持久性有机污染物全氟辛烷磺酸PFOS污染生态环境研究进展
2015-04-02李志芬马太玲史雅娟
李志芬,马太玲,史雅娟
1.山东协和学院建筑工程学院,山东济南250107
2.三亚学院管理学院,海南三亚572022
3.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特010018
4.中国科学院生态环境研究中心,北京100085
持久性有机污染物全氟辛烷磺酸PFOS污染生态环境研究进展
李志芬1,3,马太玲2,3*,史雅娟4
1.山东协和学院建筑工程学院,山东济南250107
2.三亚学院管理学院,海南三亚572022
3.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特010018
4.中国科学院生态环境研究中心,北京100085
由于全氟辛烷磺酸(PFOS)的化学稳定性及其广泛的生产和使用,已造成严重的环境累积和污染,成为继有机氯农药、二噁英之后引起高度重视的新型持久性有机污染物。PFOS对生态环境的污染和人体健康的潜在危害,已经成为环境科学和毒理学的研究热点,尤其对生态环境的影响备受国际社会关注,值得深入研究。本文分别从环境中存在水平、毒性、检测方法和修复方法四个方面论述了国内外全氟辛烷磺酸的研究现状。详细阐明了PFOS在各种介质中的污染水平,评价了各种检测和修复方法的优缺点,可为后期PFOS的毒理研究、检测去除、环境影响评价和替代品的研究提供理论基础。
全氟辛烷磺酸;存在;毒性;检测;修复
全氟辛烷磺酸(PFOS)至今已有50年的生产和使用历史,在2009年5月,PFOS被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》,正式成为持久性有机污染物的一员,它在生物体内的蓄积水平高于己知的传统持久性有机污染数百倍甚至千倍。PFOS是全氟烷酸的代表性物质,其分子式为C8F17SO3H、分子量为499.937,是由17个氟原子和8个碳原子组成的烃链,在其末端连接一个磺酞基的化合物。因为氟具有最大的电负性,使得碳-氟键具有很强极性,是自然界中键能最大的共价键之一,现已有实验证明PFOS在已知的环境测试中没有发生光解,水解或生物降解,而即使在浓硫酸或浓硝酸溶液中煮沸也不能使PFOS发生分解,从而导致其在环境中持久存在并被生物富集[1]。由于PFOS疏油、疏水和化学稳定等特性,被广泛地应用于生产纺织品、皮革制品、家具和地毯的表面防污处理剂等工业生产中和化妆品、纸制食品包装材料等与人们生活息息相关的领域。PFOS在环境中的浓度分布和潜在生态风险超出人们的预想,已逐渐引起学术界的关注,成为环境科学的研究热点。
1 全氟辛烷磺酸(PFOS)的存在水平
由于PFOS产品的大量生产、使用和生物富集作用,全氟辛烷磺酸已呈现出全球分布的态势。研究证实,在环境(水体、大气和固体介质等)、人体和动物体内均检测出PFOS的存在。
1.1水体中PFOS的污染水平
PFOS能在水体中大量长期存在,造成地表水、地下水甚至饮用水等各种水体的污染,国内外已有大量的相关文献报道。全球大部分海域中均可检测到PFOS的存在,2008年YAMASHITA[2]等在北大西洋中测得PFOS的质量浓度为8.636 pg/L,在大西洋中部为13~73 pg/L。LIEN[3]等对日本淀川河的调查发现,PFOS的浓度为0.4~123 ng/L。在我国情况也不容乐观,由于全氟类化合物产品在我国的广泛使用,已经在许多河流、海域中检测到PFOS[4]。Jin YH等[5]的研究表明PFOS广泛存在于我国香港沿海及许多城市水体中,特别是工业及经济快速发展的地区含量较高。赵淑江[6]等采用固相萃取/高效液相串联质谱检测法测定温州近海,结果是海水中普遍存在PFOS的污染。2009年,Murakami[7]等对东京地区的地下水与泉水样品进行分析,结果表明该地区的地下水中广泛存在PFOS污染,其浓度范围为0.28~133 ng/L。2010年,Loos[8]等开展了首个针对全欧范围内地下水中POPS污染状况的调查,研究者分析欧洲23个国家的地下水样品,PFOS的检出率为48%,其最大浓度和平均浓度分别为135和4 ng/L。