菠菜對(duì)柴油污染土壤中多環(huán)芳烴富集特征及健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

程琪琪,郭 瑾,柴 超,葛 蔚

1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266019；2.青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東 青島 266019；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266019)

多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是由2個(gè)或2個(gè)以上苯環(huán)組成的有機(jī)污染物[1]。PAHs主要由有機(jī)材料的不完全燃燒產(chǎn)生，因具有持久性、遠(yuǎn)距離遷移性和致癌性而成為全球范圍內(nèi)最普遍存在和最受關(guān)注的污染物[2]。PAHs的產(chǎn)生大多來(lái)自于人為活動(dòng)，例如化石燃料燃燒、石油排放、汽車尾氣、垃圾焚燒、生物質(zhì)燃燒、石油精煉、焦炭和瀝青生產(chǎn)以及鋁生產(chǎn)[3-5]。土壤是PAHs最重要的環(huán)境載體，承擔(dān)了90%以上PAHs的環(huán)境負(fù)荷[6]。土壤PAHs污染可能來(lái)自于大氣中的PAHs，尤其是在城市中心的交通要地，釋放到大氣中的PAHs通過(guò)降水在土壤中積累[7]。來(lái)自于燃料和石油中的PAHs也會(huì)迅速附著在土壤顆粒上，并在其中積累[8]。由于它們具有較長(zhǎng)的半衰期和高度穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，容易在土壤中積累且很難降解[3]。污染土壤中PAHs的消散可能是揮發(fā)、不可逆的吸附、浸出、植物積累和生物降解[9]，但含有3個(gè)及3個(gè)以上苯環(huán)的PAHs在土壤中有較強(qiáng)的吸附性[7]。土壤中PAHs的濃度和組成可以提供評(píng)估污染水平、排放源和健康風(fēng)險(xiǎn)的必要信息[10]。

菠菜(Spinaciaoleracea)是較為常見(jiàn)的蔬菜之一，對(duì)于種植環(huán)境的要求很低，但人們對(duì)污染土壤中種植菠菜的健康風(fēng)險(xiǎn)研究并不深入。對(duì)于菠菜的研究多集中在肥料施加和重金屬污染對(duì)菠菜生長(zhǎng)的影響方面，有研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理能更好地調(diào)節(jié)土壤氮素釋放，促進(jìn)菠菜生長(zhǎng)[11]；高濃度Cd會(huì)抑制菠菜生長(zhǎng)，低濃度Cd處理對(duì)菠菜生長(zhǎng)具有刺激作用，使株高顯著上升[12]。關(guān)于菠菜中有機(jī)污染物的研究認(rèn)為，有機(jī)磷農(nóng)藥毒死蜱在冬季大棚菠菜中的降解速度顯著慢于在春季大棚和露地栽培菠菜中的降解速度[13]；鄰苯二甲酸酯、雙酚A單一污染對(duì)菠菜種子萌發(fā)指標(biāo)的影響表現(xiàn)為低促高抑，與單一污染相比，復(fù)合污染加劇了菠菜種子萌發(fā)的促進(jìn)或抑制程度[14]。對(duì)于菠菜在PAHs污染土壤中種植的相關(guān)研究并不多，筆者選取菠菜為研究對(duì)象，采集、制備不同PAHs污染程度和來(lái)源的土壤，采用盆栽實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定不同土壤中種植的菠菜地上部與地下部中PAHs含量及組成，分析不同環(huán)數(shù)PAHs在菠菜中的富集系數(shù)，比較不同PAHs來(lái)源土壤種植菠菜中PAHs組成、富集系數(shù)及終生致癌風(fēng)險(xiǎn)的差異，評(píng)估不同年齡人群食用菠菜的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 土壤采集與制備

研究選取山東青島大沽河沿岸某林地、山東青島膠州地區(qū)某蔬菜基地以及山東濰坊諸城某熱電廠周邊農(nóng)田采集土壤，分別為輕度、中度和重度PAHs污染土壤，記為T(mén)1、T2和T3。3種采集土壤各項(xiàng)理化性質(zhì)見(jiàn)表1。柴油中含有多種PAHs[15-16]，在相對(duì)潔凈的T1土壤中加入不同質(zhì)量的柴油以配制柴油來(lái)源的PAHs污染土壤，分別記為T(mén)4和T5，T4和T5土壤中柴油的添加比例分別為10和15 mL·kg-1，老化2個(gè)月后 T4和T5土壤中PAHs含量分別為612.7和826.6 ng·g-1，為中度污染土壤，與同為中度污染但污染來(lái)源不同的T2土壤形成對(duì)比。

