某污染場地地下水石油烴的健康風險評估及其微生物群落分析

張皓輝，史俊祥，姜永海，賈永鋒，李秀金

1. 北京化工大學化學工程學院，北京 100029

2. 中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護地下水污染模擬與控制重點實驗室，北京 100012

近年來，被譽為“工業(yè)血液”的石油工業(yè)迅猛發(fā)展，為經濟社會發(fā)展做出了重大貢獻. 但石油產品由于開采、運輸、貯存和使用過程中的不規(guī)范操作和意外情況的發(fā)生不斷泄漏進入自然環(huán)境，嚴重污染土壤、地表水和地下水，導致健康風險升高，對人體健康產生不可忽視的影響，石油污染已經成為全球范圍內的環(huán)境問題. 石油烴污染物具有毒性、疏水性，且遷移能力較強，被許多國家列為優(yōu)先控制污染物. 它們不僅會吸附在土壤介質中，破壞土壤有機質組成和結構的平衡，同時還會進入地表水和地下水，造成水環(huán)境質量惡化，毒害水生生物. 大量具有“三致”危害的石油烴類可能通過食物鏈的層級傳導、呼吸作用和皮膚接觸等途徑進入人體，危害人體健康. 因此，需要進行場地地下水石油烴健康風險評估.

土著微生物會通過自身代謝作用降解石油烴，因此土著微生物群落的生物降解通常被認為是石油烴自然衰減的主要機制，可以有效控制其健康風險. 微生物群落長時間暴露在石油烴中會改變它們的活動、結構和多樣性，由于不同污染場地污染物種類和環(huán)境因子的差異，土著微生物種類也會有所不同. 石油烴的生物可利用度和化學性質的復雜程度會影響微生物的降解能力. 歐美國家在20世紀80年代逐漸建立了針對各自國家實際情況的場地風險評估體系. 中國科學院南京土壤研究所陳夢舫研究團隊針對我國污染場地實際情況，自主開發(fā)出我國首款污染場地健康與環(huán)境風險評估軟件HERA (Health and Environmental Risk Assessment). HERA包含多種模型和美國環(huán)境保護局發(fā)布的土壤污染物毒理性參數數據庫，評估結論對場地是否會給人體健康帶來潛在風險具有重要的理論和現實意義.

該文以天津市某污染場地為研究對象，選取石油烴為關注污染物，利用HERA軟件，開展地下水石油烴健康風險評估，并進行地下水微生物群落特征分析，以期為污染場地土壤和地下水中石油烴的存在水平、分布特征和健康風險評估，以及評價微生物對石油烴的降解能力提供參考.

1 材料與方法

1.1 場地概況

場地位于天津市海河沿岸，20世紀90年代作為農業(yè)用地受化肥及農藥施用污染，21世紀初引進電子廠、配件加工廠、精密電子公司等，原料儲存運輸過程及生產加工過程中對場地造成污染. 通過污染識別判斷，地塊內潛在污染源主要包括氯代烴類和苯系物等揮發(fā)性有機物，總石油烴和多環(huán)芳烴等半揮發(fā)性有機物，汞、砷、銅等重金屬，以及有機氯農藥等. 目前，各工廠已拆除，該場地基本為堆土，僅場地南側有一食品加工廠. 場地周邊有人居住，定義為敏感用地，因此可能通過經口攝入、皮膚接觸和吸入地下水蒸氣等暴露途徑對人體健康產生一定影響.

場地包氣帶厚度為0.45～4.76 m，巖性以素填土、雜填土為主. 包氣帶在場地內連續(xù)穩(wěn)定存在，防污性能較弱. 場地內潛水含水層地下水水位埋深在0.45～3.76 m之間，平均水位埋深為2.51 m，水位標高在0.25～1.37 m 之間，平均水位標高為0.856 m. 場地地下水由西南向東北流動，工作區(qū)水力坡度約為0.56‰.

1.2 樣品采集

圖 1 研究區(qū)監(jiān)測井點位分布Fig.1 The location of monitoring wells in study area

地塊采用專業(yè)判斷布點法，共布設地下水監(jiān)測井5個(A1、A2、A3、A4、A5，見圖1)，以污染物的主要泄漏點A5監(jiān)測井為中心，按地下水流向分布布設上游A3監(jiān)測井、下游A4監(jiān)測井和側向A1、A2監(jiān)測井. 按照《地下水環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ 164-2020)采集地下水，放入帶有干冰的保溫箱(≤4 ℃)運回實驗室，進行石油烴濃度分析和微生物群落分析.

