典型新興污染物在“源-河-庫”系統(tǒng)中的賦存特征及生態(tài)風(fēng)險
——以東江水源區(qū)為例(一)

何義亮，陳奕涵

(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

【項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)介紹】何義亮教授長期從事環(huán)境工程領(lǐng)域的教學(xué)、研究和工程實(shí)踐，在國內(nèi)外富有影響的學(xué)術(shù)刊物以及國際水質(zhì)協(xié)會年會等重要的國際會議上發(fā)表論文百余篇，編撰出版學(xué)術(shù)專著兩部。作為課題負(fù)責(zé)人，主持“十一五”、“十二五”國家科技重大專項(xiàng)《水污染控制與治理》研究課題兩項(xiàng)；作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，先后承擔(dān)五項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目；作為PI，參與新加坡政府CREATE重大國際合作項(xiàng)目E2S2，并負(fù)責(zé)環(huán)境新生污染物課題研究。團(tuán)隊(duì)研究方向主要包括水污染控制與水環(huán)境修復(fù)、新生污染物環(huán)境行為、膜功能開發(fā)與應(yīng)用。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和化學(xué)品使用的急劇增加，大量新興污染物與傳統(tǒng)污染物一起被排放進(jìn)入環(huán)境，近年來雖然傳統(tǒng)污染物無論在實(shí)際削減控制中，還是在科學(xué)研究中，均取得了一定程度的進(jìn)步，但是關(guān)于環(huán)境中新興污染物的研究尚在起步，很多問題亟待解決，尤其是與人類健康最為密切的水環(huán)境[1]。中國作為最大的發(fā)展中國家，也是世界上最大的農(nóng)藥和抗生素制造和使用國家，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和滯后的環(huán)境保護(hù)所涌現(xiàn)出的新興污染物問題更加嚴(yán)重，尤其是農(nóng)藥和抗生素的不合理使用問題極為突出，已經(jīng)給我們水環(huán)境的保護(hù)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。研究表明，我國農(nóng)藥年平均使用量在200萬t以上，而60%～70%田間使用的農(nóng)藥會通過農(nóng)業(yè)徑流釋放到水環(huán)境中[2]。同樣地，2013年我國約有16.2萬t抗生素被使用，其中46%的抗生素通過一系列環(huán)境行為排放到水環(huán)境[3]。盡管在自然水體中農(nóng)藥或者抗生素的含量并不高，但在水環(huán)境中持續(xù)性存在，依然會對水質(zhì)安全和水生生物的健康以及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來破壞，甚至?xí)ㄟ^飲用水和食物鏈影響人體健康[4-5]。

進(jìn)入現(xiàn)代社會以后，隨著人們改造自然的程度加深，數(shù)以萬計(jì)的水壩在河流上游被建造以用于工程水利的需求，人類通過水壩調(diào)節(jié)水庫在防洪、供水和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮的功能，但大壩在一定程度上也會破壞河流的原始水文模式和生態(tài)系統(tǒng)連接性。目前，世界上大約具有50 000個高型水壩(壩高>15 m)，以大壩為標(biāo)志的水庫累計(jì)蓄水容量約在7 000～8 300 km3，綜合集水面積約為3.1 × 105km2(不包括天然湖泊)[6]。我國作為世界上建設(shè)水庫最多的國家，15 m以上高壩水庫約占全球的46%，并且擁有世界上最大的水利工程——三峽水庫。目前，我國已建成水庫85 288座，總庫容約為5.6 × 1011m3，為天然湖泊儲水量的兩倍之多[7]。水庫已然成為人類影響地球表面水體的重要水利工程，廣泛分布于世界各地。不同于河流系統(tǒng)的是，水庫系統(tǒng)水流速度較小，且水體更替較為緩慢，但可以很好地承納從上游河流輸入的水、營養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物、生命體和有毒有害污染物等，并將其轉(zhuǎn)換為庫內(nèi)水動力、地球化學(xué)和生物過程。雖然在實(shí)際水環(huán)境中，“源輸入-河流-水庫”模式的普遍性已逐漸被大家認(rèn)識到，但是尚未開展新興污染物在這種模式下的研究。即使目前國內(nèi)外已經(jīng)開展一些關(guān)于水環(huán)境中農(nóng)藥和抗生素的賦存特征研究，但也僅僅聚焦于單個水環(huán)境，諸如單個孤立的河流、水庫和湖泊等，并沒有全過程地開展新興污染物在水環(huán)境中的研究[8-12]。因此，系統(tǒng)性地開展“源輸入-河流-水庫”模式下典型新興污染物的賦存特征及其生態(tài)風(fēng)險水平的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究背景

