華北四城市生活污水中農(nóng)藥殘留及健康風(fēng)險

白 雅,李 壯,黃紅梅,黃健文,梁志豪,范桂恒,劉天佑,李喜青 ,張 巍* (.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 0087；.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 0087；.未名環(huán)境分子診斷技術(shù)研究中心,廣東 佛山 58000；.廣西壯族自治區(qū)公安廳,廣西 南寧 50000)

污染物暴露引發(fā)的城市居民健康風(fēng)險日益成為城市治理中的突出問題,也成為衡量一座城市管理水平的標(biāo)尺[1-4].農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留是公眾非常關(guān)注的健康問題.常規(guī)通過市場抽樣檢測的方法獲得農(nóng)藥殘留數(shù)據(jù),這種檢測受到抽樣頻率、樣本量和覆蓋范圍、檢測能力等條件的限制,具有一定的隨機性和偶然性[5].

進入城市菜籃子的蔬果上殘留的農(nóng)藥,會隨著清洗過程進入生活污水,再經(jīng)污水管網(wǎng)進入污水處理廠,城市生活污水中的農(nóng)藥,絕大部分來自于居民清洗水果蔬菜的排放[6].因此在污水廠進水口采集污水樣品,分析其中農(nóng)藥類物質(zhì)的濃度,結(jié)合參數(shù)模型計算,就能反推這些農(nóng)藥的殘留量[6-7].這種方法稱為污水流行病學(xué),用于實際監(jiān)測城市農(nóng)藥殘留,具有快速、客觀、成本低等突出優(yōu)點.其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以污水中的殘留水平反推消費端的暴露,是評估居民潛在暴露風(fēng)險的最直接數(shù)據(jù)來源.與其他研究方法相比,不僅能更準(zhǔn)確客觀評價城市整體農(nóng)藥殘留水平,還可以確定農(nóng)藥殘留突出的區(qū)域,對城市居民農(nóng)藥暴露的健康風(fēng)險評價具有重要意義[8-9].

本研究對中國華北地區(qū)4個城市的19家生活污水廠進水中的21種農(nóng)藥進行了監(jiān)測分析,應(yīng)用污水流行病學(xué)方法計算城市生活污水中的農(nóng)藥殘留量,評價城市農(nóng)藥殘留特征和潛在健康風(fēng)險,可以為城市精細化管理和公共健康風(fēng)險評估提供方法和數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究以中國華北地區(qū)的 4個省會城市和直轄市:北京、太原、呼和浩特和石家莊作為目標(biāo)研究區(qū)域.在每個城市選取代表性的主要生活污水處理廠,共選擇 19家生活污水廠,這些污水廠均只收納主城區(qū)生活污水,沒有工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)面源污水、以及城市郊區(qū)的農(nóng)家小院污水排入.污水廠收納區(qū)內(nèi)管網(wǎng)雨污分流,城市綠地的排水進入雨水管道,不進入污水廠.確保所采集的樣品能充分代表所在城市居民生活污水的情況,不受工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)面源污染、城市綠化農(nóng)藥、城市郊區(qū)農(nóng)家小院和降雨等的影響.

2017年4和11月,在所選生活污水處理廠進水口(細格柵后)采集進水水樣,各污水廠的采樣時間一致,均連續(xù)采集 7d,采樣期間避開降雨影響.使用Sigma-SD900自動水質(zhì)采樣器(HACH公司,美國),每2h采集一次(每次不少于100mL),每天24h采集12個樣品,將其等體積混合得當(dāng)日混合樣.將當(dāng)日混合樣分裝在專用樣品瓶中,轉(zhuǎn)移至-20℃冰箱冷凍保存.采樣結(jié)束后,采用冷鏈運輸,使樣品在冷凍條件下運送到實驗室進行檢測分析.

