城市回用水中多环芳烃致癌风险评价

王春花，于宝勒，梁丽君，刘克明，胡 伟，王玉秋,*

1. 天津市结核病控制中心，天津 300011 2. 天津市疾病预防控制中心，天津300011 3. 南开大学环境科学与工程学院，天津 300096

城市回用水(recycled water或reclaimed water)主要是指城市污水或生活污水经处理后达到一定的水质标准，可在一定范围内重复使用的非饮用水，是水资源有效利用的一种形式。研究显示城市回用水中含有致癌性较强的多环芳烃(PAHs)。在使用过程中，城市回用水既可以液态存在又可形成气溶胶，人体主要通过肺吸入、皮肤吸收、饮水暴露于亲脂性强的PAHs，因而PAHs潜在的健康风险受到广泛关注。

本研究立足于我国城市回用水再利用安全性问题，采用气相色谱-质谱(GC-MS)联用的分析化学方法对不同季节回用水中的16种PAHs进行定量分析，在此基础上采用美国国家科学院和国家研究委员会提出的环境健康风险评价方法，开展不同回用条件下具有我国水体基质特色的城市回用水中PAHs健康风险评价研究。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 试剂与仪器

二氯甲烷、甲醇、乙酸乙酯均为农残级试剂，含有16种PAHs目标分析物的混合标样购自美国Supelco公司，分析所用内标Acenaphthene-d10, Phenanthrene-d10, 及Chrysene-d12为Sigma-Aldrich产品。自动固相萃取仪：美国Zymark；旋转蒸发器：德国BÜCHI Rotavapor R-200；固相萃取柱：International Sorbent Technology LTD (U.K.)，规格：3 mL，500 mg；气相色谱-质谱(GC-MS)：美国Finnigan公司Trace 2000-GC-MS。

1.2 实验方法

1.2.1 城市回用水中多环芳烃的定量分析

(1)水样采集及固相萃取 分别于2006年3月，2006年8月，2007年5月，2007年11月，2008年1月采集某城市回用水厂入水即污水处理厂二级出水和城市回用水水样，经甲醇和硫酸预处理并0.45 μm滤膜过滤后将C18固相萃取柱置于Zymark真空固相萃取仪上固相萃取，流量5 mL·min-1。1.0 L水样萃取后，萃取柱用空气干燥10～15 min，以除去残留的水分。吸附在C18柱上的化合物用2×2.5 mL乙酸乙酯淋洗。乙酸乙酯淋洗所得萃取物用无水硫酸钠脱去水分，然后旋转蒸发浓缩，最后在35 ℃水浴用氮气进一步浓缩到约1 mL。

(2)气相色谱-质谱(GC-MS)分析 气相分离用毛细管色谱柱(DB-5MS, 30 m×0.32 mm i.d., 涂层厚度0.25 μm，高纯氦气(99.999%)为载气，载气流速1.0 mL·min-1。不分流进样量2 μL，进样口温度280 ℃。程序升温：初始温度70 ℃，保持1 min，以10 ℃·min-1升温至300 ℃，保持10 min。质谱为电子轰击模式，轰击电压70 eV，离子源温度250 ℃，传输线温度280 ℃。

1.2.2 城市回用水健康风险评价

按照美国国家科学院和国家研究委员会提出的健康风险评价模式，健康风险评价一般可分为四步：危害鉴别——鉴定风险源的性质及强度；

暴露评估——对人群或生态系统暴露于风险因子的方式、强度、频率及时间的评估及描述；

剂量反应评估——暴露与暴露所导致的健康或生态系统影响的因果关系；

风险评估——对有害事物发生的概率及所得概率的可靠程度给以估算和分析。

暴露评估阶段要确定回用水中PAHs对人体的暴露量及暴露途径的影响。对于非直接饮用再生途径, 人体对回用水的暴露量与回用用途有关。根据国内外资料及经验[1-2]，综合考虑各种常见的回用情况，各种回用途径的摄入量及暴露次数列于表1中。

暴露剂量换算为单位体重的日均暴露剂量，暴露剂量CDI=(回用水暴露量×污染物浓度×年暴露次数×暴露期限)/(体重×终生暴露时间)

