环境科学  2015,Vol. 36 Issue (12): 4471-4478   PDF    
钱塘江(杭州段)表层水中全氟化合物的残留水平及分布特征
张明1,唐访良1 ,俞雅雲1,徐建芬1,李华2,吴敏华2,张伟1,潘见阳1    
1. 杭州市环境监测中心站,杭州 310007;
2. 建德市环境监测站,杭州 311600
摘要: 为探究钱塘江(杭州段)表层水中全氟化合物(PFCs)的污染特征,应用固相萃取净化、富集与超高效液相色谱-串联质谱联用相结合的方法,对14个监测断面采集于2014年7月和2015年1月的表层水样品中16种PFCs进行了分析,研究其残留水平和分布规律. 监测结果显示钱塘江(杭州段)表层水有8种PFCs不同程度的检出,包括C4和C8全氟烷基磺酸以及C4~C9全氟烷基羧酸,均为中短链PFCs.∑PFCs质量浓度范围为0.98~609 ng ·L-1,其中全氟辛酸(PFOA)质量浓度范围0.59~538 ng ·L-1,为主要污染因子,全氟辛烷磺酸(PFOS)检出浓度较低,为0~2.48 ng ·L-1. 污染物空间分布略有差异,位于上游兰江的兰江口和将军岩断面检出浓度较高,总体上呈现上游高于下游的趋势. 特征组分含量比率显示流域内工业污废水排放是水体中PFCs残留的主要来源. 钱塘江(杭州段)水体中PFCs污染与钱塘江流域上游产业布局密切相关,主要污染输入来自上游兰江,沿途吸纳的含PFCs的污废水对水体污染有一定影响. 研究结果表明钱塘江水体中存在着广泛的PFCs特别是PFOA污染,需要有关部门引起足够的重视.
关键词: 全氟化合物     表层水     钱塘江     污染特征     超高效液相色谱-串联质谱    
Residue Concentration and Distribution Characteristics of Perfluorinated Compounds in Surface Water from Qiantang River in Hangzhou Section
ZHANG Ming1,TANG Fang-liang1 ,YU Ya-yun1,XU Jian-fen1,LI Hua2,WU Min-hua2,ZHANG Wei1,PAN Jian-yang1    
1. Hangzhou Environmental Monitoring Central Station,Hangzhou 310007,China;
2. Jiande Environmental Monitoring Station,Hangzhou 311600,China
Abstract: This study studied the pollution characteristics of perfluorinated compounds (PFCs) in Qiantang River in Hangzhou section (QR). Surface water samples,collected in July 2014 and January 2015 from 14 sites in QR were analyzed for 16 PFCs. All samples were prepared by solid-phase extraction with Oasis WAX cartridges and analyzed using the ultra performance liquid chromatography interfaced to tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS). The results showed that 8 medium-and short-chain PFCs including C4 and C8 perfluorinated sulfonates (PFSAs) and C4-C9 perfluorinated carboxylic acids (PFCAs) were detected in the surface waters. The total concentrations of PFCs ranged from 0.98 to 609 ng ·L-1,while perfluorooctanoic acid (PFOA) dominated,with range of 0.59-538 ng ·L-1,and perfluorooctane sulfonate (PFOS) was detected at lower levels,ranging from 0 to 2.48 ng ·L-1. The spatial distribution of PFCs varied,and the pollutant concentrations at the sampling sites located in upstream of the river such as Lanjiangkou and Jiangjunyan were relatively high,∑PFCs concentration showed a decreasing trend from the upstream to the downstream. According to the ratio of feature components,PFCs in surface water of QR originated largely from the input of direct sewage emissions. Taken together,the PFCs pollution was highly correlated with the upstream of Qiantang River valley's industry distribution,and most of the mass load in the investigated river was attributed to upstream running water with a minor influence from the wastewater discharges along the river basin. Overall,the results presented here indicated that greater attention should be given to the contamination of PFCs,especially for PFOA in water body of QR.
Key words: PFCs     surface water     Qiantang River     pollution characteristics     UPLC-MS/MS    

