北京典型灌區表層土壤與農產品酚類含量及人體健康風險評估

李艷 ，顧華 ，楊勝利 ，黃俊雄 ，劉洪祿 *

1. 北京市水科學技術研究院，北京 100048；2. 北京市非常規水資源開發利用與節水工程技術研究中心，北京 100048

近年來環境內分泌干擾物由于可對人類和動物等產生不良影響而倍受關注。壬基酚（NP）、雙酚A（BPA）和辛基酚（OP）具有內分泌干擾性和持久性生物毒性（Jobling et al.，1993；Krishnan et al.，1993；Neamtu et al.，2006），已被歐盟水框架指令劃定為主要控制污染物（European Community，2000）。NP和OP分別是合成壬基酚聚氧乙烯醚（NPEOs）和辛基酚聚氧乙烯醚（OPEs）的主要原料，也是其主要微生物降解產物（Sharma et al.，2009）。NPEOs和OPEs是非離子表面活性劑，常被應用于造紙、洗滌劑、冶金、紡織等領域，隨廢水排放進入環境。環境中的NP和OP有兩個主要來源：含NP或OP的污廢水的排放以及來自環境中NPEOs或OPEs的降解。BPA是人工合成聚碳酸酯和酚醛樹脂等的原材料，環境中 BPA主要來源于生產、制造以及使用過程中的排放（Staples et al.，1998）。

NP、OP和BPA很容易被有機質含量相對較高的環境介質吸附，廣泛存在于各種環境介質中。國內外目前已有大量學者對水環境、沉積物、污泥以及水生生物中NP、OP和BPA進行了詳細研究（陳茹，2014；Kanaki et al.，2007；李洋等，2012；劉清云等，2016；向昆侖，2015）。土壤是酚類存在的重要介質之一，其中殘留的酚類能向作物遷移，直接關系農產品生產安全，因此明確土壤中酚類遷移轉化和殘留水平具有重要現實意義。較多學者通過研究得出了NP、BPA和OP在土壤中的吸附動力學模式、熱力學等溫線、解吸規律、生物降解規律以及這些過程的影響因子等（姜魯等，2012；魯佳銘等，2011；楊錨等，2013），研究結果顯示土壤對 NP的吸附以物理作用為主，Freundlich模型和DA模型均能較好地擬合NP的吸附等溫線，溫度和離子強度對吸附容量存在一定影響。

也有部分學者對不同水質灌溉、淤泥施用、不同農藥助劑施用以及不同種植條件下土壤和農產品酚類殘留量進行了調查研究（Cai et al.，2012；Chen et al.，2011；杜章留等，2015；劉麗等，2011；劉媛等，2015；Lu et al.，2007；任杰等，2010；Tran et al.，2015；Vikels?e et al.，2002；王茜等，2012），結果顯示施用污泥的土壤BPA、NP、OP含量遠高于普通農田土壤相應含量，如丹麥施用污泥的農業土壤中 NP質量分數約為 1450.00 μg·kg-1，而普通農業土壤中 NP質量分數約為 5.2 μg·kg-1，污泥農用是農田土壤NP的主要來源之一；污灌和過渡灌溉條件下土壤NP含量高于清水灌溉土壤 NP含量，污灌在一定程度上提高了土壤NP含量；傳統農藥助劑降解產物NP在土壤中的含量高于新型農藥助劑降解的NP含量；部分蔬菜NP和 BPA 質量分數分別為 1.26~8.58 μg·kg-1和0.43~5.31 μg·kg-1，部分水果 NP 質量分數為18.5~27.4 μg·kg-1。土壤和農產品中酚類可通過食物鏈進入人體，一些學者對居民膳食酚類人體健康風險進行了評估（柳春紅等，2013；趙娜娜等，2014），得出居民通過膳食途徑攝入的NP、OP和BPA量較少，風險較低，屬于安全范圍。

北京市東南郊灌區從20世紀50年代開始逐步利用城市污水進行灌溉，2003年開始該灌區逐步利用再生水灌溉農作物，近年已發展再生水灌溉面積3.857×104hm2。目前為止有學者對該灌區部分區域土壤有機氯農藥和PAHs進行了研究（何江濤等，2010；馬文潔等，2010；石鈺婷等，2011），而關于該灌區土壤和作物酚類含量的研究還未見報道，灌區酚類污染水平和人體健康風險水平還不明確。該灌區是北京地區主要農業生產基地之一，因此有必要對該灌區土壤和農產品酚類污染情況進行調查研究。本研究從土壤、農產品和人體健康三方面綜合評估灌區現狀酚類水平，以期為典型灌區保證農產品安全和控制土壤酚類含量提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況及樣品采集

