有机磷酸酯(organophosphate esters, OPEs)是目前应用最广泛的一类有机磷阻燃剂(organophosphorus flame retardants, OPFRs), 作为阻燃剂和增塑剂大量使用在建筑材料、塑料制品、电子设备以及家具材料中^[1].近年来, 随着多溴联苯醚(PBDEs)中的五溴和八溴被列入持久性有机污染物(POPs)名单^[2], 北美和欧洲等发达国家陆续禁止生产和使用这一类阻燃剂, 致使作为PBDEs的主要替代品, OPEs的产量在世界范围内逐年提高^[3]. OPEs主要以物理添加进入产品中, 因此很容易通过磨损释放到周围环境^[1], 到目前为止, OPEs已经在大气^{[4, 5]}、水体^{[3, 6, 7]}、沉积物^{[8, 9]}、生物^[10]、以及人体^{[11, 12]}中均有广泛检出, 已经成为环境中一类普遍存在的污染物.已有的研究已经证实有机磷酸酯具有强烈的生物效应, 其中TCEP[tris (2-chloroethyl) phosphate]对生物具有致癌性^[13], 因此欧盟早于1995年就将TCEP列入第二批高度关注物质^[14].

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, 使库区周围形成了垂直落差30 m的消落带区域, 水位反复周期变化使得消落带土壤干湿交替, 在夏季水位较低, 消落带土壤处于落干状态, 污染物主要通过大气沉降进入消落带土壤; 而在冬季水位较高, 来自上游人为排放的污染物通过河流传输进入消落带土壤, 并且可能在河流的冲刷作用以及水动力条件下土壤外部搅动下进入下游区域, 造成潜在的环境生态风险^[15], 研究表明三峡库区消落带是典型的脆弱生态系统^[16], 因此对污染物在三峡库区消落带土壤中的环境行为研究就显得格外重要和迫切.当前对三峡库区土壤的研究多集中在重金属的迁移转化^[15], 也有少量关于PBDEs和PCBs等有机污染的报道^{[17, 18]}.而关于OPEs在三峡库区的赋存状况的研究还是空白.因此了解三峡库区土壤中OPEs的赋存状况, 组成特征以及探讨其来源对控制OPEs的生态环境风险具有重要的意义.鉴于此, 本研究采集了三峡库区涪陵、丰都、忠县、万州、云阳、奉节和巫山这7个河段的农田和消落带土壤, 共计58个样品, 分析了12种OPEs单体的在各个农田和消落带土壤中的含量水平和组成特征, 通过相关性分析和主成分分析阐明了农田和消落带土壤中OPEs可能的来源.

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.

磷酸三甲酯(TMP)、磷酸三乙酯(TEP)、磷酸三丙酯(TPrP)、磷酸三丁酯(TBP)、磷酸三(2-丁氧基乙基)酯(TBEP)、磷酸三(2-乙基己基)酯(TEHP)、磷酸三(2-氯乙基)酯(TCEP)、磷酸三(2-氯异丙基)酯(TCPP)、磷酸三(1, 3-二氯-1-丙基)酯(TDCP)、磷酸三苯酯(TPhP)、磷酸三甲苯酯(TCP)和2-乙基己基二苯基磷酸酯(EHDPP)对照品均购自美国AccuStandard; 氘带同位素回收率TBP-d²⁷和内标TPhP-d¹⁵购自Toronto Research Chemicals(加拿大); 甲醇、乙腈、丙酮、乙酸乙酯和正己烷为HPLC级(Honeywell); 甲酸购自美国Sigma-Aldrich公司; 实验用水为超纯水(Milli-Q water).

三峡库区农田(n=32)和消落带土壤(n=26)样品于2012年7月在三峡库区涪陵、丰都、忠县、万州、云阳、奉节和巫山这7个河段采集, 采样点位置见图 1, 采样时期正处于消落带落干时节, 故采集的消落带土壤为非淹水状态; 农田土壤采自距离对应消落带河段旁500~1 000 m, 为非耕种土壤.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, 加入40 μL回收率指示物TBP-d²⁷(1μg·mL^-1)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, 进样之前加入40 μL内标TPhP-d¹⁵并氮吹定容至200 μL.

