水環(huán)境中持久性有機(jī)污染物檢測的研究進(jìn)展

趙 浩，章 杰

(1.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.皖江工學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000）

引言

持久性有機(jī)污染物簡稱POPs，是一類在環(huán)境中不易分解，能長時間保持其化學(xué)活性的有機(jī)化合物。由于高度的穩(wěn)定性，POPs在環(huán)境中的半衰期通常很長，這意味著其在環(huán)境中的停留時間非常漫長。由于持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的高穩(wěn)定性和生物富集性，對水生生態(tài)系統(tǒng)具有長期和深遠(yuǎn)的影響。鑒于持久性有機(jī)污染物對水環(huán)境和生態(tài)的影響，開展其檢測研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 持久性有機(jī)污染物對人類和生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響

水環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物（POPs）如多氯聯(lián)苯（PCBs）、有機(jī)氯農(nóng)藥（OCPs）和多環(huán)芳烴（PAHs）對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。長期暴露于PCBs條件下可能導(dǎo)致人類出現(xiàn)多種健康問題，其被認(rèn)為是潛在的內(nèi)分泌干擾物，可能影響人的生殖系統(tǒng)，與肝臟問題、免疫系統(tǒng)功能降低和神經(jīng)系統(tǒng)損傷有關(guān)，某些PCBs異構(gòu)體還被認(rèn)為是致癌物質(zhì)。OCPs如滴滴涕（DDT）可以通過食物鏈進(jìn)入人體，暴露于OCPs條件下可能導(dǎo)致人體生殖障礙、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、肝臟疾病和增加患癌風(fēng)險。

在生態(tài)系統(tǒng)中，PCBs和OCPs可以通過食物鏈生物放大，對水生生物特別是魚類的生長、繁殖和免疫功能產(chǎn)生影響。多環(huán)芳烴PAHs被認(rèn)為是人類的致癌物，長期暴露可能增加罹患肺癌、皮膚癌和其他癌癥的風(fēng)險，還可能影響人類的呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)。對于水生生物，PAHs可能導(dǎo)致其生長抑制、繁殖障礙和行為變化，還可能影響水生植物的生長和光合作用，從而對整個生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響。這些持久性有機(jī)污染物對人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康具有廣泛而嚴(yán)重的影響[1]。

2 持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的分布和遷移

2.1 污染物的來源

首先是工業(yè)排放，工業(yè)活動是持久性有機(jī)污染物進(jìn)入水環(huán)境的主要來源之一。在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，如化工生產(chǎn)、電子制造和石油精煉過程，都會產(chǎn)生多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等持久性有機(jī)污染物。這些化學(xué)物質(zhì)可能通過工廠的廢水排放或泄漏進(jìn)入周圍水體。其次是農(nóng)業(yè)活動，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，為了控制病蟲害，經(jīng)常會使用各種農(nóng)藥，如有機(jī)氯農(nóng)藥（OCPs）曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中。雖然現(xiàn)在許多國家已經(jīng)開始限制或禁止使用某些OCPs，但由于其存在具有持久性，在環(huán)境中仍然能夠檢測到一些OCPs。此外，農(nóng)業(yè)灌溉和雨水徑流也可能將這些化學(xué)物質(zhì)從土壤中沖入河流和湖泊。再次是交通排放、交通運(yùn)輸，特別是使用化石燃料的車輛，是多環(huán)芳烴（PAHs）的重要來源。汽車尾氣、非完全燃燒的燃料和路面磨損產(chǎn)生的顆粒物中都含有PAHs，這些物質(zhì)可能通過大氣沉降和雨水徑流進(jìn)入水體。最后是廢棄物處理和填埋，廢棄物，特別是危險廢物和電子廢物的處理和填埋，可能導(dǎo)致持久性有機(jī)污染物進(jìn)入水環(huán)境。例如，不當(dāng)處理的廢棄電子產(chǎn)品可能釋放多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）等化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)可能通過滲濾液進(jìn)入地下水和地表水。

2.2 污染物分布的特點(diǎn)

2.2.1 吸附于懸浮顆粒和沉積物上

由于持久性有機(jī)污染物（POPs）通常具有較高的脂溶性和較低的水溶性，在水體中往往被吸附到懸浮顆粒和沉積物上，這導(dǎo)致POPs在沉積物中的濃度通常高于水柱，而且在沉積層中可能長時間保持穩(wěn)定。

2.2.2 生物蓄積和生物放大

持久性有機(jī)污染物在水生生物體內(nèi)有生物蓄積的現(xiàn)象，即通過攝取含有這些化學(xué)物質(zhì)的食物或直接從水中吸收，導(dǎo)致它們在生物體內(nèi)積累。此外，隨著食物鏈的上升，這些物質(zhì)的濃度會不斷增加，這一過程被稱為生物放大。

