地氟病區(qū)農(nóng)田土壤中全氟化合物的組成及污染特征研究*

樊芮君 甘淳丹 楊金燕

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

全氟化合物(PFCs)是一類人工合成的新型有機(jī)污染物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，比如表面活性劑、潤(rùn)滑劑、阻燃劑、潤(rùn)濕劑、聚合物添加劑生產(chǎn)等[1]。目前，PFCs廣泛存在于各種環(huán)境介質(zhì)和生物樣品中，包括水體、沉積物、土壤、大氣以及野生動(dòng)物和人體[2-4]。由于PFCs具有化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境持久性、生物蓄積性、生殖毒性和長(zhǎng)距離遷移等特點(diǎn)[5]，能夠通過(guò)食物鏈產(chǎn)生生物積累和生物放大，可能對(duì)人類健康和生態(tài)環(huán)境造成不良影響，近年來(lái)受到社會(huì)各界的高度關(guān)注[6]。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤已成為PFCs重要的匯庫(kù)[7]。土壤中的PFCs可通過(guò)擴(kuò)散、揮發(fā)、淋溶和地表徑流向地表水、地下水和大氣遷移，因此，土壤不僅是PFCs 運(yùn)移轉(zhuǎn)化的重要紐帶，也是PFCs潛在的長(zhǎng)期環(huán)境污染源。目前為止，關(guān)于土壤中PFCs的研究大多集中在受點(diǎn)源影響的土壤，如氟化工廠[8]、污水處理廠[9]和消防訓(xùn)練場(chǎng)[10]周邊的土壤，但針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)活動(dòng)密集的農(nóng)村地區(qū)表層土中 PFCs的研究少有報(bào)道。已有研究表明，肥料、農(nóng)藥的施用以及灌溉等農(nóng)業(yè)活動(dòng)都是PFCs進(jìn)入土壤的關(guān)鍵途徑[11-12]。農(nóng)田土壤中的PFCs可以通過(guò)植物根部從土壤遷移到作物，并與無(wú)脊椎動(dòng)物直接接觸，從而影響人類健康和生態(tài)環(huán)境。因此，研究農(nóng)田土壤中PFCs的含量對(duì)于健康風(fēng)險(xiǎn)控制具有重要意義。

我國(guó)作為地方性氟中毒的高發(fā)區(qū)，目前約有2億人受到氟中毒的威脅[13]，尤其是我國(guó)西南地區(qū)土壤中氟的本底值較高，土壤氟污染嚴(yán)重[14]508。關(guān)于我國(guó)西南地氟病區(qū)土壤中無(wú)機(jī)污染物氟的研究已有文獻(xiàn)報(bào)道[15]1-10,[16]423，然而針對(duì)這一地區(qū)土壤中新型持久性有機(jī)污染物PFCs的研究較少。關(guān)于地氟病區(qū)土壤pH、有機(jī)質(zhì)、總氟、水溶性氟含量等理化性質(zhì)對(duì)PFCs污染的影響更是鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究聚焦四川省瀘州市古藺縣農(nóng)田土壤中氟和PFCs的污染水平，辨析了主要污染來(lái)源，分析了土壤基本性質(zhì)對(duì)PFCs污染的影響，評(píng)估了PFCs對(duì)總氟的貢獻(xiàn)度，以期為地氟病區(qū) PFCs 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及其來(lái)源解析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、決策依據(jù)和科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

本研究選取21種PFCs作為目標(biāo)化合物，均購(gòu)于惠靈頓實(shí)驗(yàn)室，包括全氟丁酸(PFBA)、全氟戊酸(PFPeA)、全氟己酸(PFHxA)、全氟庚酸(PFHpA)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟癸酸(PFDA)、全氟十一酸(PFUdA)、全氟十二酸(PFDoA)、 全氟十三酸(PFTrDA) 、全氟十四酸(PFTeDA)、全氟十六酸(PFHxDA) 、全氟十八酸(PFODA)、全氟丁烷磺酸(PFBS)、全氟戊烷磺酸(PFPeS)、全氟己烷磺酸(PFHxS)、全氟庚烷磺酸(PFHpS)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟辛烷磺酸(PFNS)、全氟丁烷磺酸(PFDS)和全氟癸烷磺酸(PFDoS)。此外，13種PFCs同位素標(biāo)記物也購(gòu)于惠靈頓實(shí)驗(yàn)室，包括13C4-PFBA 、13C3-PFPeA、13C2-PFHxA、13C4-PFHpA、13C4-PFOA、13C5-PFNA、13C2-PFDA、13C2-PFUdA、13C2-PFDoA、13C2-PFTeDA、13C3-PFBS、18O2-PFHxS和13C4-PFOS。主要實(shí)驗(yàn)儀器為高效液相色譜(HPLC，SCIEX Exion system)—二級(jí)質(zhì)譜(MS/MS，SCIEX 4500 Q TRAP)聯(lián)用儀。固相萃取(SPE)柱(6 mL，150 mg，30 mm)購(gòu)于美國(guó) Waters 公司。實(shí)驗(yàn)用甲醇、乙酸、氨水和乙腈均為色譜級(jí)。實(shí)驗(yàn)用水為電阻率18.2 MΩ·cm的超純水。

