張健威,曾莎莎,梁延鵬,2,3*,覃禮堂,2,曾鴻鵠,2,3,馬誠(chéng)佑
(1.桂林理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;3.巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心,廣西 桂林 541004;4.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司,廣西 桂林541004)
20世紀(jì)70年代以來(lái),有機(jī)磷農(nóng)藥(Organophospho?rus pesticides,OPs)因具有高效致毒、快速降解等特性取代了有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs),被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1]。僅在2010 年,我國(guó)農(nóng)藥的施用量就達(dá)到302 700 t,其中72%為OPs[2]。雖然近年來(lái)OPs 的施用量有所下降,但毒死蜱、樂(lè)果、敵敵畏和辛硫磷等10 種OPs 的年施用量仍達(dá)到4 033.31 t[3]。有關(guān)研究表明,OPs 施用后僅有10%~20%發(fā)揮效用[4],其余大部分會(huì)以原藥的形式殘留在土壤或空氣中,并通過(guò)降雨、大氣沉降以及地表徑流等途徑遷移,最終在土壤、沉積物、地表水和地下水中富集[5-7]。理論上,自然環(huán)境中的OPs可以被降解為無(wú)害的無(wú)機(jī)磷,但隨著不同環(huán)境介質(zhì)中OPs 被相繼檢出,說(shuō)明OPs 將成為新一類持久性污染物[8]。
桂林會(huì)仙巖溶濕地作為世界上最大的巖溶濕地系統(tǒng),其不僅銜接漓江和洛清江兩大水系,還為脆弱的巖溶地下水環(huán)境提供了天然屏障[9]。然而近幾十年來(lái),人類對(duì)濕地?zé)o節(jié)制的開(kāi)發(fā),大量天然湖泊被改造為人工魚(yú)塘,退化的濕地逐漸變?yōu)楦?,?dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題突顯。符鑫等[10]調(diào)查研究了會(huì)仙濕地地表水和地下水中OCPs 的污染狀況,結(jié)果顯示研究區(qū)域內(nèi)共有15 種OCPs 被檢出,平均檢出濃度為104.23 ng·L-1。彭聰?shù)萚11]調(diào)查了會(huì)仙濕地富營(yíng)養(yǎng)化狀況,發(fā)現(xiàn)濕地內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì),部分區(qū)域出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。因此,會(huì)仙巖溶濕地的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題值得人們關(guān)注。
近年來(lái),學(xué)者們主要集中關(guān)注會(huì)仙濕地中重金屬、抗生素和 OCPs 等污染問(wèn)題[10,12-13],但對(duì) OPs 復(fù)合污染特征及其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)關(guān)注較少。而濕地周邊分布有大面積的農(nóng)田和眾多村落,內(nèi)部水系縱橫交錯(cuò),這都為OPs通過(guò)地表徑流、土壤滲透等途徑從農(nóng)田向濕地內(nèi)遷移提供了有利條件[14]。因此,本文以會(huì)仙巖溶濕地為研究對(duì)象,分析不同水期下濕地湖泊水和農(nóng)田溝渠水中16 種OPs 的殘留與分布特征,并通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)商值法進(jìn)行復(fù)合污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為會(huì)仙濕地OPs的阻控和風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。
16種OPs:敵敵畏、氧樂(lè)果、樂(lè)果、甲胺磷、乙酰甲胺磷、久效磷、滅線磷、辛硫磷、對(duì)硫磷、敵百蟲(chóng)、水胺硫磷、殺撲磷、殺唑磷、氯唑磷、馬拉硫磷和毒死蜱,混合標(biāo)準(zhǔn)溶液購(gòu)于美國(guó)o2si公司;丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、乙腈均為色譜純,購(gòu)于美國(guó)Fisher 公司;甲醇為色譜純,購(gòu)于德國(guó)Merck 公司;甲酸為色譜純,購(gòu)于美國(guó)阿拉丁公司;乙酸銨、鹽酸均為國(guó)產(chǎn)分析純。
