華北四城市生活污水中農藥殘留及健康風險

白 雅,李 壯,黃紅梅,黃健文,梁志豪,范桂恒,劉天佑,李喜青 ,張 巍* (.北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 0087；.中國人民大學環境學院,北京 0087；.未名環境分子診斷技術研究中心,廣東 佛山 58000；.廣西壯族自治區公安廳,廣西 南寧 50000)

污染物暴露引發的城市居民健康風險日益成為城市治理中的突出問題,也成為衡量一座城市管理水平的標尺[1-4].農產品農藥殘留是公眾非常關注的健康問題.常規通過市場抽樣檢測的方法獲得農藥殘留數據,這種檢測受到抽樣頻率、樣本量和覆蓋范圍、檢測能力等條件的限制,具有一定的隨機性和偶然性[5].

進入城市菜籃子的蔬果上殘留的農藥,會隨著清洗過程進入生活污水,再經污水管網進入污水處理廠,城市生活污水中的農藥,絕大部分來自于居民清洗水果蔬菜的排放[6].因此在污水廠進水口采集污水樣品,分析其中農藥類物質的濃度,結合參數模型計算,就能反推這些農藥的殘留量[6-7].這種方法稱為污水流行病學,用于實際監測城市農藥殘留,具有快速、客觀、成本低等突出優點.其創新性主要體現在以污水中的殘留水平反推消費端的暴露,是評估居民潛在暴露風險的最直接數據來源.與其他研究方法相比,不僅能更準確客觀評價城市整體農藥殘留水平,還可以確定農藥殘留突出的區域,對城市居民農藥暴露的健康風險評價具有重要意義[8-9].

本研究對中國華北地區4個城市的19家生活污水廠進水中的21種農藥進行了監測分析,應用污水流行病學方法計算城市生活污水中的農藥殘留量,評價城市農藥殘留特征和潛在健康風險,可以為城市精細化管理和公共健康風險評估提供方法和數據支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究以中國華北地區的 4個省會城市和直轄市:北京、太原、呼和浩特和石家莊作為目標研究區域.在每個城市選取代表性的主要生活污水處理廠,共選擇 19家生活污水廠,這些污水廠均只收納主城區生活污水,沒有工業廢水、農業面源污水、以及城市郊區的農家小院污水排入.污水廠收納區內管網雨污分流,城市綠地的排水進入雨水管道,不進入污水廠.確保所采集的樣品能充分代表所在城市居民生活污水的情況,不受工業排放、農業面源污染、城市綠化農藥、城市郊區農家小院和降雨等的影響.

2017年4和11月,在所選生活污水處理廠進水口(細格柵后)采集進水水樣,各污水廠的采樣時間一致,均連續采集 7d,采樣期間避開降雨影響.使用Sigma-SD900自動水質采樣器(HACH公司,美國),每2h采集一次(每次不少于100mL),每天24h采集12個樣品,將其等體積混合得當日混合樣.將當日混合樣分裝在專用樣品瓶中,轉移至-20℃冰箱冷凍保存.采樣結束后,采用冷鏈運輸,使樣品在冷凍條件下運送到實驗室進行檢測分析.

1.2 實驗方法

實驗方法為固相萃取(SPE)-液相色譜串聯質譜分析(HPLC-MS/MS).采用固相萃取法對污水樣品進行前處理.取200mL樣品,用0.45μm玻璃纖維濾膜過濾,濾液以2mL/min的流速加載到固相萃取柱(Oasis-HLB,Waters公司,美國).在樣品加載前,固相萃取柱依次用3mL甲醇和3mL超純水活化.樣品加載完成后,用 3mL超純水淋洗萃取柱,然后以緩和的空氣流持續抽氣10min直至萃取柱干燥.干燥后的萃取柱用 5mL甲醇洗脫,在室溫下用緩和的高純氮氣將洗脫液吹干,然后用 500μL20%的甲醇水溶液對氮吹的殘留物進行復溶.復溶后的溶液用 0.22μm有機相過濾離心管(VWR公司,美國)過濾,濾液轉移入 UPLC-MS/MS專用的200μL內插管,放入1.5mL螺紋口進樣瓶中,4℃下保存,以備上機測定.

