珠江河水中N-亚硝胺生成潜能及其前体物来源解析

2021-05-20刘德财陈英杰曾鸿鹄陈文文侯英卓梁延鹏

环境科学研究 2021年5期

刘德财，陈英杰，曾鸿鹄*，陈文文，侯英卓，梁义，梁延鹏

1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林 541006

2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074

消毒是减少饮用水中病原体的关键过程，但消毒剂与水中无机物和有机物之间的反应可能会产生大量消毒副产物(DBPs)，诸如三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等含碳消毒副产物(C-DBPs)和卤乙酰胺(HAcAms)、N-亚硝胺(NAs)等含氮消毒副产物(N-DBPs)[1-3]. 由于NAs具有高毒性和强致癌性等特性，该类化合物已引起广泛关注[4-6]. 人类在日常生活中主要通过食物和饮用水摄入NAs[7-8]. 一般来说，水中常见的NAs主要有9种，分别为N-亚硝基二甲胺(NDMA)、N-亚硝基甲胺二乙胺(NMEA)、N-亚硝基二乙胺(NDEA)、N-亚硝基甲胺二丙胺(NDPA)、N-亚硝基吡咯烷(NPYR)、N-亚硝基吗啉(NMOR)、N-亚硝基哌啶(NPIP)、N-亚硝基二丁胺(NDBA)和N-亚硝基二苯胺(NDPhA)，其中NDMA和NDEA被国际癌症研究署(IARC)归类为2A类致癌物，而NMEA、NDBA、NDPA、NMOR、NPIP和NPYR则被归类为2B类致癌物[9].

近年来，自来水厂及管网、污水处理厂、地表水和游泳池等各类水体中均检出了NAs的存在[6,10-12]. NAs可由其前体物在氯胺或氯化消毒过程中生成，特别是当采用氯胺消毒时，NAs的含量会大量增加[13-14]. 因此，关于NAs生成潜能(NAs FP)的研究，引起广泛关注. 其中，董倩倩等[15]的研究发现，黄浦江中NDMA生成潜能(NDMA FP)会随着溶解有机质含量的增加而增加；尚晓玲等[16]发现污水厂二沉池出水中的NDMA浓度随着氯胺投加量的增加而增加. 已有研究[17-18]显示，中国自来水厂原水中的NDMA FP(157.4 ng/L)要高于美国爱荷华河河水中的NDMA FP(25.0 ng/L)，表明我国饮用水中存在更高含量的NAs前体物. 此外，由于水体中的NAs及其前体物可随水流迁移至饮用水源处，因此对我国水体中NAs FP进行研究，有助于从源头阻断该类化合物的产生.

目前，珠江干流河水中关于NAs前体物的研究尚较少. 鉴于此，该研究以西江、北江和东江等珠江干流河水为研究对象，对NAs的氯胺生成潜能进行研究，阐明NAs前体物的分布及其来源，以期为后期珠江河水中NAs及其前体物的治理与控制提供参考.

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

主要仪器：YSI-PRO 2030多参数水质分析仪(YSI，美国)；AQUATrace ASPE 799全自动固相萃取仪(岛津，日本)；N-EVAP-24氮吹浓缩仪(Agilent，美国)；7890B气相色谱-三重四极杆串联质谱联用仪(Agilent，美国)；DB-35MS毛细管色谱柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)和HP-5MS毛细管色谱柱(15 m×0.25 mm×0.25 μm)(Agilent，美国).

主要试剂：9种亚硝胺标准混合物(包括NDMA、NMEA、NDEA、NDPA、NPYR、NMOR、NPIP、NDBA和NDPhA，2 000 mg/L，溶剂为二氯甲烷)购自美国O2si公司；氘代NDMA-d6(1 000 mg/L，溶剂为二氯甲烷)和氘代NDPA-d14标准溶液(1 000 mg/L，溶剂为二氯甲烷)购自美国AccuStandard Inc. 公司；甲醇和二氯甲烷购自美国Merck公司，纯度均为色谱纯；椰壳活性炭SPE小柱(规格2 g/6 mL)购自上海安谱实验科技股份有限公司.

1.2 样品采集

2018年1月于西江(X1～X13)、北江(B1～B12)和东江(D1～D13)3条珠江干流共采集水样38个，采样点布设如图1所示. 现场监测pH、温度、电导率和ρ(DO)等基本水质参数. 降雨对目标物含量具有稀释作用，因此要保证采样前后一周内无降雨. 采用 1 L 棕色玻璃瓶收集样品，随后加入100 mg硫代硫酸钠和2 g碳酸氢钠. 所有样品在取样当天低温避光运回实验室，并在0～4 ℃的避光条件中储存.