全氟化合物(perfluorinated compounds,PFCs)作为一种人造材料在日常消费品、 清洗溶液、 防水织物、 纸张、 乳化剂等领域应用广泛[1, 2],而其在环境中难降解,可远距离传输,并能随食物链在动物和人体中累积、 放大,使得该类化合物在全球范围内的各种环境介质中均有检出[3, 4, 5]. 研究表明,该类物质具有致畸、 致癌及神经毒性等多种毒性效应,并具有内分泌干扰特性,其对人体健康的潜在危害引起了全球范围的广泛关注[6, 7, 8]. 全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonate,PFOS)及其盐亦于2009年5月增列入《斯德哥尔摩公约》POPs黑名单[9],将人们对环境中PFCs的监测及其风险评估引向了一个新的高度. 我国正处于工业、 农业快速发展的阶段,许多行业大量使用全氟表面活性剂,因此我国也必然存在PFCs的污染问题[10, 11, 12],需要尽快开展相关方面的研究工作.

由于大部分PFCs具有较低的蒸气压、 较高水溶性和很强的表面活性,PFCs主要在各种水体的表层水中累积,水体环境既是PFCs的汇,也是重要污染传输源[3, 13, 14, 15]. 因此,了解PFCs在水环境中的分布特征极为重要. 迄今为止,已有大量的研究探讨了PFCs在世界各地各种类型水体表层水中累积水平与累积特征[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25]. 钱塘江是浙江省最大的水系和主要饮用水源,对沿岸经济和社会发展具有极其重要的影响,因此其水环境质量一直受到广泛关注. 目前,钱塘江水质常规有机污染物的监测主要涉及BOD5、 COD以及挥发酚等的质量浓度,近年来,其水体中酚类、 多环芳烃等有毒有害有机物的污染研究工作逐步开展[26, 27],但是鲜有关于PFCs污染的相关报道. 本研究对钱塘江(杭州段)水体中的16种PFCs进行了测定,探讨其时空分布特征和污染来源,以期为钱塘江今后的水环境保护积累重要的基础资料,提供一定的理论依据.

1 材料与方法 1.1 标准样品与试剂

16种PFCs混合标准溶液系列(美国Waters公司,500 mg·L-1,186004624),包含:全氟丁酸(perfluorobutyric acid,PFBA)、 全氟戊酸(perfluoropentanoic acid,PFPA)、 全氟己酸(perfluorohexanoic acid,PFHxA)、 全氟庚酸(perfluoroheptanoic acid,PFHpA)、 全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)、 全氟壬酸(perfluorononanoic acid,PFNA)、 全氟癸酸(perfluorodecanoic acid,PFDA)、 全氟十一烷酸(perfluoroundecanoic acid,PFUnDA)、 全氟十二烷酸(perfluorododecanoic acid,PFDoDA)、 全氟十三烷酸(perfluorotridecanoic acid,PFTrDA)、 全氟十四烷酸(perfluorotetradecanoic acid,PFTeDA)、 全氟丁基磺酸(perfluorobutanesulphonic acid,PFBS)、 全氟己基磺酸钾(perfluorohexanesulfonic acid,PFHxS)、 全氟庚基磺酸(perfluoroheptanesulfonic acid,PFHpS)、 全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonic acid,PFOS)、 全氟葵基磺酸(perfluorodecanesulfonic acid,PFDS). 甲醇(色谱纯,德国Merck公司),乙酸铵(99%)(色谱纯,美国Tedia公司),实验用水为Milli-Q纯净水.

