2.中国环境科学研究院, 国家环境保护饮用水水源地保护重点实验室, 北京 100012
2.State Environmental Protection Key Laboratory of Drinking Water Source Protection, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
于桥水库是天津市唯一的生活饮用水和工农业用水水源地,于桥水库来水主要入库河流为沙河、 黎河、 淋河(其中以沙河水量最大)地表径流和引滦输水两部分组成,据统计资料,于桥水库三条入库支流向于桥水库年均入库总量为2.34×108 m3,而于桥水库向上游潘家口、 大黑汀水库经黎河年均引水水量5.58×108 m3[1]. 所以,上游潘家口、 大黑汀水库及黎河自产径流来水对于桥水库水质质量的影响至关重要. 根据现有报道,关于于桥水库水体氮磷及水体富营养化的研究很多,而关于于桥水库有毒有机物污染水平的还鲜见报道. 然而,随着水源污染的日趋严重,生活饮用水中有毒、 有害物质明显增加,特别是多种持久性有毒有机污染物在饮用水中有被检出的报道,引人关注. 多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs) 是一种含两个或多个苯环而广泛存在于环境中的一类典型化学物质,由于其具备持久性、 致癌性、 致突变特性[2, 3],PAHs受到了广泛的关注,美国联邦环保署(US EPA)将其中的16种不带支链的 PAHs 列入优先控制污染物[4, 5]. 为此,本研究以PAHs为例,对于桥水库及上游支流黎河、 大黑汀水库中PAHs含量和组成进行了定量分析,考察了PAHs的污染特征、 来源,并对该区域PAHs的健康风险进行了评价,以期为流域水污染防治提供必要的数据支撑.
1 材料与方法 1.1 化学标准品及主要试剂本研究对EPA确定的16种优先控制的多环芳烃(PAHs)进行了检测分析. 包括萘(Nap)、 苊烯(Dih)、 苊(Ace)、 芴(Flu)、 菲(Phe)、 蒽(Ant)、 荧蒽(Fla)、 芘(Pyr)、 苯并[a]蒽(BaA)、 (Chr)、 苯并[b]荧蒽(BbF)、 苯并[k]荧蒽(BkF)、 苯并[a]芘(BaP)、 茚并[1,2,3-cd]芘(Ind)、 二苯并[ah]蒽(DiB)、 苯并[ghi]苝(B[ghi]P)等16种PAHs的混标由美国AccuStandard公司生产(货号211051060-02). 回收率指示物氘代菲(Phe-d10)和内标化合物六甲基苯(Hexamethylbenzene)分别购自美国SUPELCO和美国SIGMA公司. 分析测试中所用的正己烷、 丙酮和二氯甲烷等溶剂均为农残级,由美国JTBaker公司生产.
1.2 样品的采集本研究从大黑汀水库、 黎河自上游到下游在重要的断面依次布设了12个采样点(S1~S12),在于桥水库库区设置了6个采样点(Y1~Y6). 2014年5月,于每个采样点采集水样. 采样点位的分布情况分别如图 1所示. 采样时,取水样1000mL,置于预先用铬酸洗液、 蒸馏水和二氯甲烷洗净的棕色玻璃瓶中,棕色试剂瓶置入加有冰块的保温箱,运回实验室于冰箱4℃保存,并且在7 d内完成样品前处理.
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图 1 采样点位示意 Fig. 1 Locations of sample points in the study field |
水样中PAHs的预处理和分析方法参照文献[5]进行. 采集的1 L水样经0.45μm玻璃纤维膜(φ 47 mm,Whatman,英国)过滤后,在水样中掺加回收率指示物菲-d10,浓度与实际水样中多环芳烃浓度预估值接近,经Oasis HLB固相小柱(500 mg/6 mL,Waters,美国)富集. 过柱前,HLB柱依次用二氯甲烷、 甲醇、 蒸馏水各5 mL 活化平衡. 加载水样后,调节真空度以保持流速为5 mL·min-1左右. 待1 L水样全部抽干后,以10 mL二氯甲烷按3∶3∶4的比例分3次洗脱每支小柱. 洗脱液在旋转蒸发仪上(BUbCHI R200,瑞士)浓缩,并置换溶剂为正己烷,柔和高纯氮气吹蒸至1 mL左右.
