2. 中国地质科学院岩溶地质研究所, 国土资源部广西岩溶动力学重点实验室, 桂林 541004
2. Key Laboratory of Karst Dynamics, Ministry of Land and Resources & Guangxi, Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin 541004, China
我国西南地区岩溶发育广泛,地下水量约占全国总量的1/4[1].由于管道裂隙、落水洞、地下河、天窗等岩溶形态常发育于地表且直接与地下空间系统连通的结构特性,导致地下水系统极易受到工业、农业和生活等人类活动所排污水的污染,从而严重影响生态环境[2, 3].重庆是典型的岩溶区,人口密集、工业发达,地下水是当地重要的水资源.袁道先等[4]指出,西南岩溶地区的地下河已经受到严重污染,面临成为下水道的严峻局面.有研究指出,粪便作为一种含有大量致病细菌的污染物[5, 6],与多种传染疾病有着强烈的相关性[7, 8].
动物粪便中含有大量甾醇.不同动物(草食动物、肉食动物和杂食动物)因摄食习惯、消化系统和消化功能的不同,会形成不同动物粪便的“粪固醇指纹”[9-11].甾类化合物是一系列以环戊烷多氢菲为基本结构的化合物,是生物体的重要组成部分.根据来源不同,甾醇可分为动物甾醇、植物甾醇和菌类甾醇.其中,动物甾醇主要为胆固醇(cholesterol),它以自身的合成为主、食物补充为辅[12].一些动物的大肠内,胆固醇在厌氧细菌的作用下会形成各种甾醇,随后主要以粪便形式排入环境[13].作为脂类生物标志化合物,“粪固醇指纹”可用于追溯粪便污染物质的来源[14-16].近几年来,我国主要集中于对沿海地带沉积物甾类物质来源研究,而关于以甾醇为指标指示岩溶区地下河粪便污染的研究鲜见报道.对此,本文以重庆南山老龙洞地下河为研究对象,采用GC-MS对颗粒态甾类物质的质量浓度进行分析; 利用甾醇的各项指标,初步探明该地区的粪便污染情况,以期为岩溶区地下河水污染治理提供材料和依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况南山老龙洞地下河位于重庆市南岸区黄桷垭镇(东经106°37′30″,北纬29°32′30″).该地区属亚热带湿润性季风气候,年均气温18.7℃,年均降雨量1125.3 mm且集中于每年4~9月间.区域内植被以亚热带常绿阔叶林为主; 土壤为黄壤和石灰土; 整体地貌类型为背斜低山.由于受到NW-SE侧向挤压应力作用,背斜北段的西翼陡峻、东翼平缓,形成复式背斜,呈现“一山二岭一槽”的岩溶景观.
所选取的研究点位于南山南温泉背斜,为典型的近南北走向岩溶槽谷结构.其地势北高南低; 背斜轴部地层为下三叠统嘉陵江组石灰岩,背斜两翼为中三叠统雷口坡组石灰岩和少部分的上三叠统须家河组砂岩,石灰岩分布面积约11 km2.老龙洞地下河系统发育于嘉陵江组地层中,自黄桷垭街区南部至老龙洞地区,全长约6 km; 该地下河最大流量1.3×104 L ·s-1,最小流量0.6 L ·s-1,常流量50~80 L ·s-1; 流域面积约12.6 km2.其中,居民建设用地约4.5 km2,厂矿用地约2.5 km2,农业用地约2 km2,其余为林地及在建地.
1.2 样品的采集2014年10月与2015年1、3和5月,用事先消毒并烘干的、配有聚四氟乙烯衬垫的螺旋盖、容量4 L的棕色玻璃瓶,分别采集老龙洞地下河出口(图 1)水体表面-10 cm处的水样(在采样过程中,避免瓶中引入气泡).当水样装满至瓶口上有一弯月面时,旋紧瓶盖、翻转瓶身,经检查无误、尽快避光送至实验室后,立即用真空泵抽真空过玻璃纤维滤膜(Whatman GF/F,孔径0.7μm)收集悬浮颗粒物.悬浮颗粒物经冷冻干燥后,存于-20℃的冰箱中待分析.