1.3 石油烴濃度分析

根據《水質可萃取性石油烴(C～C)的測定氣相色譜法》(HJ 894-2017)檢測石油烴濃度. 地下水經二氯甲烷進行萃取、濃縮、凈化、定容后，用氣相色譜-火焰離子化檢測器(GC-FID)(Agilent 7890B，安捷倫，美國)進行純化和分析. 進樣溫度設置320 ℃，色譜柱流速為2.0 mL/min. 柱箱保持1 min初始溫度60 ℃，以8 ℃/min升至290 ℃，再以30 ℃/min升至320 ℃后保持7 min. FID檢測器設置為330 ℃，氫氣流量為40.0 mL/min，空氣流量為350.0 mL/min，尾吹氣流量為30.0 mL/min. 進樣不分流，進樣體積為1.0 μL，0.75 min后以30:1比例分流. 根據色譜圖組分保留時間，計算目標化合物總峰面積，由外標法得出目標化合物總濃度. 石油烴餾分的碳數與沸點有關，沸點與色譜圖的保留時間有關，根據保留時間將石油烴餾分分段積分，石油烴分段為C～C、C～C、C～C、C～C.

1.4 微生物高通量測序

將2 L地下水樣中微生物用0.22 μm濾膜濾出，至濾膜表面有可見覆蓋物，使用FastDNASpin Kit for Soil (MP Biomedicals, 美國)提取總DNA，使用引物338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′ )和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′ )對16S rRNA基因V3～V4可變區(qū)進行PCR擴增. 利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進行測序. 使用UPARSE軟件(http://drive5.com/uparse，version 7.1)，根據97%的相似度對序列進行OTU聚類并剔除嵌合體. 利用RDP classifier(http://rdp.cme.msu.edu，version 2.2)對每條序列進行物種分類注釋，比對Silva 16S rRNA數據庫(v138)，設置比對閾值為70%.

1.5 健康風險評估

利用HERA軟件進行2個層次的健康風險評估：首先選擇合適的場地模型，設置參數，計算原場地下水中石油烴污染物的篩選值；然后，結合暴露途徑，調整場地概念模型，計算石油烴污染物在原場條件下的危害商，對地下水石油烴進行原場健康風險評估.

2 結果與討論

2.1 地下水石油烴分布特征

各監(jiān)測井地下水石油烴濃度如表1所示. 由表1可見，A3監(jiān)測井石油烴濃度(0.06 mg/L)最低，A5監(jiān)測井石油烴濃度(6.61 mg/L)最高，A1～A4監(jiān)測井石油烴濃度差別不顯著，A5監(jiān)測井石油烴濃度約是其他4個監(jiān)測井的60～100倍. A3監(jiān)測井石油烴濃度最低可能是距離污染源較遠所致，污染物濃度隨遷移距離增加而降低，且地下水由西南向東北流動，A3監(jiān)測井位于地下水流向上游區(qū)，所以石油烴濃度最低.A5監(jiān)測井位于多污染源交匯處，受多個污染物泄漏點影響，因此石油烴濃度最高. 5個監(jiān)測井石油烴分布呈由低碳數到高碳數逐漸升高的趨勢(見表1). 已有研究表明，石油烴碳數越多，結構越復雜，越不容易降解，對人體危害越大.

表 1 地下水石油烴濃度分布Table 1 Groundwater petroleum hydrocarbon concentration

2.2 地下水石油烴健康風險評估

篩選值評估

確定污染物和暴露途徑. 根據場地污染物分析結果，確定石油烴(C～C)為目標污染物，影響對象為場地周邊范圍內的成人和兒童. 具體暴露途徑包括土壤中經口攝入、皮膚接觸、吸入室內土壤顆粒物、吸入室外土壤顆粒物、吸入表層土壤室外蒸汽、吸入下層土壤室外蒸汽、吸入下層土壤室內蒸汽和土壤淋濾到地下水、地下水中吸入地下水室外蒸汽和吸入地下水室內蒸汽.