1.2 研究區(qū)域和樣品采集

研究區(qū)瀘州市古藺縣位于四川省東南部，2019年瀘州市年平均氣溫和降雨量分別為18.3 ℃和999.5 mm，其中77%的降雨集中在夏季。瀘州市土壤為沙壤土，土壤采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。根據(jù)文獻(xiàn)[17]，按照網(wǎng)格布點(diǎn)法用預(yù)先清潔好的木鏟采集0～20 cm的表層土壤樣品，于2019年5月共采集土壤樣品65個(gè)。采集的土壤樣品裝入聚乙烯密實(shí)袋封裝保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，室溫干燥，研磨過(guò)100目篩，并在4 ℃下儲(chǔ)存直至進(jìn)一步分析。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of the soil sampling points

1.3 土壤pH、有機(jī)質(zhì)、水溶性氟和總氟的測(cè)定

采用電位法(固液比1.0 g∶2.5 mL)測(cè)量土壤pH，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定[18]。水溶性氟和總氟的濃度采用離子選擇電極法進(jìn)行測(cè)量[19]。為保證元素分析的質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量空白樣品和土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07427，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))。隨機(jī)抽取20%的土壤樣品進(jìn)行平行試驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，平行樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差嚴(yán)格小于10%。

1.4 樣品前處理

將1.0 g土壤樣品準(zhǔn)確添加到15 mL離心管中，并加入1 ng內(nèi)標(biāo)物和2 mL含1%(體積分?jǐn)?shù)，下同)氨水的甲醇溶液。將每根試管旋轉(zhuǎn)至均勻化，并在40 ℃下超聲提取15 min，然后離心并轉(zhuǎn)移上清液。重復(fù)兩次，將合并的上清液在40 ℃下氮吹至干，用200 μL含1%乙酸的甲醇和1 mL甲醇復(fù)溶。將復(fù)溶樣品裝到活化后的SPE柱(依次用4 mL含0.1%氨水的甲醇溶液、4 mL甲醇與4 mL超純水進(jìn)行活化)，控制流速為1 mL/min，再分別用4 mL甲醇和4 mL含0.1%氨水的甲醇洗脫。將收集的洗脫液氮吹至干，并用200 μL甲醇和乙腈的混合液(體積比為8∶2)定容，離心后轉(zhuǎn)移至樣品瓶待分析。

1.5 樣品分析

利用HPLC—MS/MS對(duì)土樣進(jìn)行定性和定量分析。HPLC分析：色譜柱Acquity UPLC BEH-C18(2.1 mm×100 mm×1.7 μm)；進(jìn)樣體積20 μL；柱溫40 ℃；流速300 μL/min；流動(dòng)相2 mmol/L乙酸銨(記為A)-甲醇(記為B)；梯度洗脫程序：0 min，10%(體積分?jǐn)?shù)，下同) B；1.0 min，20% B；4.0～6.0 min，90% B；6.0～8.0 min，10% B。MS/MS分析：采用電噴霧負(fù)離子化模式，多反應(yīng)離子監(jiān)測(cè)模式(MRM)分析，碰撞氣83 kPa，氣簾氣103 kPa，霧化氣345 kPa，加熱氣241 kPa，離子噴霧電壓-4 000 V。

1.6 質(zhì)量控制與保證

所有實(shí)驗(yàn)都包括程序空白、方法空白、重復(fù)樣品和基質(zhì)加標(biāo)樣品。所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為扣除空白后的數(shù)據(jù)。每隔9個(gè)樣品設(shè)置方法空白，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用內(nèi)標(biāo)校準(zhǔn)曲線對(duì)目標(biāo)分析物進(jìn)行定量，標(biāo)準(zhǔn)曲線(0.1～20.0 ng/mL)相關(guān)系數(shù)大于0.99?？瞻讓?duì)照的PFCs均小于相應(yīng)分析物的檢測(cè)限(LOD)，LOD信噪比3∶1，定量限(LOQ)信噪比10∶1，范圍分別為0.004～0.034、0.003～0.027 ng/g。所有目標(biāo)PFCs在土壤中的回收率均為78.6%～113.0%。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)和pH

