天津市地表水體與沉積物中7種高關注酚類化合物的污染特征與生態(tài)風險分析

殷偉，范德玲，汪貞，古文，周林軍，劉濟寧，王冬梅，石利利,,*

1. 南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，南京 210044 2. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，南京210042 3. 天津市固體廢物及有毒化學品管理中心，天津 300191

隨著人類工農業(yè)生產活動愈加頻繁，酚類化合物已成為水體中常見的有機污染物。美國環(huán)境保護局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的優(yōu)先控制污染物清單中列有酚類化合物[1]，我國于1989年將其作為優(yōu)先控制污染物。至2018年底歐盟將具有生殖毒性或內分泌干擾性的對叔丁基苯酚、壬基酚和雙酚A等列入高關注物質清單。有研究表明，酚類化合物不容易自然降解，可通過不同的途徑或食物鏈在組織、細胞和器官中積累；抑制水生生物的生長，高度干擾魚類及其胚胎內分泌功能或導致細胞死亡[2]。因此，這些化合物可以進一步導致對水生系統(tǒng)的急性或慢性影響。我國的三峽庫區(qū)[3]、黃浦江[4]、部分飲用水源地[5]以及長江沿岸化工園土壤和底泥中[6]均檢測出多種酚類化合物，阿根廷用作飲用水源水的圣馬丁運河中亦檢測出酚類的存在[7]，甚至在母乳中檢出了0～10 800 ng·L-1的酚類物質[8]。酚類化合物在我國環(huán)境中的殘留狀況、污染特征及生態(tài)風險應引起高度關注。

天津市位于華北平原海河五大支流匯流處，隨著社會經濟的快速發(fā)展，工業(yè)、生活和養(yǎng)殖業(yè)等的污染排放量顯著增加，使得該地區(qū)河流污染日趨嚴重。據天津市全境生產與使用化學品的初步篩查與分析，天津市161家化工企業(yè)中有20多家企業(yè)涉及生產或使用酚類物質。因此，本論文將壬基酚、雙酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴雙酚A和對叔丁基苯酚這7種酚類化學品作為研究對象，采用高效液相色譜-串聯質譜法(HPLC-MS/MS)，對天津地區(qū)的地表水與沉積物中7種目標酚類化合物進行了測定，并對其分布特征及生態(tài)風險進行了分析，以期為天津市酚類化學品的環(huán)境風險管控提供科學參考和數據支持。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 樣品采集

水樣：在天津市于橋水庫、爾王莊水庫和天津南水北調曹莊子泵站等水源地設置3個采樣點位(TJW01、TJW02和TJW03)，在6條主要河流(大沽排污河、獨流減河、薊運河、南運河、永定新河及海河)設置23個采樣點位(TJW04、TJW05、TJW06、TJW07、TJW08、TJW09、TJW10、TJW11、TJW12、TJW13、TJW14、TJW15、TJW16、TJW17、TJW18、TJW19、TJW20、TJW21、TJW22、TJW23、TJW24、TJW25和TJW26，如圖1所示)，分別采集取水口水樣(均采自水面下方10～20 cm處)于1 L于棕色玻璃瓶內，每個點位采樣3份。

沉積物樣：選擇薊運河、南運河、海河、獨流減河以及渤海入海口，設置6個沉積物采樣點位(TJS01、TJS02、TJS03、TJS04、TJS05和TJS06)，如圖1所示。使用抓斗采樣器采集河床底泥，每個點位采集3份樣品，每份樣品約2 kg。樣品采集后于冷藏條件下送至實驗室，在4 ℃條件冷藏并在5 d內完成樣品前處理。