图1 珠江干流采样点的布设

1.3 NAs FP

1.3.1NAs FP试验

试验中所用的玻璃器皿使用前用超纯水清洗，非容量型玻璃器皿经高温400 ℃灼烧4.5 h处理. 在连续搅拌条件下，将NaClO溶液(5%)缓慢加入到氯化铵溶液(Cl与N摩尔比为1∶1.2)中，制备摩尔浓度为20 mmol/L一氯胺(NH2Cl)溶液(1 400 mg/L，以Cl2计)[19-20]. 将制备的NH2Cl溶液在避光中陈化1 h，并在1 d内使用完毕[21]. 于900 mL样品中加入100 mL的NH2Cl溶液，共 1 000 mL水样(最终NH2Cl摩尔浓度为2 mmol/L)在20 ℃避光条件下进行氯胺化反应[22]. 待反应10 d后，添加过量的硫代硫酸钠(1 g/L)停止反应. 最后检测NAs含量，即为NAs FP.

1.3.2NAs分析

采用SPE-GC-MS/MS进行NAs检测分析. 简言之，先将SPE小柱分别用二氯甲烷(3 mL)、甲醇(6 mL)和超纯水(15 mL)进行活化. 在样品中加入25 ng NDMA-d6，并以20 mL/min的流速过柱. 待富集完成，用二氯甲烷(12 mL)洗脱目标物，并在超高纯度N2氮吹浓缩至500 μL. 在进行GC-MS/MS分析之前，加入25 ng内标物(NDPA-d14).

1.4 质量控制与质量保证

样品在上机分析前先用10 μg/L NAs混标进行仪器校正. 此外，试验中每10个样品分析一个平行样品和一个空白样品，用于重现性检测和交叉污染等不利条件的监控. 采用NDMA-d6计算回收率，该研究回收率范围为51%～70%，方法检出限(MDLs)范围为0.50～1.6 ng/L.

1.5 数据分析和处理

该研究使用Microsoft Excel 2019软件计算平均数和标准偏差，采用IBM SPSS 26软件进行相关性分析和主成分-多元线性回归分析(PCA-MLRA).

2 结果与讨论

2.1 氯胺化后NAs FP

NAs FP的含量及检出率如表1所示. 在珠江河水中，共检测到6种NAs FP，分别是NDMA FP、NMEA FP、NDEA FP、NPYR FP、NMOR FP和NDBA FP. 总的来说，NDMA FP、NPYR FP和NDEA FP含量相对较高，平均值分别为19.4、5.3和3.2 ng/L，检出率分别为100%、84%、90%；NMOR FP的含量最低，平均值为2.6 ng/L，检出率为53%. 这表明珠江干流河水中主要存在NDMA、NDEA和NPYR的前体物. 对于饮用水中NDMA的含量阈值，一些欧美国家已制定了相关标准，其中美国加利福尼亚州规定NDMA的含量不得超过10 ng/L，加拿大安大略省规定其阈值为9.0 ng/L，德国规定其阈值为10.0 ng/L[23-24]. 该研究中NDMA FP的平均含量已超过上述限值. WANG等[25]对中国56个饮用水厂进行调查，发现以珠江河水为水源的2座饮用水厂出水中的NDMA含量分别为13.1和40.7 ng/L. BEI等[26]对中国23个省(自治区、直辖市)的饮用水厂和自来水进行了研究，发现以珠江河水为水源的1座饮用水厂出水和自来水中NDMA的含量分别为38.3和98.5 ng/L. 该研究中的NDMA FP略低于上述结果. 以上结果表明与实验室内进行的NDMA FP结果相比，以珠江河水为水源的实际自来水中NDMA的含量相对较高，且波动范围较大. 因此，应对珠江干流河水的NDMA FP及其自来水中NDMA含量进行定期监测.

表2为不同国家各类水体中NDMA FP的含量. 该研究中，各个干流上游和中下游河水中NDMA FP含量差距较大，其中上游NDMA FP含量(平均值为11.5 ng/L)相对较低，这可能与上游工业发展较为落后有关. 而中下游流域工业活动活跃，导致NDMA FP含量(23.6 ng/L)与美国加利福尼亚州(23.7 ng/L)相当，但略低于松花江流域(24.5 ng/L)，且比日本东京河水(63.4 ng/L)和西班牙水厂原水(29.3 ng/L)分别低2.6倍和1.2倍. 总体来说，珠江中NDMA FP的含量相对较低，这可能与当地的水环境保护政策，以及珠江水系较大的年径流量所带来的稀释作用有关. 研究[17,20,38]表明，我国松花江流域、日本和西班牙等地区受到了严重的工业废水污染. 该结果也进一步证明工业废水排放是NDMA前体物的一个重要来源.