表1 3種采集土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soils

1.2 盆栽實(shí)驗(yàn)

2016年9月，將5種供試土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm孔徑篩，取3.5 kg土壤于直徑16 cm、高14 cm盆中，每種供試土壤種植設(shè)置5個(gè)平行。加入適量水使土壤濕潤(rùn)后，向盆中均勻撒入菠菜種子，播種后在盆中覆蓋一層細(xì)沙，移至塑料棚中以保持種子發(fā)芽適宜溫度。菠菜播種2～3 d后發(fā)芽，1周后生長(zhǎng)出2片小葉，隨后間苗使每盆中菠菜苗數(shù)量均為10棵，生長(zhǎng)過(guò)程中施加適量有機(jī)肥，每隔3 d用等量蒸餾水澆灌，保持土壤持水量為40%。菠菜種植6周后收獲，在每個(gè)盆栽中收集土壤和菠菜樣品，菠菜需經(jīng)蒸餾水洗滌數(shù)次至凈，土壤和菠菜樣品冷凍干燥，土壤樣品過(guò)2 mm孔徑篩后干燥保存，菠菜樣品經(jīng)研磨后干燥保存。

1.3 樣品中PAHs測(cè)定及高效液相色譜分析條件

取2 g土壤樣品于玻璃離心管中，加入10 mL二氯甲烷，超聲萃取1 h，以4 000 r·min-1(離心半徑10 cm)離心10 min，取3 mL上清液過(guò)層析柱(上層4 g無(wú)水硫酸鈉，下層4 g中性硅膠)凈化。取一定量植物樣品于玻璃離心管中，用10 mL二氯甲烷與正己烷混合液(體積比1∶1)超聲萃取30 min，萃取3次，收集萃取液，采用層析柱(自上而下為4 g無(wú)水硫酸鈉、2 g酸性硅膠、4 g中性硅膠)凈化。土壤和植物樣品過(guò)柱凈化后，用15 mL二氯甲烷與正己烷混合液(體積比1∶1)洗脫。洗脫液于40 ℃恒溫條件下濃縮近干，用甲醇定容至2 mL，過(guò)0.22 μm孔徑濾膜后，采用高效液相色譜紫外/熒光串聯(lián)方法(HPLC/UV-FLD)檢測(cè)。

1.4 富集系數(shù)計(jì)算

研究利用KHAN等[17]的方程，確定了菠菜地下部與地上部中PAHs的富集系數(shù)。地下部富集系數(shù)(RCF,FRC)和地上部富集系數(shù)(SCF,FSC)計(jì)算公式分別為

FRC=croot/csoil，

(1)

FSC=cshoot/csoil。

(2)

式(1)～(2)中，croot和cshoot分別為菠菜地下部和地上部中PAHs含量,ng·g-1；csoil為土壤中PAHs含量，ng·g-1。

1.5 終生致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

PAHs的致癌風(fēng)險(xiǎn)由其相對(duì)于苯并(a)芘(BaP)的毒性當(dāng)量因子(TEFs)與PAHs濃度相乘得到的BaP當(dāng)量含量(BaPeq)表示[17]。不同年齡人群食用污染土壤種植菠菜的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)(ILCR,RILC)計(jì)算公式為

BaPeq=Ci×FTE,i，

(3)

RILC=BaPeq×RI×FE×DE×FS×FC/

(WB×TA) 。

(4)

式(3)～(4)中，F(xiàn)TE,i為某PAHs化合物的毒性當(dāng)量因子;其余參數(shù)含義和取值見(jiàn)表2。

表2 用于PAHs終生致癌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的參數(shù)[19-22]Table 2 Parameters used in the ILCR assessment of PAHs

2 結(jié)果與討論

2.1 種植土壤中PAHs含量與組成

5種種植菠菜土壤中PAHs含量與組成見(jiàn)表3。

表3 不同土壤中PAHs含量和占比Table 3 PAHs concentrations and relative contributions of individual PAH compounds or of PAHs with different numbers of rings to total PAHs

