邻苯二甲酸酯(phthalate esters, PAEs)又称酞酸酯, 是一类典型的环境激素类污染物, 通常被作为增塑剂广泛地用于塑料制品、橡胶产品, 也作为农药载体、化妆品、润滑剂和去泡剂的生产原料大量使用, 近些年, 越来越多的PAEs被用于纺织品, 杀虫剂和整理剂等^[1~4].由于在添加过程中, PAEs通常与聚合物高分子碳链以氢键或者范德华力连接起来, 并未真正聚合, 因此随着产品使用和处置, PAEs可以从产品释放到周围环境, 对生态环境和人类造成较大的风险.已有的研究已经证实PAEs及其代谢产物具有致畸性、致突变和致癌性, 并显示出较强的雌激素效应^{[5, 6]}, 鉴于此, 美国环保署将邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)和邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)列为优先控制的有毒污染物^[7], 并且在欧洲PAEs也被列入受控制污染物名单^[8], 而我国也将其中的DEP、DBP、DNOP列入了环境优先控制污染物的黑名单^[9].到目前为止, PAEs已经成为环境中广泛存在的污染物, 迄今已经在大气^[10]、污泥^[11]、河流沉积物^[12]、饮用水^[13]和生物体内检出^[14].尽管其在环境中的半衰期仅有数小时到数月, 但由于土壤对PAEs具有超强吸附作用, 使得其在环境中残留时间长达数年^[15].

三峡库区是我国重要的淡水资源库, 由于其特殊的调度方式, 使库区周围形成了大面积的消落带, 并且研究表明三峡库区消落带是典型的脆弱生态系统^[16], 水位反复周期变化使得消落带土壤干湿交替, 既能成为三峡库区水体的PAEs源, 也可成为水体的PAEs汇.当前对三峡库区消落带土壤的研究多集中在重金属的迁移转化^[17], 而关于PAEs的赋存状况的报道还几乎是空白.在已有的关于三峡库区水体中PAEs的研究已经发现, DBP和DEHP的最高浓度已经达到9.48 μg·L^-1和5.42 μg·L^-1, 具有相当大的健康风险^[18].此外, 库区消落带的土地资源具有较高的生产潜力和多种利用功能, 在消落带的成陆期, 当地农民或有关部门会季节性地利用消落带进行生产种植, 那么消落带土壤中的PAEs是否会对当地环境以及人体构成危害？因此了解消落带土壤中PAEs的赋存状况, 组成特征以及评估其健康风险就显得格外重要和迫切, 对这些问题的回答是阐述消落带土壤中PAEs生态环境风险的必要前提.有鉴于此, 本研究采集了三峡库区丰都、奉节、涪陵、石柱、巫山、万州、云阳和忠县这8个河段的消落带土壤, 共计52个样品, 分析了8种PAEs单体的在各个消落带土壤中的浓度水平和组成特征, 通过相关性分析和主成分分析阐明了消落带土壤中PAEs可能的来源, 并且运用健康风险评价模型评估了消落带土壤中PAEs的人群健康风险.

美国Waters ACQUITY超高效液相色谱系统, Xevo G2 Q TOF飞行时间质谱检测器, 配备LockSpray ESI电喷雾离子源, MassLynx V4.1工作站.

邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)、邻苯二甲酸二正辛酯(DNOP)、邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DEHP)、邻苯二甲酸二壬酯(DNP)对照品均购自美国AccuStandard; 甲醇、乙腈、丙酮、二氯甲烷和正己烷为HPLC级(Honeywell); 实验用水为超纯水(Milli-Q water).

消落带土壤样品于2012年7月在三峡库区涪陵(FL)、丰都(FD)、忠县(ZX)、石柱(SZ)、万州(WZ)、云阳(YY)、奉节(FJ)和巫山(WS)这8个河段采集, 共计52个土壤样品, 具体的采样点位置见图 1, 采样时期正处于消落带落干时节, 故采集的土壤为非淹水状态.土壤样品用不锈钢铲收集, 采自表层以下0~10 cm, 样品装入经420℃灼烧12 h的铝箔袋中密封.样品收集后送回实验室置于-20℃冰箱保存.

