基于PMT預(yù)測模型的農(nóng)田持久性、可遷移性、毒性污染物篩選技術(shù)研究

李晨男，于洋，鄭玉婷，張麗麗，林軍，于彩虹，黃怡，王力明

1.生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心，北京 100029

2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083

3.北京市污染源管理事務(wù)中心，北京 100089

改革開放以來，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的同時產(chǎn)生了許多問題：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理精細(xì)化水平低、農(nóng)藥化肥使用量高、畜禽激素抗生素濫用和農(nóng)業(yè)面源污染問題嚴(yán)峻。據(jù)調(diào)查，目前我國農(nóng)田污染物主要包括農(nóng)藥、農(nóng)膜中的酞酸酯、畜禽抗生素和畜禽激素4類物質(zhì)[1-2]。有研究指出全球每年有560多萬t(折純量)農(nóng)藥進(jìn)入農(nóng)田，其中99%都散逸在土壤、大氣和生物體內(nèi)，這些農(nóng)藥會直接或通過食物鏈、食物網(wǎng)間接進(jìn)入人體中對人體健康造成危害[3-4]。農(nóng)藥的使用也會殺傷大量非靶標(biāo)生物，致使害蟲天敵及其他有益生物死亡，嚴(yán)重影響農(nóng)田生態(tài)平衡。酞酸酯類物質(zhì)會通過內(nèi)分泌干擾作用影響人的生殖系統(tǒng)，造成無法生育、畸形兒等嚴(yán)重危害。陳璽等[5]研究發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)含有高濃度的酞酸酯類殘留，我國黃河流域、珠江流域都有該物質(zhì)的檢出。畜禽糞便中的激素，會通過施肥等方式進(jìn)入農(nóng)田。陳小桐等[6]研究了遼寧省畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放抗生素情況，發(fā)現(xiàn)畜禽糞污中39.34%的抗生素排入養(yǎng)殖廢水，61.66%存在于畜禽糞便中。韓進(jìn)等[7]檢測了市面上基于畜禽糞便制備的有機(jī)肥中4種雌激素含量，發(fā)現(xiàn)4種雌激素檢出率分別為47.06%、11.76%、17.65%和5.88%，含量在11.00～298.52 μg·kg-1。Jin等[8]指出一些典型PMTs(persistent,mobile and toxic compounds)在我國的各類食品、藥品及部分環(huán)境介質(zhì)中檢出，例如三聚氰胺、莠滅凈、甲基叔丁基醚和全氟烷酸化合物。其中，三聚氰胺常用于化肥組分，莠滅凈是常用的除草劑，是典型的農(nóng)田PMT污染物。

PMT類物質(zhì)不僅具有持久性而且水溶性高，容易通過降水等進(jìn)入自然水體，在地下水和地表水中持續(xù)累積，進(jìn)而可能影響飲用水水質(zhì)，產(chǎn)生嚴(yán)重危害[9]。Keighley等[10]研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田中一種常用的腹足動物殺蟲劑四聚乙醛難以降解，具有遷移性，揭示了其在英國地下水和地表水中檢測含量過高的原因。目前由于PMT類污染物對水質(zhì)安全的威脅，開始受到各國的廣泛關(guān)注。

德國環(huán)保部率先對歐盟REACH注冊的化學(xué)藥品中PMT類物質(zhì)進(jìn)行篩選管控[11]。歐盟化學(xué)品管理局(ECHA)于2020年10月通過的化學(xué)品可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[12]，將針對PMT和持久性極強(qiáng)和極易移動性物質(zhì)(vPvM)制定新的危害標(biāo)準(zhǔn)并對CLP法規(guī)進(jìn)行修訂。國內(nèi)也有學(xué)者開始關(guān)注PMT類污染物，例如Huang等[13]對中國地表水、地下水和飲用水中檢出的432種藥物及個人護(hù)理產(chǎn)品類物質(zhì)(pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)進(jìn)行篩選，結(jié)果表明有44.3%的PPCPs類物質(zhì)符合或者根據(jù)證據(jù)的權(quán)重可能符合PMT/vPvM標(biāo)準(zhǔn)。但是目前我國對于PMTs的研究尚在起步階段，也沒有相關(guān)的管控措施與法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。如何對PMT類污染物進(jìn)行篩選以便于從源頭上進(jìn)行管控非常重要。