1.2 實驗方法

實驗方法為固相萃取(SPE)-液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜分析(HPLC-MS/MS).采用固相萃取法對污水樣品進行前處理.取200mL樣品,用0.45μm玻璃纖維濾膜過濾,濾液以2mL/min的流速加載到固相萃取柱(Oasis-HLB,Waters公司,美國).在樣品加載前,固相萃取柱依次用3mL甲醇和3mL超純水活化.樣品加載完成后,用 3mL超純水淋洗萃取柱,然后以緩和的空氣流持續(xù)抽氣10min直至萃取柱干燥.干燥后的萃取柱用 5mL甲醇洗脫,在室溫下用緩和的高純氮氣將洗脫液吹干,然后用 500μL20%的甲醇水溶液對氮吹的殘留物進行復(fù)溶.復(fù)溶后的溶液用 0.22μm有機相過濾離心管(VWR公司,美國)過濾,濾液轉(zhuǎn)移入 UPLC-MS/MS專用的200μL內(nèi)插管,放入1.5mL螺紋口進樣瓶中,4℃下保存,以備上機測定.

前處理后的樣品用高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜進行測定.使用島津高效液相色譜(20AD-XR,Shimadzu,日本)進行分離,所用液相色譜柱為菲羅門Gemini C18柱(100mm×2.00mm,3μm) (Phenomenex,美國),進樣量為5μL.液相色譜的流動相由含0.1%甲酸的水溶液(A 相)和甲醇(B相)組成.洗脫梯度為:0～1.5min:20% B;1.5～2.25min:80% B;2.25～3.1min:95% B;3.1～5.0min:20% B.流動相流速為0.3mL/min.使用API 4000三級四重桿串聯(lián)質(zhì)譜儀(AB Sciex,美國),在多反應(yīng)監(jiān)測模式(MRM)下對濃度進行定量測定.使用電噴霧離子源(ESI),電噴霧電壓為正離子5500V,離子源溫度(TEM)為350℃,霧化氣和輔助氣壓力為0.345MPa.每種農(nóng)藥選擇兩個子離子,母離子、子離子的荷質(zhì)比、去簇電壓(DP)、碰撞電壓(CE)和保留時間(RT)等質(zhì)譜參數(shù)見表1.

表1 目標(biāo)化合物的質(zhì)譜參數(shù)Table 1 Mass spectrum parameters of target compounds

1.3 質(zhì)量控制

樣品的采集和檢測分析過程均采取嚴格的質(zhì)量控制措施.樣品過濾后加入50μL濃度為500 μg/L的混標(biāo)和50 μL濃度為500 μg/L的氘代內(nèi)標(biāo).每批次實驗設(shè)置一組流程空白,與樣品同時進行前處理和測定.本研究共檢測了21種農(nóng)藥,分為殺蟲劑、殺菌劑和除草劑3類.其中殺蟲劑9種,殺菌劑6種,除草劑6種,涵蓋了我國當(dāng)前使用的主要農(nóng)藥種類.這21種農(nóng)藥的方法檢出限在 0.01～0.25ng/L,定量限在0.02～0.82ng/L.根據(jù)流程空白和加標(biāo)濃度計算方法回收率,(75.3±3.5)%～ (112.6±4.8)%.

1.4 數(shù)據(jù)計算

農(nóng)藥殘留量用千人均殘留量(RW)來表征.千人均殘留量是指污水處理廠進水中農(nóng)藥的日總負荷量與污水廠服務(wù)人口的比值,通常以每1000人為一個人口單位,單位為“mg/(千人·d)”,計算公式:

式中:C為污水中的濃度,是儀器直接測定所得,ng/L;Q為污水廠的進水流量,是流量計直接計量所得,m3/d.這兩個變量的測定均較為準(zhǔn)確、客觀.P為污水廠服務(wù)人口,由污水廠提供,千人,該變量是根據(jù)污水廠的設(shè)計處理量和人均日污水排放量計算得到,為經(jīng)驗估計值,雖然相對于儀器測定的數(shù)據(jù)來說,這種估算具有較大的不確定性,但因為人口統(tǒng)計本身就具有不確定性,而污水廠要根據(jù)服務(wù)的人口進行處理設(shè)施的設(shè)計和運行,因此污水廠提供的服務(wù)人口數(shù)是相對最優(yōu)的人口估算.

