酞酸酯對土壤污染及其生態(tài)毒理效應(yīng)研究進(jìn)展

高 軍，于小彬，張 裕，宗春琴，周夏曦

(淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，江蘇淮安223003)

0 引言

酞酸酯(Phthalic acid esters，PAEs)，又稱鄰苯二甲酸酯，是鄰苯二甲酸類重要的衍生物，是目前世界上生產(chǎn)量大、應(yīng)用面廣的人工合成有機(jī)化合物之一，廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)，是塑料、農(nóng)藥、驅(qū)蟲劑、化妝品、香味品、潤滑劑等產(chǎn)品的生產(chǎn)原料，其中用量最大的是作為PVC塑料的增塑劑，可占PVC總量的67%。僅2004年全球PAE年產(chǎn)量就達(dá)到600萬噸，我國僅2006年與2007年P(guān)AEs增塑劑產(chǎn)量就分別達(dá)到125萬噸和145萬噸［1］。由于PAEs與塑料基質(zhì)之間沒有形成化學(xué)鍵，而是以氫鍵與范德華力聯(lián)結(jié)，彼此保留各自相對獨(dú)立化學(xué)性質(zhì)，隨著時間的推移，會向周圍空氣環(huán)境中釋放與轉(zhuǎn)移，或者接觸到合適的有機(jī)溶劑也會溶解出來，進(jìn)入各類環(huán)境介質(zhì)。由于酞酸酯在環(huán)境中普遍存在，且具有高親脂性、抗生物降解性及內(nèi)分泌干擾性等特點(diǎn)，易于在人體內(nèi)蓄積［2］，給人體健康造成潛在的健康風(fēng)險，因此被稱為“第二個全球性PCB污染物”。美國 EPA將其中鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)以及鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、鄰苯二甲酸二正辛酯(DOP)等六種酞酸酯列入優(yōu)控污染物黑名單，我國也將DEP、DOP、DMP三種酞酸酯列入優(yōu)控有毒有機(jī)污染物黑名單。

1 土壤中的酞酸酯污染現(xiàn)狀

隨著工業(yè)化、城市化、農(nóng)業(yè)高度集約化進(jìn)程的加快，越來越多的酞酸酯類化合物進(jìn)入農(nóng)田土壤，易與土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合，是土壤中普遍存在的內(nèi)分沁干擾素類優(yōu)控有機(jī)污染物。Zeng等［3］對廣州近郊農(nóng)田土壤的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在40個土樣中發(fā)現(xiàn)了酞酸酯的存在，16種酞酸酯最高含量達(dá)到33．6 mg kg-1(dw);蔡全英等［4］研究表明，廣州、深圳地區(qū)蔬菜基地表層土壤的27個檢測樣品中幾乎都檢測出DEHP與DBP，兩者占PAEs總量的90%以上，其中DEHP最高達(dá)到25．11 mg kg-1(dw)。在哈爾濱、邯鄲以及江漢平原等農(nóng)田土壤調(diào)查中均發(fā)現(xiàn)含量不等的酞酸酯存在，其中尤以DBP與DEHP較為常見，同時也是含量相對較高的酞酸酯，其中在江漢平原的表層土壤中∑16PAE平均值為926．8 ng g-1，最高值達(dá)到 2515．7 ng g-1［1，5］。而在洪澤湖周邊農(nóng)田土壤中也發(fā)現(xiàn)了含量不等的酞酸酯污染，且土壤污染程度與土地利用方式密切相關(guān)［6］。

根據(jù)Cai等［7］研究，被美國環(huán)保署列為優(yōu)控污染物的6種酞酸酯在我國不同區(qū)域的土壤中多能檢測到，6種酞酸酯的總濃度值為0．89～46 mg kg-1，大部分高于丹麥、荷蘭等地的土壤含量，說明我國土壤已經(jīng)受到酞酸酯污染。我國至今還沒有酞酸酯污染土壤的評價標(biāo)準(zhǔn)，但將現(xiàn)有的污染數(shù)據(jù)與美國EPA標(biāo)準(zhǔn)相比，我國大部分土壤的污染處在相對較低水平，但也出現(xiàn)個別地方污染較為嚴(yán)重的現(xiàn)象。［4］