OPEs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. OPEs在ESI正离子源方式下, 生成[M+H]⁺离子峰, 将这些母离子作为定性和定量分析时的监测离子. OPEs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)为0 min：40 A, 60 B; 0.5 min：40 A, 60 B; 3 min：50 A, 50 B; 4.5 min：55 A, 45 B; 8.5 min：70A, 30B; 9 min：100A保持5 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、基质加标及样品平行样等质量保证与控制措施.在空白加标中12种OPEs单体(TMP、TEP、TPrP、TBP、TBEP、TEHP、TCEP、TCPP、TDCP、TCP、TPhP、EHDPP)的回收率范围为61.1%~103%, 而在土壤基质加标中(抽提过), 12种OPEs的平均回收率范围为70.4%~115%;回收率指示物TBP-d²⁷在空白和土壤样品中的平均回收率为86.8%±6.5%和75.1%±13.1%, 所有样品均未进行回收率折算. 3个样品平行样的相对标准偏差为14.9%;在空白样品中, 均未检出目标物. OPEs的定量限(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的含量作为其定量限, 12种OPEs单体的LOQ范围为0.04~3.5 ng·g^-1.

12种OPEs在三峡库区农田和消落带土壤中的含量及检出情况如表 1所示.在农田土壤和消落带土壤中, Σ₁₂OPEs的含量范围分别为52.1~680 ng·g^-1和156~1 428 ng·g^-1, 均值分别为272 ng·g^-1和498 ng·g^-1. TCPP、TBP、TMPP和EHDPP在消落带土壤中全部检出, 在农田土壤中也有较高的检出率, 表明OPEs在三峡库区环境中已普遍存在.在7个消落带采样点中, OPEs在农田和消落带土壤中表现出不同的空间分布模式(图 2).在农田土壤中, 万州采样点的OPEs污染水平最高, 均值为546 ng·g^-1, 万州采样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, 已有研究证实了密集的人为活动是造成土壤OPEs较高的因素之一^[19].对于其他几个采样点, OPEs的含量均未呈现出明显的空间分布趋势, 这可能是由于这些采样点位于三峡库区农业带, 人为活动较少, 因此土壤中OPEs主要通过大气干湿沉降输入.而在消落带土壤中, OPEs呈现出不规则的空间分布模式, 涪陵采样点的OPEs污染水平最高, 均值为921 ng·g^-1, 其次是万州采样点, 均值为634ng·g^-1, 这可能是由于消落带土壤独特的环境行为造成.消落带土壤处于干湿交替状态, 在淹水状态下, 来自上游的OPEs通过河流传输进入消落带土壤, 在土壤中富集, 并且由于河流的冲刷作用, 将上游的消落带土壤冲积至下游, 造成OPEs的重新分布, 导致了本研究中消落带土壤OPEs的不规则空间分布; 在落干状态下, 污染物主要通过大气干湿沉降进入消落带土壤.而在本研究中, 消落带土壤采自落干状态, 因此OPEs来源更为复杂, 既有来自河流传输, 也有通过大气干湿沉降进入.本研究同时计算了农田土壤与消落带土壤中OPEs的比值(图 2), 发现比值均小于1, 说明消落带土壤中OPEs的含量显著高于农田土壤中OPEs的含量, 表明消落带土壤中OPEs主要来自上游的人为活动排放.涪陵紧邻重庆主城, 位于其下游, 来自城市排放的污水通过河流运动进入消落带土壤可能是导致其较高的原因.值得注意的是巫山采样点也表现出较高的含量, 巫山处于长江下游, 可能是由于淹水状态下河流的冲刷作用以及水动力条件下土壤外部搅动和OPEs在淹水土壤中重新释放所致.鉴于此, 在三峡库区消落带河段, OPEs通过河流传输进入下游区域的生态风险应得到广泛的关注与重视.

表 1 (Table 1)