图 1

Fig. 1

图 1 采样位置示意 Fig. 1 Location of the sampling sites

将土壤冷冻干燥, 除去砂石等杂物, 研磨后过100目不锈钢筛, 准确称取10 g样品, 用200 mL丙酮/正己烷混合溶剂(1:1, 体积比)于60℃索氏抽提24 h, 提取液中加入活性铜片除硫.提取液用旋转蒸发仪浓缩至1.0 mL, 转换溶剂为正己烷, 再次浓缩至1 mL, 再经过多层复合硅胶柱纯化, 并用70 mL丙酮/乙酸乙酯混合溶剂(3:7, 体积比)进行洗脱, 洗脱液浓缩至1 mL左右, 转换溶剂为甲醇, 氮吹定容至200 μL.

PAEs的分析仪器为Waters Xevo G2 Q TOF超高效液相色谱仪飞行时间质谱, 质谱分析选用ESI正离子扫描模式, 以MSE模式对待测物进行定性和定量分析. PAEs在ESI正离子源方式下, 生成[M+Na]⁺离子峰, 将这些母离子作为定性和定量分析时的监测离子. PAEs用ACQUITY BEH C₁₈ (100 mm×2.1 mm i.d., 1.7 μm, Waters Corp, USA)色谱柱进行分离, 采用的流动相为A(乙腈), B(0.1%甲酸水溶液), 流动相梯度洗脱条件(体积比)：0 min：25 A, 75 B; 0~3 min：30 A, 70 B; 3~7 min：70 A, 30 B; 7~15 min：90 A, 10 B保持6 min后结束梯度洗脱, 后运行时间5 min; 流速为0.2 mL·min^-1, 进样体积为1 μL, 柱温保持40℃.

在进行样品分析的同时, 进行方法空白、空白加标及样品平行样等质量保证与控制措施.在空白加标中8种PAEs单体(DMP、DEP、BBP、DBP、DIBP、DNOP、DEHP、DNP)的平均回收率为82.1%~93.5%, 而在土壤基质加标中(抽提过), 8种PAEs的平均回收率范围为76%~101%, 相对偏差小于10%;在方法空白中仅有DBP和DIBP检出, 在最后的结果中均经过空白扣除.化合物的定量采用多点校正曲线法, 每个化合物的校正曲线的相关系数均大于0.99.除DBP和DIBP外,

其他6种PAEs的定量限(the limits of quantification, LOQ)被定义为10倍信噪比, 取混合标准曲线第一点溶液进样, 经过逐级稀释使得信噪比为10的浓度作为其定量限, 6种PAEs单体的LOQ范围为0.4~1.6 ng·g^-1; 用空白样品中DBP和DIBP的平均含量的3倍标准偏差作为其定量限, 其LOQ分别为3.6 ng·g^-1和9.4 ng·g^-1, 连续进样5次, 测得相对偏差小于10%.

土壤健康风险分析采用USEPA推荐的模型对PAEs的日均摄入量以及非致癌风险和致癌风险进行评估. PAEs单体中DMP、DEP、DBP和DNOP为非致癌物质而DEHP和BBP为致癌物质, 本研究仅评估了通过非饮食途径(土壤摄入、皮肤接触和呼吸)摄入PAEs, 每种途径的公式如下：

式中, ADD_i表示非饮食途径日均摄入量, mg·(kg·d)^-1; C_soil表示土壤PAEs含量, mg·kg^-1; 表 1列出了暴露评价模型参数取值^[19].

表 1 (Table 1)

表 1 健康风险评价模型参数取值 Table 1 Parameters of the health risk assessment model 参数 含义 儿童 成人 IRS/mg·d-1 土壤摄入量 200 100 AF/mg·cm-1 土壤黏附因子 0.2 0.07 SA/cm2·d-1 暴露皮肤面积 28 000 57 000 ED/a 曝露年限 6 24 BW/kg 体重 15 70 EF/d·a-1 接触频率 350 350 CF 转换因子 10-6 10-6 PEF/m3·kg-1 颗粒物排放因子 1.36×109 1.36×109 Ij/m3·d-1 呼吸速率 13.5 13.5 ABS 皮肤吸收因子 0.1 0.1 CFS/(mg·kg-1·d-1)-1 致癌率 BBP(0.001 9); DEHP(0.014) AT/d 平均寿命 非致癌风险, 365×ED; 致癌风险, 25 550

