黄浦江流域中酚类环境激素的分布特征及生态风险评价

鲍阳阳,孙 瑞,徐奔拓,徐 刚,吴明红

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

黄浦江流域中酚类环境激素的分布特征及生态风险评价

鲍阳阳,孙 瑞,徐奔拓,徐 刚,吴明红

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

从黄浦江流域采集了15份冬季水体和悬浮物样品,利用液相色谱-质谱联用技术(liquid chromatography-mass spectroscopy-mass spectroscopy,LC-MS-MS)分析了水体和悬浮物样品中壬基酚(nonylphenol,NP)、4-t-辛基酚(4-t-octylphenol,4-t-OP)、4-t-丁基酚(4-t-butylphenol,4-t-BP)和双酚A(bisphenol A,BPA)的质量浓度分布.结果表明,黄浦江流域水体和悬浮物样品中的酚类环境激素质量浓度范围分别为47.25～356.43ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分别为167.69 ng/L和20.81 mg/g.因子分析结果说明,黄浦江水域中酚类环境激素主要以NP,4-t-OP和BPA为主,局部水域伴有4-t-BP的高残留.生态风险评价结果显示,黄浦江流域水体中的酚类环境激素的危害商数均小于1,表明不存在严重和频发的酚类环境激素生态毒理风险,但其生物富集效应不容忽视.

酚类环境激素;液相色谱-质谱;因子分析;生态风险评价

壬基酚(nonylphenol,NP)、辛基酚(4-t-octylphenol,4-t-OP)、丁基酚(4-t-butylphenol,4-t-BP)和双酚A(bisphenol A,BPA)是环境中典型的酚类内分泌干扰物(endocrine disrupting chemicals,EDCs),因其具有持久性和生物累积性,引起了人们的广泛关注[1-2].大量研究表明,烷基酚(alkyphenol,AP)和BPA在水、底泥、土壤等多种环境介质中也普遍存在,故一直备受关注[3-6].AP和BPA都具有亲脂疏水性,易吸附在水中的悬浮颗粒物上,通过食物链传递最终对人类健康造成严重危害.因此,开展河流中持久性有毒有机污染物浓度水平、分布规律、污染来源和生态风险方面的研究具有积极的现实意义.

黄浦江自西向东穿越整个上海地区.近年来,随着上海人口的急剧增长、城市经济的高速发展以及各种工业废水和生活污水的不断排放,对黄浦江水体中部分种类的EDCs的研究显得尤其重要.Wu等[7]在上海3条河流水样中均检出了NP,4-t-OP和BPA,其中NP浓度已高于世界平均水平.此外,持续监测上海市典型环境介质所受到的环境酚类物质污染状况,对潜在的污染源以及可能造成的生态风险进行科学的评估,可为我国更好地履行《斯德哥尔摩公约》提供基础研究资料,也可为上海环境酚类污染物控制措施的建立提供一定的理论依据和技术支撑.

目前,已有的研究环境介质中酚类环境激素的方法多为气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrscopy,GC-MS).但是由于环境介质基质复杂、干扰物多,且GC-MS方法需要经衍生化、水解和净化等复杂的预处理,因此,本研究利用液相色谱-质谱联用(liquid chromatography-MS-MS,LC-MS-MS)仪对上海黄浦江表层水体及悬浮物样品中的NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA进行了分析检测.该方法能有效地排除干扰,最终建立了一种检测限低、回收率高、重现性好,能够快速进行分析的样品前处理过程和检测方法,实现了对上海黄浦江流域水样中AP和BPA的定量测定,并讨论了其污染特征和分布规律,对其水体进行了初步的生态风险评价.

1 材料与方法

1.1 样品的采集和保存

本研究于2012年12月分别在上海黄浦江流域的上游(淀山湖)至下游(吴淞口)段,以及黄浦江与苏州河、蕴藻浜交汇流域采集水体样品共15份,采样点如图1所示,其中H1～H13为黄浦江的13个采样点,S5为苏州河的1个采样点,Y3为蕴藻浜的1个采样点.采样前用拟采水样刷洗容器,每个采样点设3个平行现场混合.采集到的水样置于棕色采样瓶中带回实验室,经快速定性滤纸过滤去除大颗粒的泥沙,并通过GF/F膜(47 mm,1.20µm,Whatman)采集悬浮物.之后,在7 d内完成对样品的分析.过滤采集到的悬浮物样品经恒温恒湿后称重,置于4◦C冰箱保存,待检测.