研究區（東經 116°32'~116°43'，北緯 39°26'~40°02'）位于北京東南郊（圖 1），平均日照時數2459 h，平均氣溫為11~12 ℃，平均降水量為565 mm。0~20 cm表層土壤粘粒、粉粒及砂礫含量百分比分別為 10.5%~27.5%、46%~78.5%和1.5%~43.5%。研究區污灌歷史為20~40 a（區域1為40 a，區域2為30 a，區域3為20 a，見圖1）。其中，區域1于1960年開始使用城市原生污水灌溉35年，后使用再生水灌溉5年；區域2于1975年開始使用城市原生污水灌溉20年，后使用再生水灌溉10年；區域3于1975年開始使用原生污水灌溉20年。為研究灌區表層土壤和農產品酚類含量及污染水平，在灌區主要灌溉河道和渠道附近相應農田布置土壤采樣點20個，分屬20（區域3）、30（區域2）、40 a（區域1）不同污灌歷史年限，如圖1所示。采集土樣，從農田4點處取表層土壤（0~20 cm），組成混合土樣，土樣樣品于-4 ℃冷藏，-20 ℃冷凍干燥，研磨干燥后的樣品過50目篩，后置于玻璃瓶中于-20 ℃的環境中保存待測。

圖1 研究區示意圖Fig. 1 Schematic diagram of study area

6月中旬和9月下旬作物收獲時在采集土壤樣品的田塊采集農產品樣品，包括包括冬小麥（Triticum aestivum L.）籽粒、夏玉米（Zea mays L.）籽粒和果蔬（茄子 Solanum melongena L.、白薯Solanum tuberosum L.、芥藍 Brassica alboglabraL.H. Bailey、菜心 Brassica campestris L.ssp.chinensis var. utilis Tsen et Lee、油菜Brassica napus L.、梨Pyrus spp.、蔥 Allium fistulosum L.）可食用部位，由于區域采樣時間安排問題導致某些監測點位僅在6月或9月采集到了農產品，不同區域作物采樣情況見表1。采集的農產品樣品放入保溫箱中運輸至實驗室，并清洗表面土壤和雜質，沾干表層水分后，于 4 ℃下保存。采用鋁箔紙包裹用于化驗酚類的土壤樣品和作物樣品，避免二次污染。

1.2 土壤和農產品中酚類的索氏提取與測定方法

取10 g待測土樣，加入一定量的酚類替代物（鄰苯二甲酸二乙酯-D4，0.1 mg·kg-1），攪拌后密閉過夜，用濾紙包好后放入索氏提取器，用220 mL丙酮和甲醇混合液（V∶V，1∶1）作為提取液。農產品樣品放入真空干燥箱中以65 ℃干燥12 h，而后取一定量（糧食作物籽粒取5 g，果蔬取2 g）樣品，加入替代物（0.1 mg·kg-1），攪拌后密閉過夜，用濾紙包好后放入索氏提取器，用220 mL的正己烷作為提取液。樣品提取12 h后，用50 g無水硫酸鈉對提取液進行過濾脫水，用15 mL的相應提取液進行潤洗。脫水后的提取液利用旋轉蒸發儀（50 ℃）和氮吹儀（50 ℃）濃縮至0.8~1.5 mL，經 0.22 μm濾膜（采用柱凈化會增加目標物的損失，僅采用濾膜可以提高目標物的回收率）轉移至1.5 mL樣品瓶（液體體積為0.5~1.0 mL），于冰箱中保存至待測。

使用氣相色譜（7890A）/質譜聯用儀（5975C）進行樣品酚類分析，包括辛基酚（OP）、壬基酚（NP，包括 NP1、NP2、NP3、NP4、NP5、NP6、NP7、NP8、NP9、NP10）和雙酚A（BPA）共12種化合物。DB-5MS毛細管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）為美國安捷倫公司生產。進樣口溫度為 280 ℃，無分流進樣，GC爐溫采用程序控制升溫，40 ℃保持2 min，5 ℃·min-1升溫至290 ℃，而后保持 4 min。樣品分析采用SIM掃描模式，利用特征峰和保留時間進行定性分析，利用基峰面積對樣品進行定量分析。樣品中酚類的濃度 Cx（mg·kg-1）計算如下式：