前處理后的樣品用高效液相色譜串聯質譜進行測定.使用島津高效液相色譜(20AD-XR,Shimadzu,日本)進行分離,所用液相色譜柱為菲羅門Gemini C18柱(100mm×2.00mm,3μm) (Phenomenex,美國),進樣量為5μL.液相色譜的流動相由含0.1%甲酸的水溶液(A 相)和甲醇(B相)組成.洗脫梯度為:0～1.5min:20% B;1.5～2.25min:80% B;2.25～3.1min:95% B;3.1～5.0min:20% B.流動相流速為0.3mL/min.使用API 4000三級四重桿串聯質譜儀(AB Sciex,美國),在多反應監測模式(MRM)下對濃度進行定量測定.使用電噴霧離子源(ESI),電噴霧電壓為正離子5500V,離子源溫度(TEM)為350℃,霧化氣和輔助氣壓力為0.345MPa.每種農藥選擇兩個子離子,母離子、子離子的荷質比、去簇電壓(DP)、碰撞電壓(CE)和保留時間(RT)等質譜參數見表1.

表1 目標化合物的質譜參數Table 1 Mass spectrum parameters of target compounds

1.3 質量控制

樣品的采集和檢測分析過程均采取嚴格的質量控制措施.樣品過濾后加入50μL濃度為500 μg/L的混標和50 μL濃度為500 μg/L的氘代內標.每批次實驗設置一組流程空白,與樣品同時進行前處理和測定.本研究共檢測了21種農藥,分為殺蟲劑、殺菌劑和除草劑3類.其中殺蟲劑9種,殺菌劑6種,除草劑6種,涵蓋了我國當前使用的主要農藥種類.這21種農藥的方法檢出限在 0.01～0.25ng/L,定量限在0.02～0.82ng/L.根據流程空白和加標濃度計算方法回收率,(75.3±3.5)%～ (112.6±4.8)%.

1.4 數據計算

農藥殘留量用千人均殘留量(RW)來表征.千人均殘留量是指污水處理廠進水中農藥的日總負荷量與污水廠服務人口的比值,通常以每1000人為一個人口單位,單位為“mg/(千人·d)”,計算公式:

式中:C為污水中的濃度,是儀器直接測定所得,ng/L;Q為污水廠的進水流量,是流量計直接計量所得,m3/d.這兩個變量的測定均較為準確、客觀.P為污水廠服務人口,由污水廠提供,千人,該變量是根據污水廠的設計處理量和人均日污水排放量計算得到,為經驗估計值,雖然相對于儀器測定的數據來說,這種估算具有較大的不確定性,但因為人口統計本身就具有不確定性,而污水廠要根據服務的人口進行處理設施的設計和運行,因此污水廠提供的服務人口數是相對最優的人口估算.

健康風險分析中會使用城市在一段時間內(日、周、月或年)農藥殘留的總量,以便與蔬果產地的農藥使用量數據形成直觀對照,分析城、鄉的農藥物質流,評價農藥相關政策的實施效果.本文中總殘留量(RT)的計算公式如式(2):

式中:RT為總殘留量,g/d;RP為城市常住人口,采用統計局統計年鑒數據,千人.

根據污水中農藥殘留量,可以近似推算進入城市的生鮮蔬果清洗前的農藥殘留量,其主要前提假設是城市生活污水中殘留的農藥主要來自于家庭和商超對蔬菜水果等生鮮農產品的清洗[7-9].計算公式:

式中:RL為清洗前蔬果農藥殘留量,mg/kg;RW為污水中農藥千人均殘留量,mg/(千人·d);PF水洗為蔬果水洗過程的加工因子;FI為每日蔬果攝入量,g/(人·d).