浓缩后样品经硅胶/氧化铝复合柱净化,以正己烷湿法装柱,在10 mm内径的层析柱内依次填入12 cm硅胶、 6 cm氧化铝和1 cm无水硫酸钠. 加载样品以70 mL混合溶剂洗脱. 混合溶剂中正己烷与二氯甲烷体积比7∶3. 净化洗脱液经旋蒸浓缩并置换溶剂为正己烷,最后添加内标化合物六甲基苯,采用专用气相小瓶塑料内插管(30×5mm,CNW Technologies,Shanghai)并定容至20 μL.
富集的水样在气相色谱-质谱联用仪Aglient7890/5975C-/GC/MSD上分析. 采用DB-5石英毛细管色谱柱(0.25mm×60 m×0.25 μm),载气为氮气,流速恒定为1mL·min-1,线速度26 cm·s-1. 进样口温度250℃,MSD 300℃,电子能量70 eV,选择离子模式(SIM)扫描,升温程序为初始温度60℃,保持 2 min; 以 10℃·min-1升至120℃; 再以4℃·min-1升至290℃,保持10 min. 最后无分流进样1 μL. 通过检索NIST质谱谱库和色谱峰保留时间进行定性分析,并采用内标峰面积法、 6点校正曲线定量.
1.4 质量保证与质量控制为了保证实验分析数据的准确性和可靠性,每次样品分析的过程中均同步设置方法空白实验和基质加标实验判定整个实验操作过程中是否有基质的干扰. 方法回收率实验是在环境样品加入定量的PAHs标准化合物. 按照上述同样的预处理方法进行样品处理. 仪器分析测定每种化合物的方法回收率. 方法检测限以基质样品中能够产生3倍信噪比(S/N)的样品量确定. 同时,为了保证定性及定量的准确性,每分析10个样品均添加某一特定浓度的标准样品重新校正化合物的保留时间和峰面积. 本研究中,样品回收率为82.3%~114.2%,实际水样中掺混菲-d10回收率达到77.5%~90.3%.
2 结果与分析 2.1 PAHs检出情况于桥水库及上游流域水中PAHs的检出情况如表 1所示. 从中可见,于桥水库及上游各点位均有PAHs检出,其中2~3环低环数PAHs检出率较高,如2环的Dih、 Ace、 Flu和3环的Phe、 Fla的检出率均为100%,而对于4~6环PAHs而言,除Pyr、 B[a]A检出率为100%外,其他几种PAHs的检出率均较低,如Chr、 B[b]F、 BaP的检出率均为17%,仅在3个点位被检出,且也仅在于桥水库库区水样中有检出,而Ind、 Dib、 B[ghi]P在所有点位未被检出. 同时,从于桥水库库区和上游水域PAHs各组分的检出浓度情况来看,于桥水库库区水中PAHs的污染水平要高于上游来水,如于桥水库库区ΣPAHs的平均浓度为568.5ng·L-1,上游水域ΣPAHs的平均浓度则要低一个数量级,仅为55.2 ng·L-1. 此外,库区PAHs各组分的平均浓度以及最大检出浓度也都均要高于上游来水水域(表 1),如上游水域中PAHs组分中Phe的平均浓度(25.1 ng·L-1)和最大检出浓度(51.0 ng·L-1)最高,但均小于库区水域中Phe的平均浓度(52.4 ng·L-1)和最大检出浓度(278.2 ng·L-1),库区水域中B[k]F、 B[b]F、 BaP平均浓度和最大检出浓度也均较高,分别介于46.3~50.7 ng·L-1和310.9~333.6 ng·L-1. 以上结果表明,于桥水库库区水体中的PAHs污染水平要显著高于上游来水水域,且其组分含量也与上游水域存在着显著差异. 分析认为于桥水库库区水域中的PAHs可能主要来自于邻近库周的污染源,而经上游输水输入PAHs较小. 另外,从PAHs的组成来看,上游水域PAHs主要以低环数的PAHs为主,2~3环ΣPAHs、 4~6环ΣPAHs平均浓度分别为48.2 ng·L-1、 7.0 ng·L-1,而于桥水库库区水体中PAHs高环数和低环数PAHs含量相当,2~3环ΣPAHs、 4~6环ΣPAHs平均浓度分别为287.1 ng·L-1、 281.5 ng·L-1. 根据报道[6, 7],低环数PAHs主要来源为石油制品及燃油,而高环数PAHs主要来自于煤和生物质能源的燃烧,由此可以推断于桥水库库区多环芳烃受库周村庄生活燃煤与生物质影响较大.