Takagi[9]等在2008年,对日本大阪市14个自来水厂源水和出厂水中的PFOS浓度水平进行研究,表明PFOS在全部样品中被检出,它们在源水中的浓度为0.26~22 ng/L,而在饮用水中的浓度分别为0.16~22 ng/L。我国大部分城市居民自来水中PFOS浓度很低,研究人员对中国部分地区环境中的地表水和城镇自来水中的PFOS的污染状况作了调查,调查结果显示0.3(<0.1~14.8)ng/L[5],只有广州和深圳居民自来水样PFOS浓度达到了10 ng/L,其污染水平已与美国、欧洲和日本相当,给人们敲响警钟。
1.2大气中PFOS的污染水平
2008年,Strynar和Lindstrom[10]对美国俄亥俄州和北卡罗莱纳州室内灰尘进行研究,结果表明,PFOS是灰尘样品中最主要的污染物,在95%的样品中被检出,其浓度中位数为201 ng/g灰尘,最大浓度为12100 ng/g灰尘。2010年,Goosey和Harrad[11]对采自澳大利亚等七国和美国家庭以及英国汽车内、教室和办公室内灰尘样品中进行分析,结果表明,车内、家庭和办公室内的PFOS浓度显著高于教室内。JahnkeA等学者[12]在南非和德国海域上方采集的空气样本中PFOS平均浓度为2.5 pg/m3。
1.3固体介质中PFOS的污染水平
Houde[13]等对美国佛罗里达州的萨拉索塔湾地区和弗吉尼亚州查尔斯顿海港的海底淤泥中的全氟化合物进行了检测,发现淤泥中全氟化合物的浓度为<0.01~0.4 ng/g湿重。我国研究人员Bao J[14]等检测了东北大辽河水系中的11处采集的淤泥样本,结果显示PFOS浓度范围为<LOQ~0.37 ng/g干重淤泥。随后,在中国上海和广州一些河流的底泥沉积物中也检测出了PFOS[15]。Fei Li[16]等对2007年10月取样上海黄浦江和苏州河的沉积物、上海农田、住宅区和工业区的表层土壤和2008年9月8个污水处理厂的废活性污泥进行检测,研究结果表明沉积物中PF0S的浓度范围是1.57~8.78 ng/g废活性污泥中PF0S占到总PFCs的4~7%,土壤中含量也位居PFCs组成第三。Pan G[17]等检测了在长江江口中PFOS类物质的水、淤泥分布情况,盐分是影响PFOS在泥-水界面分配及其转运去向的重要因素,当盐分从0.18提高到3.31时,泥-水分配系数则从0.76提高到了4.70。
1.4动物和人体中PFOS的污染水平
由于PFOS产品的大量使用使得其以各种途径进入到人类及动物的生活环境介质中,通过食物链的传递放大,目前在许多动物组织和人体中发现了PFOS的存在[18,19]。张新[20]等调查大连沿岸常见海产品体内普遍检测到PFOS,并且肝脏中PFOS暴露水平高于肌肉组织。通过比较发现,大连沿岸鱼类样品中PFOS的暴露水平低于美、日等国家的沿岸海域鱼类的暴露水平。甚至野生动物体内也有PFOS的痕迹[21]。Wang Y[22]等采集的中国8个地区的鸡蛋样品中PFOS检出率为100%,浓度也达到了45.0~86.9 ng/g湿质量,显著高于英国(1 ng/g湿质量)和西班牙(0.077~0.088 ng/g湿质量)鸡蛋中PFOS的浓度水平。
研究显示人体可通过饮用水、灰尘、室内空气以及膳食等多种途径摄入此类污染物[23,24]。曹培[25]等对温州市职业性和非职业全氟化合物暴露人群研究表明,体内血清无论有无职业性暴露均可检出PFOS。更甚者PFOS可在人体母乳中被检出[26]。
2 全氟辛烷磺酸(PFOS)的毒性评价
对动物的毒理学实验研究表明,PFOS类有机污染物对动物健康极为有害,主要表现为:基因表达、发育毒性[27,28]、生殖毒性[29-31]、免疫毒性[32,33]、致癌性、神经毒性[34]、肝脏毒性[35]、干扰内分泌、干扰甲状腺功能等。
基因表达:舒波[36]在研究PFOS对哈维氏弧菌生长及外毒素基因的影响时,得出结论:PFOS对哈维氏弧菌的生长及基因有一定影响,尤以低浓度PFOS为甚。
生殖毒性:Lau C等[37]的研究表明怀孕动物长期暴露在PFOS中可导致新生动物的体重降低、腭裂、全身水肿、眼睛睁开时间推迟、骨骼骨化延迟和心室心脏畸形等现象的出现。张小梅等[38]的实验表明,PFOS可引起雄鹌鹑睾丸组织结构损伤,睾丸的成熟,导致睾丸组织萎缩,并影响睾丸组织中酶活性及血清中性激素含量,对甲状腺功能产生一定毒性效应。