1.2 样品的预处理及LC-MS-MS的测定

准确量取500 mL水样,用HCl调节pH值至中性,向样品中分别添加200µL13C6-n-NP和13C12-n-BPA内标后,再用30 mL二氯甲烷对水样进行两次萃取,每次震荡萃取30 min.静置分层后收集有机相,采用旋转蒸发仪将萃取液浓缩到1 mL左右,氮吹后用甲醇定容至200µL进样分析.将载有悬浮物样品的滤膜剪碎,同样加入内标,利用快速萃取仪(ASE-150, Dionex,USA)萃取样品.为了减小基质效应对待测物分析的影响,本研究优化了多种淋洗溶剂(甲醇、丙酮、二氯甲烷纯溶剂及混合溶液).结果表明,二氯甲烷能保证萃取浓缩过程中的回收率.各酚类环境激素的回收率为57.9%～113.7%,同时可见大量黄色杂质被淋洗下来.萃取液使用铜丝脱硫后同样旋蒸、氮吹进样.

图1 黄浦江及其河流交汇上的15个采样点Fig.1 15 sampling sites in the 3 rivers from Shanghai

使用G6460型液相色谱/串联质谱仪,配有色谱柱(AgilentEC-C18,3.0×100 mm,2.7µm)以及电喷雾离子源(electro spray ionization,ESI,美国Aglient公司)对4种目标物的浓度进行测定.通过负离子方式进行检测,离子喷射电压为-4500 V,干燥气温度为350◦C,干燥气流速为10 L/min.本研究通过改变流动相组成(甲醇-水和乙腈-水)、梯度洗脱程序和流速,以期达到最大灵敏度,同时使待测物与其在样品中的主要干扰物分离,达到减小基质效应的目的.结果表明:40%甲醇-60%水在10 min内变化为100%甲醇,再运行3 min,柱温箱保持35◦C,能保证较高的灵敏度.在定量分析的过程中,有很多的共流出峰.为了获得所需的循环时间,采用了动态多反应监测(dynamic multiple reaction monitoring,DMRM)的扫描方式,显著改善了复杂样品的负载循环时间,在保留恒定循环时间的同时增强了分析物的信噪比,达到了较低的检测限(0.4～4.0 ng/L),其质谱定量参数如表1所示,各酚类环境激素的总离子流如图2所示.

表1 NP,4-t-BP,4-t-OP和BPA的质谱定量参数Table 1 Ions and MS-MS parameters for NP,4-t-BP,4-t-OP and BPA quantitation

1.3 质量控制与质量保证

在实际样品分析过程中,每5个样品伴有一个过程空白,用于测定分析过程中的背景干扰.将3倍信噪比(signal/noise,S/N)作为最低检测限.在样品进样分析过程中,每5个样品添加一个质量控制(quality control,QC)标准,用于检测仪器的稳定性,校正保留时间,验证响应;每20个样品之间绘制一条已知浓度的定量标准曲线,用于外标法定量,R2≥0.99.

2种内标物在水和悬浮物中的回收率分别为67%±15%(13C6-n-NP),57%±6%(13C12-n-BPA)和82%±15%(13C6-n-NP),79%±15%(13C12-n-BPA).

图2 4种酚类环境激素标准物质的LC-MS-MS谱图Fig.2 LC-MS-MS chromatogram of reference standard for the 4 phenolic environmental hormones

2 结果与讨论

2.1 黄浦江流域酚类环境激素的含量

本研究对所采集的15份样品进行了液相质谱测定,得到的浓度分布结果如图3所示.可见,4种酚类环境激素在水体和悬浮物样品中均有检出,其中H2中的4-t-OP和H9中的NP浓度低于最低定量检测限.由图3可知,4种监测的酚类环境激素在水体和悬浮物中的质量浓度范围分别为47.25～356.43 ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分别为167.69 ng/L和20.81 mg/g.NP在水体和悬浮物中都占主要地位,其浓度在4种酚类环境激素总浓度中分别占75.7%(水体)和84.9%(悬浮物).与已知的中国其他典型城市的酚类环境激素含量对比发现:本研究结果与山东半岛海域污染水平(ND～300 ng/g)[8]相似,介于广州珠江等沿海地区(＞2000 ng/m)和京杭大运河的质量浓度水平(8.8～12.5 ng/g)[9]之间.与国外的研究结果相比,黄浦江水域水体中的酚类环境激素浓度要低于多数欧洲国家[10-12].这可能是由上海的地理位置、人类活动、经济发展状况等因素所决定的.

图3 水样及悬浮物样品中的酚类环境激素的分布特征Fig.3 Distribution patterns of the phenolic pollution congeners in the water samples and the suspended solids samples

2.2 黄浦江流域中主要的环境酚类激素及其来源

由于酚类环境激素在物理化学性质上存在一定差异,运用因子分析可以使分类更加清晰.本研究采用KMO和球形Bartlett对数据进行因子分析的适宜性检验,并利用因子分析进一步识别黄浦江水体中主要的酚类环境激素[13].