模型構建. 選用的模型有C-RAG、ASTM、Johnson-Ettinger等. 模型參數從場地信息調查報告中獲取，主要包括地下水中污染物濃度、地下水埋深、地下水混合區(qū)厚度、含水層有效孔隙度等水文地質參數，以及暴露期、暴露頻率等受體暴露參數，其他參數采用《污染場地風險評估技術導則》(HJ 25.3-2019)中的推薦值.

篩選值分析. 目前頒布的《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)中，沒有石油烴類限值說明，《地表水質量標準》(GB 3838-2002)Ⅳ類標準中石油類限值為0.5 mg/L. 使用HERA軟件綜合分析石油烴分段毒性和理化性質，對各分段石油烴計算篩選值(見表2). 經過比較，選用HERA結果作為篩選值. 將各點位石油烴濃度數據與篩選值進行對比發(fā)現，A1～A4監(jiān)測井的分段石油烴濃度均低于篩選值，所以健康風險可以忽略；A5監(jiān)測井中C～C濃度低于篩選值，但C～C、C～C、C～C濃度均高于篩選值，因此A5監(jiān)測井的石油烴存在一定的環(huán)境健康風險，需要利用HERA軟件進行第二層次分析，并計算出石油烴污染物在所選暴露途徑下的危害商，以確定石油烴的健康風險.

表 2 健康風險評估HERA分析結果Table 2 HERA analysis results of health risk assessment

危害商評估

調整模型. 進行危害商計算時，需調整模型參數、修改暴露途徑、更新場地概念模型、輸入污染物濃度，對場地地下水石油烴污染物的致癌風險與非致癌風險進行分析.

危害商分析. 《建設用地土壤污染風險評估技術導則》(HJ 25.3-2019)規(guī)定，危害商是污染物每日攝入劑量與參考劑量的比值，用于表征人體經單一途徑暴露于非致癌污染物而受到危害的水平，單一污染物的總危害商由各途徑危害商加和得到，不同暴露途徑的危害商按照HJ 25.3-2019附錄中公式〔A.13～A.20，見式(1)～(6)〕由HERA軟件自動計算得出. 對受體人群的健康影響，包括致癌風險和非致癌風險，根據計算結果發(fā)現，此次風險評估可不考慮選定暴露途徑下的致癌風險，非致癌危害商如表2所示，單一污染物的非致癌可接受危害商為1. 由表2可見，非致癌風險隨碳鏈長度的增加而增高. A1～A4監(jiān)測井的總石油烴和分段石油烴的危害商均小于1，健康風險為可接受水平；A5監(jiān)測井C～C的危害商小于1，但是C～C、C～C、C～C的危害商均高于1，總石油烴危害商為44.990，是可接受值的45倍，表示A5監(jiān)測井的風險較高，對人體健康可能造成損害.

式中：I OVER為吸入室外空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物對應的地下水暴露量(致癌效應)，L/(kg·d)；VF為地下水中污染物擴散進入室外空氣的揮發(fā)因子，L/m； D AIR為兒童空氣呼吸量，m/d； DAIR為成人空氣呼吸量，m/d； EFO為兒童的室外暴露頻率，d/a； EFO為 成人的室外暴露頻率，d/a； ED為兒童暴露期，a； B W為 兒童體質量，kg； E D為成人暴露期，a；BW為成人體質量，kg；A T為致癌效應平均時間，d.

式中：I OVER為吸入室外空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物對應的地下水暴露量(非致癌效應)，L/(kg·d)；AT為非致癌效應平均時間，d.

式中： I IVER為吸入室內空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物對應的地下水暴露量(致癌效應)，L/(kg·d)；VF為地下水中污染物擴散進入室內空氣的揮發(fā)因子，L/m； EFI為 兒童的室內暴露頻率，d/a； EFI為成人的室內暴露頻率，d/a.

式中， I IVER為吸入室內空氣中來自地下水的氣態(tài)污染物對應的地下水暴露量(非致癌效應)，L/(kg·d).

式中：C GWER為飲用受影響地下水對應的地下水的暴露量(致癌效應)，L/(kg·d)； G WCR為兒童每日飲水量，L/d；G WCR為 成人每日飲水量，L/d； E F為兒童暴露頻率，d/a； E F為成人暴露頻率，d/a.