圖1 采樣點示意圖Fig. 1 Sampling sites of Tianjin

1.2 儀器與試劑

HPLC-MS/MS(LC：Agilent Technologies 1290 Infinity；MS/MS：AB SCIEX QTRAP 4500，美國)；電子天平(Mettler XS205，Mettler Toledo，瑞士)；氮吹儀(ANPEL，安譜)；KQ-300 GDV溫控超聲儀(昆山舒美，中國)；Sigma 3K15高速冷凍離心機(Sigma-Aldrich，德國)；Heating Bath B-300 Base旋轉蒸發(fā)儀(BUCHI，瑞士)；IKA Vortex3旋渦混勻器(IKA，德國)；色譜柱為ZORBAX Eclipse Plus C18 Column(150 mm×2.1 mm，3.5 μm，Agilent，美國)；Visiprep 24TM DL固相萃取裝置( Supelco，美國)；HLB固相萃取柱(5 mg，6 mL，Waters，美國)。

甲醇(色譜純，MERCK，德國)；乙腈(色譜純，MERCK，德國)；二氯甲烷(色譜純，MERCK，德國)；正己烷(色譜純，MERCK，德國)；Milli-Q純水(Millipore，美國)。

標準品：1-萘酚(99%)、壬基酚(99%)、雙酚A(99%)、2-苯基苯酚(99%)、3,4-二氯酚(98.5%)、四溴雙酚A(98%)以及對叔丁基苯酚(95%)均購自河北百靈威超精細材料有限公司。

1.3 樣品處理

水樣：真空抽濾過0.45 μm孔徑玻璃纖維膜，準確量取500.0 mL經預處理的水樣，過預先用甲醇活化的Oasis HLB 6 cc小柱進行固相萃取，上樣速度約為5.0 mL·min-1。上樣后，用10.0 mL超純水淋洗HLB小柱，抽干后用10.0 mL甲醇洗脫，洗脫液經N2吹至干，然后用甲醇定容至1.00 mL，渦旋1 min，待HPLC-MS/MS分析。

沉積物：采用四分法縮分沉積物樣品，并經真空冷凍干燥后過20目篩。取5.0 g經預處理的沉積物樣品置于50.0 mL聚四氟乙烯離心管，加入25.0 mL V(二氯甲烷)∶V(正己烷)為4∶1的提取液，超聲提取15 min后，于5 000 r·min-1條件下離心分離5 min，將有機相轉移至梨形瓶，重復提取3次，合并提取液，旋蒸(水浴溫度40 ℃)至<1.00 mL，N2吹干后加入1.00 mL乙腈復溶，過0.22 μm濾膜后待HPLC-MS/MS分析。

1.4 儀器條件1.4.1 液相色譜

采用ZORBAX Eclipse Plus C18色譜柱(150 mm×2.1 mm，3.5 μm)，流動相為乙腈/水(0.05%氨水)按一定梯度比例混合的溶液(表1)，柱溫30 ℃，流速0.3 mL·min-1，進樣體積5.0 μL。

1.4.2 質譜條件

負離子模式，采用電噴霧離子源(ESI)、多反應離子監(jiān)測(multiple reaction monitoring, MRM)掃描定量分析目標物，氣簾氣壓35 000 Pa，噴霧氣壓450 000 Pa，輔助加熱氣壓413 688 Pa，源溫度500 ℃，離子化電壓5 500 V。

表1 酚類目標化合物測定時的洗脫梯度Table 1 Gradient elution program for the analysis of the phenols

注：aA為0.05%(體積分數)氨水溶液，B為乙腈。

Note:aA is 0.05% (volume fraction) ammonia solution in water; B is acetonitrile.