2.2.3 空間分布的不均勻性

持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的分布通常是不均勻的。工業(yè)區(qū)和高度人口聚集的地區(qū)通常是POPs的熱點(diǎn)，而偏遠(yuǎn)地區(qū)的水體中這些化學(xué)物質(zhì)的濃度可能較低。然而，由于大氣輸送和水流的影響，即使在沒有明顯污染源的地區(qū)也可能發(fā)現(xiàn)POPs。

2.2.4 受季節(jié)因素的影響

在某些地區(qū)，持久性有機(jī)污染物的分布可能受季節(jié)性因素的影響。例如，在雨季，雨水沖刷和徑流可能會將更多的POPs從土壤和表面輸送到水體中。而在干旱季節(jié)，由于水體的蒸發(fā)，水中的POPs濃度可能會增加[2]。

2.3 遷移途徑及機(jī)制

首先是水流搬運(yùn)，持久性有機(jī)污染物（POPs）可以通過河流和洋流的運(yùn)動進(jìn)行遷移。在河流中，強(qiáng)水流可以將POPs吸附的懸浮顆粒和沉積物上并搬運(yùn)到下游。在海洋環(huán)境中，洋流可以將POPs輸送到遠(yuǎn)離其來源的地區(qū)，甚至是其他大洋。其次是吸附與解吸，持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的遷移很大程度上取決于其與懸浮顆粒和沉積物的相互作用。一方面，由于POPs的脂溶性往往會吸附到顆粒上；另一方面，環(huán)境條件的變化如pH值、溫度變化可能導(dǎo)致POPs從顆粒表面解吸，并重新進(jìn)入水體中。第三是生物傳遞，生物傳遞是指持久性有機(jī)污染物通過食物鏈在生物體內(nèi)的遷移。當(dāng)?shù)讓由飻z取含有POPs的食物或水時，會在體內(nèi)積累這些化學(xué)物質(zhì)。然后，當(dāng)這些底層生物被更高級別的生物捕食時，POPs會隨著食物鏈向上傳遞并在生物體內(nèi)放大。第四是揮發(fā)和大氣輸送，持久性有機(jī)污染物在水體表面與空氣的交界面上可能會揮發(fā)，隨后通過大氣輸送進(jìn)行長距離遷移。大氣輸送使POPs可以跨越國界和地理障礙，最終通過大氣沉降再次進(jìn)入其他地區(qū)的水體。最后是拓展分布與沉降，持久性有機(jī)污染物也可以通過水體的擴(kuò)散過程在水柱內(nèi)部進(jìn)行垂直和水平遷移，這通常是一個相對較慢的過程。在擴(kuò)散過程中，POPs也可能與其他溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或被微生物分解。此外，POPs吸附的顆?？赡茉谒谐练e，使其在底部沉積物中積累。

3 持久性有機(jī)污染物的檢測方法

3.1 傳統(tǒng)檢測方法

3.1.1 氣相色譜法(GC)

氣相色譜法是一種廣泛用于分析持久性有機(jī)污染物的技術(shù)。在這個方法中，樣品被加熱并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后通過色譜柱進(jìn)行分離。持久性有機(jī)污染物在色譜柱中的保留時間與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。檢測器可用于量化通過色譜柱的化合物數(shù)量。對于脂溶性高和揮發(fā)性有機(jī)污染物，如多氯聯(lián)苯和部分有機(jī)氯農(nóng)藥，GC是一種非常有效的分析方法。

3.1.2 液相色譜法(HPLC)

液相色譜法用于分析不易揮發(fā)或熱敏感的有機(jī)化合物。在HPLC中，樣品以液體形式通過色譜柱，利用不同化合物與柱填料之間的相互作用進(jìn)行分離。紫外檢測器或熒光檢測器常用于檢測通過色譜柱的化合物。HPLC特別適用于分析具有極性的持久性有機(jī)污染物，如某些農(nóng)藥。

3.1.3 質(zhì)譜法(MS)

質(zhì)譜法是一種高度靈敏和精確的檢測技術(shù)，用于鑒定和量化化學(xué)物質(zhì)。在質(zhì)譜分析中，化合物被電離并轉(zhuǎn)化為離子，然后根據(jù)質(zhì)量和電荷進(jìn)行分離。由于每種化合物具有獨(dú)特的質(zhì)譜圖，因此該方法可用于準(zhǔn)確識別持久性有機(jī)污染物。質(zhì)譜法通常與氣相色譜或液相色譜相結(jié)合（如GC-MS或LC-MS），以提供更全面的分析。