2.2 菠菜各部位中PAHs含量

菠菜地上部和地下部中PAHs含量見(jiàn)圖1。在5種土壤中種植的菠菜地上部中16種PAHs總量在72.8～516.9 ng·g-1范圍內(nèi)，地下部中總量在153.4～1 101.6 ng·g-1范圍內(nèi)，由于菠菜在棚內(nèi)種植，暫且不考慮葉片從大氣中吸收的PAHs含量。T3土壤種植的菠菜PAHs含量最高，T1土壤種植的菠菜PAHs含量最低。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個(gè)月制得。直方柱上方英文小寫(xiě)字母不同表示處理間PAHs含量差異顯著(P<0.05)。

采用Pearson相關(guān)性分析方法進(jìn)行土壤和菠菜各部位中PAHs含量的相關(guān)分析。種植土壤中PAHs含量與菠菜各部位中PAHs含量均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，這與其他研究結(jié)果一致。有報(bào)道稱，小白菜根與葉中PHE、FLA和BaP含量隨土壤PAHs含量的增大而增大[24]。SHEN等[25]研究也發(fā)現(xiàn)植物中16種PAHs總量與土壤和大氣中PAHs含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。然而，張?zhí)毂虻萚26]發(fā)現(xiàn)萵苣和卷心菜等其他蔬菜中PAHs含量與土壤PAHs含量間不存在相關(guān)關(guān)系，這可能是由于種植土壤中PAHs含量為233.0 ng·g-1，屬輕度污染土壤。土壤污染程度可能對(duì)蔬菜和土壤PAHs含量間的相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生影響。

2.3 菠菜中PAHs組成

菠菜地下部和地上部中PAHs組成見(jiàn)圖2。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個(gè)月制得。

菠菜地上部和地下部中3環(huán)和4環(huán)PAHs占PAHs總量的比例較高，在地下部中3環(huán)和4環(huán)PAHs占比分別為43.8%～78.7%和16.2%～46.3%，在地上部中3環(huán)和4環(huán)PAHs占比分別為44.2%～81.6%和13.6%～42.6%。2環(huán)、5環(huán)和6環(huán)PAHs在地上部和地下部中質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相對(duì)較低。研究發(fā)現(xiàn)，在松針中3環(huán)和4環(huán)PAHs占比在65%～95%范圍內(nèi)[27]。郜紅建等[28]也發(fā)現(xiàn)在胡蘿卜、菠菜和茄子中3環(huán)PAHs占比分別為65.9%、66.2%和64.5%，因此3環(huán)和4環(huán)PAHs是蔬菜及其他植物中主要的PAHs化合物。菠菜中低環(huán)PAHs占比較大，可歸因于土壤中低環(huán)PAHs具有較大的水溶性、揮發(fā)性和生物利用率[29]。

5種土壤種植菠菜地上部中致癌PAHs含量和占比見(jiàn)圖3。5種土壤種植菠菜地上部為可食部位，其中致癌PAHs含量在18.5～41.8 ng·g-1范圍內(nèi)，占PAHs總量的比例在5.4%～30.6%范圍內(nèi)。其中，T1土壤種植菠菜地上部致癌PAHs含量最低，T5土壤種植菠菜最高。但T3土壤種植菠菜地上部致癌PAHs占比最低，T4土壤種植菠菜最高。蔬菜中致癌PAHs含量標(biāo)準(zhǔn)目前較缺乏，但捷克提出蔬菜中致癌PAHs的容許含量為2 ng·g-1[30]。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，5種土壤種植菠菜地上部可食部位中PAHs含量均超標(biāo)。加入柴油配置的柴油污染土壤種植的菠菜地上部中致癌PAHs含量和占比均較高，因此使用柴油污染土壤種植菠菜對(duì)人體健康危害更大。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個(gè)月制得。

2.4 菠菜中PAHs富集系數(shù)

不同土壤種植菠菜中PAHs富集系數(shù)見(jiàn)表4。地下部富集系數(shù)在0.32～0.48范圍內(nèi)，地上部富集系數(shù)在0.14～0.30范圍內(nèi)，地下部富集系數(shù)高于地上部 (P<0.05)。由于PAHs不能到達(dá)根表皮的木質(zhì)部，所以PAHs由根到莖葉的傳輸較困難[31]。地下部和地上部中2～4環(huán)PAHs的富集系數(shù)顯著高于5～6環(huán)PAHs (P<0.05)，由于5～6環(huán)PAHs化合物與土壤有機(jī)質(zhì)有密切聯(lián)系，且易于被土壤中的黑碳吸附，較難進(jìn)入植物細(xì)胞中[31-33]。5～6環(huán)PAHs的可利用性和攝取率較低，所以其在地上部和地下部中的富集系數(shù)較低[17,34]。SAMS?E-PETERSEN等[35]研究指出，幾種作物對(duì)土壤中BaP的富集系數(shù)隨土壤污染負(fù)荷的提高而減小。筆者對(duì)土壤中PAHs初始含量和菠菜地上部、地下部富集系數(shù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析可得，其初始含量與富集系數(shù)不存在相關(guān)關(guān)系；對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量與菠菜地上部、地下部富集系數(shù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析可得，有機(jī)質(zhì)含量與富集系數(shù)不存在相關(guān)關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)于低有機(jī)質(zhì)黏土中的作物狄氏劑含量明顯高于生長(zhǎng)于高有機(jī)質(zhì)黏土中的作物[36]。