表 1 三峡库区农田和消落带土壤中OPEs含量(以干重计)/ng·g-1 Table 1 Concentrations of OPEs in farmland and riparian soil in the TGR(dw)/ng·g-1 OPEs 农田土壤(n=32) 消落带土壤(n=26) 范围 均值±标准偏差 中值 检出率/% 范围 均值±标准偏差 中值 检出率/% TMP ND1)~0.38 0.08±0.02 0.03 56.3 ND~0.403 0.12±0.02 0.09 92.3 TEP ND~1.11 0.16±0.04 0.08 56.3 ND~0.565 0.11±0.03 0.01 50 TPrP ND~12.3 1.28±0.41 0.419 87.5 ND~4.61 1.48±0.28 1.08 96.1 TCEP ND~3.80 1.24±0.21 1.12 75 ND~16.1 2.33±0.59 2.03 92.3 TCPP ND~19.7 6.89±0.89 5.19 93.8 2.74~130 13.3±4.8 7.20 100 TDCP ND~7.53 0.26±0.24 0.05 9.37 ND~3.45 0.24±0.14 0.05 30.7 TBP ND~24.4 3.53±0.84 2.44 96.8 0.520~112 9.16±4.53 2.82 100 TPhP ND~1.96 0.23±0.09 0.05 18.8 ND~5.54 0.76±0.28 0.05 30.7 TBEP ND~0.556 0.06±0.03 0.05 15.6 ND~1.79 0.27±0.10 0.08 30.7 TCP 49.9~398 196±20 170 100 98.9~1 371 408±71 249 100 EHDPP ND~247 49.2±8.3 35.4 96.9 15.9~126 57.2±6.4 48.2 100 TEHP ND~41.6 7.49±1.60 4.42 78.1 ND~19.4 6.12±1.05 4.48 88.5 1)ND表示未检出

表 1 三峡库区农田和消落带土壤中OPEs含量(以干重计)/ng·g-1 Table 1 Concentrations of OPEs in farmland and riparian soil in the TGR(dw)/ng·g-1

图 2

Fig. 2

图 2 OPEs在三峡库区农田和消落带土壤中空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of OPEs in farmland soil and riparian soil in the TGR

到目前为止, 关于OPEs在土壤中的研究还非常有限, 本研究中OPEs的含量与塑料回收土壤(398 ng·g^-1)^[20], 广州城市土壤(250 ng·g^-1)^[19]以及越南电子垃圾回收区土壤(4~620 ng·g^-1)^[21]处于一个数量级, 显著高于中国某农田土壤(80 ng·g^-1)^[20], Mihajlovic等^[22]在德国奥斯纳布吕克大学校园土壤中检测到TCEP和TCPP, 其含量范围分别为5.07~23.48 ng·g^-1和6.16~19.82 ng·g^-1, 稍高于本研究, 但本研究中, TCPP的含量高于TCEP, 这可能是由于TCEP的致癌性, 其在工业上的使用已逐步被TCPP所取代^[13].通过对比国内外研究, 可以预见三峡库区消落带土壤中OPEs的含量并不低, 随着PBDEs的逐步禁用, 作为PBDEs的替代品, OPEs在工业和日常生活中的使用量也必然有所增加, 而作为一种脆弱生态系统, 三峡库区OPEs的污染风险更应该得到广泛而急迫的关注.

12种OPEs的组成特征如图 3所示, 本研究中农田和消落带土壤具有相似的OPEs组成, TCP是丰度最高的单体, 其在农田和消落带土壤中的质量浓度平均贡献率分别为73.6%和77.8%, 其次是EHDPP, 分别占ΣOPEs的17.9%和14.0%, TCP和EHDPP两者平均贡献率均超过90%, 表明在三峡库区消落带河段中, TCP和EHDPP是OPEs最主要的污染单体, 这与文献报道的土壤OPEs组成有一定差异. Cui等^[19]在广州城市土壤中研究发现TBEP是最主要的OPEs单体, 也有研究指出在农田土壤中TBEP也占有较高的丰度^[20].然而在越南电子垃圾回收区域土壤中同样发现OPEs组成以TCP和EHDPP为主, 与本研究结果相似^[21], 综上, 不同地区土壤中OPEs的组成可能不尽相同, 这可能与工业产品中OPEs的单体组成有一定关系, 不过目前我国还未有关于OPEs产量以及添加情况的数据, 对于OPEs还应该开展更加深入和广泛的研究.此外, 有研究也证实了TBEP可以在微生物作用下发生降解^[20], 这也可能是导致本研究中TBEP含量较低的一个因素.值得注意的是除了TBEP以外, TCP和EHDPP在广州城市土壤以及中国某农田土壤中均占有较高的丰度, 表明这两种OPEs单体广泛存在于非点源污染土壤以及点源污染土壤如越南电子垃圾回收区, 因此对这两种OPEs单体在环境中的迁移转化的研究具有一定的难度.对于TCEP、TDCP和TCPP这3种含氯OPEs, 其在本研究中的农田和消落带土壤中所占的比例都不高(图 3), 这也与广州和成都城市土壤以及中国某塑料回收地土壤中的分布相似^{[19, 20]}, 而这3种含氯OPEs主要用于阻燃剂添加到产品中^[22], 这可能表明目前OPEs用于阻燃剂的量还并不多.此外, 也有研究报道TCEP和TCPP可以在土壤中垂直迁移, 进而从表层土壤进入深层土壤^{[22, 23]}, 而本研究土壤均采自表层(0~10 cm), 这可能也是导致TCEP和TCPP所占比例较低的原因.