本文以桂林會(huì)仙巖溶濕地為研究對(duì)象,使用GPS現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn),分別于2018年8月(豐水期)、2018年10月(平水期)和2019 年1 月(枯水期)采集水樣。采樣點(diǎn)的布設(shè)和水樣的采集均依據(jù)《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ 95—2009)進(jìn)行。濕地湖泊采樣點(diǎn)主要是沿濕地內(nèi)河流走向在碼頭、干流和支流上布設(shè)(共18 個(gè),S1~S18),河岸周邊耕地多以玉米、蔬菜和花生等短期旱種作物為主,濕地內(nèi)部的耕種區(qū)較為零散,而碼頭周圍多為村落聚集地;豐水期濕地周邊大量地表徑流匯入濕地湖泊,枯水期濕地湖泊水則以地下徑流的方式向周圍擴(kuò)散。農(nóng)田溝渠采樣點(diǎn)選擇在濕地周邊農(nóng)田溝渠布設(shè)(共6 個(gè),D1~D6),農(nóng)田每年耕種兩季水稻,休耕期時(shí)部分農(nóng)田會(huì)種植蔬菜。具體采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。每個(gè)采樣點(diǎn)采集1 L 水樣置于棕色玻璃瓶中,現(xiàn)場(chǎng)在瓶中加入5 mL 甲醇助溶,用鹽酸調(diào)節(jié)pH 為3~5。采樣完成后,立即將樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,在4 ℃冰箱中避光保存,并于48 h內(nèi)完成前處理。
將水樣用0.45 μm 玻璃纖維濾膜進(jìn)行抽濾,取500 mL 濾后水樣,采用HLB-AC 串聯(lián)柱進(jìn)行固相萃?。℉LB 柱在上,AC 柱在下)。樣品過(guò)柱前,依次用10 mL二氯甲烷/丙酮(V∶V,1∶4)、10 mL 5 mmol·L-1乙酸銨甲醇溶液和10 mL 超純水活化萃取柱,上樣流速控制在3~5 mL·min-1。樣品過(guò)完后,用10 mL 超純水淋洗萃取柱,在氮?dú)庀赂稍?0 min。將兩柱拆開(kāi),用12 mL 二氯甲烷/丙酮(V∶V,1∶4)洗脫 HLB 柱,用12 mL 5 mmol·L-1乙酸銨甲醇溶液洗脫 AC 柱,分 3 次洗脫,最后將洗脫液混合,于35 ℃下用氮?dú)獯抵两桑尤?.1%甲酸水溶液-甲醇(V∶V,1∶3)混合溶液復(fù)溶,定容至1 mL,過(guò)0.22 μm 濾膜后,置于棕色進(jìn)樣瓶中,待上機(jī)測(cè)定。
采用超高效液相色譜串聯(lián)三重四極桿質(zhì)譜儀(UPLC-MS/MS)分析測(cè)定水樣。色譜條件:色譜柱采用ACQUIT BEH C18柱(2.1 mm×100 mm,1.7 μm),進(jìn)樣量2 μL,流速0.3 mL·min-1,柱溫40 ℃。流動(dòng)相A為0.1%甲酸水溶液,流動(dòng)相B 為甲醇,梯度洗脫程序?yàn)椋?~2 min,20% B;2~4.5 min,20%~86% B;4.5~8 min,86%~90% B;8~9 min,90%~20% B;9~11 min,20%B。質(zhì)譜條件:采用正離子掃描(ESI+),多反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式(MRM);毛細(xì)管電壓0.5 kV,離子源溫度150 ℃,脫溶劑溫度600 ℃,脫溶劑氣流速1 000 L·h-1。
采用外標(biāo)法進(jìn)行定量分析,16 種目標(biāo)物在1~100 μg·L-1范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)R2>0.99。分別用3 倍信噪比和10 倍信噪比對(duì)應(yīng)標(biāo)樣濃度估算方法檢出限、定量限,其中檢出限為0.004~0.238 ng·L-1,定量限為0.020~0.794 ng·L-1。樣品處理過(guò)程中同時(shí)分析實(shí)驗(yàn)室空白、現(xiàn)場(chǎng)空白、樣品平行和空白加標(biāo)平行樣(n=5)。其中,空白加標(biāo)樣中16種目標(biāo)物的加標(biāo)回收率為55.5%~109.7%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于13.9%。