3.1.4 光譜法

光譜法基于化合物對光的吸收或散射特性進(jìn)行分析。其中，紫外-可見光譜法（UV-Vis）和紅外光譜法（IR）是兩種常用的光譜分析方法。UV-Vis通常用于檢測具有紫外或可見光吸收特性的化合物，而IR則更適用于分析化合物的功能團(tuán)。光譜法在持久性有機(jī)污染物的初步篩選和定性分析中很有用，但通常不如GC或HPLC靈敏和精確。

3.2 生物檢測方法

3.2.1 生物標(biāo)記法

生物標(biāo)記法是一種利用生物體或生物分子來檢測和監(jiān)測環(huán)境中持久性有機(jī)污染物的技術(shù)。例如，通過分析生物體中的某些生物標(biāo)記物，可以間接判斷環(huán)境中持久性有機(jī)污染物的存在和水平。這些標(biāo)記物通常是生物體對污染物暴露的生物化學(xué)反應(yīng)，如DNA損傷、蛋白質(zhì)表達(dá)變化或細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。通過檢測這些生物標(biāo)記物的變化，可以評估環(huán)境污染的生態(tài)風(fēng)險和潛在的健康影響。

3.2.2 基于酶的檢測

基于酶的檢測是利用特定酶與持久性有機(jī)污染物之間的相互作用來檢測這些化合物，這些酶通常能夠催化與目標(biāo)污染物相關(guān)的特定化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)污染物出現(xiàn)時，酶的活性會發(fā)生變化，通常會導(dǎo)致顏色、熒光或其他可檢測的信號發(fā)生變化。該方法靈敏度高，可用于現(xiàn)場快速檢測，但可能受會到其他環(huán)境因素的干擾。

3.2.3 生物傳感器

生物傳感器是一種將生物分子或細(xì)胞與物理傳感器相結(jié)合的技術(shù)，用于檢測環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)。生物傳感器通常包括一個生物識別元件，如抗體、DNA探針或酶以及一個信號轉(zhuǎn)換器，如電化學(xué)或光學(xué)傳感器。當(dāng)生物識別元件與目標(biāo)污染物結(jié)合時，傳感器會產(chǎn)生一種可量化的信號，如電流變化或光強(qiáng)度變化。生物傳感器具有高靈敏度和選擇性，可以用于現(xiàn)場和實(shí)時監(jiān)測。

3.3 先進(jìn)與新興的檢測技術(shù)

3.3.1 納米材料檢測技術(shù)

納米材料檢測技術(shù)是利用納米尺度的材料（如納米粒子或納米管）增強(qiáng)對持久性有機(jī)污染物的檢測靈敏度和選擇性。由于納米材料通常具有高表面積與體積比和獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，可以被用于高效的吸附劑或信號放大器。例如，金納米粒子和量子點(diǎn)可以被用于增強(qiáng)光譜信號，從而實(shí)現(xiàn)極低濃度的污染物檢測。另外，功能化納米材料可以特異性地吸附和富集目標(biāo)污染物，從而提高檢測效率。

3.3.2 光子晶體光譜法

光子晶體是一種具有周期性介電結(jié)構(gòu)的材料，可以影響通過其的光的傳播。通過調(diào)節(jié)光子晶體的結(jié)構(gòu)和組成，可以實(shí)現(xiàn)對特定波長光的選擇性反射或透射。在光子晶體光譜法中，光子晶體被設(shè)計(jì)為對特定污染物敏感，當(dāng)這些污染物與光子晶體結(jié)合時，會引起其光學(xué)性質(zhì)的變化，從而可以通過監(jiān)測反射或透射光譜的變化來檢測污染物。

3.3.3 微流控芯片技術(shù)

微流控芯片技術(shù)是一種利用微米尺度的通道和腔室來操縱流體和化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。由于其微小的尺寸，微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)高通量、高靈敏度和低試劑消耗的檢測。在持久性有機(jī)污染物的檢測中，微流控芯片可被用于樣品的自動化處理、富集、分離和檢測。例如，通過結(jié)合微流控芯片和光譜或電化學(xué)檢測，可以實(shí)現(xiàn)對水樣中微量污染物的快速和高靈敏度分析。

3.4 檢測方法的比較與適用性分析

在選擇適合的持久性有機(jī)污染物（POPs）檢測方法時，考慮幾種常見和新興檢測技術(shù)的比較和適用性是至關(guān)重要的。

3.4.1 傳統(tǒng)檢測方法

優(yōu)點(diǎn)：氣相色譜法（GC）、液相色譜法（HPLC）和質(zhì)譜法（MS）在檢測精度和靈敏度方面具有較高的表現(xiàn)，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)。光譜法簡便且成本較低。缺點(diǎn)：通常需要較多的樣品處理步驟和較長的分析時間，可能不適合現(xiàn)場快速檢測。適用性：適用于實(shí)驗(yàn)室分析和研究以及對精度和準(zhǔn)確性要求較高的場合。

