貴州省東部典型煙區(qū)土壤和煙葉中鄰苯二甲酸酯的殘留及源解析*

馬 軍 滕 應(yīng) 曹雪瑩 譚長銀 王 勇 吳蘭艷 秦航道

(1.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.湖南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所，土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；4.長沙學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究院，湖南 長沙 410022)

鄰苯二甲酸酯(PAEs)被廣泛用于農(nóng)業(yè)佐劑、塑料、農(nóng)藥生產(chǎn)、建筑材料、食品包裝和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品等各個(gè)行業(yè)中[1-2]。PAEs由1個(gè)剛性平面芳烴和兩個(gè)可塑的非線性脂肪側(cè)鏈組成，為無色油狀黏稠液體，常溫下蒸氣壓很低，難溶于水，不易揮發(fā)。PAEs是具有“三致”毒害的環(huán)境激素類污染物質(zhì)，對人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來巨大威脅[3]，美國環(huán)保部門所列重點(diǎn)控制的污染物中有6種PAEs：鄰苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)和鄰苯二甲酸二辛酯(DnOP)[4]。有研究指出在大氣、水、灰塵、土壤和動植物等多種環(huán)境介質(zhì)中存在PAEs污染[5]22659。PAEs會長時(shí)間殘留在環(huán)境介質(zhì)中，植物吸收環(huán)境介質(zhì)中的PAEs后能通過食物鏈在動物和人體內(nèi)蓄積[6]8471；PAEs會損害人的生殖系統(tǒng)，使生殖功能紊亂，從而降低精子活性[7]；DBP和DEHP具有潛在的基因毒性和致癌風(fēng)險(xiǎn)，頻繁暴露于PAEs中的孕婦將可能會導(dǎo)致其萊氏細(xì)胞功能受損，最終導(dǎo)致新生兒性別變異[8]。貴州省東部屬于典型的烤煙生產(chǎn)種植區(qū)，烤煙種植已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)收入之一。該區(qū)煙農(nóng)在種植烤煙的過程中大量使用農(nóng)業(yè)塑料薄膜來提高煙葉的產(chǎn)量，然而農(nóng)膜的生產(chǎn)過程中通常以PAEs作為增塑劑[9]并被釋放[10]，這使得其在土壤中大量殘留。目前，貴州省東部典型烤煙種植地區(qū)土壤和煙葉中PAEs的污染特征及污染源解析鮮有報(bào)道。因此，研究可持續(xù)性有機(jī)污染物的殘留特征可以較全面綜合地評價(jià)其潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而為我國制定持續(xù)性有機(jī)污染管控相關(guān)的政策與法規(guī)提供理論依據(jù)。

本研究以貴州省東部典型煙區(qū)土壤和煙葉為研究對象，分別采集40個(gè)土壤和新鮮煙葉樣品，測定其中的6種PAEs含量，分析煙區(qū)土壤和新鮮煙葉中6種PAEs污染組成特征和污染水平，解析土壤和煙葉中PAEs的污染來源并進(jìn)行討論，以期為貴州省東部典型煙區(qū)PAEs的污染控制及煙農(nóng)在種植、管理烤煙的過程中的風(fēng)險(xiǎn)管控提供理論支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

樣品采集區(qū)位于貴州省東部的松桃縣，于2020年8月分別采集烤煙成熟期新鮮煙葉和土壤樣品40個(gè)：普覺鎮(zhèn)(PJ)各10個(gè)；孟溪鎮(zhèn)太平山村(MX)各10個(gè)；長坪鄉(xiāng)(CP)、盤信鎮(zhèn)(PX)、平頭鄉(xiāng)(PT)、太平營鄉(xiāng)(TP)各5個(gè)。土壤樣品按“S”形布點(diǎn)法布設(shè)點(diǎn)位，用不銹鋼取樣鏟采集5個(gè)點(diǎn)位的表層土壤(0～20 cm)，混合均勻后用四分法取約2 kg土壤裝入取樣袋；在同一塊地中隨機(jī)選取8～10株烤煙，用不銹鋼剪刀分別取煙株的上、中、下部位葉片混合為一個(gè)樣(約1 kg)裝袋。有機(jī)肥、底肥、追肥及塑料薄膜樣品各1個(gè)，均來源于當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)長期使用的產(chǎn)品。將樣品置于-20 ℃冷凍保存，冷凍干燥，陶瓷研磨并過60目不銹鋼篩，用棕色玻璃瓶保存待分析。