免疫毒性:PFOS能够减弱小鼠的免疫功能,Fang等[39]将成年大鼠暴露14 d,发现脾脏的绝对重量呈剂量依赖性下降,在高剂量组脾脏的相对重量也下降,另外胸腺细胞也会发生周期阻滞与细胞凋亡。
致癌性:据Lau C[40]报道,PFOS能诱导大鼠肝肿瘤和甲状腺腺泡腺瘤的发生率,其动物实验也表明,PFOS暴露可以诱发胰腺、睾丸、肝脏和乳腺癌症的发生。
神经毒性:刘晓晖等[41]研究经过亚慢性PFOS试验,大鼠可以通过影响海马脑组织中钙离子信号转导通路中的下游信号分子的正常表达,从而对神经系统产生毒性作用;而且不管仔鼠胚胎期通过母体染毒和出生后通过母乳染毒都会对仔鼠的神经系统发育产生毒性作用。同时,Zeng等[42]认为宫内PFOS诱导的海马和大脑皮质内胶质样炎症反应的产生与PFOS的神经毒性有关。Zhang等[43]还以斑马鱼培养为模式动物研究了PFOS对脊柱发育以及运动神经元的发育损害。
肝脏损伤:于红瑶等[44]研究表明PFOS可引起肝脏氧化损伤、增加肝脏脂褐质含量,加速衰老进程,进而损伤肝脏。
干扰内分泌:程艳等[45]的试验结果表明暴露于PFOS中的斑马鱼内分泌干扰作用明显,其毒性作用机制可能是类雌激素效应。而且,PFOS能够降低雌性小鼠肾上腺酮水平,干扰下丘脑-肾上腺轴[46]。
干扰甲状腺功能:Yu W G[47]的研究表明,PFOS抑制甲状腺功能,引起甲状腺素浓度降低。
3 全氟辛烷磺酸(PFOS)的检测方法
高效液相色谱-质谱联用(HPLC-MS):Chiao LiTseng[48]等用HPLC-MS法测定水中以及生物组织中的PFOS以及其相关化合物的含量,在水样中的PFOS类化合物的检测范围在67~400 ng/L。Michael S Young[49]等对水样中的PFOS和相关化合物进行固相萃取,用该方法进行了检测,水中的所有PFOS类物质的检测均得到良好的回收率。该方法具有较高的灵敏度,可根据不同的测试情况选择不同的检测器,但因含PFOS等全氟类基质具有较复杂的组成和结构,有较多的质量等方面的干扰,故处理技术上需要进一步优化。
气质联用法(GC/MS):于徊萍[50]等利用气相色谱法(GC/ECD)进行测定,外标法定量,建立了纺织品中3种PFOS的检测方法。Ou Yang[51]等采用GC/MS检测了半导体制造厂中常用的SF6、NF3、CF4、C2F6和C3F8等5种气体,结果显示该方法具有较高的选择性,对5种PFCs的检测线性范围良好。但由于预处理过程过于繁琐,而且衍生化过程中会产生有毒物质,故此方法在一定程度上受到局限。
高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS):是目前文献报道中使用最为广泛的一种PFOS定量检测方法。它可以定量地检测环境基质、生物组织、化学品及纺织品等物质中的全氟有机物,而且检出效果比较好。这种方法已得到广泛使用[52-58]。此法检出效果较好,精度较高,但方法比较繁琐,温泉等[59]运用此技术测定猪肉中的全氟化合物。Villaverde Saa[60]等建立了一种应用基质固相分散-高效液相色谱-串联质谱检测法(MSPDHPLC-MS/MS)同时测定3种软体动物中全氟辛酸、全氟癸酸、全氟辛烷磺酸等8种PFCs的方法,检出限为0.05~0.3 ng/g。Beser[61]等用微波萃取-液相色谱-串联质谱法(MAE-LC-MS/MS),以甲醇为流动相,测定12种PFCs,回收率为83%~120%。HPLC-MS/MS分析模式多,背景干扰少,选择性和灵敏度高;简化复杂基质的前处理过程,在低含量的有害物质残留分析中具有显著的优势。
核磁共振技术:核磁共振技术可以用于检测生物样中氟离子表面活性剂和水样中含氟物质的浓度,但是分辨率不是特别高。
4 全氟辛烷磺酸(PFOS)的污染修复
作为一种新兴污染物,PFOS的研究尚处在起步阶段,环境介质中PFOS的去除技术研究不多,目前主要处在污染源实验模拟阶段研究。一般的修复方法有物理法、化学法、生物法和物理化学法。