1.5 質量保證和質量控制(QA/QC)

整個分析過程設置方法空白、加標空白、平行樣進行質量控制和質量保證，每10個樣品添加1個基質空白、1個樣品重復和1個基質加標回收質控樣。目標化合物采用混合標樣外標法定量，工作曲線的相關系數均>0.998。預處理土壤作為加標空白，無目標化合物檢出。純水和沉積物空白樣品中酚類化合物加標回收率測定結果分別為81%～132%、79%～145%，相對標準偏差分別為8.41%～16.59%、5.04%～16.07%，方法空白均未檢出目標化合物。以信噪比S/N=3計算儀器檢出限(LOD)，以信噪比S/N=10作為儀器定量限(LOQ)，儀器LOD為0.03～1.82 μg·L-1，LOQ為0.10～6.00 μg·L-1；水體和沉積物中各目標化合物的LOQ分別為0.20～12.0 ng·L-1和0.02～1.20 μg·kg-1。

實驗所用錐形瓶、梨形瓶等玻璃器皿均在丙酮溶劑中浸泡，105 ℃下烘干，同時盡量避免使用塑料容器。

1.6 生態(tài)風險評估方法

生態(tài)風險評估(ecological risk assessment, ERA)是分析和評估環(huán)境污染物引起的不利生態(tài)效應可能性的過程[9]，通過濃度閾值或風險熵來量化污染物對環(huán)境的生態(tài)危害[10]；確定在不同風險水平下p%物種受影響(HCp)、即保護(1-p)%物種時的危害濃度[11]，一般采用5%危害濃度(hazardous concentration 5%, HC5)，HC5指影響不超過5%的物種即可以保護95%以上的物種時對應的濃度[12-13]。

生態(tài)風險評估方法步驟：(1)毒性數據獲取與處理；(2)物種敏感性分布(species sensitivity distribution, SSD)曲線擬合及HC5的計算；(3)預測無效應濃度(predicted no effect concentration, PNEC)和風險熵(RQ)的計算。7種酚類化合物的毒性數據來自美國環(huán)保局ECOTOX數據庫(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)以及相關文獻。對于同一物種有多個數據的情況，采用其所有濃度數據的幾何平均值[10]。由于相關的慢性毒性數據較少，故主要選取急性毒性效應終點值半致死濃度值(lethal concentration 50, LC50)或半數效應濃度值(concentration for 50% of maximal effect, EC50)構建SSD曲線[14]。將毒性數據值進行對數轉換，并由小到大進行排序，設定相應的序數i。根據序數計算出累積概率P(計算公式為P=i/(N+1)，N為物種數)。將轉換后的毒性值與累計概率擬合，其中的擬合模型可選用log-normal、log-logistic、Sigmoid和Gaussian等多種SigmaPlot 13.0軟件內置的函數，通過決定系數R2和圖像綜合判別最佳擬合模型并推算出累計概率為5%的毒性值HC5。

PNEC的計算包括PNECwater和PNECsed。其中，PNECwater計算采用評估因子法，即

PNECwater=HC5/FA

PNECwater為水環(huán)境預測無效應濃度(μg·L-1)；HC5為5%危害濃度(μg·L-1)；FA為評估因子，取值范圍為1～5，依據生態(tài)風險評價中“最壞情況”(the worst case)原則本研究評估因子值取為5[15]。

PNECsed(以干質量計)，當無法獲得沉積物中生物毒性數據時，采用相平衡分配法[14]計算，公式如下：

RHOsusp=Fsolidsusp·RHOsolid+Fwatersusp·RHOwater

KPsusp=Focsusp·Koc

式中：PNECsed為以干質量計的淡水沉積物環(huán)境預測無效應濃度(μg·kg-1)；Ksusp-water為懸浮物-水分配系數(m3·m-3)；RHOsusp為懸浮物濕體積密度(kg·m-3)； 4.6為PNECsed的干、濕質量轉化系數；Fwatersusp為懸浮物中水的體積分數，默認值為0.9 m3·m-3； Fsolidsusp為懸浮物中固體物的體積分數，默認值為0.1 m3·m-3；KPsusp為污染物在懸浮物中的固-水分配系數(L·kg-1)； RHOsolid為固相的密度，默認值為2 500 kg·m-3；RHOwater為水的密度，默認值為1 000 kg·m-3；Focsusp為懸浮物中有機碳的質量分數，本研究取0.02 kg·kg-1；Koc為污染物有機碳-水分配系數(L·kg-1)。7種目標酚類化合物的Koc值如表2所示。各參數的取值參考文獻[16]。