研究區(qū)域65個(gè)農(nóng)田土壤樣品的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖2，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為2.62%～14.01%，中位數(shù)為7.46%，平均值為7.78%，部分土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量偏高可能與該地區(qū)長(zhǎng)期的土壤耕作有關(guān)。施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)活動(dòng)都會(huì)提高土壤有機(jī)質(zhì)水平。該研究區(qū)域的土壤pH變化范圍為4.93～8.34，中位數(shù)為6.95，平均值為6.82，結(jié)果見(jiàn)圖3。根據(jù)我國(guó)土壤酸堿度劃分標(biāo)準(zhǔn)[20]：酸性土壤pH<6.50，中性土壤6.50≤pH<7.50，堿性土壤pH≥7.50，可以得知瀘州市古藺縣農(nóng)田土壤以中性(60.0%)為主，而酸性和堿性土壤分別占26.2%和13.8%。

圖3 農(nóng)田土壤pH分布Fig.3 Distribution of soil pH in the farmland soils

2.2 土壤氟含量

對(duì)瀘州市古藺縣65個(gè)農(nóng)田土壤樣品的總氟和水溶性氟進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。由圖4可

注：占比以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，圖3至圖5同。圖2 農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.2 Distribution of organic matter mass fraction in the farmland soils

圖4 農(nóng)田土壤總氟分布Fig.4 Distribution of total fluorine in the farmland soils

圖5 農(nóng)田土壤水溶性氟分布Fig.5 Distribution of water soluble fluorine in the farmland soils

知，研究區(qū)域土壤總氟為407～2 890 mg/kg，平均值為985 mg/kg，遠(yuǎn)高于中國(guó)土壤氟背景值的平均值(478 mg/kg)[21]和世界土壤氟背景值的平均值(200 mg/kg)[22]，同時(shí)也高于中國(guó)地氟病發(fā)生區(qū)土壤總氟的平均值(800 mg/kg)[23]，表明研究區(qū)域表層土壤已經(jīng)受到了一定程度的氟污染，且污染程度略高于我國(guó)地氟病區(qū)的普遍污染程度。該研究區(qū)域農(nóng)田土壤中的高含氟量歸因于自然和人為的雙重因素。據(jù)報(bào)道我國(guó)西南地區(qū)的高氟區(qū)與磷礦區(qū)重疊[24]，而西南地區(qū)尤其是四川省瀘州市磷礦資源豐富，開(kāi)采量大，每年達(dá)500萬(wàn)t，由于磷礦的開(kāi)采造成當(dāng)?shù)赝寥婪康娘@著提高。此外，當(dāng)?shù)亓追蕪S生產(chǎn)的肥料中氟高達(dá)11 006 mg/kg[15]6，因此，施用含氟磷肥和農(nóng)藥以及用磷化工廠排放的含氟廢水灌溉農(nóng)田同樣是造成土壤氟積累的重要因素。

由于土壤生物體對(duì)污染物的利用效率有限，有學(xué)者認(rèn)為總氟含量的高低不足以判斷土壤氟的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)[14]508。鑒于水溶性氟反映了氟的流動(dòng)性、生物有效性和毒性風(fēng)險(xiǎn)，它可以作為指示土壤氟污染狀況和生物利用氟能力的更為可靠的預(yù)測(cè)因子。研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤水溶性氟為0.09～25.86 mg/kg，平均值和中位數(shù)分別為7.15、5.93 mg/kg(見(jiàn)圖5)。由此可見(jiàn)，該區(qū)域農(nóng)田土壤氟污染較為嚴(yán)重。

2.3 土壤PFCs組成和含量特征

瀘州市古藺縣農(nóng)田土壤中PFCs的組成和含量見(jiàn)圖6。在21種目標(biāo)PFCs中，僅有8種PFCs被檢出，包括6種全氟羧酸類(PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA和PFDA)和2種全氟磺酸類(PFBS和PFOS)，而其余目標(biāo)化合物在所有樣品中均未被檢出。8種PFCs的檢出頻率為PFHxA(85%)>PFBA(82%)>PFOS(80%)>PFPeA(68%)>PFHxA(63%)>PFDA(51%)>PFOA(49%)>PFBS(18%)。檢出的8種PFCs中，平均質(zhì)量濃度最高的為PFDA(1.039 ng/g)，其次為PFHxA(0.453 ng/g)和PFBS(0.371 ng/g)，其余5種PFCs的平均質(zhì)量濃度表現(xiàn)為PFHpA(0.362 ng/g)>PFOS(0.250 ng/g)>PFBA(0.177 ng/g)>PFOA(0.057 ng/g)>PFPeA(0.030 ng/g)。

圖6 農(nóng)田土壤中PFCs組成和分布Fig.6 Composition and distribution of PFCs in the farmland soils