致癌风险推估：

当致癌风险risk<0.01时，致癌风险=CDI×SF，

当致癌风险risk>0.01时，致癌风险=1-exp(-CDI×SF)

其中，CD—长期每日摄入剂量，mg·(kg·day)-1；SF—致癌斜率因子，(mg·(kg·day)-1)-1。

表1 不同回用途径的回用水摄入量及暴露次数Table 1 Intake and exposure times of different reuse approaches of reclaimed water

根据美国国家环境保护局(EPA)在国家风险计划中所建立的以污染导致增加致癌风险为10-6(即污染导致百万人增加一个癌症患者)作为人体健康致癌风险管理目标，致癌风险10-5～10-6为可接受的致癌风险水平[3]。

累积毒性等效剂量(TEQ， total toxic benzo[a]pyrene equivalent)可以用来定量表征PAHs的致癌风险。TEQ定义为：假设B(a)P的毒性当量因子(TEF)为1，把其它PAHs对人体的危害性与B(a)P进行比较，根据其对人体危害的强弱确定其毒性等效因子(the toxic equivalency factors, TEF)(见表2)，然后把各PAHs的浓度和其毒性等效因子相乘，再将各乘积值叠加，所得的数值就是毒性等效剂量，用公式表示：

TEQ=Σ(PAHs的浓度×TEF)

表2 单个多环芳烃化合物的推荐TEF值[4]Table 2 Recommended TEF values of single PAHs

由BaP毒性等效因子TEF计算BaPEq，而后计算个体暴露的等效于BaP的日均暴露量，再通过癌症风险计算方法对PAHs可能造成的癌症风险进行估计。

2 结果(Results)

2.1 多环芳烃分析测定结果

按照前述GC-MS条件对16种PAHs标样进行全扫描(m/z: 90-460)，得总离子流图(图1)，根据各PAHs的保留时间和质谱图，确定各待测化合物在选择离子检测方式(selected ion monitoring, SIM)中的采集时间和监测离子，结果如表3。

在确定SIM定量测定方法条件后，以稀释为不同浓度的PAHs进行GC-MS测定制作校准曲线。SIM测定实际样品，PAH化合物的确认主要依据保留时间是否与标准物质保留时间一致。分析回收率在(70±10)%和(91±9)%之间，检测限约为1 ng·L-1。

图1 PAHs标样全扫描图Fig. 1 Full tracing picture of PAHs standards

2.1.1 回用水及污水处理厂二级出水水样中多环芳烃的浓度

见表3，回用水水样中PAHs总浓度最小值为623.63 ng·L-1，最大值为2 267.86 ng·L-1，平均值为1 422.85 ng·L-1。回用水水样的16种PAHs中低分子量的PAHs(2环和3环PAHs)表现出较高的浓度水平，出现最高浓度的是3环的芴(fluorene)(最高浓度为1 174.8 ng·L-1，平均浓度为704.43 ng·L-1)，其次是3环的菲(phenanthrene)(最高浓度为612.8 ng·L-1，平均浓度为475.42 ng·L-1)。较高分子量的PAHs中(4环和4环以上PAHs)浓度水平较高的为4环的荧蒽(fluoranthene)(最高浓度为62.71 ng·L-1，平均浓度为40.72 ng·L-1)、芘(pyrene)(最高浓度为69.9 ng·L-1，平均浓度为34.09 ng·L-1)，其余较高分子量的PAHs浓度均在检测限以下。

污水处理厂二级出水水样中PAHs总浓度最小值为930.37 ng·L-1，最大值为2 788.41 ng·L-1，平均值为1 791.77 ng·L-1。回用水水样的16种PAHs中低分子量的PAHs(2环和3环PAHs)表现出较高的浓度水平，出现最高浓度的是3环的芴(最高浓度为1 362.3 ng·L-1，平均浓度为844.38 ng·L-1)，其次是3环的菲 (最高浓度为785.5 ng·L-1，平均浓度为621.53 ng·L-1)。较高分子量的PAHs中(4环和4环以上PAHs)浓度水平较高的为4环的荧蒽(最高浓度为82.29 ng·L-1，平均浓度为48.39 ng·L-1)、芘(最高浓度为99.78 ng·L-1，平均浓度为46.50 ng·L-1)，其余较高分子量的PAHs浓度均在检测限以下。