2 土壤中酞酸酯的主要來源

2．1 大氣沉降

大氣中的酞酸酯可以附著于大氣顆粒物通過大氣沉降進(jìn)入土壤［1］，有研究表明，在廣州∑16PAEs的沉積通量在 3．41-190 μg m-2day-1，且與顆粒物沉積通量之間顯著相關(guān)。同樣在南京、天津等地均發(fā)現(xiàn)大氣中酞酸酯的存在，其濃度與人類活動密切相關(guān)，大氣中酞酸酯的含量往往還受到季節(jié)變化以及地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)方式的影響，且DBP與DEHP是含量最大的兩種同系物［8-10］。朱媛媛等［9］對東北某鋼鐵廠及其周邊區(qū)域的大氣與土壤中酞酸酯兩相遷移情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大氣與土壤中酞酸酯含量組成兩者變化趨勢相同，說明兩者相互影響。

2．2 污水灌溉

應(yīng)用含有酞酸酯的工業(yè)污水、生活污水以及醫(yī)療過程中產(chǎn)生的各種污水對農(nóng)田土壤進(jìn)行灌溉，直接將酞酸酯帶入土壤，并與土壤有機(jī)質(zhì)等結(jié)合滯留于土壤中。對現(xiàn)階段我國長江、黃河以及其他河流的水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，酞酸酯已經(jīng)成為水體中常見的有機(jī)污染物之一，其中在黃河小浪底至東明橋段，5種酞酸酯在水相中的濃度測定值在3．99 × 10-3～ 45．45 × 10-3mg L-1［11］，而李維美等［12］對長江下游南京段采樣測定發(fā)現(xiàn)，6種酞酸酯總濃度在 1．34 ～ 2．81 μgL-1，一些行業(yè)廢水中酞酸酯化合物的含量在幾個μg L-1到幾百個μg L-1，有的甚至高達(dá)50 mg L-1以上。廣州聯(lián)興某蔬菜生產(chǎn)基地采樣含有酞酸酯的污水灌溉，導(dǎo)致土壤中酞酸酯含量遠(yuǎn)高于附近其他蔬菜生產(chǎn)基地土壤含量［4］。

2．3 垃圾析出

電子垃圾的隨意堆放常成為土壤酞酸酯污染源，張中華等［3］對浙江臺州某電子廢物拆解場所附近土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在拆解點(diǎn)附近100 m內(nèi)，對美國環(huán)保局優(yōu)控的6種酞酸酯農(nóng)田表層土壤總含量∑6PAEs在9．11 ～50．58 mg kg-1，離拆解點(diǎn) 1000 m 處，其含量在 2．63 ～17．55 mg kg-1，而對照點(diǎn)則低于檢測限(nd)-7．15 mg kg-1。此外，居民生活廢棄物中也存在含量不等的酞酸酯，特別是家庭生活中廣泛使用的塑料垃圾袋等塑料制品廢棄物，這些廢棄物中的酞酸酯大部分逐步進(jìn)入土壤等環(huán)境介質(zhì)中［14］。

2．4 農(nóng)用化學(xué)品與污泥使用

隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的不斷提高，農(nóng)用化學(xué)品大量投入也是造成土壤酞酸酯污染的又一因素。Mo等［15］對22種廣泛使用的農(nóng)用肥料進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，DBP與DEHP在多數(shù)樣品中均被檢出，6種酞酸酯的總量在 1．17 ～2795 μg kg-1，平均含量在252 μgkg-1，其中 DBP與DEHP平均值分別為161μg kg-1和 74．2 μg kg-1，是其他酞酸酯含量的5倍之多。其次農(nóng)用污泥中往往含有較高濃度的酞酸酯，在我國歷來有將污泥作為肥料施用于農(nóng)田土壤的傳統(tǒng)。研究表明［16］，污泥的大量施用加劇酞酸酯在農(nóng)田土壤中的污染水平。此外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中塑料農(nóng)膜的使用與農(nóng)田土壤中酞酸酯含量有較強(qiáng)的相關(guān)性。大約87%的酞酸酯作為塑料增塑劑廣泛存在于農(nóng)膜中，其中DEHP大約占酞酸酯產(chǎn)量的1/4［14］，而我國目前塑料農(nóng)膜的使用量年均已達(dá)到 220 萬噸［17］。龐金梅等［18］對北京西郊農(nóng)田土壤的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤中DEHP含量高出土壤背景值80余倍，PVC塑料薄膜覆蓋60天后，表層土壤中DEHP含量可達(dá)1．34 mg kg-1。陳永山等［19］研究認(rèn)為，農(nóng)膜的使用與殘破農(nóng)膜在土壤中的殘留是引起農(nóng)田土壤污染的主要原因，且土壤中酞酸酯濃度與其受暴露的農(nóng)膜的酞酸酯含量有一定的相關(guān)性。Kong等［20］對天津近郊農(nóng)田土壤6種酞酸酯含量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，∑6PAEs在四種土壤中的含量順序為:菜園土壤＞荒地土壤＞大田土壤＞果園土壤。Gao和Zhou對洪澤湖周邊土壤調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，長期塑料大棚覆蓋的土壤中酞酸酯含量明顯高于酞酸酯在其他幾種類型的土壤含量［6］。