式中，C GWER為飲用受影響地下水對應的地下水的暴露量(非致癌效應)，L/(kg·d).

2.3 地下水微生物分析

微生物門水平和屬水平分析

圖 2 各監(jiān)測井微生物群落門水平的絕對豐度Fig.2 Absolute abundance of microbial community phylum horizontal of all monitoring wells heat map

微生物群落結構的變化可以反映微生物的分布情況. 基于16SrRNA的微生物群落高通量測序結果，探討了地下水微生物種類豐富程度與石油烴健康風險之間的關系. A3監(jiān)測井地下水樣品未用0.22 μm濾膜濾出足量的微生物，因此缺失其微生物數據，其他4個監(jiān)測井地下水中細菌門分類水平上優(yōu)勢菌群的絕對豐度見圖2. 由圖2可見，A1監(jiān)測井中細菌門分類水平上絕對豐度由高到低依次為Patescibacteria、變形菌門、厚壁菌門、放線菌門和擬桿菌門，A2監(jiān)測井中依次為厚壁菌門、變形菌門和擬桿菌門，A4監(jiān)測井中依次為變形菌門、Dependentiae、Patescibacteria和厚壁菌門，A5監(jiān)測井中依次為厚壁菌門、擬桿菌門、Patescibacteria和變形菌門. A1～A5(除A3外)監(jiān)測井中均含有豐富的變形菌門和厚壁菌門，與已有研究發(fā)現變形菌門和厚壁菌門是石油烴降解優(yōu)勢類群的結果一致. 擬桿菌門是一種發(fā)酵和硫酸鹽還原微生物，能降解各種碳氫化合物并產生短鏈有機酸、乙酸和H. 4個監(jiān)測井中其他種類細菌含量較少，可能與這些菌類的耐受性較低有關.

4個監(jiān)測井(A1、A2、A4、A5)地下水中細菌屬分類水平上優(yōu)勢菌群的絕對豐度位如圖3所示. 由圖3可見：A1和A4監(jiān)測井中優(yōu)勢菌屬是未知分類屬；A2監(jiān)測井中優(yōu)勢菌屬為；A5監(jiān)測井含有的分枝桿菌屬()和湖水水桿狀菌屬()，二者都有降解石油烴的功能. A1和A4監(jiān)測井細菌屬水平種類較多，A2和A5監(jiān)測井細菌屬水平種類較少，且4個監(jiān)測井的優(yōu)勢菌屬有所差異，相關性不明顯，可能與各監(jiān)測井中其他種類污染物有關. 細菌的差異性表明，石油烴對具有石油烴降解能力的細菌具有選擇性. 微生物群落的演替是環(huán)境選擇的結果，但微生物群落的具體演替規(guī)律還有待進一步研究.

細菌α多樣性分析

不同監(jiān)測井中微生物的α多樣性指數如表3所示. Chao指數和Shannon-Wiener指數分別指示物種豐富度和多樣性，數值越高表明樣品的物種豐富度和多樣性越高. 用Simpson指數評價物種均勻性，當Simpson指數越接近1時，說明微生物群落分布越均勻. A5監(jiān)測井Chao指數和Shannon-Wiener指數最高(見表3)，說明該點物種豐富度最高； Simpson指數最低，說明該點微生物群落分布種類多樣. 而A1、A2、A4監(jiān)測井的Simpson指數更接近1(見表3)，說明微生物群落均一性高，但Chao指數和Shannon-Wiener指數均較低，說明A2、A4監(jiān)測井物種豐富度均較低. 因此，一定范圍內石油烴濃度的增加，利于石油烴降解功能微生物的生長，使降解菌豐富度升高.微生物群落結構的多樣性和豐富度與石油烴的降解有關，A5監(jiān)測井的微生物豐富度最高，也對應A5監(jiān)測井的石油烴降解能力較強(見圖4). 4個監(jiān)測井含有豐富的變形菌門和厚壁菌門(見圖4)，二者相對豐度占細菌群落總數的50%以上，有利于石油烴的生物降解. 研究表明，油水界面上微生物相互作用具有混合表面潤濕性，油水相互作用會受到微生物生物量的顯著影響，并且總生物量與油水乳化液質量成正比. 污染環(huán)境中物種豐富度和多樣性水平的提高有助于微生物種群特殊功能的實現，利于污染物衰減.