2.2 城市回用水健康风险评价

2.2.1 16种多环芳烃的非致癌参考剂量(RfD)和致癌斜率因子(SF)值

RfD和SF可由美国EPA的综合风险信息系统 ( Integrated Risk Information System, IRIS)查知，见表4。

美国环保局将物质的致癌性分为A、B、C、D和E五类。A物质为确定的人类致癌物，表示有足够的流行病学研究来证实接触剂量与致癌的因果关系；B类为很可能的人类致癌物，包括由流行病学研究得到的人类致癌证据从“足够”到“不足”的物质，又分为B1和B2两类，其中B1类为有限的人类证据证明具有致癌性的物质，B2类为动物实验证据充分而人类证据不充分或无证据的物质；C类为可能的人类致癌物，没有人类数据，动物致癌证据也有限的污染物；动物致癌证据不足的归于D类；至少做过两种不同动物试验或流行病学和动物研究中都无致癌证据的归于E类。

表3 回用水及污水处理厂二级出水中多环芳烃浓度Table 3 Concentrations of PAHs in reclaimed water and secondary effluent (ng·L-1)

2.2.2 长期日均暴露量计算结果

在本研究中，暴露数据以如下模型进行分析。假设暴露人群为健康成年人，暴露期限为70年，体重为70 kg，终生暴露时间(AT)为70×365 d。回用水中多环芳烃浓度少于1 ng·L-1的，按0.5 ng·L-1计算(见表5)。

2.2.2.1 城市绿化回用途径日均暴露量计算结果

城市绿化，包括道路喷洒、浇灌绿地公园等，人体可以通过呼吸喷雾或皮肤接触等暴露于回用水中，人体对回用水的暴露次数为每周2次，即年暴露次数104次，每次1 mL。

2.2.2.2 农业灌溉回用途径日均暴露量计算结果

对农田灌溉，包括蔬菜、水果及粮食等农作物灌溉，人体暴露途径主要为经口摄入回用水，假设人体对回用水的暴露次数为每天1次，即年暴露次数为365次，每次10 mL。

2.2.2.3 景观娱乐回用途径日均暴露量计算结果

污水再生利用的另一个重要途径是景观娱乐用水，包括划船、钓鱼、游泳等全身接触性活动，人体暴露途径主要为口服摄入回用水，假设人体对回用水的暴露次数为每年40次，每次100 mL。

表4 多环芳烃的RfD和SF值(EPA)Table 4 RfD and SF value of PAHs (EPA)

注：*综合风险信息系统IRIS中显示无相关数据。

Note: no related date in IRIs.

表516种多环芳烃的各种回用途径的CDI值

Table 5 TheCDIvalues of 16 kinds of PAHs in different reuse ways (mg·(kg·day)-1)

2.2.3 16种多环芳烃的致癌风险

由BaP毒性等效因子TEF计算BaPEq，而后计算个体暴露的等效于BaP的日均暴露量，再通过癌症风险计算方法对PAHs可能造成的癌症风险进行估计。

TEQ=Σ(PAHs的浓度×TEF) =2.66 ng·L-1

各种回用途径的CDI值及致癌风险，见表7。

总致癌风险=CDI城市绿化+CDI农业灌溉+CDI景观娱乐

= 7.88×10-8+2.77×10-6+3.04×10-6=5.89×10-6

表6 多环芳烃的等效毒理学估算Table 6 Carcinogenic risk of PAHs

表7 各种回用途径的CDI值(mg·kg-1·day-1)及致癌风险Table 7 The CDI value of different reuse approaches and carcinogenic risk

3 讨论(Discussion)

城市回用水中使用的可行性研究得到了世界各国政府及学术界的广泛关注，尤其是目前普遍关心的环境致突变物的潜在风险。而关于水质安全性的研究已经由致病菌，重金属的污染发展到了有机物对水污染的研究[5]。有机污染物中苯系多环芳烃(PAHs)是最早发现的致癌物质之一。

