人工甜味劑污染及其在環(huán)境中的行為

徐文冰，干志偉

(1.四川省阿壩州環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 馬爾康 624000；2.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

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人工甜味劑污染及其在環(huán)境中的行為

徐文冰1，干志偉2*

(1.四川省阿壩州環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 馬爾康 624000；2.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

由于人工甜味劑在環(huán)境中廣泛存在，且三氯蔗糖和安賽蜜具有較強的持久性，故人工甜味劑污染已成為了當下的一個熱點問題。本研究論述了人工甜味劑在污水處理廠、自來水廠、地表水、地下水、土壤、大氣、大氣干濕沉降物中的濃度及環(huán)境行為，并對今后的研究提出了一些建議。

人工甜味劑；地表水；地下水；大氣；環(huán)境行為

1　引言

隨著人類工業(yè)的發(fā)展，越來越多的新型有機污染物進入人們視線，人工甜味劑就是其中之一。人工甜味劑被廣泛應用于食品、飲料、藥物和個人護理品，它是一種人工合成或半合成的代替蔗糖的有機化合物，大部分人工甜味劑幾乎不被人體轉(zhuǎn)化，因此被人們稱為無熱量的糖。目前被使用的人工甜味劑有20多種，在環(huán)境中經(jīng)常關注的甜味劑有5種，分別為糖精、甜蜜素、阿斯巴甜、安賽蜜和三氯蔗糖。我國是甜味劑消費大國，也是甜味劑生產(chǎn)大國，其中國家指定的甜味劑生產(chǎn)商就有5家，每年大概生產(chǎn)糖精20000t、甜蜜素50000t、阿斯巴甜2000t。

2　人工甜味劑在各環(huán)境介質(zhì)中的污染情況和環(huán)境行為

由于人們對肥胖問題的擔心，使得越來越多的食品、飲料改用人工甜味劑，其用量巨大，已經(jīng)不可避免地進入環(huán)境中。

2.1人工甜味劑在污水處理廠、自來水廠中的濃度及環(huán)境行為

人工甜味劑進入環(huán)境科學家視線的時間較晚，2007年，瑞典科學家首次發(fā)現(xiàn)污水處理廠進出水中均含有人工甜味劑三氯蔗糖，其濃度為1.8～10.8ng/mL，而且在污泥中也發(fā)現(xiàn)了三氯蔗糖，濃度為<1～5 ng/L。真正引起人們關注的是三氯蔗糖在污水處理廠中幾乎不降解，隨著出水進入受納水體，具有潛在的持久性。隨后多個國家科研人員對人工甜味劑在污水處理廠中的濃度做了研究。研究發(fā)現(xiàn)人工甜味劑廣泛存在于瑞士、美國、中國、加拿大、希臘、西班牙和德國污水處理廠的設施中。由于各國允許使用的人工甜味劑種類不同，檢出種類不同，其中在德國某處污水處理廠進水中，甜蜜素濃度高達190ng/mL。

除了污水處理設施，飲用水處理廠也是人們關注的重點。在瑞士、美國、德國和中國飲用水處理設施中均檢出不同種類的人工甜味劑，在飲用水中，安賽蜜和三氯蔗糖的檢出頻率最高，濃度高達2.6ng/mL，遠高于其他傳統(tǒng)污染物。

除了調(diào)查人工甜味劑在污水和自來水處理設施中的濃度外，許多研究關注了目標物在污水處理設施中的降解情況。其中，干志偉等研究了中國污水處理廠使用傳統(tǒng)活性污泥法對人工甜味劑的去除效果。研究發(fā)現(xiàn)，在污水處理廠進水中檢出了7種人工甜味劑，分別為安賽蜜、三氯蔗糖、糖精、甜蜜素、阿斯巴甜、紐甜和新陳皮苷二氫查爾酮(NHDC)，其濃度分別為12640、1247、9855、31671、45.0、17.2和6.4ng/L。沉淀作用對安賽蜜、三氯蔗糖、糖精、甜蜜素和NHDC幾乎沒有去除效果，這主要是由于人工甜味劑都具有較高的水溶性。但是他們發(fā)現(xiàn)阿斯巴甜和紐甜在初沉池中去除率達到85%和24%，他們認為，在污水廠水質(zhì)偏堿性(pH=8.3)的條件下，這兩種結構類似水溶性高的化合物發(fā)生了堿催化水解，而紐甜之所以降解率較低是因為它比阿斯巴甜多了一個支鏈，使其穩(wěn)定性提升。在隨后的曝氣池中，他們發(fā)現(xiàn)隨著水力停留時間的延長，各人工甜味劑的去除率發(fā)生變化。在最初2h內(nèi)，三氯蔗糖幾乎沒有降解，而安賽蜜在4h內(nèi)也幾乎沒有被降解；而糖精和甜蜜素可以發(fā)生快速生物降解，在1h內(nèi)能被降解50%以上，且甜蜜素的降解速率大于糖精?？傮w來說，安賽蜜和三氯蔗糖在曝氣池中的降解率低于20%，糖精和甜蜜素降解率超過95%，而阿斯巴甜、紐甜和NHDC幾乎被完全降解，同樣的結果在瑞士、德國和美國污水處理設施中被觀測到。瑞典科研人員認為，三氯蔗糖的穩(wěn)定性來源于氯原子的取代導致其分子結構比蔗糖更穩(wěn)定，原來蔗糖分子上容易斷裂的糖苷鍵由于氯原子的影響變得穩(wěn)定。綜上所述，由于現(xiàn)有污水處理技術對于三氯蔗糖、安賽蜜的去除效果較差，而對糖精和甜蜜素不能夠完全去除，因此這些污染物會隨著污水廠出水進入地表水環(huán)境，造成環(huán)境水體中人工甜味劑污染。