3 酞酸酯污染土壤的生態(tài)效應(yīng)

土壤具有獨(dú)特的生態(tài)結(jié)構(gòu)體系，是構(gòu)成農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)最復(fù)雜、最重要的組分，同時也是包含酞酸酯在內(nèi)的大多污染物，尤其是一些有毒的、持久性的化學(xué)污染物在陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的庫之一。對土壤環(huán)境污染生態(tài)毒理研究，可以對含量少、污染面廣、毒性大且隱蔽性強(qiáng)的類似酞酸酯類的污染物生態(tài)毒性進(jìn)行科學(xué)評判，對污染物的代謝毒性進(jìn)行有效追蹤?？v觀以往對酞酸酯污染土壤生態(tài)毒理方面的研究，大多集中在以下三個方面。

3．1以受試植物或動物作為研究對象

選擇生長于污染土壤環(huán)境中某一類植物或動物作為受試生物進(jìn)行一系列試驗，從單一的受試對象對酞酸酯污染毒理進(jìn)行評價。Cai等［21］發(fā)現(xiàn)生長在PAEs污染土壤中的蘿卜體內(nèi)檢測到PAEs存在。在以菜心(Brassica parachinensis)為供試植物，以DEP、DBP、DEHP為目標(biāo)污染物研究土壤污染對植物吸收的影響時發(fā)現(xiàn)，菜心體內(nèi)累積PAEs與土壤污染程度成正比，且根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)是菜葉中PAEs的主要來源［22］。同樣以DBP與DEHP人工污染土壤進(jìn)行試驗發(fā)現(xiàn)，DBP更易于進(jìn)入辣椒內(nèi)，且無論根、葉、果實(shí)中，DBP含量也與土壤污染程度成正相關(guān)，同時隨土壤污染程度增加，辣椒產(chǎn)量雖然沒有明顯的變化，但辣椒果實(shí)內(nèi)Vc以及辣椒素含量相應(yīng)下降，當(dāng)土壤PAEs濃度40 mg kg-1時，辣椒果實(shí)中Vc與辣椒素含量分別下降20%左右［23］。土壤中酞酸酯的存在不僅影響植物品質(zhì)，也會對植物種子萌發(fā)以及幼苗的生長產(chǎn)生影響［24］。目前有關(guān)酞酸酯在植物-土壤系統(tǒng)中的分配與累積以及對植物的影響方面的研究尚處于起步階段，但從現(xiàn)有的研究可以看出土壤中的酞酸酯可以通過植物根系的吸收(吸附)進(jìn)入食物鏈，從而影響農(nóng)產(chǎn)品安全，威脅人體健康。

此外，蚯蚓是土壤污染物生態(tài)毒理研究常用的材料之一。有研究發(fā)現(xiàn)生長在DEHP污染土壤中的蚯蚓，其體重較對照組均有不同程度的下降，且下降程度與土壤中DEHP濃度呈現(xiàn)線性相關(guān)［25］。