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图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Location of the sampling sites |
分析样品时所用的正己烷、二氯甲烷、甲醇均为色谱纯,购自美国Fisher公司; 玻璃纤维膜于450℃的马弗炉中灼烧6 h、无水硫酸钠(分析纯)于550℃马弗炉中灼烧8 h,分别置于干燥器中冷却密封备用; 脱脂棉经二氯甲烷抽提72 h后风干,密封干燥备用; 盐酸经二氯甲烷萃取6次后备用.回收率指示物氘代十六烷酸购自德国Dr.Ehrnstorfer公司; 内标物氘代正二十四烷(C24D50),购自美国Supelco公司.
1.4 样品前处理 1.4.1 颗粒态甾类物质的提取将过滤完水样后的玻璃纤维膜冻干,使用快速溶剂萃取仪(Thermo公司, ASE 350)进行萃取.收集的萃取液经浓缩、皂化、甲基化后,再用正己烷萃取,经进一步干燥、浓缩、氮吹至0.2 mL后,加入内标物,放入-26℃的冰箱中待测.
1.4.2 甾类物质的检测样品采用GC-MS(美国Agilent公司,7890A/5975C)分析,色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30.0 m×0.32 mm×0.25μm).载气为高纯氦气,流速1 mL ·min-1,进样口温度280℃.升温程序为:初始温度50℃,保持1 min后,以20℃·min-1升温至200℃,再以10℃·min-1的速度升温至290℃,保持15 min.无分流进样,进样量1μL.EI电离源70 eV,离子源温度230℃.采集全扫描数据并用内标法进行定量分析.
2 结果与分析 2.1 甾类成分与分布特征经检测,在老龙洞地下河出口各月份的样品中共得10种甾类物质,包括9种甾醇和1种粪酮.除差向异构粪醇(epicoprostanol)外,其余9种成分在各月均有检出.甾醇的碳数分布为C27~C30,其中C27与C29甾醇各有4种、C28甾醇1种.C27甾醇为主要的动物甾醇,其中胆固醇在体内代谢后的产物可根据结构分为5α-甾烷醇(如二氢胆固醇)和5β-甾烷醇(包括粪醇、差向异构粪醇).C29甾醇主要为植物甾醇,包括豆甾醇(24β-Ethyl-5, 22-cholestadien-3β-ol)、β-谷甾(β-sitosterol)和二氢谷甾(24-ethyl-5α-cholestan-3β-ol).粪甾类在环境中很少自然产生,主要为人与动物粪便的输入[17],包括粪醇(coprostanol)、差向异构粪醇(epicoprostanol)、粪酮(coprostanone)和24-乙基粪醇(24-elthy-coprostanol)等.
表 1为所测10种甾类物质的质量浓度.从中可知,这4个月的总甾类(∑Steroids)质量浓度为1 573~5 007 ng ·L-1.总粪甾类(∑F-steroids)质量浓度为615~1 234 ng ·L-1,占总甾类的14.4%~28.9%.总植物甾醇(∑V-steroids)质量浓度为722~1 442 ng ·L-1,占总甾类的18.7%~47.4%.采用动物甾醇与植物甾醇的质量浓度之比(D/Z)表示两者之间的相对关系.10、1、3、5月样品的D/Z值随月份逐渐增加,分别为0.96、1.12、2.56和4.00,指示植物甾醇和动物甾醇的量由相差不大逐渐演变为以动物甾醇为主.在10种甾类物质中,平均质量浓度最高的为胆固醇(1 197 ng ·L-1),其次为β-谷甾醇(609 ng ·L-1)、粪醇(520 ng ·L-1).这3种成分的质量浓度之和占每月总甾醇的50.8%~80.4%,是老龙洞地下河中的主要甾醇.另外,地下河每月甾类物质的组成存在着显著差异,其中10月以胆固醇(29.4%)、豆甾醇(25.9%)、β-谷甾醇(20.8%)和差向异构粪醇(10.6%)为主,粪酮的质量浓度为其他各月的3~6.8倍; 1月以胆固醇(36.3%)、β-谷甾醇(27.6%)、豆甾醇(16.6%)和粪醇(10.9%)为主,无差向异构粪醇; 3、5月则均以胆固醇(32.8%)、粪醇(18.9%)和β-谷甾醇(17.7%)为主,二氢胆固醇均普遍高于10、1月.图 2为各月各类甾醇总浓度趋势.从中可知,3、5月总甾类与粪甾类的质量浓度均较10、1月多.这是由于每年的3~9月为重庆的雨季.3、5月降雨量增多,地下河补给相应增加的同时也被带入更多污染物质[18].