本研究通過文獻(xiàn)調(diào)研法、數(shù)據(jù)庫檢索法和名錄對比法確定農(nóng)田PMT污染物初篩名單，利用生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心開發(fā)的預(yù)測模型[14]評估確定了農(nóng)田PMT類污染物清單。研究建立的農(nóng)田PMT類污染物快速篩選技術(shù)及清單，可為我國進(jìn)一步開展PMT類污染物的研究與管控提供一定參考作用。

1 研究方法(Research method)

1.1 模型判定方法(Model construction method)

1.1.1 持久性(P)判定標(biāo)準(zhǔn)(Persistence (P) evaluation criteria)

生態(tài)環(huán)境部固體廢物與化學(xué)品管理技術(shù)中心開發(fā)的PMT預(yù)測模型對于P的評估是以污染物的快速生物降解性作為判斷依據(jù)。我國《新化學(xué)物質(zhì)環(huán)境管理登記指南》(2020)[15]中規(guī)定，快速生物降解結(jié)果可以作為判斷持久性的依據(jù)，若物質(zhì)不具有快速生物降解性，則判斷其為潛在具有P的物質(zhì)；否則判斷其不具有P。

1.1.2 遷移性(M)判定標(biāo)準(zhǔn)(Mobility (M) evaluation criteria)

M是指化合物被釋放到環(huán)境之后，具有從釋放地點(diǎn)遷移至其他地點(diǎn)的潛力。2019年ECHA在《PMT/vPvM物質(zhì)識別和評估指南和方法》[16]中提出了M和高遷移性(vM)的標(biāo)準(zhǔn)。

水環(huán)境中M判定標(biāo)準(zhǔn)為：在pH=4～9、12 ℃的環(huán)境水樣中，化合物的水溶解度(SW)≥150 μg·L-1，化合物吸附系數(shù)(logKoc)≤4.0；水環(huán)境中vM判定標(biāo)準(zhǔn)為：在pH=4～9、12 ℃的環(huán)境水樣中，化合物的SW≥150 μg·L-1；且logKoc≤3.0。

PMT預(yù)測模型中的M基于logKoc判定，對于疏水性分子態(tài)有機(jī)物，logKoc可通過logKow估算[17]：

Koc=0.35Kow

logKoc=logKow-0.456

式中：Koc為土壤/沉積物吸著系數(shù)，量綱為1；Kow為辛醇水分配系數(shù)，量綱為1。若物質(zhì)logKoc<4，則判斷其具有M。

1.1.3 毒性(T)判定標(biāo)準(zhǔn)(Toxicity (T) assessment criteria)

PMT預(yù)測模型對于T的評估依據(jù)《化學(xué)品分類和標(biāo)簽規(guī)范 第28部分：對水生環(huán)境的危害》(GB 30000.28—2013)[18]以及《持久性、生物累積性和毒性物質(zhì)及高持久性和高生物累積性物質(zhì)的判定方法》(GB 24782—2009)[19]關(guān)于毒性物質(zhì)的判別標(biāo)準(zhǔn)。若水生慢性NOEC<0.01 mg·L-1，或水生急性EC/L50<0.01 mg·L-1，則判斷其為具有T的物質(zhì)。

1.2 名錄對比法T判定標(biāo)準(zhǔn)(List comparison method T judgement standard)

(1)具有致癌性、致突變性和生殖毒性物質(zhì)(carcinogenicity,mutagenicity,toxic to reproduction,CMR)。致癌性判斷依據(jù)來源于國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)[20]2020年公布的致癌物質(zhì)清單，致突變性、生殖毒性判斷依據(jù)來源于ECHA官方網(wǎng)站C&L數(shù)據(jù)庫[21]。(2)具有內(nèi)分泌干擾類物質(zhì)(endocrine disrupting chemicals,EDCs)。判斷依據(jù)來源于日本環(huán)境廳《關(guān)于環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的戰(zhàn)略計劃》[22]、美國環(huán)境保護(hù)局《內(nèi)分泌干擾物篩查計劃》[23]、歐盟《歐盟高關(guān)注物質(zhì)清單》(SVHC)[24]、世界自然基金會(World Wide Fund for Nature or World Wildlife Fund,WWF)《環(huán)境中被報告具有生殖和內(nèi)分泌干擾物清單》[25]。

1.3 PMT預(yù)測模型準(zhǔn)確性驗證方法(Accuracy verification method of PMT prediction model)

利用PMT預(yù)測模型對Huang等[13]研究中所涉及的432種PPCPs物質(zhì)快速預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果結(jié)合名錄對比法與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比較，來驗證PMT模型的準(zhǔn)確性。