根據城市生活污水中的農藥殘留量,計算城市居民農藥的日均潛在攝入量(EDI,mg/kg bw),計算公式:

式中:RL為清洗前蔬果的農藥殘留量,mg/kg;PF加工為蔬果綜合加工因子;FI為每日蔬果攝入量,g/(人·d);BW為人體體重,kg.

2 結果與討論

2.1 城市生活污水中農藥殘留濃度

在4個城市的生活污水樣品中共檢出18種農藥,其中北京市、太原市、呼和浩特市、石家莊市污水樣品中分別檢出17、16、15、15種農藥.根據污水廠的流量,計算每個城市污水中農藥的流量加權平均濃度,如表2所示.

表2 華北四城市生活污水中殘留農藥的濃度Table 2 Concentration of pesticides in wastewater samples from four cities in North China

4個城市中,檢出濃度較高的 3種農藥是多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,其中多菌靈的濃度最高,說明其殘留量較大.石家莊多菌靈的濃度為1328.07ng/L,在 4個城市中最高.多菌靈是一種苯并咪唑類殺菌劑,廣泛應用于蔬果生產的真菌病害防治中,易造成蔬果中多菌靈殘留超標,構成食品安全風險.多菌靈對人和動物的毒性屬于低毒,但長期暴露于含多菌靈的食物,經過消化道的吸收,可積累在體內尤其是臟器組織中,從而影響人體健康.田麗等[10]報道了 2015～2017年陜西省市售水果中殺菌劑殘留狀況,發現多菌靈的檢出率和超標率最高,分別為48.2%和 2.1%.文獻研究顯示,多菌靈在蔬果中的殘留具有普遍性[11-13].本研究的數據也表明,多菌靈在城市污水中的殘留具有普遍性.

2.2 城市生活污水中農藥殘留量結構

由表3可見.在4個城市中,石家莊21種農藥的綜合千人均殘留量最高,為454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,為63.69mg/(千人·d),這主要是因為石家莊的多菌靈殘留量較高,為424.98mg/(千人·d).從總殘留量來看,北京的數值最高,21種農藥的綜合總殘留量為4348.1g/d,這是因為北京的常住人口遠大于其他 3個城市.除了多菌靈之外,北京市吡蟲啉、氯蟲苯甲酰胺和甲霜靈的千人均殘留量和總殘留量也比較突出.

表3 華北四城市污水中農藥千人均殘留量和總殘留量Table 3 Mass of pesticide residues in wastewater from four cities in North China

以總殘留量為指標,繪制 4個城市的污水中殘留農藥的成分結構,如圖1所示,在所檢測的21種農藥中,多菌靈在4個城市的農藥殘留中占比均最高,為51.35%(北京)～93.43%(石家莊).這體現出華北地區蔬果農藥使用具有相同特征,多菌靈是本地區主要農藥,其中石家莊的多菌靈殘留最為突出.北京市的農藥殘留量中,除多菌靈外,其它占比較高的農藥還包括吡蟲啉(21.97%)和氯蟲苯甲酰胺(6.34%),這3種農藥的累計占比達到 80%.太原市的農藥殘留結構與北京類似,多菌靈之外占比較高的農藥同樣為吡蟲啉(8.91%)和氯蟲苯甲酰胺(4.65%),累計占比為83%.呼和浩特市殘留農藥中比例較高的是多菌靈(78.49%)、氯蟲苯甲酰胺(5.25%)和吡蟲啉(4.04%)這3種農藥的占比為88%.石家莊市污水農藥殘留量中,多菌靈所占比例為93.43%,遠高于其它農藥.