式中，Ax為樣品中酚類的峰面積；Asu為樣品中替代物的峰面積；Csu為加入樣品中替代物的質量分數，mg·kg-1；Fx/su為酚類與替代物的相對響應因子；Ax′為單位質量酚類的峰面積；Asu′為單位質量替代物的峰面積。

質量控制與保證：每批次試劑分析試劑空白，每批次樣品至少做2個空白，空白測試結果均低于試驗檢出限。空白加標回收率為70%~120%，樣品替代物的回收率為80%~120%；為檢查儀器是否污染，按時做溶劑空白；本研究中 OP、BPA和 NP檢出限分別為 0.048、0.040 和 0.058~0.170 μg·kg-1。

1.3 健康風險評價方法

本研究檢測了灌區土壤和部分農產品（糧食、蔬菜和水果）酚類含量，因此分析酚類對人體健康產生的風險的暴露介質為土壤和農產品，相應的暴露途徑有皮膚接觸、呼吸吸入、經口攝入。參考龍錦等（2017）在北京市郊區調研結果，本研究中這幾類農產品攝入量約占總膳食量的 71.28%。采用美國能源部風險評估信息系統中人體健康風險暴露模型計算人群經口和皮膚途徑暴露污染物的日均暴露劑量（RAIS，2013），計算公式如下：

表1 農產品樣品數Table 1 Number of agricultural product samples

表2 健康風險評價暴露參數Table 2 Exposure parameters of health risk assessment

式中，ADD1、ADD2、ADD3分別為經口-作物、口-土壤、皮膚-土壤途徑的化學物質日平均暴露劑量，mg·kg-1·d-1；其他參數定義和取值見表 2，取值參考環境保護部發布的《污染場地風險評估技術導則》（HJ 25.3—2014）。

目前酚類物質致癌強度系數還未確定，本研究僅討論酚類物質非致癌風險，計算公式和參數取值參考美國健康影響評估概要表格、丹麥安全與毒理研究所以及相關研究結果（EPA，1997；Nielsen et al.，1999；Tyl et al.，1999）。

式中，IH為非致癌風險指數；RfD為污染物參考劑量，mg·kg-1·d-1，RfD1和 RfD2分別為經皮膚和口的參考劑量；ABSgi為經腸胃吸收的污染物分數，本文取1.0；LOAEL或NOAEL為未觀測到或觀測到的最低的有害效應劑量，mg·kg-1·d-1；FU為不確定系數，本文取300；FM為修正系數，本文取1.0。酚類非致癌參考劑量見表3。

表3 非致癌參考劑量（RfD）Table 3 Non-carcinogenic reference dose (RfD)

運用Microsoft excel 2010和SPSS 20.0軟件對數據進行作圖和統計分析。

2 結果與討論

2.1 灌區表層土壤酚類空間分布

圖 2顯示灌區表層土壤酚類的質量分數，為40.63~320.32 μg·kg-1，均值為 133.48 μg·kg-1。總體上灌區西部土壤酚類含量最高，主要分布在青云店鎮；其次為灌區東北部地區，分布在張家灣鎮附近；灌區東南和南部區域表層土壤酚類含量稍低。總體上，污灌歷史年限最短的區域表層土壤酚類含量最低。

2.2 灌區表層土壤酚類各組分含量

圖2 灌區表層土壤酚類空間分布Fig. 2 Spatial distribution of phenols in topsoil in the irrigation district

表4 灌區表層土壤酚類各檢測組分含量Table 4 Contents of individual phenols in topsoil of the irrigation district

表 4顯示了灌區表層土壤酚類各檢測組分含量。酚類中12種檢測組分在所有采集的土壤樣品中均能檢測出。土壤酚類各檢測組分中，NP質量分數最高，為 32.54~295.08 μg·kg-1，均值為 112.14 μg·kg-1；其次為 BPA，質量分數為 7.19~48.79 μg·kg-1，均值為 20.64 μg·kg-1；OP 質量分數最低，為 0.47~1.43 μg·kg-1，均值為 0.70 μg·kg-1。NP 中質量分數較高的組分為NP4、NP2、NP3和NP9，均值分別為 17.80、17.26、13.97 和 13.85 μg·kg-1；剩余NP檢測組分質量分數均低于13.00 μg·kg-1。