表1 6种NAs FP的平均值及检出率

表2 不同国家水样氯胺化NDMA FP的含量

NAs FP含量在空间上存在明显的差异性. 由图2可知，NDMA FP和NPYR FP的含量和检出率均较高，其空间分布趋势表现为北江>西江>东江，这可能与当地的工业发展存在空间差异相关. 北江主要流经佛山市、广州市和肇庆市，西江主要流经肇庆市、佛山市、江门市和中山市，而东江主要流经河源市和东莞市. 其中，佛山市的印染厂和电镀厂数量较多；广州市和中山市的主要工业类型为印染和制浆；肇庆市和江门市则为金属表面和印染；东莞市的主要工业类型为金属表面处理；而河源市工厂数量相对较少. 赵仑山等[39]对四会市和佛山市地表水和地下水中NAs的研究发现，两地NAs含量和检出率存在明显的差异，其中佛山存在流动性差的高铵地下水，这可能在一定程度上增加了NAs的含量. 已有研究[12]表明，印染废水和电镀废水中含有高含量的NAs，且在已处理后的废水中NDMA含量高达 4 000 ng/L. 这些工业废水的排放是北江NDMA FP和NPYR FP含量较高的原因之一.

注：北江和东江中未测出NMEA FP.

2.2 NAs FP空间分布

值得注意的是，经过氯胺消毒后，在东江D9采样点处NDBA FP的含量显著下降，从原水的 1 090.0 ng/L降至消毒处理后的19.9 ng/L. 可能原因是D9采样点受上游的造纸厂和印染厂等各类工业废水的排放影响，污染严重. 笔者推测，这些工厂所使用的剩余氧化剂随废水排放到河流中，与水体中存在的前体物发生反应生成NDBA，从而导致氯胺化时NDBA FP的含量大量减少. 由于上游河水的稀释作用对NAs前体物会产生影响，导致下游的D10和D11采样点(与D9采样点相距分别约为15和19 km)NDBA FP的含量明显下降，含量分别为6.3和1.1 ng/L. 该结果表明，在同一河流不同位置处NAs前体物含量存在显著差异. 此外，在D9采样点处还检测到高含量的NMOR FP(9.1 ng/L)，这可能与工业废水的排放有关. 在西江X13采样点处，NDMA FP和NMEA FP的含量分别高达90.4和33.3 ng/L. 造成此处NAs FP含量较高的原因可能是X13采样点位于西江入海处，周围存在较多养殖场，养殖废水和河水之间相互连通. 然而养殖过程中使用的饲料小鱼干、螃蟹和贝壳等含有大量的伯胺类前体物，以及养殖过程中还会投加植物饲料，植物饲料、水生动物可增加水中氮源和碳源的含量[40]. 该结果也表明，渔业活动会增加NAs前体物的含量. 表3对样品中NAs FP和NAs的含量进行了比对，结果表明，除NDBA FP外，其余4种NAs FP检出率和含量均存在显著增加趋势. 这与已有的研究结果相似，如WANG等[17]的研究表明，原水经氯胺化反应后NDMA FP和NDEA FP的含量会显著增加. 这进一步证明珠江河水中存在大量的NAs前体物. 但NDBA FP的检出率和含量均存在降低趋势，这可能与水体中NDBA前体物含量较少、其前体物与水中其他氧化剂已发生反应等有关.