東江源區(qū)作為重要的飲用水水源地——東江的源頭集水區(qū)，非點(diǎn)源污染是源區(qū)內(nèi)主要的污染形式，其中農(nóng)業(yè)面源和分散式畜禽養(yǎng)殖是主要的污染來源。源區(qū)內(nèi)水系主要由河流系統(tǒng)和水庫系統(tǒng)組成，其中河流系統(tǒng)主要由一級支流和二級支流組成，具備理想的“源排放-河流-水庫”水環(huán)境模式。因此，以東江源區(qū)為依托，選擇典型的農(nóng)藥和抗生素為目標(biāo)污染物，在時空尺度上對水體中其賦存特征及生態(tài)風(fēng)險水平進(jìn)行研究，這將有助于更好地理解新興污染物在水環(huán)境中的地化行為和生態(tài)風(fēng)險的變化規(guī)律，以期為流域水污染控制和環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況及樣本采集

東江源區(qū)集水區(qū)域橫跨江西、廣東兩省，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)114°56′～115°55′，北緯24°18′～25°12′，流域面積為5 150 km2，涵蓋范圍主要包括安遠(yuǎn)縣、定南縣，尋烏縣和龍川縣區(qū)域，如圖1所示。東江源區(qū)內(nèi)一級支流主要有尋烏水和貝嶺水，二級支流主要有馬蹄河和下歷河，其中尋烏水河長和貝嶺水河長分別為138 km和140 km,馬蹄河河長和下歷河河長分別為36 km和35 km。由北(人類活動區(qū))至南(自然保護(hù)區(qū))匯合于廣東省最大的干流型水庫——楓樹壩水庫(平均庫容為12.5億m3)，最終緩沖混合后流入東江?；谏鲜隹紤]，分別在本研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置13個采樣點(diǎn)(圖1)，其中河流系統(tǒng)有S1～S8共8個點(diǎn)，分別為安遠(yuǎn)縣高壩村(S1)、定南九曲村(S2)、定南桃溪村(S3)、定南長灘電站(S4)、尋烏竹子垇(S5)、尋烏長灘峰電站(S6)、尋烏麻瘋村(S7)、龍川渡田河(S8)；水庫系統(tǒng)有S9～S13共5個點(diǎn)，分別為貝嶺水入庫(S9)、庫1緩沖區(qū)(S10)、尋烏水入庫(S11)、庫2緩沖區(qū)(S12)和庫尾(S13)。同時，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，S3和S5兩點(diǎn)分別流經(jīng)定南縣城和尋烏縣城，且河流沿途兩岸農(nóng)業(yè)活動密集，水土流失嚴(yán)重，本研究中歸類為人類直接干預(yù)較為嚴(yán)重的源輸入河流；而S1、S2、S4、S6、S7和S8則歸類為自然河流；由于楓樹壩水庫座落于廣東省龍川楓樹壩自然保護(hù)區(qū)，多年的封山護(hù)林和水庫移民工程，本研究認(rèn)為楓樹壩庫區(qū)(S9～S10)水環(huán)境直接受到周圍人為污染的情況較少。

圖1 東江水源區(qū)及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sampling Sites in the Water Source Region of the Dongjiang River

樣品采集工作分別于2015年7月(平水期)、2015年11月(枯水期)和2016年3月(豐水期)進(jìn)行，其中每個河流取樣點(diǎn)采集表層水樣，而每個水庫取樣點(diǎn)采集上、中、下三層水樣等份混合形成的混合樣本?，F(xiàn)場采集水樣立即保存于棕色玻璃瓶中，低溫運(yùn)回后處理。