1.2 样品采集与处理

分别于钱塘江丰水期(2014年7月)和枯水期(2015年1月)进行现场采样,选取钱塘江(杭州段)干流及其3条主要支流共14个采样点(图 1),各采样点位详细情况见表 1. 每个样点采集表层水(水面以下0.5 m)2 L,混匀后装入聚丙烯广口瓶. 带回实验室的地表水样品立刻经0.7 μm玻璃纤维滤膜去除颗粒物质. 取500 mL样品过Waters WAX固相萃取柱(柱子分别用5 mL甲醇,5 mL 1%氨水甲醇溶液,5 mL去离子水预处理),然后用5 mL 20%甲醇淋洗,最后依次用4 mL甲醇、 4 mL 1%氨水甲醇溶液洗脱. 洗脱液氮吹浓缩至干,残留物用1 mL 50%甲醇水溶液溶解后,过0.2 μm GHP微孔滤膜,待UPLC-ESI-MS/MS分析. 若水样不能及时处理,则0.7 μm玻璃纤维滤膜过滤后置于聚丙烯瓶中冷冻保存,检测前解冻放至室温再经SPE处理.

图 1 钱塘江(杭州段)表层水采样点分布 Fig. 1 Map of sampling sites of Qiantang River in Hangzhou section

表 1 钱塘江(杭州段)采样点位置 Table 1 Sampling sites of Qiantang River in Hangzhou section
1.3 色谱分析

参照文献[28]的方法,采用超高效液相色谱仪-串联三重四极杆质谱仪(Waters UPLC-Xevo TQMS)测定样品; 色谱柱:Waters ACQUITY UPLCTM BEH C18色谱柱(50 mm×2.1 mm,1.7 μm); 流动相为2 mmol·L-1乙酸铵水溶液,流动相B为2 mmol·L-1乙酸铵甲醇. 梯度洗脱:0~0.5 min,25% B; 0.5~4.5 min,25%~55%B; 4.5~5.0 min,55%~95%B; 5.0~6.0 min,95% B; 6.0~6.5 min,95%~25% B. 流速:0.4 mL·min-1; 柱温:40℃; 样品室温度:10℃; 进样体积:5.0 μL. 电喷雾电离源(ESI); 负离子扫描; 多反应监测(MRM)模式; 毛细管电压:3.0 kV; 离子源温度: 150℃; 脱溶剂温度:500℃; 脱溶剂气流量(氮气):800 L·h-1; 锥孔气流量(氮气):30 L·h-1; 碰撞气流量(氩气):0.15 mL·min-1.

1.4 质量控制与保证

为避免引入高背景值,实验全过程避免使用聚四氟乙烯材质的色谱管路和器皿,本研究采用的色谱管路为全peek塑料管路. 为控制样品前处理过程可能带来的外源性污染,样品检测的同时完成方法空白,空白基质为18.2 MΩ·cm的超纯水,只检出PFOA(质量浓度0.09 ng·L-1),所有实验结果均为扣除空白基质后的数据. 16种PFCs加标回收率范围为67.6%~109%,相对标准偏差范围为2.9%~12%,符合美国EPA的要求(回收率范围100%±40%). 16种PFCs在1.0~100 μg·L-1范围的线性相关系数(r)在0.9987~0.9999之间,检测限范围为0.06~0.48 ng·L-1,满足分析要求.

1.5 统计分析

本研究中,样品低于检出限的质量浓度计为0,数据分析使用SPSS 13.0软件(SPSS Inc.,2005),使用Spearman相关系数分析样品中各种全氟化合物质量浓度的相关性.