如表2所示,根据因子分析得出,主成分1对原始变量的解释贡献了总方差的51.23%,载荷值最高的指标分别为4-t-OP,NP和BPA,说明这3种酚类环境激素可以解释黄浦江流域水体中近50%的水体酚类环境激素含量及分布信息.4-t-OP,NP和BPA主要来源于壬基酚聚氧乙烯醚的降解以及化工塑料制品的合成过程.主成分2的贡献率是34.30%,其载荷值最高的是4-t-BP,其次是NP.4-t-BP主要是在生产阻燃剂和稳定剂时进入环境中的,其本身不存在于自然界中.以上因子分析的结论也正符合AP和BPA在工业中的使用量.4-t-BP作为工业原料的使用量明显少于壬基酚聚氧乙烯醚的使用量,而BPA的使用量与壬基酚聚氧乙烯醚相当.

表2 主成分负荷矩阵Table 2 Principal component loadings matrix

2.3 黄浦江流域酚类环境激素的分布情况及其特点

由图3可见,在黄浦江流域中,NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的质量浓度范围为47.25～356.43 ng/L,总体趋势是随着河流的流向浓度逐渐升高,但是各采样点之间的浓度有一定的起伏,整体的浓度水平随着上海人口密集度以及沿江工业化程度的增大而升高.由图3可以看出,除了H8采样点,H3～Y3采样点的浓度表现出了由郊区到市区逐渐增大的趋势,可以看作是围绕Y3,S5和H9采样点为中心的3个浓度高值区.由于苏州河污染程度普遍较高,S5采样点反映的应是苏州河高于其他河流的污染状况;Y3采样点分布在吴淞工业园区内,受工业影响较大;H9采样点是苏州河进入黄浦江的交汇点,大量的废水从外滩地区排放到黄浦江里[7].酚类污染物在黄浦江上游(H1和H2采样点)的浓度低并不完全是因为其地处受污染影响相对较小的农业区,较多的细小颗粒物的吸附、极丰富的悬浮生物产生的降解也对其低浓度起着重要作用[2].这种分布趋势一方面说明黄浦江流域与蕰藻浜交汇处是研究区域水体中酚类环境激素的重要物质来源,另一方面也与黄浦江和蕰藻浜地区特殊的水文条件和生态环境有关.

在本研究的15个水体采样点中,4-t-OP/NP的质量浓度比值在0.04～0.13之间,与海河[14]和珠江三角洲[15]的调查结果类似,说明黄浦江流域使用的烷基酚聚氧乙烯醚表面活性剂的主要成分也是壬基酚聚氧乙烯醚[16].

悬浮物中酚类环境激素的浓度总量为2.3～40 mg/g,平均浓度为20.81 mg/g,如图3虚线所示.整个研究区域内南北方向浓度较低且变化不大,东西方向的浓度差异比较明显.浓度最高的3个采样点为黄浦江上游的H3,H5和H6.这3个采样点的酚类环境激素的平均浓度为42.9 mg/g,其余采样点的浓度均低于20 mg/g.黄浦江流域及其交汇处的悬浮物酚类环境激素的浓度分布都与悬浮物的输运方向和粒度密切相关,并在一定程度上受沉积环境的影响.已有的研究表明,酚类有机污染物易吸附于细颗粒物质中,且悬浮物的输送基本往东北方向;下游方向随着悬浮物的沉降,细菌丰度迅速降低.此处微生物的活性要远远高于其他区域[17],母体化合物在较高的微生物活性下发生了转化的初级降解过程,因而造成了目标物的累积,使得在H5和H6采样点悬浮物的浓度都比较高.除此之外,由于流速和水体盐度的改变,大量的苏州河流域来沙在黄浦江交汇处(H9采样点)发生电化学絮凝并大量沉降,形成了最大的混浊带[18],导致悬浮物浓度明显降低.推测此处表层底泥中NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的浓度会呈现一定水平,这需要在以后的研究中做进一步论证.

2.4 黄浦江流域酚类环境激素的生态风险评估

为了评价酚类环境激素对上海黄浦江流域水生生物产生的潜在生态风险,利用危害商数(hazard quotient,HQ)的方法评价其初步的生态风险.根据选定的生态受体和引用的毒性数据,4种化合物的HQ计算公式如下:式中,Ce为环境中的NP,4-t-OP和BPA浓度(假设是暴露浓度),CP为NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的无效应浓度,其值分别为0.33,0.122[7],1.6[19]和1.0µg/L[20].黄浦江及其支流表层水中的酚类环境激素的HQ值如表3所示.结果表明,在黄浦江及其支流表层水体中,NP的HQ值除H1采样点(0.0854)外,其他采样点均在0.1～1.0范围内,说明此区域内的NP值得关注;此外,除4-t-OP在局部采样点值得关注外,其他各采样点的酚类环境激素的HQ值大多小于0.1,说明除NP外的酚类环境激素对黄浦江及其支流冬季水生生物的生态风险相对较低.