1.2 儀器與試劑

儀器：四通道色譜分離儀(CHRO-400)、冷凍干燥機(jī)(FreeZone 2)、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(Rotavapor R-215)、氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC—MS，Agilent 7890A/5975C)等。

試劑：6種PAEs標(biāo)準(zhǔn)品購自Dr. Ehrenstorfer公司；實(shí)驗(yàn)過程用水為超純水;實(shí)驗(yàn)試劑均為色譜純。

1.3 樣品分析測定

樣品的分析及測定參照前期研究成果[11-12]，用GC—MS對土壤和煙葉樣品進(jìn)行定量分析。土壤、塑料薄膜和肥料提取液采用四通道色譜分離儀自動凈化；將煙葉提取液采用層析柱凈化；收集洗出液(約10 mL)后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮并用正己烷定容至1 mL，過0.22 μm有機(jī)濾膜后裝入棕色進(jìn)樣瓶待測。

GC—MS使用DB-5MS彈性石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；以He(純度>99.999%)為載氣，流速為1 mg/L。升溫程序：柱室初始溫度50 ℃，持續(xù)1 min；以15 ℃/min速率升溫至200 ℃，持續(xù)1 min；再以8 ℃/min速率升溫至280 ℃，持續(xù)3 min，最終溫度設(shè)定為285 ℃。電子(70 eV)轟擊(EI)離子源，離子源溫度230 ℃，傳輸線溫度260 ℃，接口溫度280 ℃，進(jìn)樣口溫度保持250 ℃，選擇SIM模式進(jìn)行外標(biāo)法定量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 植煙土壤和煙葉中PAEs的分布特征

土壤樣品中6種PAEs總量(∑PAEs)為0.80～16.20 mg/kg，平均值為6.45 mg/kg；DBP和DEHP檢出率為100.0%，質(zhì)量濃度平均值分別為0.69、5.59 mg/kg，最大值分別達(dá)1.77、14.31 mg/kg(見表1)，這與設(shè)施大棚土壤和污泥樣品的檢出率類似[13]267,[14]6。

表1 土壤中6種PAEs質(zhì)量濃度1)

煙葉中DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DnOP質(zhì)量濃度平均值分別為0.05、0.04、0.54、0.05、0.98、0.03 mg/kg，DEHP最突出，其最大值可達(dá)2.86 mg/kg，∑PAEs平均值為1.68 mg/kg(見表2)。DBP和DEHP在所有樣品中的檢出率為100.0%，這與WANG等[13]267在研究設(shè)施大棚蔬菜樣品和ZHAO等[15]4-6在研究芹菜樣品中PAEs時(shí)的檢出率相似。

表2 煙葉中6種PAEs質(zhì)量濃度

CP、PX、PT、TP、MX、PJ 6個(gè)采樣區(qū)均表現(xiàn)出DEHP和DBP占比(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))較高，而DMP、DEP、BBP和DnOP占比較低(見圖1和圖2)。土壤PAEs中DEHP占比為13.94%～96.98%，平均值超過78%，這與LI等[16]研究蔬菜土壤和李艷等[17]研究灌區(qū)土壤的所得結(jié)果類似；土壤PAEs中DBP占比最高達(dá)到71.81%，平均值為17.75%；而DMP、DEP、BBP和DnOP總計(jì)占比的平均值僅為4.19%。這與在溫室大棚土壤、蔬菜地土壤和農(nóng)業(yè)土壤中的檢測情況[18],[19]3類似。