2.2人工甜味劑在地表水中的濃度及環(huán)境行為

人工甜味劑在地表水中的污染程度受到了人們的關注，因為安賽蜜和三氯蔗糖具有潛在的持久性，他們有可能在水環(huán)境中積累。歐洲對河流中三氯蔗糖的污染展開了大范圍的調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)在歐洲23個國家120條河流中，三氯蔗糖的濃度高達1ng/mL。除了三氯蔗糖，安賽蜜、糖精和甜蜜素在德國和瑞士地表水中均被檢出，濃度高達2ng/mL。

除了地表淡水外，少數(shù)研究針對海洋中甜味劑的污染進行了調(diào)查。研究發(fā)現(xiàn)，三氯蔗糖在美國佛羅里達海岸的濃度達到0.39ng/mL。在我國香港海岸水中，安賽蜜、糖精、甜蜜素和三氯蔗糖均被檢出，平均濃度分別為0.34、0.25、0.23和0.2ng/mL，且安賽蜜和三氯蔗糖的濃度夏季略高，而糖精和甜蜜素冬季略高，研究人員認為當?shù)丶撅L導致的水體流動是造成這種季節(jié)變化的主要原因。Gan等對我國渤海天津沿岸甜味劑污染進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)三氯蔗糖濃度與美國近海岸的濃度接近，比香港海域的濃度稍高。而且他們發(fā)現(xiàn)高濃度甜味劑的采樣點均在河流入?？诨蚴姓鬯欧趴谥車?，說明人類活動對近海岸有較大影響。

2.3人工甜味劑在土壤和地下水中的濃度及環(huán)境行為

Gan等對天津市土壤中的人工甜味劑季節(jié)變化做了研究，發(fā)現(xiàn)NHDC、紐甜和阿斯巴甜在所有土壤樣品中均未檢出。在夏季，土壤糖精、甜蜜素、安賽蜜和三氯蔗糖的濃度分別達到5.72、0.36、0.17和0.27ng/mL，在冬季濃度分別達到13.8、7.65、1.06和3.11ng/mL。顯然夏季土壤中人工甜味劑濃度低于冬季，可能是夏季高溫使土壤中微生物對污染物的降解加速。隨后他們對中國地區(qū)98份土壤樣品中人工甜味劑的污染進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)糖精、甜蜜素和安賽蜜在所有土壤樣品中均被檢出，濃度分別高達34.7、1280和569ng/g。三氯蔗糖、阿斯巴甜、紐甜和NHDC在土壤中均未檢出。甜味劑濃度在中國南、北方的土壤樣品中的濃度無顯著差異，在城市和郊區(qū)間也無顯著差異。

Buerge等研究發(fā)現(xiàn)，由于污灌和使用豬糞、污泥等肥料，人工甜味劑在表層土壤中存在。他們通過室內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)，甜蜜素、糖精、安賽蜜和三氯蔗糖在土壤中的半衰期分別為0.4～6d、3～12d、3～49d和8～124d。由于人工甜味劑的溶解度高，而且糖精、甜蜜素和安賽蜜都屬于磺胺鹽類人工甜味劑，他們在自然水體中通常以陰離子狀態(tài)存在，土壤對其吸附能力差，因此其可以通過滲濾作用從表層土到達地下水。另外，磺酰脲類除草劑可以在土壤中轉(zhuǎn)化為糖精，是土壤中糖精的潛在來源。該來源也可以通過滲濾作用到達地下水，成為地下水中人工甜味劑污染的重要來源。地下水作為重要的飲用水源而受到人們的重視，因此多個研究關注了地下水中人工甜味劑的污染情況。

