人工甜味剂污染及其在环境中的行为

2016-04-05徐文冰干志伟

四川农业科技 2016年9期

关键词：安赛蜜糖精三氯

徐文冰，干志伟

(1.四川省阿坝州环境监测中心站，四川马尔康 624000；2.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065)

人工甜味剂污染及其在环境中的行为

徐文冰1，干志伟2*

(1.四川省阿坝州环境监测中心站，四川马尔康 624000；2.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610065)

由于人工甜味剂在环境中广泛存在，且三氯蔗糖和安赛蜜具有较强的持久性，故人工甜味剂污染已成为了当下的一个热点问题。本研究论述了人工甜味剂在污水处理厂、自来水厂、地表水、地下水、土壤、大气、大气干湿沉降物中的浓度及环境行为，并对今后的研究提出了一些建议。

人工甜味剂；地表水；地下水；大气；环境行为

1　引言

随着人类工业的发展，越来越多的新型有机污染物进入人们视线，人工甜味剂就是其中之一。人工甜味剂被广泛应用于食品、饮料、药物和个人护理品，它是一种人工合成或半合成的代替蔗糖的有机化合物，大部分人工甜味剂几乎不被人体转化，因此被人们称为无热量的糖。目前被使用的人工甜味剂有20多种，在环境中经常关注的甜味剂有5种，分别为糖精、甜蜜素、阿斯巴甜、安赛蜜和三氯蔗糖。我国是甜味剂消费大国，也是甜味剂生产大国，其中国家指定的甜味剂生产商就有5家，每年大概生产糖精20000t、甜蜜素50000t、阿斯巴甜2000t。

2　人工甜味剂在各环境介质中的污染情况和环境行为

由于人们对肥胖问题的担心，使得越来越多的食品、饮料改用人工甜味剂，其用量巨大，已经不可避免地进入环境中。

2.1人工甜味剂在污水处理厂、自来水厂中的浓度及环境行为

人工甜味剂进入环境科学家视线的时间较晚，2007年，瑞典科学家首次发现污水处理厂进出水中均含有人工甜味剂三氯蔗糖，其浓度为1.8～10.8ng/mL，而且在污泥中也发现了三氯蔗糖，浓度为<1～5 ng/L。真正引起人们关注的是三氯蔗糖在污水处理厂中几乎不降解，随着出水进入受纳水体，具有潜在的持久性。随后多个国家科研人员对人工甜味剂在污水处理厂中的浓度做了研究。研究发现人工甜味剂广泛存在于瑞士、美国、中国、加拿大、希腊、西班牙和德国污水处理厂的设施中。由于各国允许使用的人工甜味剂种类不同，检出种类不同，其中在德国某处污水处理厂进水中，甜蜜素浓度高达190ng/mL。

除了污水处理设施，饮用水处理厂也是人们关注的重点。在瑞士、美国、德国和中国饮用水处理设施中均检出不同种类的人工甜味剂，在饮用水中，安赛蜜和三氯蔗糖的检出频率最高，浓度高达2.6ng/mL，远高于其他传统污染物。

除了调查人工甜味剂在污水和自来水处理设施中的浓度外，许多研究关注了目标物在污水处理设施中的降解情况。其中，干志伟等研究了中国污水处理厂使用传统活性污泥法对人工甜味剂的去除效果。研究发现，在污水处理厂进水中检出了7种人工甜味剂，分别为安赛蜜、三氯蔗糖、糖精、甜蜜素、阿斯巴甜、纽甜和新陈皮苷二氢查尔酮(NHDC)，其浓度分别为12640、1247、9855、31671、45.0、17.2和6.4ng/L。沉淀作用对安赛蜜、三氯蔗糖、糖精、甜蜜素和NHDC几乎没有去除效果，这主要是由于人工甜味剂都具有较高的水溶性。但是他们发现阿斯巴甜和纽甜在初沉池中去除率达到85%和24%，他们认为，在污水厂水质偏碱性(pH=8.3)的条件下，这两种结构类似水溶性高的化合物发生了碱催化水解，而纽甜之所以降解率较低是因为它比阿斯巴甜多了一个支链，使其稳定性提升。在随后的曝气池中，他们发现随着水力停留时间的延长，各人工甜味剂的去除率发生变化。在最初2h内，三氯蔗糖几乎没有降解，而安赛蜜在4h内也几乎没有被降解；而糖精和甜蜜素可以发生快速生物降解，在1h内能被降解50%以上，且甜蜜素的降解速率大于糖精。总体来说，安赛蜜和三氯蔗糖在曝气池中的降解率低于20%，糖精和甜蜜素降解率超过95%，而阿斯巴甜、纽甜和NHDC几乎被完全降解，同样的结果在瑞士、德国和美国污水处理设施中被观测到。瑞典科研人员认为，三氯蔗糖的稳定性来源于氯原子的取代导致其分子结构比蔗糖更稳定，原来蔗糖分子上容易断裂的糖苷键由于氯原子的影响变得稳定。综上所述，由于现有污水处理技术对于三氯蔗糖、安赛蜜的去除效果较差，而对糖精和甜蜜素不能够完全去除，因此这些污染物会随着污水厂出水进入地表水环境，造成环境水体中人工甜味剂污染。