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表 1 于桥水库流域水中PAHs的检出情况 Table 1 Detection of PAHs in water of Yuqiao Reservoir Watershed/ng·L-1 |
2.2 PAHs的分布特征 2.2.1 库区PAHs分布
如前所述,于桥水库库区水域PAHs污染水平显著高于上游来水,因于桥水库库区面积较大,库周生态环境状况各异,为便于分析库区水域PAHs的分布特征与来源,本文对于桥水库库区水域PAHs的空间分布特征也进行了分析. 表 2显示了于桥水库6个点位中16种PAHs的检出浓度. 从中可见,Y3点位PAHs各组分的检出浓度均最高,ΣPAHs为3512.5 ng·L-1,达到μg·L-1水平,Y1点位ΣPAHs最小,仅为1.6 ng·L-1,其他点位ΣPAHs按由大到小顺序排列依次为Y2、 Y5、 Y6、 Y4,浓度分别为240.0、 80.3、 14.5、 32.4 ng·L-1. 分析认为,库区水域PAHs的浓度水平分布与库周污染源分布及库区水域流态存在一定关联. Y3位于库区北岸,且为库区6个点位中最靠近库岸的点位,其水质受库岸临近的刘相营和大巨各庄村排污影响较大,因此,其 ΣPAHs浓度最大,同样,Y2点位因临近豪门村,其ΣPAHs浓度也相对较高. 而点位Y1处于于桥水库最西端,水深最大,该点位周边不临近生活区,且无工业污染源,所以,此点位水样所在中的PAHs主要来自于库内水体的自然混合. 根据葛宁等[1]的研究,库区水体整体呈自东北向西南流,而PAHs属于典型的疏水性有机物,其在水体中更易被水中颗粒物吸附、 最后赋存于沉积物中,所以,在无外来污染源的情况下,位于库尾的Y1点位PAHs最低. Y5、 Y6点位分别位于淋河、 果河入库口处,其中Y5点位ΣPAHs浓度较高,说明淋河PAHs污染水平较重. 另外,不同点位各环数PAHs的质量分数也存在差异(图 2). Y2、 Y3点位中5环PAHs占比相对较大,接近10%,而其他点位基本未检出或含量极小(表 2和图 2); Y1、 Y4点位中2环PAHs所占比重较大,均超过60%,Y5、 Y6点位基本以3~4环PAHs为主,这也进一步说明水库库区水体各区域PAHs污染源的贡献比例存在差别,其中Y2、 Y3点位PAHs受周边村庄燃煤和生物质燃料较大,而其他点位因库区水流混合特点以及上游输入影响,其来源相对复杂.
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表 2 于桥水库库区水中各PAHs组分含量/ng·L-1 Table 2 Concentrations of different components of PAHs in Yuqiao Reservoir Watershed/ng·L-1 |
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图 2 于桥水库库区水体中不同环数PAHs的百分含量 Fig. 2 Percentages of PAHs with different ring numbers in Yuqiao Reservoir Watershed |
于桥水库上游水域沙河、 黎河、 大黑汀水库12个点位中16种PAHs的检出浓度如表 3所示. 上游水域中有Chr、 B[k]F、 BaP、 Ind、 Dib、 B[ghi]P等6种PAHs未检出,且B[b]F仅在S2点位被检出. 由表 3可见,上游水域采得的水样中ΣPAHs含量在13.7~104.1ng·L-1之间,ΣPAHs的高值区域主要集中在S5~S7点位之间的水域(76.2~104.1 ng·L-1),这是由于S5点位位于渔业养殖密集区,S6点位位于库坝,周边餐馆、 酒店、 水上划船等旅游开发活动多、 S7点位处于交通主要干道黎河大桥,以上3个点位人群密度相对较大,其环境介质中PAHs污染水平受人类活动影响大,特别是受燃煤、 生物质燃烧以及汽车、 轮船燃油影响大. 检测结果也证实了这点,如S5~S7点位中PAHs以低环数为主,特别是S7点位中3环PAHs的质量分数达到了近70%,其中菲的含量占PAHs总量的一半左右(图 3). 其次,S2点位ΣPAHs相对较高,为71.5 ng·L-1 (表 3),分析认为这主要是因为S2点位为洒河汇入大黑汀水库入库口,然而洒河沿线存在近10家铁矿场,且洒河镇在大黑汀水库流域内的人口密度最大,洒河收纳的污染负荷和成分也最为繁重,所以,该点位PAHs成分也最为复杂,2、 3、 4环数的PAHs的质量分数分别为18%、 27%、 45%左右(图 3). 对于黎河而言,由于河岸沿线基本为农田,水中PAHs主要受大气沉降影响,而因人类活动输入较少,所以黎河下游S8、 S9两个点位PAHs浓度较小. 同时,监测结果显示,上游水域沙河、 黎河、 果河水体中的PAHs含量相当,且均以2~3环PAHs为主.