圖1 土壤中各種PAEs的組成

圖2 煙葉中各種PAEs組成

煙葉PAEs中DEHP占比為30.07%～83.39%，平均值為56.94%，與北京蔬菜PAEs中DEHP占比[15]4有一致性；DBP占比為8.87%～57.99%，平均值為31.98%；而DMP、DEP、BBP和DnOP總計(jì)占比平均值僅為11.08%。比較各個(gè)采樣區(qū)土壤中∑PAEs平均值，最小的為CP(2.80 mg/kg)，最大的為PT(10.72 mg/kg)，∑PAEs平均值表現(xiàn)為PT>TP>MX>PJ>PX>CP(見圖3)。本研究土壤中∑PAEs與廣州省農(nóng)業(yè)表層土壤中∑PAEs[20]相當(dāng)，高于西北玉米地土壤、北京溫室大棚菜地土壤中∑PAEs[5]22663,[21]1844，而低于電子垃圾拆解地區(qū)土壤中∑PAEs[22]。

圖3 不同采樣區(qū)土壤中∑PAEs分布

比較煙葉中∑PAEs平均值，最小值為1.04 mg/kg，位于PT；最大值為1.91 mg/kg，位于MX?！芇AEs平均值表現(xiàn)為MX>CP>TP>PX>PJ>PT(見圖4)。本次煙葉樣品中所測定的∑PAEs低于卷心菜、大蒜、生菜、莧菜、芹菜、菠菜、水稻、玉米、野菜和桃樹葉中∑PAEs[13]268,[19]4-5,[21]1846。

圖4 不同采樣區(qū)煙葉中∑PAEs分布

2.2 植煙土壤和煙葉中PAEs的污染水平

我國尚未制定出土壤中PAEs類污染物的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，參照美國標(biāo)準(zhǔn)：土壤中DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP、DnOP的控制標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.020、0.071、0.081、1.215、4.350、1.200 mg/kg[5]22667。所有土壤樣品中DBP均已超過美國控制標(biāo)準(zhǔn)限值，且超標(biāo)倍數(shù)為0.8～20.8；有30個(gè)土壤樣品DMP超過美國控制標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)率達(dá)75%，最高超標(biāo)6.3倍；具致癌風(fēng)險(xiǎn)的BBP和非致癌風(fēng)險(xiǎn)的DnOP最高質(zhì)量濃度均為0.13 mg/kg，低于美國控制標(biāo)準(zhǔn)限值；但具致癌風(fēng)險(xiǎn)的DEHP超標(biāo)率為55%，最高超標(biāo)2.3倍；有10個(gè)土壤樣品中DEP超過美國控制標(biāo)準(zhǔn)限值，超標(biāo)率為25%(見圖5)。因此，本研究植煙土壤可能已經(jīng)受到了PAEs潛在污染威脅。

注：圖中虛線為美國土壤控制標(biāo)準(zhǔn)限值。

從平均值看，6個(gè)采樣區(qū)土壤中DMP、DEHP和DBP均有超標(biāo)。PT土壤中DEHP和DMP的超標(biāo)率均為80%，而DEHP和DMP在MX的超標(biāo)率也均達(dá)到了70%；PJ土壤中DMP超標(biāo)率為70%；CP、PX和TP均有80%的土壤樣品DMP超標(biāo)。本研究植煙土壤中PAEs與其他農(nóng)業(yè)土壤中PAEs的污染狀況比較見表3。植煙土壤中PAEs濃度相對較高。

