陰涼通風處自然風干，剔除樣品中的有機殘渣、植物根系及其他雜物，研磨過100目篩備用。采樣過程中，盡量避免交通干線對采樣點的影響。

1.4 樣品前處理

準確稱取1.00 g(精確至0.01 g)土壤樣品置于15 mL離心管中，加入2 ng內標化合物(13C4-PFOS 和13C4-PFOA)并老化30 min。加10 mL甲醇后60 ℃水浴超聲30 min。250 r·min-1震蕩16 h，混勻后以3 000 r·min-1離心10 min。轉移置于15 mL離心管中，氮氣吹至1 mL，用超純水稀釋至50 mL，過SPE-Oasis?-WAX凈化柱純化。最后氮吹定容至1 mL，離心轉移至樣品瓶，進行LC-MS-MS定量分析。

1.5 儀器分析

利用液相色譜與質譜聯用(LC/MS/MS)測定PFCs，液相為安捷倫1260系列；質譜為API 4000Qtrap 三重四級桿串聯質譜系統(美國AB)。色譜柱，luna 3u C8(2)100A 50 mm × 2.00 mm，3 μm(美國phenomenex 公司)。流動相A為甲醇，流動相B為25 mmol·L-1醋酸銨水溶液，流速為500 μL·min-1。進樣體積為10 μL。采用二元梯度洗脫的方式，洗脫程序為：0～4 min，流動相A由70%降到0，流動相B由0升到100%；4～7.1 min，流動相A由0升到70%，流動相B由100%降到30%；7.1～10 min，70%的流動相A和30%流動相B，保持3 min。質譜條件為：采用電噴霧離子源、負離子模式；多反應離子監測模式(MRM)分析，氣簾氣0.24 MPa；碰撞氣0.021 MPa，離子噴霧電壓-4 500 V，溫度450 ℃。

圖1 研究區域采樣點分布Fig. 1 Distribution of sample sites in the study area

表1 云南省會澤縣農田土壤中全氟化合物(PFCs)含量水平 (ng·g-1干重, n=3)Table 1 Concentrations of perfluorinated compounds (PFCs) in farmland soil samples in Huize County from Yunnan Province (ng·g-1 dw, n=3)

注: n.d. 為未檢出；數據表示為平均值±標準差；PFHxS，全氟己烷磺酸；PFHxA，全氟己酸；PFHpA，全氟庚酸；PFOS，全氟辛烷磺酸；PFOA，全氟辛酸；PFNA，全氟壬酸；PFDA，全氟癸酸；PFUnA，全氟十一酸；PFDoA，全氟十二酸；PFTrDA，全氟十三酸；PFTeDA，全氟十四酸。

Note: n.d. means the compound has not been detected; data is expressed as mean and standard deviation; PFHxS, perfluorohexane sulfonate; PFHxA, perfluorohexanoic acid; PFHpA, perfluoroheptanoic acid; PFOS, perfluorooctane sulfonate; PFOA, perfluorooctanoic acid; PFNA, perfluorononanoic acid; PFDA, perfluorodecanoic acid; PFUnA, perfluoroundecanoic acid; PFDoA, perfluorododecanoic acid; PFTrDA, perfluorotridecanoic acid; PFTeDA, perfluorotetradecanoic acid.

1.6 質量控制

為避免出現交叉污染，本試驗中所用材料均為聚丙烯材質，色譜管路全部為PEEK塑料管路或者不銹鋼管路。所有容器使用前用甲醇清洗。每隔10個樣品設置方法空白保證檢測結果的準確性。用內標法進行定量分析，標準曲線(濃度范圍0.01～25.00 μg·L-1)線性相關系數大于0.999。用溶劑空白和標準樣品保證儀器穩定性。土壤中11種PFCs在10 ng·g-1水平的加標回收率范圍為67%～125%，變異系數范圍為3.8%～16%，符合實驗室質量控制要求。

1.7 數據分析與處理

本文中PFCs含量水平指土壤樣品中PFOS、PFOA等11種化合物的含量水平之和，單位為ng·g-1干重(ng·g-1)。數據統計分析和作圖分別采用SPSS 22.0軟件和OriginPro 8軟件。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 土壤中全氟化合物的含量與組成