2.2 主要試劑與儀器

本研究共選擇31種有機(jī)農(nóng)藥和17種抗生素作為目標(biāo)檢測物，其中31種有機(jī)農(nóng)藥分別包括有機(jī)氯農(nóng)藥(α-HCH、β-HCH、γ-HCH、δ-HCH、p,p′-DDD、p,p′-DDE、p,p′-DDT和o,p′-DDT)、有機(jī)磷農(nóng)藥(甲胺磷、敵敵畏、乙酰甲胺磷、氧樂果、樂果、甲基對硫磷、殺螟硫磷、馬拉硫磷、毒死蜱、水胺硫磷、甲基異柳磷、喹硫磷、殺撲磷、丙溴磷、三挫磷、伏殺硫磷)和擬除蟲菊酯農(nóng)藥(聯(lián)苯菊酯、甲氰菊酯、高效氯氟氰菊酯、氟氯氰菊酯、氯氰菊酯、氰戊菊酯、溴氰菊酯)，17種抗生素分別為磺胺類抗生素(磺胺嘧啶、磺胺間甲氧嘧啶、磺胺喹喔啉)、喹諾酮類抗生素(諾氟沙星、環(huán)丙沙星、氧氟沙星)、β-內(nèi)酰胺類抗生素(阿莫西林、頭孢氨芐、青霉素G、青霉素V)、四環(huán)素類抗生素(氧四環(huán)素、四環(huán)素、強(qiáng)力霉素)、大環(huán)內(nèi)脂類抗生素(泰樂菌素、脫水紅霉)和其他類(林可霉素、萬古霉素)，同時有機(jī)農(nóng)藥和抗生素的上機(jī)定量內(nèi)標(biāo)分別為反式芐氯菊酯-d6和諾氟沙星-d5，上述這些物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)品均購于德國Dr.Ehrenstorfer GmbH。甲醇、丙酮、正己烷、乙酸乙酯、甲酸和乙腈等有機(jī)溶劑(HPLC級)均購于Thermo Fisher Scientific；鹽酸和Na2EDTA(分析純)購自于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；水樣過濾使用0.45 μm濾膜、固相萃取裝置和小柱Poly-Sery HLB均購于上海安譜科學(xué)儀器有限公司；本試驗(yàn)所用超純水取自Milli-Q純水儀。

有機(jī)農(nóng)藥測定采用Agilent公司7890B型氣相色譜儀串聯(lián)5977A型質(zhì)譜儀(GC-MS)，并配有HP-5MS色譜柱(325 ℃,30 m × 0.25 mm×0.25 μm)?？股販y定采用Thermo Fisher Scientific公司Ultimate3000型液相色譜儀串聯(lián)三重四級桿TSQ Quantum型質(zhì)譜儀(LC-MS/MS)，并配有Agilent公司C18色譜柱(50 mm×2.1 mm,1.8 μm)。

2.3 樣品預(yù)處理

有機(jī)農(nóng)藥樣品前處理：上樣前，HLB小柱依次使用5 mL甲醇，5 mL丙酮∶正己烷(1∶1)，5 mL乙酸乙酯，10 mL蒸餾水各活化3 min；同時每個樣品設(shè)置三平行(1 L/平行)，使用0.45 μm水相濾膜過濾去除顆粒態(tài)，然后將過濾得到的1 L水樣接入活化后的HLB小柱，維持3～5 mL/min的流速進(jìn)行富集，水樣富集結(jié)束后使用10 mL超純水沖洗內(nèi)壁并繼續(xù)富集，徹底結(jié)束后真空泵抽干30 min。再依次使用5 mL乙腈，20 mL丙酮∶正己烷(1∶1)進(jìn)行洗脫，每次駐留3 min左右，收集液分別采用氮吹儀濃縮至1 mL左右后轉(zhuǎn)至定量濃縮管，并加入3 mL正己烷∶丙酮(1∶1)作為轉(zhuǎn)換溶劑，氮吹至0.3 mL左右加入25 μL上機(jī)內(nèi)標(biāo)反式芐氯菊酯-d6(2 000 μg/L)使得終濃度為100 μg/L，最后再用正己烷∶丙酮(1∶1)定容至0.5 mL，然后低溫保存至-40 ℃待測[13]。