3．2 以土壤酶活性變化表征土壤污染水平

土壤酶也是土壤生物學(xué)特性的重要組分，而且與土壤中植物根系以及土壤微生物關(guān)系密切，因此土壤酶活性的變化能較敏感地反映土壤環(huán)境的變化，在污染土壤的研究中一直受到關(guān)注，在PAEs污染土壤的研究中也不例外。秦華等［26］研究了DEHP污染土壤對土壤脫氫酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤中DEHP含量為100 mg kg-1時，顯著抑制土壤脫氫酶活性，在培養(yǎng)30天時抑制率達(dá)到30%以上。Wang等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，DEHP對土壤過氧化氫酶有激活作用，磷酸酶在500和1000mg kg-1土壤污染水平下培養(yǎng)20天后，其活性顯著高于低污染水平的土壤，而脲酶受到明顯的抑制作用，轉(zhuǎn)化酶在培養(yǎng)后期活性與DEHP土壤濃度之間呈現(xiàn)出明顯的劑-效關(guān)系。但也有研究發(fā)現(xiàn)，磷酸酶受到DEHP的抑制，可能是由于供試土壤差異或者培養(yǎng)時間不一致所致［28］。Zhou等［29］利用人工濕地對DBP污染與酶活性變化關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)脫氫酶、過氧化氫酶、磷酸酶、蛋白酶等活性在供試條件下受到激活，而脲酶、纖維素酶與β-葡萄糖苷酶活性受到DBP抑制。這些研究從一個側(cè)面反映了酞酸酯污染土壤的生態(tài)毒理效應(yīng)。但土壤酶尤其是胞內(nèi)酶往往受到土壤微生物數(shù)量與種群類別等因素的影響，研究結(jié)果互有差異，同時土壤類型與使用管理方式也會影響土壤酶對污染物的響應(yīng)。

3．3 土壤微生物生理生態(tài)水平的響應(yīng)特征

土壤微生物對生境的污染脅迫要比在同一土壤環(huán)境中的動物和植物敏感得多，認(rèn)為是最具潛力的評價土壤環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)毒理的生物學(xué)指標(biāo)。陳強(qiáng)等［25］研究發(fā)現(xiàn)，土壤中細(xì)菌、放線菌和霉菌對DEHP污染土壤的響應(yīng)存在較大差異，其中細(xì)菌在DEHP低濃度污染的土壤中數(shù)量呈現(xiàn)增加趨勢，而在高濃度土壤中則有被抑制趨勢。在土壤濃度50～1000 mg kg-1污染水平下，DEHP加入土壤后培養(yǎng)第三天，微生物生物量碳較對照有顯著下降，而在10 mg kg-1污染水平下顯著高于對照［27］。但在DBP/DEHP模擬污染土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量碳以及基礎(chǔ)呼吸在10 mg kg-1污染水平下較對照無明顯差異，但在較高污染水平下兩者均與DEHP土壤濃度呈現(xiàn)較好的相關(guān)關(guān)系［30］，說明利用土壤微生物數(shù)量組成(細(xì)菌、放線菌、真菌)以及生物量、基礎(chǔ)呼吸等基本生理指標(biāo)可以用來表征酞酸酯土壤污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。但土壤微生物本身不是孤立組分，在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中受到生長的植物種類、土壤性質(zhì)以及土地利用方式等因素的影響，因此要從土壤微生物角度來全面科學(xué)評價酞酸酯的生態(tài)毒理效應(yīng)，需要從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的整體角度綜合衡量。

在污染土壤微生物生態(tài)多樣性研究方面，近年來發(fā)展起來的利用BIOLOG法研究微生物功能多樣性，利用PLFA技術(shù)研究土壤微生物群落組成多樣性以及利用PCR-DGGE方法分析土壤微生物遺傳多樣性等用以分析土壤微生物多態(tài)性的技術(shù)方法已被廣泛應(yīng)用于諸如PAHs、PCBs等污染土壤的微生物生態(tài)研究中［31，32］。