風險熵值法(RQ)的計算方法為

RQ=MEC/PNEC

即實際測定濃度(measured environmental concentration, MEC)和無效應濃度(PNEC)之間的比值。當RQ<0.1時，表示化學品對環(huán)境存在的風險較低，當為0.1≤RQ≤1時，表明化學品對環(huán)境存在一定風險，需要對相關風險源展開跟蹤觀察；當RQ>1時，表明化學品對環(huán)境存在不可接受的風險，需要采取相應的風險削減措施[17]。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 水體中7種酚類化合物的濃度水平

在26個水樣(3個水源地，23個地表水)中7種酚類化合物(壬基酚、四溴雙酚A、對叔丁基苯酚、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和雙酚A)均有檢出。圖2為各采樣點地表水樣品酚類化合物的濃度水平。水源地及受納河流水樣中7種酚類化合物的總濃度范圍分別為116.72～220.24和114.55～448.12 ng·L-1；平均值分別為185.84和225.51 ng·L-1，河流水樣中目標物的濃度差異性較大。水源地水樣總濃度最高點出現在爾王莊水庫(TJW02采樣點)，因爾王莊水庫是引灤輸水的重要調節(jié)水庫，又是地表水蓄水庫；且水庫周邊種養(yǎng)業(yè)發(fā)達，轄村相較于其他水源地居多，因此酚類目標物濃度相對較高。河流水樣酚類化合物總濃度最高點出現在獨流減河的濱海新區(qū)段下游(TJW07采樣點)，獨流減河是天津市海河南系下游地區(qū)最大的河流，采樣點附近不僅有冶金行業(yè)和石化行業(yè)等企業(yè)存在；人類生活活動產生的糞污和含氮有機物在分解過程中也產生酚類化合物；此外，上游水量不足，河流水流速度緩慢，導致該點位附近的污染物累積[18]。壬基酚、對叔丁基苯酚、2-苯基苯酚和四溴雙酚A這4種物質檢出率為100.0%。不同污染物的檢出濃度依次為：壬基酚>四溴雙酚A>對叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>3,4-二氯酚>雙酚A，濃度范圍依次為47.80～358.40、12.60～70.74、5.06～23.60、ND～15.02、7.72～10.88、ND～4.51和ND～16.26 ng·L-1。壬基酚的檢出濃度最高，平均濃度為151.60 ng·L-1，占7種酚類物質總濃度的68.62%。研究表明，即便壬基酚的排放濃度很低，也具有一定的危害性[19]。壬基酚在工業(yè)上多用作洗滌劑、乳化劑、潤濕劑、分散劑以及農藥助劑；化學性質較為穩(wěn)定，具有模擬雌激素作用，一旦進入生物體內之后，就會影響機體正常的生殖和發(fā)育，是典型的環(huán)境內分泌干擾物質(EDCs)[20]。歐洲第2003/53/EC號指令(2003)禁止使用壬基酚及其乙氧基化物。因此，壬基酚的環(huán)境污染問題應引起高度重視。3,4-二氯酚雖然檢出率高，但是檢出濃度水平最低，僅為ND～4.51 ng·L-1，平均濃度約為1.26 ng·L-1，占酚類物質總濃度的0.50%。