表 1 健康风险评价模型参数取值 Table 1 Parameters of the health risk assessment model

在三峡库区消落带土壤样品中均检测到了PAEs, 表明了PAEs在三峡库区环境中已普遍存在. 在8个消落带河段中, ΣPAEs的含量范围为322.0~737.3 ng·g^-1, 平均值为497.2 ng·g^-1, 对于DBP和DIBP, 其在8个消落带河段中的平均含量范围分别为106.4~255.2 ng·g^-1和113.8~303.7 ng·g^-1, 均值分别为176.8和202.4 ng·g^-1.位于中上游的万州(WZ)采样点PAEs污染水平最高(图 2), 平均含量为737.3 ng·g^-1, WZ点位于人群较为集中的城区河流旁, 在此区域, 人为活动较为集中, 特别是交通密度高, 汽车尾气排放都是造成PAEs较高的原因^[20], 此外, 在采样点周围聚集了少量的食品生产厂和包装厂, 而PAEs正是这些产业的主要原材料之一, 工厂通过污水排放而将污染物排入河流中从而导致该地区的PAEs污染.位于下游的采样点巫山(WS)污染水平较低, 这可能是由于这一河段两岸是农业生产区, 远离了工业生产区和城市生活区, 其PAEs的来源主要是靠大气的长距离迁移以及干湿沉降.与其他地区土壤PAEs的污染研究相比, 本研究区域中PAEs的浓度与南昌农田土壤、南京地膜覆盖土壤，以及英国、荷兰和丹麦地区的土壤处于同一数量级^[21~24], 但明显低于广州城市土壤和垃圾填埋区土壤含量^{[19, 25]}.根据我国《农用地土壤环境质量标准(征求意见稿)》中规定, PAEs总量不得超过10.0 μg·g^-1, 本研究中8个消落带河段土壤中的PAEs总量均未超过该标准, 但对于研究土壤中DBP, 含量范围为106.4~255.2 ng·g^-1, 平均含量为176.8 ng·g^-1, 显著高于美国土壤PAEs控制含量(DBP≤ 0.081 μg·g^-1)^[7], 可见作为一种脆弱生态系统, 三峡库区消落带PAEs的污染风险更应该得到广泛而急迫的关注.

图 2

Fig. 2

图 2 8个消落带河段土壤PAEs浓度水平 Fig. 2 Concentrations of PAEs in soils of the fluctuating zone

本研究检测分析了8种PAEs单体, DBP、DIBP、DEHP和DNP在所有消落带土壤样品中均有检出, 检出率为100%, 其他主要的单体DMP、DEP和BBP的检出率范围为53.8%~59.6%, 而DNOP仅在10个土壤样品中检出, 检出率为19.2%. 8个消落带河段土壤中PAEs异构体组成情况如图 3所示, DIBP是丰度最高的同系物单体, 其质量贡献率为35.6%~44.1%, 平均值为40.4%, 其次是DBP和DEHP, 分别占ΣPAEs的35.7%和18.5%, 三者平均贡献率为94.5%, 表明在本研究中, DIBP、DBP和DEHP是PAEs最主要的污染物, 这也与已有报道的结果相一致^[14], 但对于DEHP在土壤中的组成与文献有差异.在塑料回收加工区域土壤的研究中发现DEHP是最主要的单体, 占总PAEs的68.8%(质量分数)^[19]此外在广州城市土壤以及南京农膜土壤中都发现DEHP是最主要的PAEs单体, 均占到总PAEs含量的80%以上^{[22, 25]}.但在其他地区的农业土壤中也有发现DBP是最主要的PAEs单体, 其平均质量分数为70%^[14].由于消落带土壤处于干湿交替的状态, 环境行为可能与河流沉积物类似, 因此本研究同时也对比了国内外研究中沉积物PAEs的组成特征, 发现在北京某水库沉积物中^[26]以及南非河流沉积物^[27]和广州河流沉积物中DIBP是最主要的单体^[28], 其次是DBP, 而DEHP并不是最主要污染物, 其组成与本研究类似.在本研究中, 消落带土壤性质与一般农业或者城市土壤不同, 消落带土壤每年有6个月时间处于淹水状态, 因此消落带土壤中的PAEs单体极有可能向周围水体释放.已有研究预示了在一定条件下, PAEs向周围环境如水体和大气释放的可能^[4], 也有研究模拟了不同环境条件对三峡库区消落带土壤中DBP向水体释放的影响, 证实了消落带土壤向水体快速释放DBP^[29], 然而该研究并未模拟DEHP的释放情况, 但在关于三峡库区消落带水体的PAEs污染研究中发现在万州、开县和巫山这3个河段的DEHP是最主要污染物, 呈现较高的浓度, 所造成的健康风险也最大^[18].因此, 在淹水状态下消落带土壤向水体释放DEHP可能是导致本研究中DEHP并不是主要污染物的原因.此外, DEHP在土壤微生物中降解也不能完全排除, 有研究发现DEHP在东北黑土中的降解速率高于在褐潮土的速率, 这是由于相较于褐潮土, 黑土中微生物群落更多^[4].本研究并未同时采集水样以及探讨消落带土壤中微生物对DEHP降解的影响, 因此对于以上两种因素对消落带土壤DEHP迁移转化的影响在今后的研究中应更加深入和全面地探讨.