物理法。Qiang Yu[62]等针对粉末活性炭、颗粒活性炭和阴离子交换树脂三种吸附剂对PFOS的去除进行了可行性研究,其中粉末活性炭吸附效果最好,但存在不可再生的缺点,离子交换吸附相比较而言则更为经济适用。于强的研究[63]也表明在活性炭和树脂吸附剂中,以吸附量为指标,粉末活性炭是去除水中PFOS最理想的吸附剂,而且他合成的壳聚糖分子印迹吸附剂具有选择性高、吸附速度快、吸附量高和易于脱附再生等特点,非常适合于处理含有高浓度PFOS的废水,具有较高的潜在应用价值。Tang等人[64]也利用反渗透膜和超滤膜对半导体废水中的高浓度PFOS进行了去除研究,获得的去除率大都在95%以上,显示出了良好的去除效果。2012年Fei Wang[65]等人量化了勃姆石对PFOS的吸附,能达到0.877l g/m2,吸附效果良好。
化学法。Carter[66]等的研究表明硼掺杂在薄膜电极中能氧化破坏PFOS,其降解产物为硫酸盐、氟化物、二氧化碳和痕量的三氟乙酸。贾大伟等[67]的研究表明在PFOS初始浓度为4 mg/L,pH为3的废水中,Fe3O4纳米磁性微粒的投加量1.25 g/L,反应时间24 h时全氟辛磺酸盐去除率可达到90%,Fe3O4纳米磁性微粒对PFOS的吸附符合Freundlich吸附方程。Hori等人[68]采用零价铁还原的方法,在350℃以上的高温下将PFOS还原成为氟离子而加以除去。
生物降解法效果不明显,只起到促进作用。KEY[69]等尝试通过驯化的Strain D2假单胞菌在厌氧缺硫的条件下降解含氟的硫化物,表明Strain D2假单胞菌可以将非挥发性的全氟有机物转化为挥发性的,有助于PFOS的去除。
物理化学法。赵德明等[70]研究表明,超声波降解PFOS的过程符合拟一级动力学,其降解速率与超声波频率、PFOS初始浓度、饱和气体种类、有机和无机混合质种类等有关。Moriwaki等人[71]采用超声降解的方法,利用空穴现象所产生的高温、高压和羟基自由基,在氩气存在的情况下快速将PFOS转化为PFOA,随后逐步脱掉CF2单元从而再将PFOA降解成为短链的全氟化合物。
物理法、化学法、生物法和物理化学法都是在特殊条件或实验室条件下进行的,具有成本和能耗较高、操作复杂和二次污染等问题,一般不适用于大范围推广或工业去除,使得这些去除方法的投入使用受到一定的限制。但物理法中的吸附法和膜处理的能耗和成本低、去除效率高,它们的推广使用和深度研发亟待解决。
5 结论及展望
至今,国内外在PFOS的研究方面已经取得了一些可喜的成果。上述研究证实,PFOS在水体中已呈全球分布态势,在人体和动物体中也检测出PFOS的存在,但在其他环境介质中PFOS的存在研究比较少,有待进一步深入;PFOS在动物体内的毒理性实验研究已取得一些研究结论,包括基因表达、发育毒性、生殖毒性、免疫毒性、致癌性、神经毒性、肝脏毒性、干扰内分泌和干扰甲状腺功能等方面的毒性评价,也有研究表明PFOS可以增强细胞膜的通透性,从而增强其他污染物的毒性,但这些联合污染物的毒性都有待于进一步研究,也是后期PFOS的重点研究方向之一;PFOS在废水中检测方法的研究初具成果,但在其他介质中的检测方法还需深入研究,并有待研发出更加快捷、精度更高的标准定量检测方法;PFOS化学性质稳定,不易去除,目前,去除PFOS的方法为数不多,其中吸附分离法去除效果较好,针对不同浓度的PFOS的去除方法亟待研究。
含有PFOS成分的化学物质广泛存在于环境介质及生产和生活使用品中,其终端产物为PFOS,仅仅50多年PFOS通过环境和生物聚集等已经侵入人类的生活中,进而危害人类身体健康,已经造成不可避免的环境污染。因此对PFOS的污染现状、迁移规律和潜在的毒理效应进行研究显得非常重要;研究环境中PFOS的降解,降低PFOS的环境污染程度,具有重要的环境意义和应用价值;对其环境健康风险进行评价,揭示其毒性作用机制,寻找新的替代品以削减、控制和消除PFOS污染已经刻不容缓,是环境研究者面临的又一挑战,也将是今后研究的热点。