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表 3 于桥水库上游水域水中多环芳烃含量 Table 3 Concentrations of different components of PAHs in the upstream reaches of Yuqiao Reservoir/ng·L-1 |
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图 3 于桥水库上游水域水体中不同环数PAHs的质量分数 Fig. 3 Percentages of PAHs with different ring numbers in the upstream reaches of Yuqiao Reservoir |
表 4显示了目前国内水体PAHs污染水平的相关报道. 可以发现,我国在长江、 黄河、 辽河、 松花江、 珠江、 辽河等几大流域均开展了PAHs污染特征研究,但关于饮用水源中PAHs的研究仅在珠三角、 钱塘江等地区有报道. 由于PAHs的疏水性,特别是高环数PAHs辛醇水系数大,其溶解性小,所以,水中PAHs一般以低环数2~3环为主(表 4). 通过比较发现,国内PAHs污染水平较高的均为城市内河或排污渠,如长江干流武汉段、 大辽河干支流与排污渠,水相中PAHs的平均浓度都超过了1500 ng·L-1. 本研究中的于桥水库上游水域中的PAHs污染水平相对较低,与辽河流域、 松花江流域干流水相中的PAHs浓度水平相当,平均浓度基本都在50 ng·L-1左右,但于桥水库库区水相中PAHs平均浓度超过了500 ng·L-1,污染水平处于中等偏上,这进一步说明库区周边的生产生活输入的PAHs污染负荷不可轻视.
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表 4 国内地表水中PAHs污染水平的比较 Table 4 Comparison of the PAHs pollution levels of surface water in China reported in literature/ng·L-1 |
2.4 PAHs来源解析
分子比值法是判断环境中PAHs来源的重要方法之一[14, 17],一般采用菲/蒽(Phe/Ant)、 苯并[a]蒽/(苯并[a]蒽+)[BaA/(BaA+Chr)]、 荧蒽/(荧蒽+芘)[Fla/(Fla+Pyr)]和茚并[1,2,3-cd]芘/(茚并[1,2,3-cd]芘+苯并[a]芘)[InP/(InP+BgP)]等5个比值进行判定[8~11]. 由于高环数的PAHs在本研究中基本未检出或者检出率较低,因此本文采用Flu/Pyr、 Fla/(Fla+Pyr)两个比值对PAHs的来源进行解析. 根据文献[10, 11],通常Flu/Pyr小于1时,指示PAHs主要来源于石油,Flu/Pyr大于1时,表明来源于燃料的高温燃烧; 当Fla/(Fla+Pyr)比值小于0.40时,表明PAHs主要来自石油源,大于0.50表明 PAHs 主要是煤和生物质的燃烧源,介于0.40~0.50之间则是石油燃烧源. 结果显示,所有点位的Fla/(Fla+Pyr)均大于0.50,表明PAHs主要是煤和生物质的燃烧源. 值得注意的是,从图 4可见,比值呈现出两个区块,即于桥水库库区点位Y1~Y6和大黑汀水库S1~S4点位的Flu/Pyr、 Fla/(Fla+Pyr)分子比值比较集中,而S5~S12点位趋于集中,这可能说明不同水域中PAHs来源存在一定差异. 分析认为,于桥水库库区周边仅有几家服装加工业,而S1~S4集中在大黑汀水库北端,临近洒河镇,且地处山区,均是农业生产区,因此,Y1~Y6、 S1~S4受到工业石油燃料污染较小,主要来自村镇居民燃煤供暖、 生物质燃烧等. S5~S12点位PAHs虽然也主要受燃煤来源为主,但因S8~S12在黎河输水灌渠上,因河道临近道路,存在多座桥梁跨越黎河,而S5~S7位于大黑汀水库渔业养殖密集区和旅游观光区,因而S5~S12点位PAHs还可能有一部分来源于石油液体燃料污染.
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图 4 水中 PAHs特征异构体比值分析 Fig. 4 Isomer ratio of PAHs in the groundwater |
为评价研究区通过饮水途径而摄入PAHs的致癌风险,本文采用EPA健康风险评价模型对人群的致癌风险进行了评价,同时,本研究还采用商值法对PAHs的生态风险进行了评价. 具体方法和评估结果如下.