图 3

Fig. 3

图 3 消落带土壤PAEs百分比组成 Fig. 3 Profiles of PAEs in soils of the fluctuating zone

由于DNOP的检出率较低, 本研究通过SPSS 14.0对三峡库区消落带土壤其他7种PAEs含量进行相关分析, 结果如表 2所示, 其中DMP、DEP、DBP和DIBP两两之间具有较好的相关性, 呈显著性正相关, 表明4种PAEs可能具有相同来源. BBP仅与DEP呈现显著性相关性, 而DNP仅与DNOP相关, 表明BBP、DNP和DNOP的来源与其他几种PAEs不同.为了深层次揭示三峡库区消落带土壤PAEs组成特征以及其来源的内在联系, 本研究利用主成分分析法识别污染物来源.主成分分析结果如图 4所示, 在消落带土壤中, 8种PAEs单体可以由2个主成分反映62.5%, 第一主成分的贡献率为43.5%, 其中DBP、DIBP、DMP和DEP有较高的正载荷.从表 2消落带土壤中PAEs各单体之间的相关关系可知, DMP、DEP、DBP和DIBP两两之间具有极显著正相关, 从而判断这4种单体具有相似的来源.已有的研究证实了DMP和DEP通常用于个人护理品、化妆品、涂料特殊黏合剂和环氧树脂等工业产品中, 而DBP和DIBP主要与增塑剂有关^[20], 由此推断, 第一主成分主要反映了三峡库区消落带土壤中PAEs的主要来源于以上两种途径.第二主成分的贡献率为19.0%, DNP和DEHP呈现出较高的正载荷, 与其他单体有较大区别, 并且DNP与DEHP也呈现极显著的相关关系, 说明它们具有相同的来源和相似的环境行为. DNP和DEHP都广泛存在于塑料制品、室内装饰材料和食品里面^[20], 由此推测, 第二主成分主要来源于当地的人为活动.

表 2 (Table 2)

表 2 消落带土壤7种PAEs相关关系1) Table 2 Correlations of PAEs in soils of the fluctuating zone DMP DEP BBP DBP DIBP DEHP DEP 0.61** BBP 0.08 0.57** DBP 0.76** 0.43** 0.31 DIBP 0.85** 0.45** -0.15 0.75** DEHP 0.33 0.24 -0.07 0.42** 0.44** DNP -0.01 0.23 0.21 0.25 0.10 0.54** 1)**表示在0.01水平(双侧)上显著相

表 2 消落带土壤7种PAEs相关关系1) Table 2 Correlations of PAEs in soils of the fluctuating zone