表4 菠菜各部位PAHs富集系數(shù)Table 4 Transfer facters of PAHs in spinach

2.5 菠菜地上部中PAHs健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在5種土壤中種植菠菜地上部中PAHs的毒性當(dāng)量含量BaPeq見(jiàn)表5。菠菜地上部中BaPeq在3 361.4～13 231.3 ng·kg-1范圍內(nèi)。T3土壤種植菠菜中PAHs含量最高，但T4和T5土壤種植菠菜中TEFs較大的化合物含量較高，導(dǎo)致T4和T5土壤種植菠菜中BaPeq高于T3土壤種植菠菜(P<0.05)。

表5 不同類型土壤種植的菠菜地上部中PAHs毒性當(dāng)量含量(BaPeq)Table 5 BaPeq in aboveground part of spinach grown in different soils

兒童、青少年、成人和老年人食用不同土壤種植菠菜的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)(ILCR)見(jiàn)表6。

表6 不同類型土壤種植菠菜中PAHs終生致癌風(fēng)險(xiǎn)(ILCR)Table 6 ILCR values of PAHs for people with different age through ingestion of spinach grown in different soils

當(dāng)ILCR低于10-6為不存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)ILCR在10-6～10-4范圍內(nèi)為存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)ILCR高于10-4為存在嚴(yán)重致癌風(fēng)險(xiǎn)[35,37-39]。兒童食用T4和T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)；青少年食用T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)；成人食用5種土壤種植菠菜均存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，其中食用T2土壤種植菠菜ILCR值最低，T5最高；老年人食用T3、T4和T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)不同年齡人群食用T5土壤種植菠菜的ILCR進(jìn)行比較可知，成人食用后致癌風(fēng)險(xiǎn)最高，其余依次為老人、兒童和青少年。食用污染土壤種植的蔬菜均有可能存在潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)。

韓國(guó)有研究表明，成人食用高PAHs含量海洋生物的ILCR值為9×10-7[40]，比筆者研究中食用T5土壤種植菠菜的致癌風(fēng)險(xiǎn)略低。西班牙有研究認(rèn)為成人攝入含PAHs食物的ILCR值為5.0×10-5[41]，略高于筆者的研究。已有較多案例表明食物中含有PAHs并存在潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于如何保障食品安全來(lái)降低健康風(fēng)險(xiǎn)需引起更多關(guān)注。該研究?jī)H考慮柴油污染土壤中PAHs對(duì)于土壤及菠菜中PAHs富集特征和健康風(fēng)險(xiǎn)的影響，針對(duì)柴油中其他物質(zhì)對(duì)健康的可能影響有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

(1)T3土壤種植的菠菜各部位中PAHs含量最高，T1土壤種植菠菜中PAHs含量最低。種植土壤中PAHs含量與菠菜地上部和地下部中PAHs含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

(2)菠菜地上部和地下部中均為3環(huán)和4環(huán)PAHs化合物含量和占比最高。在2種柴油污染土壤T4和T5種植菠菜中，致癌PAHs含量和占比最高。菠菜地上部和地下部中3～4環(huán)PAHs化合物的富集系數(shù)均高于5～6環(huán)PAHs。

(3)兒童、成人和老年人食用T4和T5土壤種植菠菜均存在終生致癌風(fēng)險(xiǎn)；成人和老年人食用T3土壤種植菠菜存在終生致癌風(fēng)險(xiǎn)；除成人外，其他人群食用T1和T2土壤種植的菠菜不存在終生致癌風(fēng)險(xiǎn)。不同年齡人群食用T4和T5土壤種植菠菜的終生致癌風(fēng)險(xiǎn)值高于其他土壤。對(duì)T5土壤種植的菠菜，ILCR值高低順序?yàn)槌扇?老年人>兒童>青少年。