2.5.1 PAHs的饮水致癌风险采用Nisbet等[21]关于PAHs的TEFs(toxic equivalent factors,毒性当量因子)评价方法,即以苯并[a]芘为标准参考物,设其TEF值为1,采用下述公式来计算 PAHs的TEQBaP为苯并[a]芘毒性当量浓度:
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(1) |
式中,ci为第i个PAHs 的质量浓度,mg·L-1; TEQBaP为基于BaP的毒性当量,mg·L-1.
依据US EPA方法[22]计算饮用受PAHs污染的水体的终身致癌风险 (incremental lifetime cancer risk,ILCR):
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(2) |
式中,DR为每天饮水量,设为2 L·d-1; CSF为BaP致癌斜率系数,10 kg·d·mg-1; EF为每年暴露天数,设为365d; ED为暴露年数,设为70 a; BW为体重,设为70 kg; AT为人的预期寿命,取25550 d.
分析结果显示,18个采样点PAHs终身致癌风险为2.6×10-8~1.2×10-4. 其中,上游水域除S2点位的ILCR超过10-6,具有潜在的致癌风险外,其余各点位的致癌风险可以忽略[23]; 而对于库区6个点位而言,Y3点位LICR值超过了10-4,处于不可接受致癌风险水平,库区其他5个点位的ILCR值均介于10-6~10-4之间,具有潜在的致癌风险,这说明经库区周边污染源输入的PAHs引发的人体健康危害,应引起高度关注.
2.5.2 PAHs的生态风险本研究采用Kalf等[24]采用的生态风险商值(risk quotient,RQ)对于桥水库流域水体中PAHs进行生态风险评价,其基本原理是把实际测得的浓度与表示该物质具有危害的参考浓度进行比较,如果比值大于1则认为是有风险的,小于1则认为是无风险的. 依据Kalf的方法,参考浓度包括可以忽略浓度(the negligible concentrations,NCs)和最大允许浓度(the maximum permissible concentrations,MPCs)这2个浓度,RQ则通过实测浓度分别与这2个参考浓度比较获得,分别命名为: RQ(NCs)和RQ(MPCs). 计算结果如表 5所示. 原则上讲,当RQ(NCs)<1时,表示当前水体中PAHs的生态风险很小,可以忽略,当RQ(MPCs)>1时,说明当前水体中PAHs的生态风险很大,应当立即采取措施治理PAHs的污染,减少其造成的风险,RQ(NCs)>1,而且RQ(MPCs)<1时,表示当前水体中PAHs造成的生态风险处于中等程度,可以考虑采取相应的控制措施,防止PAHs的进一步污染[24, 25]. 从表 5可见,上游水域各单体RQ(MPCs)均小于1,但Flu、 Phe、 B[a]A的RQ(NCs)大于1,这说明上游水域需要采取一定的控制措施加以控制PAHs污染水平; 而对于于桥水库而言,B[a]A、 B[k]F、 BaP的RQ(MPCs)均大于1,说明B[a]A、 B[k]F、 BaP的浓度已能对于桥水库库区水生生物产生危害. 因此,对于库区B[a]A、 B[k]F、 BaP的来源与防控需要作进一步深入研究,以制定适宜的防控措施,同时还应当尽快实施相应的修复工程以降低库区PAHs的污染水平.
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表 5 于桥水库流域水中多环芳烃的RQ(NCs) 和RQ (MPCs) Table 5 RQ(NCs) and RQ (MPCs) of PAHs in water of Yuqiao Reservoir Watershed |
3 结论
(1) 16种 PAHs 在于桥水库和上游水域含量范围分别在1.6~3 512.5ng·L-1和13.7~104.091 ng·L-1之间,库区PAHs各组分的检出率和浓度水平均要显著高于上游黎河、 大黑汀水库. 与国内报道的相关流域水体中PAHs的浓度相比,于桥水库上游水域中的PAHs污染处于相对较低水平,而库区水相中PAHs处于中等偏上污染水平.
(2) 上游水域和库区水体PAHs组分含量存在显著差异,上游水域PAHs主要以低环数的PAHs为主,而于桥水库库区水体中高环数PAHs和低环数PAHs含量相当. Flu/Pyr、 Fla/(Fla+Pyr)比值分析表明,于桥水库流域受到工业石油燃料污染较小,PAHs主要来自村镇居民燃煤供暖、 生物质燃烧等生产生活活动.
(3) 风险评价结果显示,于桥库区水体个别点位PAHs饮水健康风险和生态风险水平相对较高,应当引起足够重视.