現(xiàn)階段,研究者對(duì)水生生態(tài)中污染物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)多集中于單一物質(zhì)[15],忽略了低濃度下可能存在的復(fù)合毒性效應(yīng),導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)被低估。而在現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,針對(duì)不同作物和病蟲(chóng)害情況經(jīng)常是多種農(nóng)藥同時(shí)使用進(jìn)行防治,環(huán)境中的農(nóng)藥殘留也多以混合物的形式存在[16],因此開(kāi)展混合物復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)更具有現(xiàn)實(shí)意義。本文參照BACKHAUS 等[17]提出的化學(xué)混合物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)不同季節(jié)下各采樣點(diǎn)的OPs混合物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。公式如下:
式中:CMECi為化合物i在環(huán)境中的實(shí)測(cè)濃度,ng·L-1;CPNECi為化合物i預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度,ng·L-1;RQi為化合物i的單一風(fēng)險(xiǎn)商值;RQs為混合物風(fēng)險(xiǎn)商值;M(EC50藻,LC50甲,LC50魚(yú))i為化合物i對(duì)藻類半數(shù)效應(yīng)濃度和魚(yú)類、甲殼類的半數(shù)致死濃度;AFi為風(fēng)險(xiǎn)因子,取值為100。
根據(jù)HERNANDO 等[18]提出的RQs分類方法評(píng)估生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí):低風(fēng)險(xiǎn),RQs<0.1;中等風(fēng)險(xiǎn),0.1
表1 14種OPs對(duì)藻類的半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)、對(duì)甲殼類和魚(yú)類的半數(shù)致死濃度(LC50)以及預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度(PNEC)Table 1 Half effective concentration(EC50)for algae and crustaceans as well as half lethal concentration(LC50)for fish,and predicted no effect concentration(PNEC)values for 14 organophosphorus pesticides
14 種OPs 在濕地湖泊水和農(nóng)田溝渠水中殘留狀況如表2 所示。在會(huì)仙濕地水體中共檢出14 種OPs,其中濕地湖泊水中檢出12 種,農(nóng)田溝渠水中檢出13種。兩種水體中均未檢出樂(lè)果和滅線磷,濕地湖泊水中未檢出殺撲磷和馬拉硫磷,農(nóng)田溝渠水中未檢出久效磷。
表2 會(huì)仙濕地不同水體中OPs的殘留狀況Table 2 OPs residues in different water bodies of Huixian wetland
濕地湖泊水中OPs總檢出濃度為nd~182.590 ng·L-1,平均濃度為11.633 ng·L-1。其中氧樂(lè)果、敵百蟲(chóng)、辛硫磷和三唑磷檢出濃度較高,分別為2.326、1.599、3.282 ng·L-1和1.661 ng·L-1,它們占總平均殘留濃度的75%以上。檢出率最高的是毒死蜱,為55.5%;其次是對(duì)硫磷和三唑磷,分別為48.1%和46.3%;再次是甲胺磷和敵百蟲(chóng),分別為42.6%和40.7%;其余OPs檢出率均低于25.0%。在農(nóng)田溝渠水中OPs 檢出濃度為 nd~146.636 ng·L-1,平均濃度為 16.813 ng·L-1。溝渠水樣與濕地湖泊水檢出結(jié)果相似,氧樂(lè)果、敵百蟲(chóng)和對(duì)硫磷為主要OPs 污染物,占總平均檢出濃度的80%以上。其中檢出率最高的是對(duì)硫磷,44.5%,其次是敵百蟲(chóng),44.4%,其余各種OPs 均低于40.0%。各OPs 檢出濃度呈現(xiàn)顯著差異,一方面可能與其施用量和施用頻率有關(guān),氧樂(lè)果、敵百蟲(chóng)和毒死蜱對(duì)稻螟蟲(chóng)、螨、蚜等病蟲(chóng)害有良好的防治效果,且價(jià)格低廉,常被使用在水稻的病蟲(chóng)害防治中,而久效磷、滅線磷等因高毒性而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被限制,使用量減少。另一方面可能與其物理化學(xué)特性有關(guān),氧樂(lè)果、甲胺磷、敵百蟲(chóng)有較高的水溶性,易于從土壤向水體遷移,因而在各類水體中均有較高的檢出濃度,而敵敵畏、滅線磷、氯唑磷的蒸汽壓高,易于從水體或土壤向大氣中揮發(fā),因而總體檢出率偏低。