圖1 城市污水中殘留農藥成分結構Fig.1 Structure diagram of pesticide residues in urban wastewater

由此可見,4個城市的農藥殘留結構相近,多菌靈的殘留量均最高,其余比例較高的農藥包括吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺.吡蟲啉是一類新煙堿類的殺蟲劑,有研究表明,吡蟲啉可能對昆蟲和脊椎動物產生毒性作用,對生態系統和人類健康造成潛在的不利影響[14].氯蟲苯甲酰胺是新型鄰甲酰氨基苯甲酰胺類的廣譜型殺蟲劑,具有廣譜、活性高、速效性好等優點,在我國廣泛用于蔬菜、水果和糧食作物.出于對水生生物的風險考慮,2016年9月,農業部正式撤銷氟苯蟲酰胺在水稻作物上的登記.美國 EPA同樣也關注到該產品對水生無脊椎動物存在風險,于2016年7月取消了相關的登記[15].

2.3 推算蔬果農藥殘留量

根據公式(3),在計算過程中需要確定蔬果清洗的農藥去除率,引入蔬果加工因子(PF)的概念.研究表明,加工過程可以影響蔬菜和水果中的農藥殘留[16],加工效果可以由加工因子表示.加工因子是加工前后蔬果的農藥殘留量比值,是評價蔬果加工過程中農藥殘留量變化的主要參數.蔬果加工對農藥殘留量的影響取決于多種因素,農藥的化學結構和理化性質決定了加工過程中化學物質的變化,例如水洗過程中,農藥的溶解度很大程度上影響了農藥的去除率;蔬果的種類、形態等的差異會影響農藥在蔬果上的分布[17];清洗的時間長短也會對蔬果農藥殘留量產生影響[18].不同蔬果、不同農藥的加工(清洗)因子不同,而實際中可獲得的數據有限.因此,根據文獻研究[17],本文取較為保守的通用加工因子0.75作為蔬果水洗過程的加工因子PF水洗.根據何宇納等[19]研究,我國大城市成年居民人均每日蔬果平均攝入量為337g/(人·d).需要指出,居民蔬果攝入量與城市經濟水平、居民收入和生活習慣密切相關,本文中4個城市的人均每日蔬果攝入量選用同一數值,沒有考慮城市差異,進一步的研究中,在各城市針對性的膳食結構調查數據基礎上,估算會更準確.

選取每個城市殘留量最高的3種農藥多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,根據公式(3)計算相應的蔬果農藥殘留量,結果如表4所示.

表4 推算的3種農藥蔬果殘留量(mg/kg)Table 4 Three pesticide residues from fruits and vegetables(mg/kg)

通過生活污水中的農藥殘留推算蔬果表面農殘,結果顯示,在4個城市中,多菌靈的蔬果殘留量均高于其他農藥.表4中,石家莊多菌靈的蔬果殘留量高于其他城市,為5.04mg/kg,北京的吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果殘留量高于其他城市.

2.4 健康風險分析

蔬果中殘留農藥的潛在健康風險可以用每日允許攝入量(ADI)來評價.ADI是人體每日攝入而不產生可檢測到的危害健康的估計量,以每千克體重可攝入的量表示.根據公式(4),由蔬果農藥殘留量計算EDI.由EDI與ADI的比較來分析殘留農藥的潛在健康風險.計算過程中應考慮包括清洗、去皮、烹飪等在內的一種或多種加工過程,由于實際中可獲得的不同蔬果食品加工因子數據有限,因此采用通用的綜合加工因子 PF加工替代,本研究中取PF加工為0.65[17](該值與 PF水洗不同,較為保守,包括清洗、去皮和烹飪等在內的加工過程往往可以更大程度上減少農藥殘留).FI根據文獻研究取337g/(人·d)[19];BW取成年人平均體重為60kg.根據圖1中每個城市農藥總殘留量占比,選取累計占比在 90%以上的農藥種類,依據公式(4)計算日均潛在攝入量EDI,如表5.