抗生素樣品前處理：將三平行過濾后的水樣保存在1 L棕色磨口瓶中，分別加入0.5 g Na2EDTA并攪拌至充分溶解，隨后用濃鹽酸將水樣的pH值調(diào)節(jié)至3左右再進(jìn)行固相萃取操作。首先分別用10 mL甲醇和10 mL Milli-Q水(pH值= 3.0)進(jìn)行HLB活化，每次加入各活化3 min，然后接好大容量采樣管，水樣維持3～5 mL/min的流速進(jìn)行富集，水樣富集結(jié)束后使用10 mL Milli-Q (pH值= 3.0)超純水沖洗內(nèi)壁并繼續(xù)富集，隨后再向小柱加入5 mL超純水(5%甲醇)駐留3 min，結(jié)束后繼續(xù)抽真空約30 min。使用10 mL甲醇洗脫小柱，收集液合并后氮吹至近干，最后采用0.5 mL諾氟沙星-d5內(nèi)標(biāo)(80 μg/L)溶解定容并低溫保存至-40 ℃待測[14]。

2.4 檢測分析

有機(jī)農(nóng)藥GC-MS檢測條件如下。(1)氣相色譜條件：進(jìn)樣口溫度為280 ℃，不分流進(jìn)樣；載氣高純氦氣流速為1.0 mL/min；升溫程序：70 ℃保持1 min，25 ℃/min升至145 ℃，10 ℃/min升至310 ℃保持5 min，315 ℃后運(yùn)行5 min。(2)質(zhì)譜條件：四級桿溫度為150 ℃，離子源溫度為230 ℃，傳輸線溫度為300 ℃，離子化能量為70 eV。數(shù)據(jù)采集方式采用離子掃描模式，溶劑延遲為5 min，目標(biāo)化合物出峰時間、定量離子以及定性離子如表1所示。采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量分析，且標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定大于0.99(5～800 μg/L)，以楓樹壩水庫水體進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，在加標(biāo)濃度為50 ng/L條件下，有機(jī)農(nóng)藥回收率為70%～120%；以10信噪比為定量限，定量限為0.14～1.30 ng/L。

表1 有機(jī)農(nóng)藥的質(zhì)譜檢測離子和主要參數(shù)

抗生素LC-MS/MS檢測條件如下。(1)液相色譜條件：將0.1%甲酸溶液(V/V)作為流動相A，乙腈溶液作為流動相B，流動相流動速度為0.3 mL/min。色譜柱柱溫設(shè)置為30 ℃，進(jìn)樣體積為10 μL。梯度洗脫程序?yàn)椋?5%流動相A(0～2 min)；95%～60%流動相A(2～8 min)；60%流動相A(8～10 min)； 95%流動相A(10～12 min)。(2)質(zhì)譜條件：電離源為電噴霧離子源正離子模式(ESI+)，噴霧電壓為3 500 V，鞘氣壓力為30 kPa，輔助氣壓力為10 kPa，使用氮?dú)庾鳛殄F孔氣，氬氣作為碰撞氣，以多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)對目標(biāo)抗生素的質(zhì)譜參數(shù)進(jìn)行定性和定量分析，如表2所示。采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量，且標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)大于0.95(5～800 μg/L)，以楓樹壩水庫水體進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，在加標(biāo)濃度為50 ng/L條件下，抗生素回收率為69%～121%；以10信噪比為定量限，定量限為0.03～0.75 ng/L。

表2 抗生素的質(zhì)譜參數(shù)

注：*為定量離子

2.5 生態(tài)風(fēng)險評價

2.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理及可視化分別采用SPSS 21及Origin 8.5進(jìn)行，多元統(tǒng)計(jì)分析和熱圖制作使用RStudio完成,數(shù)據(jù)分析過程中，若p<0.05則視為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表3 基于藻類、無脊椎動物類、魚類的農(nóng)藥毒性數(shù)據(jù) (單位：μg/L)

注：“-”表示未找到,毒理數(shù)據(jù)均來自ECOSAR

表4 基于藻類、無脊椎動物類、魚類的抗生素毒性數(shù)據(jù) (單位：μg/L)

(續(xù)表)

注：“-”表示未找

[未完待續(xù)]