2.2人工甜味剂在地表水中的浓度及环境行为

人工甜味剂在地表水中的污染程度受到了人们的关注，因为安赛蜜和三氯蔗糖具有潜在的持久性，他们有可能在水环境中积累。欧洲对河流中三氯蔗糖的污染展开了大范围的调查，研究发现在欧洲23个国家120条河流中，三氯蔗糖的浓度高达1ng/mL。除了三氯蔗糖，安赛蜜、糖精和甜蜜素在德国和瑞士地表水中均被检出，浓度高达2ng/mL。

除了地表淡水外，少数研究针对海洋中甜味剂的污染进行了调查。研究发现，三氯蔗糖在美国佛罗里达海岸的浓度达到0.39ng/mL。在我国香港海岸水中，安赛蜜、糖精、甜蜜素和三氯蔗糖均被检出，平均浓度分别为0.34、0.25、0.23和0.2ng/mL，且安赛蜜和三氯蔗糖的浓度夏季略高，而糖精和甜蜜素冬季略高，研究人员认为当地季风导致的水体流动是造成这种季节变化的主要原因。Gan等对我国渤海天津沿岸甜味剂污染进行了调查，发现三氯蔗糖浓度与美国近海岸的浓度接近，比香港海域的浓度稍高。而且他们发现高浓度甜味剂的采样点均在河流入海口或市政污水排放口周围，说明人类活动对近海岸有较大影响。

2.3人工甜味剂在土壤和地下水中的浓度及环境行为

Gan等对天津市土壤中的人工甜味剂季节变化做了研究，发现NHDC、纽甜和阿斯巴甜在所有土壤样品中均未检出。在夏季，土壤糖精、甜蜜素、安赛蜜和三氯蔗糖的浓度分别达到5.72、0.36、0.17和0.27ng/mL，在冬季浓度分别达到13.8、7.65、1.06和3.11ng/mL。显然夏季土壤中人工甜味剂浓度低于冬季，可能是夏季高温使土壤中微生物对污染物的降解加速。随后他们对中国地区98份土壤样品中人工甜味剂的污染进行了调查，发现糖精、甜蜜素和安赛蜜在所有土壤样品中均被检出，浓度分别高达34.7、1280和569ng/g。三氯蔗糖、阿斯巴甜、纽甜和NHDC在土壤中均未检出。甜味剂浓度在中国南、北方的土壤样品中的浓度无显著差异，在城市和郊区间也无显著差异。

Buerge等研究发现，由于污灌和使用猪粪、污泥等肥料，人工甜味剂在表层土壤中存在。他们通过室内实验发现，甜蜜素、糖精、安赛蜜和三氯蔗糖在土壤中的半衰期分别为0.4～6d、3～12d、3～49d和8～124d。由于人工甜味剂的溶解度高，而且糖精、甜蜜素和安赛蜜都属于磺胺盐类人工甜味剂，他们在自然水体中通常以阴离子状态存在，土壤对其吸附能力差，因此其可以通过渗滤作用从表层土到达地下水。另外，磺酰脲类除草剂可以在土壤中转化为糖精，是土壤中糖精的潜在来源。该来源也可以通过渗滤作用到达地下水，成为地下水中人工甜味剂污染的重要来源。地下水作为重要的饮用水源而受到人们的重视，因此多个研究关注了地下水中人工甜味剂的污染情况。

2.4人工甜味剂在大气和大气干、湿沉降物中的浓度

根据人工甜味剂的蒸气压可以预测，三氯蔗糖、纽甜和阿斯巴甜将仅出现在大气的颗粒物态中，而糖精、甜蜜素和安赛蜜会出现在大气气态和颗粒物态中。他们可通过干、湿沉降从大气中去除。

Gan等通过大气大流量颗粒物采样器研究了天津地区人工甜味剂在大气气态和颗粒物态中人工甜味剂的浓度及季节变化。研究发现，在夏季三氯蔗糖仅在2个颗粒物态样品中检出，NHDC仅在1个颗粒物态样品中被检出，纽甜仅在1个气态样品中检出，而阿斯巴甜未检出。冬季这4种人工甜味剂在颗粒物态中的检出频率和浓度都比夏季高。糖精、甜蜜素和安赛蜜是气态和颗粒物中主要的甜味剂，并在冬夏两季采集的大气样品中都被检出。夏季目标物在气态中的浓度为0.16～378pg/m3，而冬季气态中目标物浓度比夏季低，为0.02～33.6pg/m3。反之，冬季颗粒物态中这3种目标物的浓度比夏季高，他们在冬季颗粒物态中的平均浓度分别为137、140和6.03pg/m3。颗粒物态浓度/气态浓度的值在冬季高于夏季，这可能是由于温度引起相间平衡变化的结果。另外，夏季颗粒物中目标物浓度比冬季低的原因也可能是在颗粒物表面发生了催化光解。通过后向轨迹分析和监测结果，他们认为人工甜味剂生产厂和污水处理厂都能成为其进入大气环境的污染源。

由于大气颗粒物态中发现高浓度的人工甜味剂，Gan等分析了中国98份室外灰尘样品中人工甜味剂的含量。研究发现，糖精、甜蜜素和安赛蜜在所有降尘样品中均被检出，其浓度在中国北方分别为2.89～1,860ng/g，在中国南方分别为1.03～338ng/g，降尘中甜味剂的浓度在中国南方和北方没有显著差异，且城市和郊区地区降尘中甜味剂的浓度也没有显著差异；而在配对土壤和降尘中人工甜味剂的浓度没有相关性。这可能是由于人工甜味剂在土壤中能被降解或者极易随水迁移到地下，导致他们之间的相关性较差。