表5 城市蔬果主要殘留農藥日均潛在攝入量EDITable 5 Estimated daily intake of pesticides from urban vegetables and fruits

表5中ADI引自《食品安全國家標準 食品中農藥最大殘留限量 (GB 2763-2019)》[20].雖然ADI的數據是直接檢測的蔬果表面農殘,EDI的數據是根據生活污水推算的蔬果農殘,二者的檢測方法不同,但 ADI是一個人每天可接受的不對健康構成風險的最大暴露量,用 ADI與根據污水殘留推算的EDI數值比較,可以從宏觀上反映蔬果農殘的健康風險[21-22].華北 4個城市主要殘留農藥的日均潛在攝入量 EDI均小于相應的每日允許攝入量 ADI,即RQ值都小于1.其中石家莊市多菌靈的EDI值最高,雖未超過相應的 ADI值,但考慮到日均潛在攝入量由污水中農藥的總殘留量計算得到,實際中具體到某一特定的蔬果品種上,仍存在一定的健康風險.

針對華北4個城市殘留量最高的3種農藥多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,收集整理了國內外相關研究中蔬果農藥殘留水平和日均潛在攝入量的數據(表6).雖然不同國家研究中涉及的蔬果種類和人體體重數據不同,但是這一比較可以整體上反映華北4城市的主要農藥殘留量和日均潛在攝入量與國內外其他區域相比的相對水平.

表6 國內外蔬果農藥殘留量及EDI比較Table 6 Comparison of pesticide residues and EDI in vegetables and fruits with other studies

由表6可知,相關研究中蔬果上多菌靈殘留量范圍較大,為0.0004～3.4mg/kg,而本研究中多菌靈的蔬果農藥殘留量在 0.59～5.04mg/kg之間,高于文獻報道的水平.吡蟲啉的文獻報道殘留最高值為0.378mg/kg,本研究的范圍為0.04～0.52mg/kg,其中北京較高,為0.52mg/kg,太原、呼和浩特和石家莊的吡蟲啉殘留濃度分別為0.08,0.04,0.09mg/kg,處于文獻報道殘留水平范圍內.氯蟲苯甲酰胺的文獻殘留水平為0.001～0.399mg/kg,華北4個城市的氯蟲苯甲酰胺殘留水平與之相當,范圍為0.03～0.15mg/kg.就日均潛在攝入量EDI比較,本研究中3種農藥 EDI的最大值均低于文獻中相應農藥的最大值,整體在文獻報道的EDI值范圍之內.

相關研究中基本未考慮到食品加工過程對蔬果農藥殘留的影響,因此本文采用清洗前農藥殘留量與文獻研究中的農藥殘留水平進行比較分析.由于相關蔬果農藥殘留的研究中,對蔬果殘留量的測定前準備工作需要對蔬果進行清洗/破碎等工作,所以文獻報道的蔬果農藥殘留有所低估.與直接抽樣蔬果檢測獲得的農藥殘留量相比,本研究中根據污水監測計算的農藥殘留水平受到不同農藥的水溶性差異、農藥在污水管網中的穩定性等因素影響,具有不確定性,這些因素的貢獻需要進一步的研究來定量表征.但與蔬果抽樣檢測相比,污水監測計算的方法可以避免抽樣的偶然性,更能反映一個城市整體的農藥殘留水平,適用于評估居民潛在暴露風險.

3 結論

3.1 在4個城市中,石家莊21種農藥的綜合千人均殘留量最高,為454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,為63.69mg/(千人·d).4個城市污水中殘留占比較高的3種農藥均為多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺.多菌靈占比最高,為51.35%(北京)～93.43%(石家莊).華北地區蔬果農藥使用具有相似特征,多菌靈的使用和殘留具有普遍性.

3.2 根據污水殘留量推算蔬果農藥殘留量,石家莊多菌靈的蔬果殘留量最高,為5.04mg/kg.北京吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果殘留量均高于其他城市.

3.3 華北 4個城市主要殘留農藥的日均潛在攝入量 EDI均小于相應的每日允許攝入量 ADI,其中石家莊多菌靈的EDI值最高,但未超過相應的ADI值.

3.4 將本研究中多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果農藥殘留量和EDI與國內外其他文獻報道的數值相比較,除了多菌靈相對較高外,吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺基本在文獻數值范圍之內.