图 4

Fig. 4

图 4 PAEs单体主成分分析因子载荷值 Fig. 4 Factor loadings of PAE congeners by PCA

本研究仅选取了美国EPA和欧盟优先控制的6种PAEs进行人体健康风险评价, 表 3给出了儿童和成人在不同暴露途径下对土壤中的PAEs的日均摄入剂量, 从中可以看到消落带土壤中不同种类PAEs人均摄入量从高到低依次为DBP、DEHP、DMP、DEP、DNOP和BBP, 暴露剂量均低于美国EPA规定的口服参考剂量(RfD)，说明人群暴露消落带土壤中的6种PAEs均未超标.对于成人, 6种PAEs单体主要暴露途径是通过呼吸摄入, 其次是皮肤接触, 最后是经口摄入; 对于儿童, 最主要的暴露途径是经口摄入, 其次是呼吸和皮肤接触.经风险评估模型计算, 成人和儿童对DBP、DMP、DEP和DNOP暴露的非致癌风险HQ值均小于1, 对于DEHP和BBP两类可能表现出致癌风险的PAEs, 同时通过计算致癌风险CR值, 发现DEHP和BBP在成人和儿童中均小于1.0×10^-6, 均未超过EPA推荐的致癌风险接受水平^[30], 表明消落带土壤PAEs污染对人体不会产生危害.在本研究中, 由于仅考虑了人群在耕作环境时通过土壤介质而产生的健康风险, 并未同时考虑食物富集、饮食等途径产生的风险, 因此导致本研究所评估的PAEs致癌风险低于之前的研究^[30].虽然本研究中6种评估PAEs单体的致癌风险均远低于1.0×10^-6, 但是DBP的日均摄入量占总PAEs的60%~84%, 此外已有研究证实了一定剂量的DBP对生物生殖发育具有明显毒性作用^[31], 此外Swan等^[32]和Caldwell等^[33]研究表明DBP及其代谢产物具有潜在的基因毒性和致癌风险, 孕妇在预产期前后频繁暴露于PAEs导致莱氏细胞发育受阻和功能受损, 导致新生儿性别变异^[34].因此, 在三峡库区消落带耕作过程中应预防DBP带来的潜在健康风险.

表 3 (Table 3)

表 3 儿童和成人对PAEs的日均摄入量1)/mg·(kg·d)-1 Table 3 ADD values of PAEs for toddlers and adults via different exposure pathways/mg·(kg·d)-1 项目 类型 土壤摄入 皮肤接触 呼吸摄入 总风险 RfD DMP 儿童 1.96×10-7 5.49×10-7 1.46×10-7 8.91×10-7 10 成人 2.10×10-8 8.39×10-8 1.46×10-7 2.51×10-7 10 DEP 儿童 1.36×10-7 3.82×10-7 1.01×10-7 6.19×10-7 0.8 成人 1.46×10-8 5.82×10-8 1.01×10-7 1.74×10-7 0.8 BBP 儿童 2.19×10-10 6.14×10-10 1.63×10-10 9.96×10-10 0.2 成人 9.39×10-11 3.75×10-10 6.53×10-10 1.12×10-9 0.2 DBP 儿童 2.26×10-6 6.33×10-6 1.68×10-6 1.03×10-5 0.1 成人 2.42×10-7 9.67×10-7 1.68×10-6 2.89×10-6 0.1 DEHP 儿童 9.73×10-8 3.18×10-6 7.25×10-8 3.35×10-6 0.02 成人 4.17×10-8 4.85×10-7 2.90×10-7 8.17×10-7 0.02 DNOP 儿童 1.05×10-8 2.94×10-8 7.81×10-9 4.76×10-8 0.04 成人 1.12×10-9 4.48×10-9 7.81×10-9 1.34×10-8 0.04 PAEs 儿童 2.70×10-6 1.05×10-5 2.01×10-6 1.52×10-5 成人 3.21×10-7 1.60×10-6 2.23×10-6 4.15×10-6 1) RfD为美国EPA规定的口服参考剂量[35]

表 3 儿童和成人对PAEs的日均摄入量1)/mg·(kg·d)-1 Table 3 ADD values of PAEs for toddlers and adults via different exposure pathways/mg·(kg·d)-1

三峡库区消落带土壤样品中8种PAEs均有不同程度检出, 表明了PAEs在三峡库区土壤环境中已普遍存在.在8个消落带河段中, ΣPAEs的含量范围为322.0~737.3 ng·g^-1, 与国内外土壤介质中PAEs污染水平比较, 本研究消落带土壤中PAEs属于较低水平; DIBP是最主要的PAEs单体, 其次是DBP, 而DEHP仅占ΣPAEs的18.5%, 这可能是由于在淹水状态下消落带土壤向水体释放DEHP, 从而导致本研究中DEHP并不是主要污染物的原因.此外DEHP在土壤微生物中降解也不能完全排除; 通过相关性分析和主成分分析发现DMP、DEP、DBP和DIBP具有极显著两两正相关关系, 其来源可能与个人护理品、化妆品和增塑剂使用有关; PAEs健康风险评估结果显示, 人群暴露6种PAEs的日均摄入量均未超过美国EPA规定的参考剂量(RfD), 并且6种PAEs单体的致癌风险均远低于美国EPA规定的可接受致癌风险值1.0×10^-6, 但是DBP的日均摄入量占总PAEs的60%~84%, 因此, 在三峡库区消落带耕作过程中应预防DBP带来的潜在健康风险.