健康風(fēng)險分析中會使用城市在一段時間內(nèi)(日、周、月或年)農(nóng)藥殘留的總量,以便與蔬果產(chǎn)地的農(nóng)藥使用量數(shù)據(jù)形成直觀對照,分析城、鄉(xiāng)的農(nóng)藥物質(zhì)流,評價農(nóng)藥相關(guān)政策的實施效果.本文中總殘留量(RT)的計算公式如式(2):

式中:RT為總殘留量,g/d;RP為城市常住人口,采用統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù),千人.

根據(jù)污水中農(nóng)藥殘留量,可以近似推算進入城市的生鮮蔬果清洗前的農(nóng)藥殘留量,其主要前提假設(shè)是城市生活污水中殘留的農(nóng)藥主要來自于家庭和商超對蔬菜水果等生鮮農(nóng)產(chǎn)品的清洗[7-9].計算公式:

式中:RL為清洗前蔬果農(nóng)藥殘留量,mg/kg;RW為污水中農(nóng)藥千人均殘留量,mg/(千人·d);PF水洗為蔬果水洗過程的加工因子;FI為每日蔬果攝入量,g/(人·d).

根據(jù)城市生活污水中的農(nóng)藥殘留量,計算城市居民農(nóng)藥的日均潛在攝入量(EDI,mg/kg bw),計算公式:

式中:RL為清洗前蔬果的農(nóng)藥殘留量,mg/kg;PF加工為蔬果綜合加工因子;FI為每日蔬果攝入量,g/(人·d);BW為人體體重,kg.

2 結(jié)果與討論

2.1 城市生活污水中農(nóng)藥殘留濃度

在4個城市的生活污水樣品中共檢出18種農(nóng)藥,其中北京市、太原市、呼和浩特市、石家莊市污水樣品中分別檢出17、16、15、15種農(nóng)藥.根據(jù)污水廠的流量,計算每個城市污水中農(nóng)藥的流量加權(quán)平均濃度,如表2所示.

表2 華北四城市生活污水中殘留農(nóng)藥的濃度Table 2 Concentration of pesticides in wastewater samples from four cities in North China

4個城市中,檢出濃度較高的 3種農(nóng)藥是多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,其中多菌靈的濃度最高,說明其殘留量較大.石家莊多菌靈的濃度為1328.07ng/L,在 4個城市中最高.多菌靈是一種苯并咪唑類殺菌劑,廣泛應(yīng)用于蔬果生產(chǎn)的真菌病害防治中,易造成蔬果中多菌靈殘留超標(biāo),構(gòu)成食品安全風(fēng)險.多菌靈對人和動物的毒性屬于低毒,但長期暴露于含多菌靈的食物,經(jīng)過消化道的吸收,可積累在體內(nèi)尤其是臟器組織中,從而影響人體健康.田麗等[10]報道了 2015～2017年陜西省市售水果中殺菌劑殘留狀況,發(fā)現(xiàn)多菌靈的檢出率和超標(biāo)率最高,分別為48.2%和 2.1%.文獻研究顯示,多菌靈在蔬果中的殘留具有普遍性[11-13].本研究的數(shù)據(jù)也表明,多菌靈在城市污水中的殘留具有普遍性.

2.2 城市生活污水中農(nóng)藥殘留量結(jié)構(gòu)

由表3可見.在4個城市中,石家莊21種農(nóng)藥的綜合千人均殘留量最高,為454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,為63.69mg/(千人·d),這主要是因為石家莊的多菌靈殘留量較高,為424.98mg/(千人·d).從總殘留量來看,北京的數(shù)值最高,21種農(nóng)藥的綜合總殘留量為4348.1g/d,這是因為北京的常住人口遠大于其他 3個城市.除了多菌靈之外,北京市吡蟲啉、氯蟲苯甲酰胺和甲霜靈的千人均殘留量和總殘留量也比較突出.