2.4人工甜味劑在大氣和大氣干、濕沉降物中的濃度

根據(jù)人工甜味劑的蒸氣壓可以預測，三氯蔗糖、紐甜和阿斯巴甜將僅出現(xiàn)在大氣的顆粒物態(tài)中，而糖精、甜蜜素和安賽蜜會出現(xiàn)在大氣氣態(tài)和顆粒物態(tài)中。他們可通過干、濕沉降從大氣中去除。

Gan等通過大氣大流量顆粒物采樣器研究了天津地區(qū)人工甜味劑在大氣氣態(tài)和顆粒物態(tài)中人工甜味劑的濃度及季節(jié)變化。研究發(fā)現(xiàn)，在夏季三氯蔗糖僅在2個顆粒物態(tài)樣品中檢出，NHDC僅在1個顆粒物態(tài)樣品中被檢出，紐甜僅在1個氣態(tài)樣品中檢出，而阿斯巴甜未檢出。冬季這4種人工甜味劑在顆粒物態(tài)中的檢出頻率和濃度都比夏季高。糖精、甜蜜素和安賽蜜是氣態(tài)和顆粒物中主要的甜味劑，并在冬夏兩季采集的大氣樣品中都被檢出。夏季目標物在氣態(tài)中的濃度為0.16～378pg/m3，而冬季氣態(tài)中目標物濃度比夏季低，為0.02～33.6pg/m3。反之，冬季顆粒物態(tài)中這3種目標物的濃度比夏季高，他們在冬季顆粒物態(tài)中的平均濃度分別為137、140和6.03pg/m3。顆粒物態(tài)濃度/氣態(tài)濃度的值在冬季高于夏季，這可能是由于溫度引起相間平衡變化的結果。另外，夏季顆粒物中目標物濃度比冬季低的原因也可能是在顆粒物表面發(fā)生了催化光解。通過后向軌跡分析和監(jiān)測結果，他們認為人工甜味劑生產(chǎn)廠和污水處理廠都能成為其進入大氣環(huán)境的污染源。

由于大氣顆粒物態(tài)中發(fā)現(xiàn)高濃度的人工甜味劑，Gan等分析了中國98份室外灰塵樣品中人工甜味劑的含量。研究發(fā)現(xiàn)，糖精、甜蜜素和安賽蜜在所有降塵樣品中均被檢出，其濃度在中國北方分別為2.89～1,860ng/g，在中國南方分別為1.03～338ng/g，降塵中甜味劑的濃度在中國南方和北方?jīng)]有顯著差異，且城市和郊區(qū)地區(qū)降塵中甜味劑的濃度也沒有顯著差異；而在配對土壤和降塵中人工甜味劑的濃度沒有相關性。這可能是由于人工甜味劑在土壤中能被降解或者極易隨水遷移到地下，導致他們之間的相關性較差。

3　研究展望

人工甜味劑進入環(huán)境科學家的視線較晚，存在許多未解決科學問題，在今后的研究中，應該注重以下方面的探索：

(1)就我國水環(huán)境中人工甜味劑污染而言，目前研究結果太少，還需要更大范圍的調(diào)查，以了解目標物在大尺度范圍內(nèi)的分布和遷移情況。另外，人工甜味劑及用作示蹤劑目前只能定性分析水體是否受到除污水廠以外的污染，今后的研究應該向定量方面發(fā)展。

(2)目前確認了人工甜味劑在大氣環(huán)境中存在，今后研究的重點是確定甜味劑進入大氣環(huán)境的途徑和機制，以及其是否在大氣中存在前體物或是否會在大氣中發(fā)生光降解及其光降解產(chǎn)物的確定。

(3)目前確認土壤中有糖精的前體物質(zhì)，需要進一步研究其他人工甜味劑是否存在前體物。人工甜味劑在土壤中可以被微生物降解，應該分離出能降解安賽蜜和三氯蔗糖的微生物，在污水處理中加以應用。另外，目前只知道人工甜味劑在土壤中會降解，但不知道其降解產(chǎn)物及其毒性，還有待進一步研究。

(4)目前水環(huán)境中人工甜味劑的降解途徑大多針對安賽蜜，但降解產(chǎn)物有分歧，還有待進一步確定，并確定其生態(tài)毒性。另外在今后的研究中，應該更多地關注其他甜味劑在環(huán)境相關條件下的降解，關注甜味劑降解產(chǎn)物的生態(tài)毒性，并研究環(huán)境中甜味劑降解產(chǎn)物的濃度和歸趨。

(5)人工甜味劑的生態(tài)毒理研究稀少，今后有待進一步加強。