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表 1 地下河颗粒态甾类物质的质量浓度/ng·L-1 Table 1 Content of particulate steroids in underground river/ng ·L-1 |
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图 2 不同类别颗粒态甾类质量浓度的月变化 Fig. 2 Monthly variations of particulate steroid contents |
胆固醇是5α、5β胆甾烷醇的前身,主要为高等动物所合成.有研究发现,环境中的胆固醇来源广泛,不仅来自人和动物的粪便,还包括浮游生物和生活污水的排放[19].粪醇是高等动物粪便中的主要甾醇,占人类粪便总甾醇的60%[20].人体肠道内的厌氧细菌会优先将胆固醇还原为相应的5β-胆甾烷醇; 其它动物肠道内的厌氧细菌或把胆固醇还原为相应的一种或多种其他甾醇(如5α-cholestan-3β-ol),或没有还原胆固醇的能力[21].所以,人类粪便中的粪醇质量浓度远高于其他动物.由于高浓度粪醇与人类的新鲜粪便具有较强相关性,且自然界中较少含有天然形成的粪醇,故可将其作为生物粪便来源的指示物[22].
由表 1可知,老龙洞地下河在各月均含有一定量的粪醇,表明水源中存在粪便物质.Grimalt等[23]提出,可依据粪醇/(5β+5α)-胆甾烷醇,即CO/(5β+5α)-cholestanol来评估粪便污染情况.若比值大于0.7,则表明采样点受到了粪便的显著污染; 若比值小于0.3,则认为采样点未受到粪便污染; 若比值为0.4~0.6,则说明处于中间状态.图 3是各种判定污染的指标,可知1、5月的该比值均大于0.7,表明老龙洞地下河出口在这两个月份明显受到了粪便污染; 3月的比值为0.58,指示受到一定污染; 而10月的比值为0.18,指示地下河未遭受粪便污染.但较于其它3个月,10月粪醇的质量浓度较低,而差向异构粪醇与粪酮的质量浓度均较高.因差向异构粪醇不是粪便中的主要甾醇,故其在粪便中质量浓度较低,在受生活污水污染的区域浓度亦很低[24, 25].在厌氧条件下,粪醇易被转化为差向异构粪醇[18].粪酮是胆固醇在一些动物肠道的厌氧区中形成的中间产物,与粪醇不同,它能够在环境中更好地保存下来.粪酮与粪醇的质量浓度比(CO-one/CO)可用来指示粪醇的降解变化[22].由图 3可知,10月的CO-one/CO值为10.6,表明粪便受到了强烈降解,且10月至次年5月的4个月内,此比值逐渐减小,表明粪醇降解在逐渐减少.一些学者考虑了由粪醇到差向异构粪醇的转化过程,故将CO/(5β+5α)-cholestanol修正为(粪醇+差向异构粪醇)/(粪醇+差向异构粪醇+二氢胆固醇),即(CO+EPI)/(CO+EPI+cholestanol),以便更精确地评定粪便污染情况[26].由图 3可知,2015年3月,该比值为0.53,指示地下河受到一定污染; 而2014年10月、2015年1月和5月的比值均大于0.7,亦表明地下河水受到了粪便的严重污染.