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A Review for the Studies on Polluting Ecological Environment of the Persistent Organic Pollutant Perfluorooctane Sulfonate(PFOS)
LI Zhi-fen1,3,MA Tai-ling2,3*,SHI Ya-juan4
1.Architectural and Civil Engineering Institute,Shandong Xiehe University,Jinan 250107,China
2.School of Management,Sanya University,Sanya 572022,China
3.Water Conservancy and Civil Building Engineering Institute,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China
4.Research Center for Eco-Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100085,China.
Due to the chem ical durability,w idespread production and use,Perfluorooctane Sulfonate(PFOS)has caused serious environmental accumulation and pollution and become a new valued persistent organic pollutant after organochlorine pesticide and dioxin.Because of pollution to the ecological environment and potential hazard to human health,PFOS has attracted the international social much attention and has become a hot research area from the environmental science and toxicology.Especially its impact for ecological environmental is worth further research.This paper has related and analyzed the research present situation of PFOS in domestic and abroad from four aspects respectively:the existing level in environment,toxicity,testing method and repairing methods.It clarified polluted level in various medium and evaluated the advantages and disadvantages of testing and repairing methods,which provided theoretical basis on the late PFOS toxicology research,testing,repairing,environmental impact assessment and substitutes research.
Perfluorooctane Sulfonate;existence;toxicity;testing;repairing
X5文献标示码:A
1000-2324(2015)02-0204-07
2012-12-28
2013-01-17
国家自然科学基金(51369020)
李志芬(1987-),女,硕士研究生,主要研究方向为污水处理理论与技术.E-mail:lizhifen0420@126.com
Author for correspondence.E-mail:nmg-hippo@163.com