圖 3 各監(jiān)測井微生物群落屬水平的絕對豐度Fig.3 Absolute abundance of microbial community gene horizontal of all monitoring wells heat map

表 3 監(jiān)測井中微生物的α多樣性指數Table 3 The α diversity index of microorganism of all monitoring wells

2.4 微生物生化作用對石油烴健康風險的影響

風險管控的原理指采取各種措施和方法削減、清除、固定污染源，保護風險受體，控制其健康風險. 本地微生物菌群在石油烴的生物降解和生物修復過程中發(fā)揮了重要作用. 石油烴污染使環(huán)境發(fā)生了微妙的變化，表現出對石油烴降解菌的選擇性，可能減少一些對石油烴不耐受微生物的數量，增加具有石油烴降解功能微生物數量，群落組成向石油烴優(yōu)勢降解菌種群非均勻轉變. 這種微生物群落動態(tài)變化可以提高對石油烴的生物降解性能，從而提高自然衰減效率，所以適量濃度的石油烴會富集石油烴降解功能菌，從而正向刺激石油烴的自然衰減效率.各種細菌、真菌參與石油烴降解，可通過自身代謝作用，將石油烴污染物質降解成HO、CO等無毒無害物質. 一些細菌可以產生生物表面活性劑來正向輔助降解石油烴，生物表面活性劑可以乳化石油，使大分子油團分散成小分子油滴，包裹小油滴進入水相，增加石油烴與微生物細胞膜的接觸面積，從而提高降解效率. Varjani等報道了假單胞菌產生的生物表面活性劑(鼠李糖脂)能有效去除石油烴污染物. 這些細菌是有效的石油烴修復劑. 自然環(huán)境中石油烴降解功能菌僅占群落總數的不到1%，石油烴污染環(huán)境中石油烴降解功能菌比例可能在10%左右. 多數石油烴降解菌都有負責降解目標底物的酶，由于缺少某些酶，很少有微生物能夠降解多種類的復雜石油烴，所以微生物群落結構的穩(wěn)定性和多樣性是影響石油烴生物降解性能的重要因素，協同微生物群落呈現出更多的優(yōu)勢，如更多分解代謝基因和共代謝作用，利于石油烴污染物的自然衰減作用，可以降低石油烴的健康風險.

圖 4 微生物物種關系Circos圖Fig.4 Microorganism species relationship Circos diagram

3 結論

a) A3監(jiān)測井石油烴濃度(0.06 mg/L)最低，A5監(jiān)測井石油烴濃度(6.61 mg/L)最高，A1～A4監(jiān)測井石油烴濃度差別不顯著，A5監(jiān)測井石油烴濃度約為其他監(jiān)測井的60～100倍.

b)利用HERA軟件以石油烴為目標污染物進行健康風險評估，結果表明，該場地C～C、C～C的篩選值均為0.190 mg/L，C～C、C～C的篩選值均為0.142 mg/L. A1～A4監(jiān)測井的健康風險在可接受水平. A5監(jiān)測井總石油烴危害商為44.990，是可接受值的45倍，表示A5監(jiān)測井的風險較高，對場地周邊人群的健康損害風險較大. 在同一場地條件下，石油烴濃度越高，其健康風險越高. 建議根據不同監(jiān)測井的健康風險選用合適的修復技術對場地進行經濟有效的修復. 例如風險較高的監(jiān)測井采取抽出處理技術、化學氧化技術、可滲透反應墻技術等，風險在可接受范圍內的監(jiān)測井采取監(jiān)測自然衰減技術.

c) 4個監(jiān)測井的微生物群落組成略有差異，A1、A2、A4、A5監(jiān)測井均含有變形菌門和厚壁菌門，且在A5監(jiān)測井中絕對豐度較高，說明一定范圍內較高的石油烴污染會刺激有石油烴降解功能的微生物生長，如變形菌門、厚壁菌門和擬桿菌門，對污染物有更好的抵抗能力和降解能力，從而正向提高對石油烴的生物降解能力，降低石油烴健康風險. 不同種類石油烴降解菌對石油烴的降解機制是今后的研究重點.