有研究表明在不同酞酸酯污染水平下，土壤平均顏色變化率(AWCD)隨時間增加的幅度不同，PAEs土壤濃度越高，AWCD值增幅越小，說明土壤微生物代謝活性受到PAEs的抑制作用越強(qiáng)。應(yīng)用BIOLOG方法，能較好地區(qū)分不同酞酸酯污染程度下，土壤中微生物代謝活性與代謝類型［33］。但在利用PCR-DGGE對酞酸酯土壤微生物群落組成的研究方面鮮有報道，但能夠利用該方法有效地篩選出具有酞酸酯降解能力的菌株，Yuan等［34］對沉積物中酞酸酯研究發(fā)現(xiàn)，利用PCR-DGGE方法能較好地區(qū)分降解能力不同的菌株。Liao等［35］也利用該方法分離到兩株對DBP有降解能力的菌株 Deinococcus radiodurans和 Pseudomonas stutzeri。但PLFA分析方法在酞酸酯污染土壤的微生物群落多樣性研究方面至今未發(fā)現(xiàn)有相關(guān)研究報道。

4 趨勢

縱觀以往的研究，目前的研究主要體現(xiàn)在三個方面:(1)在以動植物為測試生物時，現(xiàn)多是通過檢測形態(tài)、生理指標(biāo)來開展的，這些方法雖然在一定程度上能對污染物的生態(tài)毒理效應(yīng)進(jìn)行表征，但越來越多的研究認(rèn)為污染物對生物的影響往往率先從分子遺傳水平得到響應(yīng)［36，37］。目前cDNA宏陣列(cDNA macroarray)技術(shù)及報告基因(Reporter-gene)技術(shù)已經(jīng)在環(huán)境脅迫效應(yīng)研究方面得到應(yīng)用［38，39］，但迄今為止還沒有發(fā)現(xiàn)將其應(yīng)用于酞酸酯土壤污染的研究中。土壤動物中的蚯蚓歷來是研究污染物生態(tài)毒理較為理想的靶生物，蚯蚓體內(nèi)乙酰膽堿酯酶(Acetylcholinesterase，Ache)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物毒性監(jiān)測中，其酶活性與污染程度之間有較好的劑量—效應(yīng)關(guān)系［40］。目前作為分子生物標(biāo)志物的細(xì)胞色素P450(CYP450)是一類亞鐵血紅素-硫醇鹽蛋白的超家族，廣泛分布于動物、植物和微生物體內(nèi)，參與內(nèi)源性物質(zhì)和外源性物質(zhì)包括藥物和環(huán)境化合物在內(nèi)的代謝。CYP450作為分子生物標(biāo)志物可以靈敏地檢測到環(huán)境中低劑量的潛在污染物，被廣泛應(yīng)用于毒理學(xué)研究中，其與外源污染物毒性之間存在明確的量—效關(guān)系［41］，因此生物機(jī)體內(nèi)CYP450的含量或活性被用于環(huán)境污染的早期診斷，進(jìn)而闡明污染物的作用機(jī)制。但這些方法在酞酸酯污染土壤的生態(tài)毒理效應(yīng)研究中依然是空白。(2)在酞酸酯污染土壤酶活性研究方面，大多是集中在酶活性的末端含量指標(biāo)表征上，為數(shù)不多的研究是從多種酶活性動力學(xué)變化特征與機(jī)理角度進(jìn)行探討［30，42］，從酶活性動力學(xué)變化特征探討污染物對土壤生態(tài)效應(yīng)應(yīng)該成為酞酸酯污染土壤酶研究的發(fā)展方向。(3)在酞酸酯污染土壤微生物多態(tài)性研究技術(shù)方面，利用BIOLOG以及PCR-DGGE的等生理與遺傳方法探討酞酸酯污染土壤微生物種群結(jié)構(gòu)多樣性的研究仍處于起步階段，而利用PLFA技術(shù)研究土壤微生物群落組成多樣性至今尚未發(fā)現(xiàn)。

在研究層次方面，目前大多著眼于某一生物組分的一至數(shù)個生理指標(biāo)對酞酸酯污染的生物響應(yīng)，沒有從土壤生物環(huán)境整體角度進(jìn)行考量。越來越多的研究者認(rèn)識到［43，44］:在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)層面，對生態(tài)系統(tǒng)中不同生態(tài)位的多種生物對酞酸酯的生物響應(yīng)進(jìn)行整體比較與分析，對更為科學(xué)客觀探討土壤污染物的生態(tài)毒理效應(yīng)至關(guān)重要，因此從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)角度對酞酸酯污染土壤的生態(tài)毒性效應(yīng)作全面整體性綜合評價研究應(yīng)該引起我國土壤環(huán)境工作者的重視。

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