目前，欧美国家对PAHs的研究多集中在其在海水及沉积物的研究上[6-8]。在我国PAHs的研究集中在沿海海水及沉积物中[9,10]，对城市回用水中PAHs的研究则未见报道。在本研究中，首先对城市回用水中有机污染物的代表性物质PAHs的含量进行了检测，并选择了美国EPA推荐优先控制的16种PAHs进行分析[11]。回用水和中水水样中均检测出PAHs，主要为芴和菲、其次为萘、荧蒽、芘等。回用水中16种PAHs的总浓度为1 422.85 ng·L-1，污水处理厂二级出水中16种PAHs的总浓度为1 791.77 ng·L-1，结果显示经过处理后回用水中PAHs含量有所降低，但目前的处理方法并不能有效去除水中的多环芳烃类物质。有关PAHs结构与其致癌性的相关研究表明，三环以下、七环以上的PAHs母体不具致癌活性，四到六环PAHs母体及其它环数PAHs的衍生物部分具有致癌活性。从回用水水样PAHs组成来看，较低分子量(2环和3环)的PAHs为主要成分，以3环PAHs为主。PAHs中B[a]P具有特强致癌性，而本研究中显示回用水中其含量很低，低于1 ng·L-1。

B[a]P被认为是环境毒性最强的PAHs之一，常被作为健康风险评价的代表性化合物，也是仅有的具有环境标准值的PAHs，但是PAHs中并非只有苯并(a)芘具有致癌致突变性。为了全面认识和评价人群暴露水平和风险，许多学者通过试验确定了PAHs毒性等效因子(toxicity equivalency factors， TEFs)概念和量值。PAHs的TEFs的发展和建立与评价多氯二苯并二恶英、多氯二苯并呋喃和多氯联苯混合物毒性中使用的TEF概念类似，它有助于更精确地定义PAHs混合物的致癌性质[12]。然而，目前只有很少的PAHs的TEFs推荐值可以选用。最初，美国环保局将PAHs划分为致癌性和非致癌性两类。B[a]P作为参考物质，所有致癌性PAHs的TEF值为1，非致癌性PAHs的TEF值为0[13]。之后Chu和Chen[14]， Thorslund[15]先后提出了更为详细的TEFs推荐值。Nisbet[4]研究更精确的反映单个PAHs相对毒性的TEFs值，给出的TEFs值是基于和Clement相同研究基础上得出的，即在一个分析体系中同时测定一种或多种PAHs和B[a]P混合物。研究者认为，PAHs所包括的物质在生物可利用性、结合位点的竞争、共致癌行为或是代谢转化过程中有差异，不同的PAHs混合物有不同的致癌潜能，所以实验结果仍然有很大的不确定性。但是在所有的研究中，还都是将B[a]P作为参考化合物的。

本研究显示回用水在城市绿化、农业灌溉和景观娱乐3种不同回用途径下多环芳烃的致癌风险分别为7.88×10-8、2.77×10-6、3.04×10-6，总致癌风险为5.89×10-6。此次计算的风险值为个体终生致癌风险，在EPA规定的可接受风险范围内10-5～10-6。

未来城市回用水可能应用于农田灌溉、市政景观、河道补充、居民冲厕和污水处理厂出水冲车，为确保大规模使用城市回用水人群的安全性，改进现有回用水处理工艺，彻底去除水中的有机污染物，有利于扩大回用水资源化的发展空间，有利于城市可持续发展的水资源的开发与使用。有必要对城市回用水的致突变物质的种类、复合作用机理及去除方法问题进行更加深入细致的研究。

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[13] Chu M, Chen C. Evaluation and Estimation of Potential Carcinogenic Risks of Polynuclear Aromatic Hydrocarbons [R]. Honolulu, HI: Pacific Rim Risk Conference, 1984

[14] Thorslund T, Farrer D. Development of Relative Potency Estimates for PAHs and Hydrocarbons Combustion Product Fractions Compared to Benzo(α)pyreneand Their Use in Carcinogenic Risk Assessments [R]. Washington DC: United States Environmental Protection Agency (US EPA), 1991