2 结果与讨论 2.1 钱塘江水体中PFCs污染水平

对2014年7月及2015年1月采自钱塘江(杭州段)14个监测断面的表层水样品中16种PFCs质量浓度进行分析,所有水样中共检出8种PFCs,包括C4和C8这2种全氟烷基磺酸(perfluorosulphonic acids,PFSAs)以及C4~C9等6种全氟烷基羧酸(perfluorocarboxylic acids,PFCAs),具体见表 2. 2014年7月样品中PFCs质量浓度范围为0.98~122 ng·L-1,2015年1月为1.46~609 ng·L-1. 8种PFCs的检出率(%)呈PFOA(100)>PFBA=PFPA(96)>PFOS(93)>PFHpA(89)>PFHxA(82)>PFBS(54)>PFNA(50)的顺序. 若依碳链长短把PFCs分为短链(C≤6)、 中链(7≤C≤10)和长链(C≥11)3类,本研究中检测到的几种PFCs全部为中短链的化合物,主要污染物为PFOA、 PFHxA、 PFBA及PFHpA,而长链的化合物如PFUnDA、 PFDoDA、 PFTrDA、 PFTeDA等均未在样品中检测到. 钱塘江(杭州段)表层水中PFCs的百分含量组成见图 2,丰水期各PFCs平均百分含量由大至小依次为PFOA(83.8%)>PFHxA(4.80%)>PFPA(3.06%)>PFHpA(2.74%)>PFBA(2.21%)>PFBS(1.46%)>PFOS(1.24%)>PFNA(0.71%),而枯水期则是PFOA(88.6%)>PFHxA(6.81%)>PFBA(1.66%)>PFHpA(1.58%)>PFPA(0.67%)>PFOS(0.37%)>PFNA(0.15%)>PFBS(0.13%). 现有研究报道表明不同地区的地表水中PFCs单体的质量浓度有所差异,如So等[17]研究了珠江和长江水体中10种全氟化合物的贡献率,发现珠江流域水体中PFOA对总全氟化合物的贡献率较小(4.4%~26.7%),而在长江流域水体中PFOA的贡献率则在48.1%~98%,并说明导致这种差异的原因是工业生产中使用的物质不同. 从图 2可知,本研究区域水样中PFOA占PFCs的33.0%~93.2%,远高于其他检出PFCs,显示PFOA为钱塘江表层水中PFCs的特征污染因子,也说明了流域内工业生产中使用的PFCs主要成分为PFOA.

表 2 钱塘江(杭州段)表层水体中PFCs检出率和残留水平 1)/ng ·L-1 Table 2 Detection rate and residue levels of PFCs in the surface water from Qiantang River in Hangzhou section/ng ·L-1

图 2 塘江(杭州段)表层水体中8种PFCs的百分组成 Fig. 2 Percentage compositions of 8 PFCs species in surface water samples from Qiantang River in Hangzhou section

本研究中,钱塘江表层水中PFOA质量浓度范围分别为0.59~538 ng·L-1,均值157ng·L-1,PFOS的质量浓度范围分别为ND~2.48 ng·L-1,均值0.86 ng·L-1. 与国内外其它淡水河流水体相比(表 3),钱塘江表层水中PFOA的污染水平高于松花江、 珠江广州段、 长江(重庆段、 宜昌段和南京段)、 辽河、 浑河、 海河、 汾河太原段及法国的Orge河,低于意大利Po河,与长江上海段、 汉江武汉段以及日本的Tama和Yodo河污染水平处于同一数量级; PFOS的污染水平则略高于长江(重庆段、 宜昌段和南京段),低于珠江广州段、 长江上海段、 汉江武汉段、 汾河太原段、 日本的Tama和Yodo河、法国Orge河及意大利Po河,与松花江、 辽河、 浑河、 海河的污染水平相当.

表 3 文献报道淡水河流水体中PFOA和PFOS质量浓度比较 1) Table 3 Comparison of PFOA and PFOS concentrations in water samples from freshwater rivers in previous studies
2.2 钱塘江水体中PFCs污染时空分布特征