表3 黄浦江中NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的生态风险评价Table 3 HQ values of NP,4-t-OP 4-t-BP and BPA in water samples

由于NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA均为亲脂性化合物,根据水分配系数logKow可以推测其在生物体内会产生一定的生物累积.大量的实验室和野外研究也证实了这一点.根据已有文献报道的生物富集因子(bioconcerntration factors,BCF),发现淡水鱼类长期暴露在一定的质量浓度水平(平均为167 ng/L)下,通过藻的富集进入水生食物链并进一步生物放大,其每日摄入量I均能达到µg·L-1级(见表4),所以水生食物链导致的生物放大不容忽视.这样的生物富集对黄浦江的鱼类和水产品类养殖场的影响更大.黄浦江下游入海口虽然存在稀释作用,但酚类环境激素总量仍然大于20 ng/L,对长江口的水产品(小黄鱼、梅童鱼、刀鱼)影响也非常大.这些也是上海居民日常主要食用的水产品的重要组成.除了水生生物或其他水产品富集,其他食品组成如陆地生物和水果、蔬菜等通过水体或悬浮物富集的量有待进一步研究.

表4 淡水鱼对NP,4-t-OP,4-t-BP和BPA的富集因子Table 4 BCFs of some fi shes to NP,4-t-OP,4-t-BP and BPA

除了从这些静态的指标对酚类环境激素生态毒理风险进行评价,还可从总量上进行评价.黄浦江上游作为上海重要的水源地,直接进入自来水厂供水系统,西部市区用水大多数采用黄浦江水厂供水.直接饮用含有一定浓度酚类激素的水源同样会对周边居民产生较大影响.当长江口陈行水库、青草沙水库供水不足时,需要从太湖调水[25],水质更为恶劣.这些动态因素的改变,已成为影响黄浦江周边居民正常生活的潜在危害.

3 结束语

本研究区域内水体和悬浮物中酚类环境激素的质量浓度范围分别为47.25～356.43 ng/L和2.29～48.50 mg/g,平均值分别为167.69 ng/L和20.81 mg/g.经过因子分析和浓度分布分析,得出本研究区域内的酚类环境激素的污染状况及分布具有明显的区域特征,在工业发达及人口稠密地区呈现一定程度上的聚集性.经危害商数分析,其主成分1代表的主要目标物的危害商数均小于1.0,对水生生物的生态风险相对较低,但其可以通过在藻类等浮游生物中富集进入食物链造成生物放大,从而危害生态系统健康和平衡的潜在危害不容忽视.

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Distribution and ecological risk assessment of phenolic environmental hormones in Huangpu River basin

BAO Yang-yang,SUN Rui,XU Ben-tuo,XU Gang,WU Ming-hong
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Transformation and distribution characteristics of phenolic environmental hormones in 15 winter water and suspended solids samples from Huangpu River were studied. Pollution levels,spatial distributions of nonylphenol(NP),4-t-octylphenol(4-t-OP),4-tbutylphenol(4-t-BP)and bisphenol A(BPA)in water and suspended solids were analyzed by liquid chromatography-mass spectroscopy-mass spectroscopy(LC-MS-MS).The results showed that concentration of the above 4 phenolic environmental hormones in water and suspended solids were 167.69 ng/L with a range of 47.25～356.43 ng/L,and 20.81 mg/g with a range of 2.29～48.50 mg/g,respectively.The factor analysis showed that the principal pollutants were NP,4-t-OP and BPA,with a high concentration of 4-t-BP in some basins.Ecological risk assessment showed that hazard quotient were below 1 in the above 4 phenolic environmental hormones,and no ecological risk was found.Special attention should be paid to the potential hazard caused by algae accumulation.

phenolic environmental hormones;liquid chromatography-mass spectroscopymass spectroscopy(LC-MS-MS);factor analysis;ecological risk assessment

X 821

A

1007-2861(2015)04-0472-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2014.02.017

2014-04-13

国家自然科学基金资助项目(41430644,41173120,41273126,41473090);长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT13078)

吴明红(1968—),女,教授,博士生导师,博士,研究方向为环境中有机污染物的分析检测与降解等. E-mail:mhwu@sta ff.shu.edu.cn