1.3.1 P、M驗證方法(P and M verification methods)

利用PMT預(yù)測模型對432種PPCPs類物質(zhì)的P和M進(jìn)行預(yù)測。通過批量輸入數(shù)據(jù)CAS號得出P和M的預(yù)測結(jié)果，然后與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

1.3.2 T驗證方法(T verification method)

利用PMT預(yù)測模型對432種PPCPs類物質(zhì)的T進(jìn)行預(yù)測。通過批量輸入數(shù)據(jù)CAS號得出T的預(yù)測結(jié)果。同時，利用歐盟CMR類物質(zhì)清單，歐盟高關(guān)注物質(zhì)(SVHCs)清單，以及歐美與日本等EDCs類物質(zhì)清單，對432種PPCPs類物質(zhì)進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果判斷是否為T類物質(zhì)。

1.4 農(nóng)田PMT污染物篩選方法(Screening method of farmland PMT pollutants)

1.4.1 初篩名單建立方法(Establishment method of preliminary screening list)

采用數(shù)據(jù)庫檢索法、文獻(xiàn)調(diào)研法、名錄對比法建立農(nóng)田持久性、可遷移性、毒性污染物初篩名單，具體如下。(1)采用數(shù)據(jù)庫檢索法，收集中國農(nóng)藥信息網(wǎng)中登記的農(nóng)藥數(shù)據(jù)信息；(2)通過查詢知網(wǎng)相關(guān)文獻(xiàn)，收集農(nóng)膜中酞酸酯類物質(zhì)信息；(3)通過查詢知網(wǎng)畜禽抗生素類化學(xué)物質(zhì)相關(guān)文獻(xiàn)以及國家發(fā)布的畜禽抗生素類化學(xué)物質(zhì)名錄，收集畜禽養(yǎng)殖使用的抗生素類化學(xué)物質(zhì)；(4)通過查詢知網(wǎng)畜禽激素類化學(xué)物質(zhì)相關(guān)文獻(xiàn)以及國家發(fā)布的畜禽激素類化學(xué)物質(zhì)名錄，收集畜禽養(yǎng)殖使用的激素類化學(xué)物質(zhì)。

1.4.2 農(nóng)田PMT污染物篩選方法(Screening method of farmland PMT pollutants)

利用模型預(yù)測法和名錄對比法，建立農(nóng)田PMT污染物篩選方法。P和M使用模型預(yù)測法。毒性指標(biāo)T利用模型預(yù)測法和名錄比對法評估，具體同1.3.2，將初篩名單中物質(zhì)與其進(jìn)行比較。結(jié)合模型篩選法與名錄對比法結(jié)果，得出最終農(nóng)田PMT類污染物清單。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 PMT模型驗證結(jié)果(PMT model verification results)

Huang等[13]研究的432種PPCPs中部分物質(zhì)缺乏M和T的數(shù)據(jù)，本研究選取數(shù)據(jù)量較為完整的335種PPCPs類數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究從而確定PMT預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。

P模型預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比，335個數(shù)據(jù)中有299種數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果一致，占總數(shù)的89.3%，36個數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果不同占比10.7%。M模型結(jié)果對比顯示，299種數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果一致，占總數(shù)的89.3%，36個數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果不同占總數(shù)的10.7%。T結(jié)合名錄對比與模型預(yù)測得出的結(jié)果對比可知，261個數(shù)據(jù)的結(jié)果一致，占總數(shù)的77.9%，74種數(shù)據(jù)結(jié)果不同，占總數(shù)的22.1%。從PMT類物質(zhì)判定結(jié)果看，236個物質(zhì)篩選結(jié)果相同，占總數(shù)的70.5%，99個篩選結(jié)果不同，占總數(shù)的29.5%。驗證結(jié)果如圖1所示。

圖1 PMT預(yù)測模型準(zhǔn)確性驗證結(jié)果Fig. 1 Accuracy verification results of PMT prediction model

可見，利用PMT篩選模型結(jié)合名錄對比法所得的篩選結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)一致率較高，可以用來預(yù)測PMT污染物。其中，P和M一致率比較高，都為89.3%。T的一致率也相對較高占77.9%，但是不如P和M?？赡苡捎赑MT預(yù)測模型對于T的預(yù)測是基于水生生物毒性與人體健康毒性，而文獻(xiàn)對于T的界定沒有包含水生生物毒性，導(dǎo)致存在一定的差異性，但預(yù)測結(jié)果的一致性在合理范圍內(nèi)。