两批次钱塘江(杭州段)表层水中PFCs监测结果显示,采自2015年1月的表层水中PFCs平均值为306 ng·L-1,是2014年7月平均值45.0 ng·L-1的6.8倍(表 2). 研究区域各监测断面水体中PFCs质量浓度分布情况如图 3所示. 从时间分布上来看,除了桐君山断面PFCs质量浓度丰水期(2014年月)略高于枯水期(2015年1月),其余各监测断面PFCs质量浓度均是枯水期高于丰水期. 所有14个监测断面枯水期水样PFCs质量浓度均值为丰水期的8倍,整体呈现点源污染特征. 通常4~7月钱塘江流域雨水较多,而根据文献[29],在丰水期采样前期即2014年6月钱塘江(富春江坝址以上)来水量比常年同期更是偏多4成,江水的稀释作用可能是丰水期钱塘江水体中PFCs质量浓度相对较低的主要原因. 枯水期则由于径流量小,进入水体的污染物得不到一定水量的扩散稀释,使得污染物质量浓度偏高. 从空间分布来看,钱塘江干流各监测断面水体中PFCs质量浓度检出较高,3条主要支流中位于浦阳江的监测断面浦阳江出口PFCs检出浓度略高,而位于新安江和分水江的监测断面水样中PFCs质量浓度则处于低污染水平. 从图 3可以看出,两批次钱塘江表层水中PFCs质量浓度分布情况基本一致,呈现上游高于下游的趋势. 对于钱塘江干流,丰水期和枯水期PFCs质量浓度的检出峰值分别出现在兰江口和将军岩断面,而最低值均位于桐庐断面. 由于新安江水(约占钱塘江总流量的1/3)的稀释作用,汇入主要支流新安江后的监测断面严东关水体中PFCs比上游断面下降约四成左右.干流各监测断面除了位于富阳区境内的富阳和渔山略高外,其余干流水体中PFCs基本处于同一浓度水平.

图 3 钱塘江(杭州段)表层水中PFCs质量浓度的分布特征 Fig. 3 Spatial distribution of PFCs in surface waters of Qiantang River in Hangzhou section
2.3 PFCs各单体之间的相关性及来源分析

钱塘江(杭州段)不同监测断面表层水中检出的PFCs主要单体质量浓度相关关系见表 4(丰水期)和表 5(枯水期). 丰水期PFBS因检出率较低,相关性分析结果不具备统计学意义外,其余各PFCs单体呈现正相关关系的有PFBA与PFPA(r=0.647,P<0.01)、 PFHxA与PFHpA (r=0.648,P<0.05)、 PFHxA与PFOA (r=0.952,P<0.01)、 PFHpA与PFOA (r=0.867,P<0.01). 枯水期检出的8种PFCs单体除了PFBS外,其余各单体相互之间均有较为显著的相关性. 丰水期和枯水期相关性分析结果差异较大,可能是因为两个采样期水体中PFCs污染来源略有差异. 结合PFCs污染时空分布特征,可认为钱塘江表层水中PFCs污染以上游兰江的输入为主,沿途接纳的含PFCs的工农业污废水对水体污染有一定影响. 丰水期则可能由于雨水冲刷等原因造成流域内面源污染较重,从而影响水体中污染物的分布特征. 无论是丰水期还是枯水期,PFHxA和PFHpA均与主要污染成分PFOA具有显著的相关性,说明这些化合物具有同源性,可能与PFCs相关产品生产过程、 PFCs降解行为及其前体物质的迁移转化规律有关,因为PFOA可进一步降解形成C4~C7的PFCAs.

表 4 丰水期水体中各PFC单体之间的相关性分析 1) Table 4 Pearson's correlation coefficient matrix for PFC concentrations in water samples during wet season

表 5 枯水期水体中各PFC单体之间的相关性分析 1) Table 5 Pearson's correlation coefficient matrix for PFC concentrations in water samples during dry season