2.3 N-亚硝胺前体物的来源

表3 西江、北江和东江NAs FP和NAs的浓度及检出率

2.3.1Spearman相关性分析

Spearman相关分析主要用于分析呈非正态分布的两个变量之间的相关性. 由于数据为非正态分布，因此对5种NAs FP与水温、pH和ORP等参数采用Spearman进行相关性分析，结果如表4所示. 由表4可见，NDMA FP、NMOR FP和NDBA FP三种化合物的含量与水温、ORP和pH均不显著相关. NDEA FP含量与水温、pH均呈显著正相关(P<0.05)，表明水温和pH对于NDEA FP存在一定的影响，这可能与适宜的温度和pH可促进特定的NAs化合物生成有关[33]. Cohen等[40]采用氯胺化对仲胺前体物进行研究，发现在中性(pH为7.0～9.0)条件下，NAs FP比酸性(pH为5.0～7.0)条件较高. 此外，NDMA FP、NDEA FP与NPYR FP以及NMOR FP与NDBA FP均呈显著相关. 这表明上述化合物在生成过程中，可能存在相似的前体物，并存在相互促进作用. 由于NDEA的致癌性要高于NDMA，因此该结果表明，当自来水水厂采用氯胺消毒时，对NAs的监管不能只是停留在NDMA上，还应对其他NAs化合物(如NPYR FP和NDEA FP等)进行密切监控.

表4 亚硝胺化合物与水质指标之间的相关性

2.3.2主成分-多元线性回归分析(PCA-MLRA)

对NAs和NAs FP通过KMO和Bartlett球体检验法进行因子分析检验. 由于KMO值为0.592，Bartlett球体的sig值为0.000，说明指标间具有相关性，适用于因子分析.

在西江-北江-东江流域共得到3个主成分，其中主成分1(PC1)方差贡献率为54%，主控因子为NDEA、NDBA、NPYR FP、NMOR FP和NDBA FP；主成分2(PC2)方差贡献率为27%，主控因子为NDMA FP和NDEA FP；主成分3(PC3)方差贡献率为14%，主控因子为NDMA(见表5). 由Spearman相关分析可知，NDEA FP与NPYR FP、NDBA FP均呈显著相关. 研究[41]表明，水中的二甲胺、二乙胺、吗啉和二正丁胺分别是氯胺消毒过程中相应NAs化合物的重要前体物，这些仲胺类化合物同时也是化学制药工业中主要使用的中间物质. 此外，养殖废水中也含有此类前体物. 由于珠江干流水系发达，内河网之间联系紧密，这些前体物可随着工业废水排放进入临近的河流中，成为NAs前体物的主要来源. 已有研究[12]表明，珠江干流的电镀、印染废水和养殖废水含有高浓度的NDMA、NDEA、NMOR、NPYR和NDBA. 因此，PC1主要代表工业废水和养殖废水来源. 珠江干流河水沿岸有很多工厂，一些工厂产生的废水未处理直接排进附近河流. 据报道，工业废水中的二甲胺和二乙胺含量分别高达100.0和30.0 μg/L，而脂肪族胺的二甲胺和二乙胺是化学制药工业的重要中间物质[42]. 因此，PC2主要反映工业废水来源. 通常认为NDMA的前体物均含有二甲胺基团，且在环境水体中主要包括染料、农药和药物个人护理产品. 珠江干流水系发达，农业在珠江-西江经济带发展中同样占有较大比重. 研究[43]表明，农业活动所使用的除草剂敌草隆可以与氧化剂反应生成高含量的NDMA. 此外，珠江干流中下游是人口和面积比较大的城市群，人类活动可造成河水含有NDMA前体物[44]. 因此，PC3主要代表农业活动和生活污水的排放.

表5 不同亚硝胺化合物的PCA值

选择3个主成分的因子得分和标准化浓度的NAs与NAs FP含量总和〔∑(NAs+NAs FP)〕分别为自变量和因变量，进行PCA-MLRA分析，得出每个主成分因子对每个样品中∑(NAs+NAs FP)的百分比贡献. 结果表明，PCA-MLRA与珠江干流河水中测得的∑(NAs+NAs FP)具有高度一致性(R2=0.90). PC1、PC2和PC3对∑(NAs+NAs FP)的平均贡献分别为83%、8%和9%(见图3). 总体来看，珠江干流河水中的NAs与前体物有91%来自工业废水和养殖废水，而平均只有9%来自农业活动和生活污水. NDMA FP是珠江河水中检测到的主要NAs，这与其他地区水体中检测的结果相一致，然而NAs前体物来源却存在差异. 已有研究[45]对NAs的前体物来源进行分析，其中长江三角洲河水中NAs前体物主要来源于工业废水和制药废水. 此外，工业废水、家庭废水及市政污水中均含有NDMA前体物[46-47]. 以上结果表明，不同类型的污废水排放会向纳污河道贡献不同含量的NAs前体物. 由于不同类型的废水中主控污染物不同，这也导致不同地区河水中NAs前体物的来源存在差异，总体来说，珠江三角洲地区工业、大量乡镇企业和养殖废水的排放是造成水环境复杂的可能原因.