對比分析已有文獻數據，天津市主要河流水樣中壬基酚檢測濃度(47.80～358.40 ng·L-1)遠低于珠三角(420.00～1 860.00 ng·L-1)[21]，且最高濃度水平差一個數量級；但高于太湖(ND～121.00 ng·L-1)表層水中的濃度[22]。與國外報道如英國河流(2 000～336 000 ng·L-1)、瑞士河流(300～45 000 ng·L-1)和加拿大河流(3 000～300 000 ng·L-1)[23]相比，本研究的壬基酚檢測濃度極低。對于水源地水樣，相較于中國31個主要城市的62個飲用水處理廠水源水的壬基酚濃度(8.20～918.00 ng·L-1)[24]，天津市水源地水樣中壬基酚濃度(108.40～169.00 ng·L-1)處于中等水平。對于四溴雙酚A而言，本研究地表水中檢測到的濃度(12.60～70.74 ng·L-1)略高于德國西南部州巴登-弗騰堡某河流(0.20～20.40 ng·L-1)[25]，與日本某污水處理廠出水濃度相近(7.70～130.00 ng·L-1)[26]，卻遠低于巢湖的檢出濃度(420.00～1 860.00 ng·L-1)[27]。而對于雙酚A，國內外河流和湖泊水體中檢測到的報道非常多，如遼河流域(4.40～141.00 ng·L-1)、珠江(43.00～639.00 ng·L-1)、松花江(23.00～714.00 ng·L-1)、美國密西西比河(6.00～113.00 ng·L-1)和美國運河(1.90～158.00 ng·L-1)[28-31]，最高濃度含量均高于本研究的最高檢測濃度(16.26 ng·L-1)一個數量級，太湖水體雙酚A的檢測含量(ND～55.10 ng·L-1)[22]與本研究檢測結果相似；但對叔丁基苯酚的濃度(5.33～23.60 ng·L-1)低于南京表層水體(67.50～9 295.00 ng·L-1)[32]與太湖表層水體(ND～142.00 ng·L-1)[22]。綜上，除1-萘酚、3,4-二氯酚以及2-苯基苯酚暫未找到數據支持，本研究涉及目標物的檢測濃度在與其他地區(qū)的水體相比屬中間水平。

表2 酚類化合物的有機碳-水分配系數(Koc)值Table 2 Organic carbon-water partition (Koc) values of phenols

2.2 沉積物中酚類化合物的濃度水平

除雙酚A外，6個河流沉積物樣品中檢出的6種目標酚類化合物如圖3所示?？倽舛葹?70.29～786.63 μg·kg-1，平均值為436.29 μg·kg-1。不同酚類化合物的檢出濃度依次為壬基酚>對叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>四溴雙酚A>3,4-二氯酚。檢測濃度范圍分別為152.26～778.54、2.05～11.52、ND～1.45、0.77～1.09、0.80～1.72和ND～0.26 μg·kg-1。其中，壬基酚的濃度遠遠高于其他物質，至少高2個數量級，占目標酚類化合物總濃度的96.51%，如圖4所示。原因應為壬基酚的辛醇-水分配系數(lgKow=4.28)比較大，使得其易吸附于顆粒物質，并且也有研究表明，壬基酚在河流沉積物中的濃度大大超過其相對應的地表水中的濃度[19]。

2.3 生態(tài)風險評估結果

查閱了相關研究及技術規(guī)范，均推薦采用物種敏感性分布法開展生態(tài)風險評估的最少毒性數據量為8～10個不等。本研究收集、整理了7種目標酚類化合物對11～20個水生生物物種(藻、溞、魚、蝦和輪蟲等)的急性毒性數據，符合US EPA構建SSD曲線時3門8科生態(tài)毒性數據的要求，數據信息如表3所示。

采用SigmaPlot 13.0各個模型推導出7種目標酚類化合物的HC5值，分別對不同的模型進行擬合并篩選出最優(yōu)擬合結果，如圖5所示。不同目標物最優(yōu)模型的決定系數(R2)、HC5、PNECwater以及PNECsed列于表4。

表3 酚類毒性數據Table 3 Toxicity data of phenols

表4 7種酚類目標化合物的R2、HC5、PNECwater和PNECsed值Table 4 Values of R2, HC5, PNECwater and PNECsed for the seven test phenolic compounds

注：R2表示決定系數，HC5表示5%危害濃度，PNECwater表示水環(huán)境預測無效應濃度，PNECsed表示以干質量計的淡水沉積物環(huán)境預測無效應濃度。

Note: R2stands for coefficient of determination; HC5stands for hazardous concentration 5%; PNECwaterstands for predicted no effect concentration in water; PNECsedstands for predicted no effect concentration in sediment caculated by dry weight.