農(nóng)田土壤中總PFCs(∑PFCs)為0.026～3.642 ng/g，平均值為1.600 ng/g，高于云南省會(huì)澤縣農(nóng)田土壤(均值：0.392 ng/g，范圍：0.298～0.998 ng/g)[25]和珠三角地區(qū)土壤(均值：0.630 ng/g，范圍：0.090～2.580 ng/g)[26]，低于安徽省城市土壤(均值：2.690 ng/g，范圍：1.150～5.890 ng/g)[27]和天津市濱海新區(qū)表層土壤(1.300～11.000 ng/g)[28]。不同地區(qū)土壤中PFCs的含量不同主要與土地利用方式、區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和工業(yè)發(fā)展水平等因素相關(guān)。不同于氟化工廠、紡織廠和消防演練場(chǎng)等明顯的點(diǎn)污染源[29-31]，這些污染區(qū)域以PFOA和PFOS為主要污染物，本研究區(qū)域農(nóng)田土壤中PFDA和PFHxA是兩種最主要的PFCs，分別占∑PFCs的56.3%(范圍：2.5%～88.1%)和29.6%(范圍：1.1%～97.2%)。由于土壤采樣區(qū)附近無(wú)明顯點(diǎn)源，測(cè)試土樣均位于山區(qū)農(nóng)田，受工業(yè)活動(dòng)的影響較小，因此非工業(yè)區(qū)土壤中的PFCs可能來(lái)自：(1)工業(yè)區(qū)產(chǎn)生的PFCs的大氣沉降；(2)農(nóng)業(yè)區(qū)的生活垃圾、污水灌溉和較為頻繁使用含氟磷肥和含磷復(fù)合肥料的農(nóng)業(yè)活動(dòng)[32]。

2.4 相關(guān)性分析

瀘州市古藺縣農(nóng)田土壤基本理化參數(shù)和8種PFCs之間的相關(guān)系數(shù)(r)見(jiàn)表1。所有土壤樣品中，∑PFCs占土壤總氟的比例均不超過(guò)0.52%，且∑PFCs與總氟之間的相關(guān)關(guān)系較弱(r=0.160)，兩者無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，∑PFCs對(duì)總氟的貢獻(xiàn)有限?？偡退苄苑g的相關(guān)性分析表明，兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。這一結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[16]423，說(shuō)明土壤總氟含量的增加會(huì)相應(yīng)提高土壤中氟的生物有效性和遷移性。土壤pH是影響總氟和水溶性氟的重要參數(shù)，r分別達(dá)到0.380和0.310，而pH與∑PFCs和8種PFCs均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系。在檢出的8種PFCs中，僅PFHxA與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，反映了PFHxA對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的親和力較強(qiáng)。

表1 農(nóng)田土壤中總氟、水溶性氟、pH、有機(jī)質(zhì)、∑PFCs 和8種PFCs的相關(guān)系數(shù)1)

研究區(qū)域農(nóng)田土壤中PFBA與PFPeA呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，表明兩者可能具有相同來(lái)源或在土壤介質(zhì)中的傳播途徑相同。此外，PFHxA和PFPeA、PFHpA、PFDA、PFOS之間的顯著相關(guān)關(guān)系也表明其可能具有相似來(lái)源。PFOA和PFOS是環(huán)境中典型的兩類PFCs，由于兩者具有相似來(lái)源，通常呈現(xiàn)較好的相關(guān)性[33]，而在本研究中，PFOA和PFOS的相關(guān)性并不顯著，可能與僅有49%的土壤樣品被檢出PFOA有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) 古藺縣農(nóng)田土壤以中性為主(占60.0%)，酸性和堿性土壤分別占26.2%和13.8%；土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為7.78%，變化范圍為2.62%～14.01%，部分土壤樣品的有機(jī)質(zhì)含量偏高可能與該地區(qū)長(zhǎng)期的土壤耕作有關(guān)。

(2) 古藺縣表層土壤受到了一定程度的氟污染，所有樣品中總氟和水溶性氟分別為407～2 890、0.09～25.86 mg/kg，總氟、水溶性氟平均值分別為985、7.15 mg/kg，高于我國(guó)地氟病發(fā)生區(qū)土壤總氟的平均值(800 mg/kg)，氟污染主要來(lái)源為自然源和與農(nóng)業(yè)活動(dòng)相關(guān)的人為源。

(3) 該地區(qū)共檢出8種PFCs，包括PFBA、PFPeA、PFHxA、PFHpA、PFOA、PFDA、PFBS和PFOS，其中PFDA和PFHxA是兩種主要的PFCs?！芇FCs為0.026～3.642 ng/g，平均值為1.600 ng/g，主要來(lái)源歸因于大氣沉降、生活垃圾和農(nóng)業(yè)活動(dòng)。

(4) 相關(guān)性分析表明，∑PFCs與總氟之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明∑PFCs對(duì)總氟的貢獻(xiàn)有限。土壤pH是影響總氟和水溶性氟的重要參數(shù)，但與∑PFCs和8種PFCs均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，而PFHxA對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的親和力較強(qiáng)。