水环境中PFCs污染水平与人类生活和区域性工业化程度有关. PFCs广泛用于聚合物添加剂、 表面活性剂、 泡沫灭火剂等诸多生存领域,许多产品直接与人类生活密切相关. 另外,用于调聚法生产直链全氟羧酸与磺酸盐类产品的前体氟调聚醇(fluorotelomer alcohols,FTOHs)具有较高的蒸气压,易挥发,可随大气传输并被氧化,进而合成或降解生成更长链或更短链的PFCAs,并经沉降进入水体[30]. 因此,含PFCs的工业废水和生活污水、 大量使用的泡沫灭火剂以及大气沉降均有可能是水环境中PFCs污染的主要来源. 研究表明某些PFC单体之间的残留比例能够表征其污染来源. Young等[31]从北极圈取得雪样并研究其PFCs的残留特征,该类样本中的PFCs仅来自于大气中的氟调聚醇类化合物的降解,发现PFNA和PFOA呈非常显著正相关,其斜率约为1. 而Ahrens等[32]在研究大西洋PFCs来源时同样发现PFNA和PFOA呈正相关,进而发现若PFNA和PFOA相关关系的斜率越接近于1,其来自大气沉降的可能性越大. 本研究对同时检出PFNA和PFOA的水样监测结果进行统计,发现PFNA/PFOA比率丰水期为0.002~0.152,枯水期则均小于0.002,表明研究区域表层水中PFCs存在除大气沉降外更重要的污染源. Simcik等[33]发现PFHpA/PFOA比率随着非大气沉降污染源距离增加而越高,指出高PFHpA/PFOA比率可作为示踪PFCs来自于大气沉降的证据,本研究中除部分未检出PFHpA监测断面外,其余各断面PFHpA/PFOA比率均较低(0.009~0.129),同样表明污水排放是钱塘江表层水体中PFCs残留的主要来源. 同一监测断面水样中PFNA/PFOA、 PFHpA/PFOA比率均是丰水期高于枯水期,则说明雨季大气中PFCs沉降对水体污染特征影响略高.

本研究中,钱塘江(杭州段)表层水中PFCs质量浓度在总体上呈现上游高于下游的趋势,这可能是由区域和流域污染源分布所致,位于钱塘江上游的衢江流域内有着浙江省乃至国内著名的氟化工产业聚集区,生产过程中产生的PFCs可能通过工业废水和生活污水的直接排放等途径进入衢江流域周边的河网,并经衢江、 兰江最后进入钱塘江,成为钱塘江水体PFCs污染的主要污染源. 钱塘江干流富阳和渔山断面PFCs质量浓度较高,表明富阳区境内可能有较为明显的污染源存在. 另外,本研究还发现,枯水期浦阳江出口断面同样有较高PFCs检出,说明浦阳江沿岸同样有一定的污染输入.

3 结论

(1)钱塘江(杭州段)水体中已存在广泛的PFCs污染,有8种中、 短链的PFCs不同程度的检出,包括C4和C8全氟烷基磺酸以及C4~C9全氟烷基羧酸,主要残留单体为PFOA、 PFHxA、 PFHpA和PFPA,尤以PFOA 最为显著,可作为评价钱塘江表层水中PFCs污染状况的典型污染物. PFCs质量浓度范围为0.98~609 ng·L-1,其中PFOA质量浓度范围0.59~538 ng·L-1,PFOS为ND~2.48 ng·L-1,与国内外其它淡水河流水体相比PFOA检出浓度相对较高,PFOS则处于低污染水平. 表层水中PFOA、 PFHxA和PFHpA具有相似的环境行为,则可能与PFCs相关产品生产过程、 PFCs降解行为及其前体物质的迁移转化规律有关. PFNA/PFOA、 PFHpA/PFOA等特征组分含量比率显示流域内工业污废水排放是水体中PFCs残留的主要来源.

(2)钱塘江(杭州段)水体中PFCs污染枯水期明显高于丰水期,主要原因可能为雨季江水的稀释作用. 空间分布上干流各监测断面水体中PFCs质量浓度高于3条主要支流的监测断面,干流各监测断面水体中PFCs污染总体上呈现上游高于下游的趋势,这可能是由区域和流域污染源分布所致. 总的来说,钱塘江(杭州段)水体中PFCs污染与钱塘江流域上游产业布局密切相关,主要污染输入来自上游兰江,沿途吸纳的含PFCs的污废水对水体污染有一定影响,富阳区境内可能有较为明显的污染源存在.

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