云南省會澤縣農田土壤中11種PFCs的含量水平如表1所示。在所有土壤樣品中，PFHxA、PFHpA和PFHxS均未檢出，其余8種PFCs均有不同程度檢出，其中PFOS、PFOA、PFNA、PFDA、PFUnA和PFDoA在所有樣品中均檢出。云南省會澤縣農田土壤中檢出的8種PFCs(ΣPFCs)含量水平范圍為0.298～0.998 ng·g-1，平均含量水平為0.392 ng·g-1。PFOS和PFOA是該地區農田土壤中最主要的PFCs，其濃度范圍分別為0.035～0.651 ng·g-1和0.085～0.185 ng·g-1，平均含量水平分別為0.116 ng·g-1和0.120 ng·g-1。其他6種PFCs平均含量水平由高到低依次為：PFDA(0.047 ng·g-1)>PFUnA(0.043 ng·g-1)>PFNA(0.026 ng·g-1)>PFTrDA(0.015 ng·g-1)>PFDoA(0.012 ng·g-1)=PFTeDA(0.012 ng·g-1)。

云南省會澤縣農田土壤中8種PFCs的相對百分含量組成如圖2所示。從PFCs的組成模式中可知PFOS和PFOA占主導地位，其相對百分含量范圍為45.93%～81.86%，其余6種PFCs的相對百分含量從高到低依次為PFDA>PFUnA>PFNA>PFTrDA>PFTeDA>PFDoA，相對百分含量分別為12.49%、11.96%、7.14%、4.38%、3.49%和3.17%。上述組成模式說明在研究區域土壤中PFOS和PFOA是2種最主要的PFCs。

2.2 土壤中全氟化合物的相關性分析

為探討云南省會澤縣農田土壤中8種PFCs的相關性，經K-S檢驗，在PFOS、PFNA、PFDA、PFTrDA、 PFTeDA經對數轉換符合正態分布的條件下，利用Pearson相關系數進行分析。結果如表2所示，云南省會澤縣農田土壤中w(PFOS)-w(PFOA)、w(PFOS)-w(PFNA)、w(PFOS)-w(PFDA)、w(PFOA)-w(PFNA)、w(PFOA)-w(PFDA)、w(PFNA)-w(PFDA)均呈顯著正相關，相關系數分別為0.446、0.358、0.431、0.400、0.569、0.384，表明云南省會澤縣農田土壤中PFOS、PFOA、PFNA、PFDA可能來自同一天然源或由人類活動所致[24]。土壤中w(PFDoA)、w(PFTrDA)、w(PFTeDA)分別與w(PFOA)、w(PFNA)、w(PFDA)、w(PFUnA)顯著正相關，表明土壤中PFDoA、PFTrDA、PFTeDA分別與PFOA、PFNA、PFDA、PFUnA具有相同來源的可能性較大。土壤中w(PFNA)-w(PFUnA)、w(PFDoA)-w(PFTrDA)、w(PFTrDA)-w(PFTeDA)均具有較好相關性，相關系數分別為0.604、0.656、0.572，表明土壤中PFNA和PFUnA、PFDoA和PFTrDA、PFTrDA和PFTeDA可能具有相同的來源。

圖2 農田土壤中PFCs百分含量Fig. 2 Relative abundance of PFCs in farmland soil

2.3 與國內其他區域土壤中PFCs含量比較

PFCs廣泛存在于環境介質及生物體內，其中PFOA和PFOS為主要的PFCs。云南省會澤縣農田土壤中PFOA和PFOS也為占比最高的PFCs。將本研究農田土壤中PFOA、PFOS和PFCs的含量水平與國內其他研究區域相比，結果如表3所示。云南省會澤縣農田土壤中PFCs的含量低于上海地區，與淮河地區、渤海灣、東江流域、廣州、深圳、東莞、安徽、中國東部農村等地區土壤中PFCs的含量水平相當。上海地區土壤中PFCs含量高達14.41～63.32 ng·g-1，是云南省會澤縣農田土壤中PFCs含量的60多倍，這可能與地區的工業發展水平及產業結構有關[20]。上海作為我國經濟發展最快的地區，無論是點源(如化工區、污水處理廠)還是面源(如生活用品)，都對PFCs的污染造成了極大的影響。而云南省會澤縣位于我國西南高海拔地區，綜合工業發展程度較低，但其農田土壤中PFCs的含量水平與位于我國沿海經濟圈等相關地區土壤中PFCs含量相當，這可能源于大氣沉降、落后工業污染或含氟生活用品的使用，需進一步研究。