如表5所示，水源地水(TJW01、TJW02和TJW03)中7種酚類化合物的生態(tài)風險評估結果表明，1-萘酚、2-苯基苯酚、對叔丁基苯酚、四溴雙酚A、3,4-二氯酚和雙酚A的RQ均在0～0.1范圍內，水生生態(tài)風險整體較低；壬基酚的RQ范圍為0.289～0.538，對環(huán)境存在一定風險。總體上，天津市水源地7種酚類化合物的水生態(tài)風險在可接受范圍內。河流水體(TJW04～TJW26)中雙酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和對叔丁基苯酚的水生態(tài)風險較低；四溴雙酚A有16個采樣點對環(huán)境存在的風險較低，7個采樣點對環(huán)境存在一定風險；RQ最大的是壬基酚，范圍為0.152～1.141，個別點位存在不可接受的風險。

天津市沉積物中7種酚類化合物的生態(tài)風險評估結果如表6所示，雙酚A、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴雙酚A和1-萘酚的RQ<0.1，此5種酚類對于沉積物的生態(tài)風險較低；對叔丁基苯酚的RQ則在0.1～1范圍內，說明它對沉積物環(huán)境存在一定風險；壬基酚的RQ為0.563～2.877，其中有3個采樣點對沉積物環(huán)境存在一定風險，3個采樣點存在不可接受的風險。

圖2 天津市水體中酚類物質的含量Fig. 2 Concentrations of phenols in waters of Tianjin City

圖3 天津市河流沉積物中酚類物質的含量Fig. 3 Concentrations of phenols in river sediments of Tianjin City

圖4 天津市河流沉積物中壬基酚的含量Fig. 4 Concentrations of NP in river sediments of Tianjin City

表5 天津市地表水體中7種酚類化合物的生態(tài)風險熵(RQ)計算結果Table 5 The ecological risk quotient (RQ) of seven phenolic compounds in surface water of Tianjin City

圖5 7種酚類目標化合物的物種敏感度分布曲線Fig. 5 Species sensitivity distribution (SSD) curves of the seven test phenolic compounds

表6 天津市河流沉積物中7種酚類化合物的RQ計算結果Table 6 RQ of seven phenolic compounds in river sediments of Tianjin City

本研究測定了天津市地表水樣及沉積物中7種高關注酚類化合物的濃度水平，并對其進行了生態(tài)風險評估。地表水樣中7種酚類化合物檢出率為100%。其中壬基酚的檢出濃度最高達448.12 ng·L-1；相比于水源地，河流水樣中目標物的濃度差異性較大。沉積物中除雙酚A外的6種目標物全部檢出，同樣壬基酚檢出濃度最高，由于其辛醇-水分配系數較大，所以壬基酚在沉積物中的濃度占比遠超它在水中的濃度占比。通過現有的研究數據分析，天津市水體中酚類目標化合物的濃度屬于中間水平，這也與生態(tài)風險評估結果相吻合，除部分點位的水和沉積物中壬基酚存在不可接受的生態(tài)風險外，其余酚類均對環(huán)境存在中低風險。此外，本研究僅僅是分別評估單個酚類物質的水體和沉積物生態(tài)風險，對于多種酚類共同作用的生態(tài)風險并未進行討論，同類物質相同終點的生態(tài)風險可能存在疊加或協(xié)同作用。因此，對于多種酚類的協(xié)同或復合作用產生的生態(tài)風險有待更進一步的深入研究，以取得更為科學的評估結論。