表3 華北四城市污水中農(nóng)藥千人均殘留量和總殘留量Table 3 Mass of pesticide residues in wastewater from four cities in North China

以總殘留量為指標(biāo),繪制 4個城市的污水中殘留農(nóng)藥的成分結(jié)構(gòu),如圖1所示,在所檢測的21種農(nóng)藥中,多菌靈在4個城市的農(nóng)藥殘留中占比均最高,為51.35%(北京)～93.43%(石家莊).這體現(xiàn)出華北地區(qū)蔬果農(nóng)藥使用具有相同特征,多菌靈是本地區(qū)主要農(nóng)藥,其中石家莊的多菌靈殘留最為突出.北京市的農(nóng)藥殘留量中,除多菌靈外,其它占比較高的農(nóng)藥還包括吡蟲啉(21.97%)和氯蟲苯甲酰胺(6.34%),這3種農(nóng)藥的累計占比達到 80%.太原市的農(nóng)藥殘留結(jié)構(gòu)與北京類似,多菌靈之外占比較高的農(nóng)藥同樣為吡蟲啉(8.91%)和氯蟲苯甲酰胺(4.65%),累計占比為83%.呼和浩特市殘留農(nóng)藥中比例較高的是多菌靈(78.49%)、氯蟲苯甲酰胺(5.25%)和吡蟲啉(4.04%)這3種農(nóng)藥的占比為88%.石家莊市污水農(nóng)藥殘留量中,多菌靈所占比例為93.43%,遠高于其它農(nóng)藥.

圖1 城市污水中殘留農(nóng)藥成分結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of pesticide residues in urban wastewater

由此可見,4個城市的農(nóng)藥殘留結(jié)構(gòu)相近,多菌靈的殘留量均最高,其余比例較高的農(nóng)藥包括吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺.吡蟲啉是一類新煙堿類的殺蟲劑,有研究表明,吡蟲啉可能對昆蟲和脊椎動物產(chǎn)生毒性作用,對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成潛在的不利影響[14].氯蟲苯甲酰胺是新型鄰甲酰氨基苯甲酰胺類的廣譜型殺蟲劑,具有廣譜、活性高、速效性好等優(yōu)點,在我國廣泛用于蔬菜、水果和糧食作物.出于對水生生物的風(fēng)險考慮,2016年9月,農(nóng)業(yè)部正式撤銷氟苯蟲酰胺在水稻作物上的登記.美國 EPA同樣也關(guān)注到該產(chǎn)品對水生無脊椎動物存在風(fēng)險,于2016年7月取消了相關(guān)的登記[15].

2.3 推算蔬果農(nóng)藥殘留量

根據(jù)公式(3),在計算過程中需要確定蔬果清洗的農(nóng)藥去除率,引入蔬果加工因子(PF)的概念.研究表明,加工過程可以影響蔬菜和水果中的農(nóng)藥殘留[16],加工效果可以由加工因子表示.加工因子是加工前后蔬果的農(nóng)藥殘留量比值,是評價蔬果加工過程中農(nóng)藥殘留量變化的主要參數(shù).蔬果加工對農(nóng)藥殘留量的影響取決于多種因素,農(nóng)藥的化學(xué)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)決定了加工過程中化學(xué)物質(zhì)的變化,例如水洗過程中,農(nóng)藥的溶解度很大程度上影響了農(nóng)藥的去除率;蔬果的種類、形態(tài)等的差異會影響農(nóng)藥在蔬果上的分布[17];清洗的時間長短也會對蔬果農(nóng)藥殘留量產(chǎn)生影響[18].不同蔬果、不同農(nóng)藥的加工(清洗)因子不同,而實際中可獲得的數(shù)據(jù)有限.因此,根據(jù)文獻研究[17],本文取較為保守的通用加工因子0.75作為蔬果水洗過程的加工因子PF水洗.根據(jù)何宇納等[19]研究,我國大城市成年居民人均每日蔬果平均攝入量為337g/(人·d).需要指出,居民蔬果攝入量與城市經(jīng)濟水平、居民收入和生活習(xí)慣密切相關(guān),本文中4個城市的人均每日蔬果攝入量選用同一數(shù)值,沒有考慮城市差異,進一步的研究中,在各城市針對性的膳食結(jié)構(gòu)調(diào)查數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,估算會更準(zhǔn)確.