2.4 PFCs來源解析

主成分分析是一種通過降維技術把多個變量化為少數幾個主成分的多元統計分析方法，能夠在最大限度地保留原始數據信息的基礎上，對高維變量進行綜合和簡化，并且能夠客觀地確定各指標的權重，避免主觀隨意性。為探索云南省會澤縣農田土壤中PFCs的主要來源，本研究采用主成分分析法對檢出的8種PFCs進行來源解析(Kaiseri-Meyer-Olkin值為0.766)，結果如圖3所示。從圖3可以看出云南省會澤縣農田土壤中8種PFCs可歸納為2個主成分，累積方差貢獻率達到73%，其中主成分1的方差貢獻率為40%，主成分2的方差貢獻率為33%。在主成分1中，PFDA和PFOS具有較高載荷值，其中以PFDA載荷值(0.922)最高；在主成分2中，PFTrDA和PFTeDA具有較高載荷值，其中PFTrDA載荷值(0.937)最高。2個主成分的標志物分別為PFDA、PFOS和PFTrDA。根據PFCs不同來源的典型標志物，可將解析出的因子與實際排放源結合起來。PFOS主要來源于五金電鍍防霧劑、汽油的阻燃劑、電子產品的清洗和助焊劑等[27-29]；PFDA主要源于全氟羧酸生產過程中的排放[27]。因此，因子1可被認為是源于電鍍防霧劑及全氟羧酸的生產過程排放。PFTrDA可能由油漆油墨助劑、皮革及紙制品整理粘合劑添加的PFCs前體物質FTOHs氧化形成[30-32]。由于PFTrDA在本研究區域內的含量差異較小(標準偏差為0.005)，故因子2可被認為來自大氣沉降過程。其他未在因子分析中歸類的PFCs如PFDoA、PFUnA、PFNA等空間差別不大，其來自于大氣沉降的可能性也比較大。PFOA主要被用于塑料橡膠品的乳化、紡織品阻燃、紙類表面處理和消防滅火劑等[27,29,33]。

圖3 農田土壤中PFCs主成分分析圖Fig. 3 Principal components analysis diagram of PFCs in farmland soil

w(PFOS)w(PFOA)w(PFNA)w(PFDA)w(PFUnA)w(PFDoA)w(PFTrDA)w(PFTeDA)w(PFOS)1.0000.446*0.358*0.431**-0.0170.2630.0450.294w(PFOA)1.0000.400*0.569**0.2900.425**0.528**0.645**w(PFNA)1.0000.384*0.604**0.558**0.679**0.750**w(PFDA)1.0000.2180.538**0.589**0.583**w(PFUnA)1.0000.546**0.591**0.517**w(PFDoA)1.0000.656**0.333w(PFTrDA)1.0000.572**w(PFTeDA)1.000

注：*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關，**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

Note:*indicate significance at the level of 0.05 (double side),**indicate significance at the level of 0.01 (double side).

表3 各區域土壤中PFCs水平(ng·g-1)Table 3 Comparison of PFCs in surface soils of different areas in China (ng·g-1)

綜上所述：(1)云南省會澤縣農田土壤中PFHxA、PFHpA和PFHxS均未檢出，其余8種PFCs(ΣPFCs)含量水平范圍為0.298～0.998 ng·g-1，平均含量水平為0.392 ng·g-1，PFOS和PFOA為該地區農田土壤中最主要的PFCs，相對百分含量范圍為45.93%～81.86%。

(2)云南省會澤縣農田土壤中PFCs的含量水平低于上海地區土壤中PFCs的含量，與淮河流域、渤海灣、東江流域、廣州、深圳、東莞、安徽、中國東部農村等地區土壤中PFCs的含量相當。

(3)以PFOS、PFDA、PFTrDA為主要標志物的2個主成分的累積貢獻率為73%，可以解釋云南省會澤縣農田土壤中PFCs的主要來源，可能與工業點源、大氣沉降及長距離運輸有關。

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