图 3

Fig. 3

图 3 农田和消落带土壤OPEs百分比组成 Fig. 3 Profiles of OPEs in farmland soil and riparian soil in the TGR

为了阐明三峡库区农田和消落带土壤中OPEs可能的来源, 本研究对农田和消落带土壤中ΣOPEs含量进行相关性分析, 结果显示OPEs在农田和消落带土壤中存在显著相关性(P＜0.05), 表明农田和消落带土壤中OPEs具有相似的来源.本研究区域内并无明显的点源污染, 农田土壤中OPEs主要来自大气干湿沉降, 而本研究中消落带土壤采自落干状态, 因此大气干湿沉降也是消落带土壤中OPEs的一部分来源; 此外由于相关性分析中决定系数为0.64, 说明除了一部分来自大气干湿沉降外, 消落带土壤中的OPEs还可能有其他来源途径.在消落带土壤处于淹水状态时, 河流输送是OPEs主要来源, 因此本研究中消落带土壤OPEs既有大气来源, 同时又有河流输送进入.为了进一步揭示三峡库区土壤OPEs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, 由于TBEP、TPhP和TDCP检出率较低, 主成分分析仅选择其它9种OPEs单体, 结果如图 4所示, 在农田土壤中, 9种OPEs单体可以由2个主成分反映60.5%, 第一主成分的贡献率为32.7%, 其中TEHP、TMP、EHDPP和TPrP有较高的正载荷.已有的研究证实了TEHP通常用于纤维和塑料加工行业^[24], 因此第一主成分可能主要源自建筑装潢材料以及室内源排放.第二主成分的贡献率为27.8%, TCPP、TCEP和TCP呈现出较高的正载荷, TCEP和TCPP主要与阻燃剂的使用有关^[1], 而有研究证实TCP是污泥中的主要成分^[25], 因此第二主成分与以上两种来源有关.在消落带土壤中, OPEs可以由2个主成分反映73.3%, 第一组分贡献率为42.8%, 与农田土壤中OPEs第一主成分相似, 稍有不同的是TEP在消落带土壤中有较高的正载荷, TEP是汽车尾气排放的主要成分^{[2, 26]}, 因此第一主成分与建筑材料以及室外交通源排放有关.在第二主成分中, TCEP、TCPP和TBP均有较高的正载荷, 贡献率为30.5%, 有研究也指出TBP同样是交通源排放的主要成分^[3], 因此对于消落带土壤, 其OPEs可能是建筑材料以及交通源排放的复合来源, 主要通过上游人为活动排放进入河流, 经过河流传输最终进入消落带土壤.

图 4

Fig. 4

图 4 OPEs主成分分析因子载荷值 Fig. 4 Factor loadings of OPEs by PCA

三峡库区农田和消落带土壤中12种OPEs均有不同程度检出, 表明了OPEs在三峡库区土壤中普遍存在; OPEs在农田和消落带土壤中表现出不同的空间分布模式, 这可能是由于在淹水状态下河流的冲刷作用以及水动力条件下土壤外部搅动和OPEs在淹水土壤中重新释放导致了消落带土壤OPEs的不规则空间分布; 在各个采样点中, OPEs在消落带土壤中的含量显著高于农田土壤中的含量, 表明来自上游的人为活动排放的污水通过河流运动进入消落带土壤可能是导致其较高的原因; 本研究中农田和消落带土壤均是以TCP和EHDPP为主, 这可能与工业产品中OPEs不同的单体组成有一定关系; 相关性分析结果表明农田和消落带土壤中OPEs具有相似的来源; 通过主成分分析显示三峡库区农田土壤中OPEs主要来自建筑装潢材料以及室内源排放, 而消落带土壤中OPEs可能是建筑材料以及交通源排放的复合来源, 通过河流传输最终进入消落带土壤, 因此污染物通过河流传输进入三峡库区下游区域可能成为潜在的生态风险, 应值得广泛的关注与重视.