選取每個城市殘留量最高的3種農(nóng)藥多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,根據(jù)公式(3)計算相應(yīng)的蔬果農(nóng)藥殘留量,結(jié)果如表4所示.

表4 推算的3種農(nóng)藥蔬果殘留量(mg/kg)Table 4 Three pesticide residues from fruits and vegetables(mg/kg)

通過生活污水中的農(nóng)藥殘留推算蔬果表面農(nóng)殘,結(jié)果顯示,在4個城市中,多菌靈的蔬果殘留量均高于其他農(nóng)藥.表4中,石家莊多菌靈的蔬果殘留量高于其他城市,為5.04mg/kg,北京的吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果殘留量高于其他城市.

2.4 健康風(fēng)險分析

蔬果中殘留農(nóng)藥的潛在健康風(fēng)險可以用每日允許攝入量(ADI)來評價.ADI是人體每日攝入而不產(chǎn)生可檢測到的危害健康的估計量,以每千克體重可攝入的量表示.根據(jù)公式(4),由蔬果農(nóng)藥殘留量計算EDI.由EDI與ADI的比較來分析殘留農(nóng)藥的潛在健康風(fēng)險.計算過程中應(yīng)考慮包括清洗、去皮、烹飪等在內(nèi)的一種或多種加工過程,由于實際中可獲得的不同蔬果食品加工因子數(shù)據(jù)有限,因此采用通用的綜合加工因子 PF加工替代,本研究中取PF加工為0.65[17](該值與 PF水洗不同,較為保守,包括清洗、去皮和烹飪等在內(nèi)的加工過程往往可以更大程度上減少農(nóng)藥殘留).FI根據(jù)文獻研究取337g/(人·d)[19];BW取成年人平均體重為60kg.根據(jù)圖1中每個城市農(nóng)藥總殘留量占比,選取累計占比在 90%以上的農(nóng)藥種類,依據(jù)公式(4)計算日均潛在攝入量EDI,如表5.

表5 城市蔬果主要殘留農(nóng)藥日均潛在攝入量EDITable 5 Estimated daily intake of pesticides from urban vegetables and fruits

表5中ADI引自《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中農(nóng)藥最大殘留限量 (GB 2763-2019)》[20].雖然ADI的數(shù)據(jù)是直接檢測的蔬果表面農(nóng)殘,EDI的數(shù)據(jù)是根據(jù)生活污水推算的蔬果農(nóng)殘,二者的檢測方法不同,但 ADI是一個人每天可接受的不對健康構(gòu)成風(fēng)險的最大暴露量,用 ADI與根據(jù)污水殘留推算的EDI數(shù)值比較,可以從宏觀上反映蔬果農(nóng)殘的健康風(fēng)險[21-22].華北 4個城市主要殘留農(nóng)藥的日均潛在攝入量 EDI均小于相應(yīng)的每日允許攝入量 ADI,即RQ值都小于1.其中石家莊市多菌靈的EDI值最高,雖未超過相應(yīng)的 ADI值,但考慮到日均潛在攝入量由污水中農(nóng)藥的總殘留量計算得到,實際中具體到某一特定的蔬果品種上,仍存在一定的健康風(fēng)險.