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图 3 判定粪便污染的3项指标 Fig. 3 Three identification indexes of fecal contamination |
依据各成分之间的比值关系,可以追溯粪便物质的详细来源[27].图 4标出了用于追溯粪便来源的4项指标.污水处理厂在处理污水过程中的厌氧消解作用会产生大量的差向异构粪醇[28, 29].Mudge等[30]指出,未经处理的污水沉积物中,差向异构粪醇/粪醇(EPI-CO/CO)的值小于0.2;经过处理的污水沉积物中,该比值则大于0.8.由于老龙洞上游——石院子落水洞处有一小型污水处理厂,且由图 4可知,10月的样品的EPI-CO/CO值为18.3,表明老龙洞地下河水在该月主要受污水处理厂所排污水控制; 而1、3、5月该比值均小于0.8,表明这3个月的污水处理厂废水影响较小,主要受到生物粪便污染.
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图 4 鉴定主要粪便污染物来源的4项指标 Fig. 4 Four identification indexes of major feces contamination sources |
依据“粪固醇指纹”,可进一步探明生物粪便的属性和来源.虽然粪便一旦排向水体,其中的粪固醇将会稀释和分解,但可以通过检测不同生物标志物的质量浓度和差异而将其来源鉴别出来[19, 31].Leeming等[32]提出,可将粪醇作为粪便污染的环境指示物,其分析了粪便中各种甾类成分质量浓度之间的差异,并指出人类与猪粪便中的粪醇质量浓度与总甾醇量之比(CO/∑Steroids)大于0.12,而其它动物粪便的该比值均小于0.12.徐恒振等[33]也对各类动物粪便中的不同甾类质量浓度进行了检测.虽然其所测数据与文献[32]总体一致但有所不同(比如人类粪便中的CO/∑Steroids为0.1),其认为这是由于不同人种的饮食习惯导致粪便中不同成分的甾醇质量浓度之间存在差异.结合我国国情,以文献[33]的研究结论为主要依据对粪便来源进行辨析.Ortiz等提出[34],在粪醇浓度较小的情况下,可采用粪醇/24-乙基粪醇(CO/24E-CO)来区别人类污染和其他动物污染.当比值大于1.0时,说明受到了人类粪便的污染[35].由图 4可知,老龙洞地下河1、3、5月的CO/∑Steroids值为0.109~0.254,CO/24E-CO值为6.3~10.3,从而表明地下河在这3个月均受到了人类粪便严重的污染.
草食动物主要摄取大量富含5β-C29-甾醇的食物,故其粪便中的5β-C29-甾醇质量浓度明显高于5β-C27-甾醇[36, 37].而24-乙基-胆甾烷醇既是5α-C29甾烷醇和5β-C29甾烷醇的前身,又与二氢胆固醇一样是环境中热力学稳定的异构体.当24-乙基粪醇/24-乙基胆甾烷醇(24E-CO/24E-CHO)小于0.5时,则不可用来指示草食动物的排泄物[35].依据文献[33]对各种动物粪便甾类成分的分析结果,草食动物粪便的24E-CO/24E-CHO值为2~4.6,家禽类为0~1,而人类的最高值为26.8.由图 4可知,各月样品中的24E-CO/24E-CHO均大于0.5.而1、3和5月样品中的24E-CO/24E-CHO值为0.86~5.37,表明有部分家禽类动物粪便输入.其中3月的24E-CO/24E-CHO值为0.86,说明地下河在该月受家禽动物的粪便物质污染情况较其他各月严重.
3 结论(1) 通过分析水样中悬浮颗粒态甾类的成分与含量可知,存在上游居民、工厂与污水处理厂直接向地下河排放生产、生活污水的行为,致使老龙洞地下河在采样周期内受到了较为严重的粪便污染.
(2) 岩溶区独特的水文地质结构使得地下河易受到人类生产、生活等不合理排污的影响,形成污染.由于粪便物质易与颗粒物结合并迅速沉淀的结构特性,导致地下河成为粪便物质的汇聚地.随着雨季的到来,地下河极有可能成为粪便污染物质的源头,从而进一步污染下游水域.
(3) 应从多种渠道加强污染输入源头的控制,从而有效防止粪便污染物进入地下河系统,减少或避免对人类自身健康和生态环境的损害.