2.2 農(nóng)田PMT類污染物篩選結(jié)果(Screening results of farmland PMT pollutants)

2.2.1 確立初篩名單(Establish a preliminary screening list)

截至2021年4月30日，中國農(nóng)藥信息網(wǎng)登記在冊的農(nóng)藥總共42 365條數(shù)據(jù)信息。排除部分生物農(nóng)藥、植物源農(nóng)藥和衛(wèi)生用藥，共計32 145種化學(xué)農(nóng)藥產(chǎn)品。通過查詢農(nóng)藥的登記證號得到農(nóng)藥的有效成分，去重處理，最終得到298種農(nóng)藥的有效成分信息。

調(diào)研中國知網(wǎng)科研文獻(xiàn)40余篇，得到了農(nóng)膜中的15種酞酸酯類污染物物質(zhì)信息。根據(jù)我國原農(nóng)業(yè)部第1997號公告《獸用處方藥品種目錄(第一批)》[26]、第2471號公告《獸用處方藥品種目錄(第二批)》[27]、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第245號公告《獸用處方藥品種目錄(第三批)》[28]以及中國獸藥信息網(wǎng)公示的信息，排除生物源抗生素，篩選出11種禽畜抗生素有效化學(xué)成分，納入農(nóng)田PMT污染物初篩名單。20篇中文文獻(xiàn)涉及8種畜禽抗生素，納入農(nóng)田PMT污染物初篩名單。

根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第176號公告《禁止在飼料和動物飲用水中使用的藥物品種目錄》[29]、第193號公告《食品動物禁用的獸藥及其他化合物清單》[30]，篩選出11種禽畜激素有效化學(xué)成分納入農(nóng)田PMT污染物初篩名單；30余篇中文文獻(xiàn)涉及5種畜禽激素，納入農(nóng)田PMT污染物初篩名單。

將獲得的298種農(nóng)藥有效成分、15種酞酸酯類、19種畜禽抗生素類和16種畜禽激素類化學(xué)物質(zhì)匯總，去重處理，最終得到農(nóng)田PMT類污染物初篩名單，共計334種污染物，如圖2所示。

圖2 農(nóng)田初篩名單Fig. 2 Farmland preliminary screening list

2.2.2 農(nóng)田PMT類污染物篩選結(jié)果(Screening results of farmland PMT pollutants)

利用PMT預(yù)測得到P和M篩選結(jié)果。初篩名單中有274個物質(zhì)預(yù)測可能具有P，占總數(shù)的81.7%，253個預(yù)測可能具有M，占總數(shù)75.7%。

采用模型預(yù)測與名錄比對法得到T篩選結(jié)果。PMT預(yù)測結(jié)果顯示，初篩名單中有182個數(shù)據(jù)可能符合T標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的54.5%；名錄對比法結(jié)果，有30個數(shù)據(jù)符合T標(biāo)準(zhǔn)，其中16種為CMR類物質(zhì)，14種為內(nèi)分泌干擾類物質(zhì)。

對農(nóng)田PMT污染物初篩名單中的334種物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步篩選判定，最終有120種物質(zhì)判斷為可能具有PMT類污染物特性，如表1所示。其中，包括110種化學(xué)農(nóng)藥、5種抗生素和5種激素；110種化學(xué)農(nóng)藥包含34種殺菌劑、32種殺蟲劑和42種除草劑，如圖3所示。