針對華北4個城市殘留量最高的3種農(nóng)藥多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺,收集整理了國內(nèi)外相關(guān)研究中蔬果農(nóng)藥殘留水平和日均潛在攝入量的數(shù)據(jù)(表6).雖然不同國家研究中涉及的蔬果種類和人體體重數(shù)據(jù)不同,但是這一比較可以整體上反映華北4城市的主要農(nóng)藥殘留量和日均潛在攝入量與國內(nèi)外其他區(qū)域相比的相對水平.

表6 國內(nèi)外蔬果農(nóng)藥殘留量及EDI比較Table 6 Comparison of pesticide residues and EDI in vegetables and fruits with other studies

由表6可知,相關(guān)研究中蔬果上多菌靈殘留量范圍較大,為0.0004～3.4mg/kg,而本研究中多菌靈的蔬果農(nóng)藥殘留量在 0.59～5.04mg/kg之間,高于文獻報道的水平.吡蟲啉的文獻報道殘留最高值為0.378mg/kg,本研究的范圍為0.04～0.52mg/kg,其中北京較高,為0.52mg/kg,太原、呼和浩特和石家莊的吡蟲啉殘留濃度分別為0.08,0.04,0.09mg/kg,處于文獻報道殘留水平范圍內(nèi).氯蟲苯甲酰胺的文獻殘留水平為0.001～0.399mg/kg,華北4個城市的氯蟲苯甲酰胺殘留水平與之相當(dāng),范圍為0.03～0.15mg/kg.就日均潛在攝入量EDI比較,本研究中3種農(nóng)藥 EDI的最大值均低于文獻中相應(yīng)農(nóng)藥的最大值,整體在文獻報道的EDI值范圍之內(nèi).

相關(guān)研究中基本未考慮到食品加工過程對蔬果農(nóng)藥殘留的影響,因此本文采用清洗前農(nóng)藥殘留量與文獻研究中的農(nóng)藥殘留水平進行比較分析.由于相關(guān)蔬果農(nóng)藥殘留的研究中,對蔬果殘留量的測定前準(zhǔn)備工作需要對蔬果進行清洗/破碎等工作,所以文獻報道的蔬果農(nóng)藥殘留有所低估.與直接抽樣蔬果檢測獲得的農(nóng)藥殘留量相比,本研究中根據(jù)污水監(jiān)測計算的農(nóng)藥殘留水平受到不同農(nóng)藥的水溶性差異、農(nóng)藥在污水管網(wǎng)中的穩(wěn)定性等因素影響,具有不確定性,這些因素的貢獻需要進一步的研究來定量表征.但與蔬果抽樣檢測相比,污水監(jiān)測計算的方法可以避免抽樣的偶然性,更能反映一個城市整體的農(nóng)藥殘留水平,適用于評估居民潛在暴露風(fēng)險.

3 結(jié)論

3.1 在4個城市中,石家莊21種農(nóng)藥的綜合千人均殘留量最高,為454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,為63.69mg/(千人·d).4個城市污水中殘留占比較高的3種農(nóng)藥均為多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺.多菌靈占比最高,為51.35%(北京)～93.43%(石家莊).華北地區(qū)蔬果農(nóng)藥使用具有相似特征,多菌靈的使用和殘留具有普遍性.

3.2 根據(jù)污水殘留量推算蔬果農(nóng)藥殘留量,石家莊多菌靈的蔬果殘留量最高,為5.04mg/kg.北京吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果殘留量均高于其他城市.

3.3 華北 4個城市主要殘留農(nóng)藥的日均潛在攝入量 EDI均小于相應(yīng)的每日允許攝入量 ADI,其中石家莊多菌靈的EDI值最高,但未超過相應(yīng)的ADI值.

3.4 將本研究中多菌靈、吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺的蔬果農(nóng)藥殘留量和EDI與國內(nèi)外其他文獻報道的數(shù)值相比較,除了多菌靈相對較高外,吡蟲啉和氯蟲苯甲酰胺基本在文獻數(shù)值范圍之內(nèi).