總體而言,與我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的閾值相比,本研究區(qū)內(nèi)OPs 的殘留水平均低于限值(馬拉硫磷<0.05 mg·L-1、樂(lè)果<0.08 mg·L-1、敵敵畏<0.05 mg·L-1、敵百蟲(chóng)<0.05 mg·L-1)。但該標(biāo)準(zhǔn)僅考慮單一物質(zhì)毒性,并未涉及混合污染物低劑量濃度下的相互作用。張亞旦等[24]對(duì)《生活飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中14 種限制檢出物進(jìn)行多元毒性實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)盡管所有目標(biāo)物的濃度均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但共存時(shí)的聯(lián)合毒性仍十分顯著。這與曾莎莎等[23]的研究結(jié)果相似,低濃度下多種OPs 對(duì)水生生物多呈現(xiàn)為加和作用。另外有關(guān)研究表明,長(zhǎng)期暴露于低劑量OPs環(huán)境中或長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)食物鏈攝入低劑量的OPs,不僅會(huì)使OPs在人體中富集,造成慢性中毒,而且會(huì)有致癌致突變的風(fēng)險(xiǎn)[25-26]。因此,會(huì)仙濕地中所檢出的14 種OPs 殘留水平雖未超出國(guó)家規(guī)定限值,但仍不能排除其混合物對(duì)環(huán)境造成的潛在污染風(fēng)險(xiǎn)。
研究區(qū)域內(nèi)各采樣點(diǎn)OPs季節(jié)性變化特征如圖2所示。不同水期下OPs殘留濃度存在顯著差異,濕地湖泊水與農(nóng)田溝渠水均表現(xiàn)為豐水期>枯水期>平水期。對(duì)于農(nóng)田溝渠水,其原因一方面可能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)周期密切相關(guān),在傳統(tǒng)農(nóng)耕中,8 月多為農(nóng)藥施用季,農(nóng)藥的施用量和種類均明顯增加;10 月為晚稻的收獲季,農(nóng)藥的施用量顯著減少;而1 月雖然為水稻休耕期,但村民一般會(huì)在農(nóng)田中小規(guī)模種植蔬菜、玉米等短期作物,相較于10 月的平水期OPs 的施用量有所增加,使得枯水期OPs 殘留濃度高于平水期。另一方面可能由于豐水期降雨量大,殘留于農(nóng)田土壤中的OPs易隨地表徑流進(jìn)入溝渠和濕地湖泊中,而平水期和枯水期降雨稀少,難以在農(nóng)田土壤表面形成有效徑流,加之此時(shí)農(nóng)田排灌強(qiáng)度低,吸附于農(nóng)田土壤中的OPs 不易被沖刷至溝渠中。對(duì)于濕地湖泊水,豐水期高強(qiáng)度降雨致使周邊農(nóng)田溝渠水向濕地內(nèi)部匯集,導(dǎo)致該時(shí)期OPs殘留水平偏高;而枯水期和平水期濕地內(nèi)部水體流速緩慢,加上OPs本身易降解的特性,這些均為OPs沉降于沉積物中或直接被生物降解創(chuàng)造了有利條件;而枯水期與平水期相比,由于短期作物的灌溉,濕地湖泊水和溝渠水被反復(fù)擾動(dòng),吸附于沉積物中的OPs被重新釋放到水體中,與此同時(shí)枯水期中水體的蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于補(bǔ)充量,OPs被進(jìn)一步濃縮,最終導(dǎo)致枯水期的OPs殘留水平高于平水期。
研究區(qū)域內(nèi)水體OPs空間分布如圖3所示。對(duì)于濕地湖泊水,OPs殘留水平分布特征呈現(xiàn)沿水流方向減少的趨勢(shì)。采樣點(diǎn)S17的辛硫磷殘留濃度異常,推測(cè)其原因可能是在采樣期間,當(dāng)?shù)卮迕穹鬯榍謇砗拥乐兴J,導(dǎo)致植物體內(nèi)富集的OPs向水體中釋放[27]。S12位于兩河交匯處下游,同時(shí)接納了上游來(lái)水和會(huì)仙河來(lái)水的農(nóng)藥殘留,致使?jié)舛葰埩舾哂谏嫌?。S1~S9位于濕地內(nèi)部,水體流動(dòng)緩慢、水網(wǎng)細(xì)密,這為水生植物根系吸收、沉積物吸附以及微生物的降解提供了有利條件。而S14~S18 位于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和村落附近,農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁,大量生活污水和農(nóng)業(yè)排水的輸入,導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)OPs殘留濃度相對(duì)較高。對(duì)于農(nóng)田溝渠,D2、D3周邊為大面積稻田,溝渠間相互貫通,村民多于此清洗農(nóng)具或稀釋農(nóng)藥,因此該區(qū)域內(nèi)檢出OPs種類較多。D6為一條封閉溝渠,流量小,缺乏有效的遷入源,因此該點(diǎn)OPs殘留濃度最低。D1、D2、D3與D4、D5、D6分別為兩塊不同的水稻種植區(qū),其中D1、D2、D3采樣點(diǎn)以甲胺磷、三唑磷、氯唑磷以及毒死蜱殘留為主,而D4、D5、D6采樣點(diǎn)以敵敵畏、氧樂(lè)果和敵百蟲(chóng)殘留為主,分別占所在區(qū)域內(nèi)總殘留濃度的74.5%和94.8%,這說(shuō)明OPs殘留特征可能與其施用習(xí)慣有關(guān)。