王茜等（2012）檢測得出某污灌區土壤 BPA和 OP 質量分數分別為 0.00~6.52 μg·kg-1和0.00~17.95 μg·kg-1，均值分別為 2.37 μg·kg-1和 7.26 μg·kg-1；淤泥中 BPA、OP質量分數分別為4.31~17.44 μg·kg-1和 0.00~44.56 μg·kg-1，均值分別為 8.91 μg·kg-1和 11.30 μg·kg-1。張婷瑜（2014）調查得出呼和浩特市郊農田土壤 BPA質量分數為0.00~11.93 μg·kg-1，均值為 3.47 μg·kg-1。本研究中表層土壤 BPA含量高于王茜等（2012）和張婷瑜（2014）研究結果，OP含量低于王茜等（2012）調查結果，主要是不同區域土壤酚類各組分比例與土壤環境和外源輸入有關。

表5顯示了國內外部分區域關于土壤NP含量的研究結果。與國內研究結果相比，本研究灌區表層土壤NP含量高于黑龍江和呼市農田土壤、河北和某污灌區污灌土壤NP含量，低于太原污灌區表層土壤和某污灌區淤泥NP含量（Chen et al.，2011；廖小平，2013；王茜等，2012；王艷平等，2012；張婷瑜，2014）。與國外研究結果相比，研究區表層土壤NP含量遠高于丹麥普通農田土壤NP含量，遠低于瑞典、加拿大、美國和丹麥施用污泥（淤泥）的農田土壤NP含量（Gibson et al.，2005；Liber et al.，1999；Vikels?e et al.，2002）。說明本研究區表層土壤NP含量總體上高于普通農田土壤NP含量，但遠遠低于施用污泥（淤泥）的土壤NP含量，這同時也說明污泥（淤泥）施用是農業土壤中NP的一個主要污染來源。

表5 不同地區土壤NP含量的比較Table 5 Comparative analysis of nonylphenol in soil from different regions

目前，中國還未制訂土壤酚類污染控制標準，參考丹麥安全與毒理研究所提出的土壤壬基酚的限值標準（25 mg·kg-1）（Nielsen et al.，1999），本研究土壤樣品總壬基酚（NP）質量分數為 32.5~295.0 μg·kg-1，遠低于該標準。

2.3 灌區各農產品酚類含量

由圖3(a)可知，灌區區域1和區域2冬小麥籽粒酚類總量均值分別為 330.55 μg·kg-1和 368.94 μg·kg-1，區域1、區域2和區域3夏玉米籽粒酚類總量均值分別為 504.21、592.55 和 598.50 μg·kg-1，冬小麥籽粒或夏玉米籽粒不同區域酚類含量差異較小，說明不同污灌歷史年限對冬小麥籽粒和夏玉米籽粒酚類含量影響較小。由圖3(b)可知，采集的果蔬可食用部分酚類質量分數為 476.92~1355.57 μg·kg-1，芥藍（Brassica alboglabra L. H. Bailey）酚類含量相對較高，白薯（Solanum tuberosum）酚類含量相對較低。

2.4 灌區農產品酚類各組分含量

由表6可知，冬小麥籽粒酚類各組分中質量分數最高的為 NP（ 202.19~446.16 μg·kg-1），均值為333.66 μg·kg-1；OP 和 BPA 質量分數分別為3.40~25.33 μg·kg-1和 1.36~ 33.27 μg·kg-1，均值分別為 8.47 μg·kg-1和 7.62 μg·kg-1。冬小麥籽粒 NP各組分中NP2、NP4、NP9質量分數相對較高，均值分別為 64.55、62.97 和 54.55 μg·kg-1。