表3 不同研究區(qū)域土壤中∑PAEs比較

我國尚未制定有關(guān)煙葉中PAEs的控制標(biāo)準(zhǔn)，很難確定煙葉中PAEs的污染水平及劃分相應(yīng)的等級。根據(jù)歐洲食品科學(xué)委員會的建議，人體每日PAEs的攝入量應(yīng)小于0.3 mg/kg(基于體重測算，下同)；美國環(huán)境保護(hù)署指出，人體每日經(jīng)口DBP攝入量應(yīng)小于0.01 mg/kg，DEHP攝入量應(yīng)小于0.05 mg/kg[27]。PAEs存在飲食和非飲食途徑暴露風(fēng)險(xiǎn)[6]8472，煙農(nóng)在種植和管理烤煙的過程中，可能已經(jīng)受到煙葉中高濃度PAEs的非飲食暴露威脅。本研究與其他研究的比較見表4。烤煙屬于茄科植物，∑PAEs高于同科的辣椒，但低于茄瓜。

表4 不同研究區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品中∑PAEs比較

2.3 植煙土壤和煙葉中PAEs的污染源解析

土壤中具致癌風(fēng)險(xiǎn)的BBP和非致癌風(fēng)險(xiǎn)的DEP、DnOP在PC1和PC2上有相近的分布特征；DMP、DEHP和DBP分別聚集在PC1、PC2和PC3上(見圖6(a))；煙葉中DEHP聚集在PC2上，DBP在PC1上因子系數(shù)較高，DnOP在PC3上聚集明顯(見圖6(b))。

圖6 土壤和煙葉中PAEs的主成分分析

烤煙專用底肥和有機(jī)肥中∑PAEs分別為1.17、2.99 mg/kg，旺長期追肥中∑PAEs為1.49 mg/kg，塑料薄膜中∑PAEs高達(dá)28.73 mg/kg (見圖7)，檢測得出的∑PAEs低于塑料大棚所用薄膜[13]268和長江口濕地塑料薄膜∑PAEs[31]。DEHP作為增塑劑被廣泛應(yīng)用于塑料薄膜中，最終殘留于土壤，形成農(nóng)膜污染源[14]9；農(nóng)膜的殘留是導(dǎo)致PAEs污染土壤的主要原因，我國每年有數(shù)百萬噸的塑料薄膜被用于農(nóng)業(yè)中[32]，這增加了PAEs在土壤中的殘留，而塑料薄膜在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的長期使用也增加了PAEs在土壤中的含量[33]。污水灌溉導(dǎo)致土壤PAEs含量增加[34]。DBP在肥料中大量存在，表現(xiàn)為肥料來源[5]22659。DEP和BBP通常用作農(nóng)藥生產(chǎn)過程中的塑化劑而被廣泛使用[35]最終殘留在土壤和農(nóng)作物中；大氣沉降也是植物PAEs累積的途徑[36]。因此植煙土壤和煙葉中PAEs的來源主要為農(nóng)用塑料薄膜、肥料、農(nóng)藥和污水灌溉。

注：YJF為有機(jī)肥；DF為烤煙專用底肥；ZF為旺長期追肥；SLBM為烤煙種植所覆蓋的塑料薄膜。

3 結(jié) 語

貴州省東部典型植煙土壤和煙葉中DEHP和DBP的檢出率均為100.0%。所有土壤樣品DBP含量均超過美國控制標(biāo)準(zhǔn)限值，最高超標(biāo)20.8倍。PAEs可能對煙農(nóng)產(chǎn)生了非飲食暴露的健康風(fēng)險(xiǎn)，需引起相關(guān)管理部門和煙農(nóng)的高度關(guān)注。6個(gè)采樣區(qū)土壤-烤煙體系中PAEs污染源主要表現(xiàn)為農(nóng)用塑料薄膜、肥料、農(nóng)藥和污水灌溉，說明PAEs的殘留與烤煙種植和管理方式密切相關(guān)。未來需通過模型計(jì)算等方式，加強(qiáng)土壤中PAEs環(huán)境行為研究，豐富污染物來源識別的技術(shù)和手段，厘清土壤中PAEs的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，并根據(jù)不同土壤類型和土地利用方式，制定出我國土壤中PAEs的控制和治理標(biāo)準(zhǔn)，為相關(guān)部門提供技術(shù)決策支撐。