根據(jù)RQs值計(jì)算公式,各采樣點(diǎn)不同水期下OPs混合物的RQs值詳見(jiàn)圖4。在全部72 個(gè)水樣中,存在高風(fēng)險(xiǎn)的水樣有20 個(gè),占總水樣的27.8%,其中豐水期和平水期各9 個(gè)、枯水期2 個(gè);中等風(fēng)險(xiǎn)的水樣有32 個(gè),占總水樣的44.4%,其中豐水期有9 個(gè)、平水期9 個(gè)、枯水期14 個(gè)。與OPs 殘留濃度季節(jié)性變化不同,平水期中處于高風(fēng)險(xiǎn)的點(diǎn)位顯著多于枯水期,其可能原因是雖然平水期各樣點(diǎn)中總OPs 檢出濃度低于枯水期,但生態(tài)毒性較大的組分(如敵敵畏、毒死蜱和辛硫磷等)所占比例較高,而枯水期雖然總OPs 濃度高于平水期,但各樣點(diǎn)中生態(tài)毒性較大的組分所占比例較低。在18 個(gè)農(nóng)田溝渠水樣中,處于高風(fēng)險(xiǎn)的水樣高達(dá)7 個(gè),高風(fēng)險(xiǎn)率近40%,而在濕地湖泊水中高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位也多集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和村落聚集區(qū)附近,這說(shuō)明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是造成會(huì)仙巖溶濕地OPs污染的主要原因。
總體而言,研究區(qū)域兩種水體OPs存在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)多集中在豐水期和平水期中農(nóng)業(yè)活動(dòng)頻繁的區(qū)域內(nèi),濕地內(nèi)部雖然多表現(xiàn)為中等風(fēng)險(xiǎn)或低風(fēng)險(xiǎn),但較多點(diǎn)位接近高風(fēng)險(xiǎn),因此對(duì)于濕地內(nèi)部OPs的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)仍不能忽視。由此可見(jiàn),會(huì)仙濕地研究區(qū)域內(nèi)OPs混合物存在一定的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此現(xiàn)象提出治理措施:第一,可在區(qū)域內(nèi)推行稻-鴨-油種養(yǎng)模式,減少農(nóng)藥施用量;優(yōu)化水肥管理,以減少病蟲(chóng)害的發(fā)生。第二,大力推廣低毒、高效、低殘留農(nóng)藥,提高農(nóng)藥利用率,積極開(kāi)展病蟲(chóng)害抗藥性檢測(cè)工作。第三,培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員,定期深入一線開(kāi)展農(nóng)民培訓(xùn)工作。
(1)會(huì)仙濕地研究區(qū)域中共有14 種OPs 被不同程度地檢出。濕地湖泊水檢出濃度范圍為nd~182.590 ng·L-1,總平均濃度為 11.633 ng·L-1,其中辛硫磷的殘留濃度最高,毒死蜱的檢出率最高;農(nóng)田溝渠水中檢出濃度范圍為nd~146.636 ng·L-1,總平均濃度為16.813 ng·L-1,其中氧樂(lè)果的殘留濃度最高,對(duì)硫磷的檢出率最高。
(2)水體OPs 殘留具有明顯的季節(jié)性變化,表現(xiàn)為豐水期>枯水期>平水期。研究區(qū)域內(nèi),OPs空間分布呈現(xiàn)為沿水流方向減少的趨勢(shì),靠近農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)和村落聚集區(qū)的水體OPs殘留濃度明顯高于其他區(qū)域。
(3)72個(gè)水樣中有20個(gè)水樣處于高風(fēng)險(xiǎn),占總水樣的27.8%,有32 個(gè)水樣處于中等風(fēng)險(xiǎn),占總水樣的44.4%。高風(fēng)險(xiǎn)水樣多位于豐水期和平水期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)頻繁區(qū)域。