夏玉米籽粒酚類以BPA和NP為主，質量分數分別為 165.59~543.67 μg·kg-1和 140.39~406.47 μg·kg-1，均值分別為 312.23 μg·kg-1和 269.11 μg·kg-1；OP 質量分數為 0.77~10.83 μg·kg-1，均值為 3.00 μg·kg-1。夏玉米籽粒 NP 中以 NP5、NP10、NP2和 NP3含量較高，質量分數分別為25.46~87.41、23.82~66.74、22.32~57.77和 16.11~64.87 μg·kg-1。本研究中果蔬 OP、BPA 和 NP 質量分數分別為11.39~204.53、93.42~893.86和220.33~392.07 μg·kg-1，總體上以 BPA 和 NP 含量較高。國內外一些學者研究調查得出部分蔬菜NP和BPA質量分數分別為 1.26~8.58 μg·kg-1和 0.43~5.31 μg·kg-1，大米 NP 質量分數為 39.70 μg·kg-1，部分水果 NP 質量分數為 18.50~27.40 μg·kg-1（Guenther et al.，2002；劉麗等，2011；Lu et al.，2007；任杰等，2010），與這些研究結果相比，本研究中農產品酚類含量處于相對較高水平。

圖3 灌區各農產品酚類總量Fig. 3 Content of phenols in agricultural product in the irrigation district圖中（1）、（2）、（3）表示區域1、區域2、區域3(1), (2), (3) in fig. (a) are zone1, zone2, and zone3, respectively

表6 灌區農產品酚類各檢測組分含量Table 6 Contents of individual phenols in agricultural product in the irrigation district

歐盟規定人體對 BPA每日耐受量（TDI）為0.01 mg·kg-1·d-1（European Commission，2002），丹麥安全與毒理研究所建議人體對NP的TDI為0.005 mg·kg-1·d-1（Nielsen et al.，1999）。按成人體質量 56.8 kg計算，每人每天攝入冬小麥 0.15 kg，夏玉米0.10 kg，果蔬0.345 kg（鮮質量），則攝入冬小麥籽粒、夏玉米籽粒和果蔬BPA質量分數限值分別為3.79、5.68、16.46 mg·kg-1，冬小麥籽粒、夏玉米籽粒和果蔬NP質量分數限值分別為1.89、2.84和8.23 mg·kg-1。本研究農產品 BPA和NP含量均低于這些相應含量限值。

2.5 人體健康風險評估

表 7所示為灌區酚類各組分人體健康非致癌風險（土壤、農產品酚類各組分濃度含量取灌區均值）。US EPA指出當非致癌危害指數大于1時，認為對人體健康產生危害（EPA，1991）。本研究中成人和兒童非致癌指數分別為 4.77×10-2和1.02×10-1，均低于1，說明酚類未對人群產生明顯的非致癌健康危害。通過口-小麥、玉米和果蔬對人體健康所造成的非致癌危害分別為 1.79×10-2~4.26×10-2、 1.98×10-2~3.53×10-2和 1.01×10-2~2.41×10-2。NP、BPA和OP各自對人體造成的非致癌風險分別為 3.00×10-2~6.60×10-2、1.56×10-2~3.09×10-2和 2.20×10-3~5.16×10-3。

表7 酚類非致癌健康風險計算結果Table 7 Non-carcinogenic health hazard index of phenols

3 結論

（1）本研究區表層土壤 NP含量總體上高于其他普通農田土壤NP含量，遠低于施用污泥（淤泥）的土壤NP含量。本研究區表層土壤中NP含量未超過相丹麥安全與毒理研究所提出的土壤壬基酚的限值標準（25 mg·kg-1）。

（2）冬小麥和夏玉米籽粒OP、BPA和NP質量分數分別為 0.77~25.33、1.36~543.67和140.39~446.16 μg·kg-1，果蔬 OP、BPA 和 NP 質量分數分別為 11.39~204.53、93.42~893.86和220.33~392.07 μg·kg-1，均以 BPA 和 NP 含量為主。參考歐盟和丹麥提出的人體可耐受每日攝入量，本研究中農產品BPA和NP含量均低于相應參考限值。

（3）成人和兒童酚類非致癌指數分別為4.77×10-2和 1.02×10-1，均低于 UE EPA規定相應標準參考值。通過口-小麥、玉米和果蔬對人體健康所造成的非致癌危害分別為 1.79×10-2~4.26×10-2、 1.98×10-2~3.53×10-2和 1.01×10-2~2.41×10-2。NP、BPA和OP各自對人體造成的非致癌風險分別為 3.00×10-2~6.60×10-2、1.56×10-2~3.09×10-2和 2.20×10-3~5.16×10-3。

總體上，北京東南郊典型灌區土壤和農產品酚類含量處于安全級別，酚類人體健康風險處于較低的水平。