表1 農(nóng)田PMT類污染物清單Table 1 List of farmland PMT pollutants

續(xù)表1CAS物質(zhì)名稱Substance name類別CategoryCAS物質(zhì)名稱Substance name類別Category5598-13-0甲基毒死蜱 Chlorpyrifos methyl農(nóng)藥Pesticides144171-61-9莠滅凈 Atrazine農(nóng)藥Pesticides23564-05-8甲基硫菌靈 Thiophanate methyl農(nóng)藥Pesticides834-12-8莠去津 Ametryn農(nóng)藥Pesticides29232-93-7甲基嘧啶磷 Methyl pyrimidine phosphorus農(nóng)藥Pesticides1912-24-9魚藤酮 Rotenone農(nóng)藥Pesticides88671-89-0腈菌唑 Myclobutanil農(nóng)藥Pesticides83-79-4唑草酮 Oxazolidone農(nóng)藥Pesticides113158-40-0精噁唑禾草靈 Fenoxazole graminearum農(nóng)藥Pesticides98967-40-9唑嘧磺草胺 Flumetsulam農(nóng)藥Pesticides23103-98-2抗蚜威 Pirimicarb農(nóng)藥Pesticides7177-48-2氨芐西林 Ampicillin抗生素 Antibiotic1563-66-2克百威 Carbofuran農(nóng)藥Pesticides73231-34-2氟苯尼考 Florfenicol抗生素Antibiotic133-06-2克菌丹 Captan農(nóng)藥Pesticides114-07-8紅霉素 Erythromycin抗生素Antibiotic119738-06-6喹禾糠酯 Quizalofop-P-tefuryl農(nóng)藥Pesticides15318-45-3甲砜霉素 Thiamphenicol抗生素Antibiotic76578-14-8喹禾靈 Quizalofop-ethyl農(nóng)藥Pesticides61-33-6青霉素 Penicillin抗生素Antibiotic13593-03-8喹硫磷 Quinothion農(nóng)藥Pesticides57-63-617α炔雌醇 Ethinylestradiol激素 Hormone60-51-5樂果 Dimethoate農(nóng)藥Pesticides57-85-2丙酸睪酮 Testosterone propionate激素 Hormone203313-25-1螺蟲乙酯 Spirotetramat農(nóng)藥Pesticides50-27-1雌三醇 Estriol激素 Hormone15545-48-9綠麥隆 Chlortoluron農(nóng)藥Pesticides1231-93-2炔諾醇 Etynodiol激素 Hormone128639-02-1氯苯胺靈 Chloranilin農(nóng)藥Pesticides797-63-7左炔諾孕酮 Levonorgestrel激素 Hormone

圖3 農(nóng)田PMT類污染物篩選結(jié)果Fig. 3 Screening results of farmland PMT pollutants

3 討論(Discussion)

PMT預(yù)測模型驗證結(jié)果表明，P、M、T以及PMT的預(yù)測，與文獻(xiàn)結(jié)果的一致率分別為89.3%、89.3%、77.9%和70.5%。

通過文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)庫檢索法和名錄對比法，建立334種農(nóng)田污染物初篩名單，包括298種化學(xué)農(nóng)藥、15種酞酸酯、19種畜禽抗生素和16種畜禽激素。利用已驗證的PMT模型結(jié)合名錄對比法，初步篩選出120種可能為農(nóng)田PMT污染物名單，涉及34種殺菌劑、32種殺蟲劑、42種除草劑、5種抗生素和5種激素。

篩選得到的農(nóng)田PMT類污染物清單，不含初篩名單中的15種酞酸酯類物質(zhì)。鄒穎和劉寧[31]提出酞酸酯類化合物易溶于脂肪和有機(jī)溶劑、不易溶于水，極易在生物體內(nèi)富集從而造成危害，不符合M指標(biāo)，從另一個方面說明了模型預(yù)測與篩選結(jié)果的準(zhǔn)確性。

目前，國內(nèi)僅有Huang等[13]對地下水、地表水中PPCPs類物質(zhì)進(jìn)行了PMT污染物篩選研究。本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田污染物中涉及的PMT類物質(zhì)種類眾多、面廣量大，對我國水質(zhì)安全可能具有潛在風(fēng)險。建議重視對該類污染物的篩選研究，并進(jìn)行合理有效的管控。

本文是從管理角度出發(fā)，探究一種能夠從大量化學(xué)物質(zhì)中進(jìn)行高通量快速篩選PMT污染物的技術(shù)。使用模型預(yù)測數(shù)據(jù)可以提高效率，但是缺點(diǎn)是存在不確定性。在這樣的背景下，從管理的角度，筆者不希望在初篩的環(huán)節(jié)漏掉那些“可疑分子”，篩選原則基于的是最壞情況假設(shè)(the worse case)。因此，建模和篩查的思路較為保守，篩選結(jié)果說明120種物質(zhì)可能具有PMT類污染物特性，但是最終判斷是否具有PMT的特性，哪些是vPvM類污染物需要重點(diǎn)關(guān)注，需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支持。

本研究依托PMT預(yù)測模型，建立了一種農(nóng)田PMT污染物高通量快速篩選方法。通過批量輸入化學(xué)物質(zhì)CAS號或者Smiles碼，獲得其P、M和T的數(shù)據(jù)，結(jié)合名錄對比法就能夠初步判斷其是否為PMT類污染物。篩選過程快速高效且不局限于農(nóng)田類PMT污染物篩選。希望本研究建立的篩選方法，能夠為我國PMT類污染物篩選提供一定參考。