3.4.2 生物檢測方法

優(yōu)點(diǎn)：具有較高的靈敏度和特異性，可以提供關(guān)于污染物對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康影響的信息。缺點(diǎn)：可能受到環(huán)境條件變化的影響，需要適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和驗(yàn)證。適用性：適用于環(huán)境生態(tài)風(fēng)險評估和長期監(jiān)測。

3.4.3 先進(jìn)與新興的檢測技術(shù)

優(yōu)點(diǎn)：納米材料檢測、光子晶體光譜法和微流控芯片技術(shù)通常具有更高的靈敏度和通量，可以實(shí)現(xiàn)快速和微量檢測。缺點(diǎn)：可能面臨成本、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化等挑戰(zhàn)，且在技術(shù)成熟度方面可能不如傳統(tǒng)方法。適用性：適用于研究和開發(fā)以及需要快速或現(xiàn)場檢測的場合。

4 問題與挑戰(zhàn)

4.1 檢測技術(shù)的局限性

在水環(huán)境中對持久性有機(jī)污染物進(jìn)行檢測是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然目前已經(jīng)有多種檢測方法，但每種方法都有其局限性，可能會影響其某些應(yīng)用效果。首先是靈敏度和選擇性問題，某些傳統(tǒng)檢測方法，如光譜法，可能在靈敏度和選擇性方面受限。當(dāng)水樣中的持久性有機(jī)污染物濃度較低時，這些方法可能無法可靠地進(jìn)行檢測。此外，如果樣品中含有多種污染物，選擇性也成為一個問題，因?yàn)橐环N物質(zhì)的信號可能會干擾另一種物質(zhì)的檢測。其次是時間和成本效益，高精度的檢測方法，如氣相色譜和質(zhì)譜法，通常需要復(fù)雜的樣品處理步驟以及昂貴的設(shè)備和耗材，這不僅延長了分析時間，還提高了成本，因而限制了這些方法在資源有限的環(huán)境中應(yīng)用。第三是環(huán)境變量的干擾，環(huán)境樣品中通常包含復(fù)雜的基質(zhì)，可能會干擾分析結(jié)果。此外，環(huán)境條件（如溫度、pH值和鹽度）的變化可能會影響生物檢測方法的可靠性和準(zhǔn)確性。第四是標(biāo)準(zhǔn)化和校準(zhǔn)問題，由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)程序，新興和先進(jìn)的檢測技術(shù)在數(shù)據(jù)質(zhì)量和可比性方面可能面臨挑戰(zhàn)，這對于環(huán)境監(jiān)測和風(fēng)險評估尤為重要。最后是現(xiàn)場檢測的挑戰(zhàn)，現(xiàn)場檢測需要便攜式和可靠的儀器，然而許多高精度的檢測技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和專業(yè)操作，不適合現(xiàn)場應(yīng)用。此外，現(xiàn)場檢測還需要能夠在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的方法。

4.2 環(huán)境樣本的復(fù)雜性

在水環(huán)境中檢測持久性有機(jī)污染物時，環(huán)境樣本的復(fù)雜性是主要的挑戰(zhàn)，這種復(fù)雜性主要來自于樣本的多樣性、多相性和各種干擾物質(zhì)的存在。首先是樣本多樣性，水環(huán)境中的樣本來源多樣，可能包括河流、湖泊、地下水、雨水和廢水等。不同來源的樣本可能具有不同的化學(xué)組成和物理特性，這對于檢測方法的選擇和樣本處理具有重要意義。其次是多相性，環(huán)境樣本中的污染物可能以溶解、顆粒吸附或生物吸附等不同形態(tài)存在。這種多相性使樣本處理和分析更加復(fù)雜，因?yàn)榭赡苄枰~外的步驟來分離和濃縮不同形態(tài)的污染物。再次是干擾物質(zhì)，環(huán)境樣本中通常含有大量有機(jī)物、無機(jī)物和生物物質(zhì)，這些物質(zhì)可能干擾持久性有機(jī)污染物的檢測。例如，某些天然有機(jī)物質(zhì)可能會通過吸附或絡(luò)合作用影響污染物的檢測。最后是空間和時間的變異性，環(huán)境樣本的組成可能隨時間和空間發(fā)生變化。季節(jié)性變化、地理位置和水文條件等因素可能導(dǎo)致樣本的化學(xué)和物理特性發(fā)生變化，這對于污染物的檢測提出了額外的挑戰(zhàn)。

4.3 整合多種檢測方法的挑戰(zhàn)

在水環(huán)境中檢測持久性有機(jī)污染物時，單一檢測方法往往無法滿足需求，因?yàn)檫@些污染物在性質(zhì)、濃度和分布上有很大差異。因此，整合多種檢測方法以獲得更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，然而這個過程也伴隨著一系列挑戰(zhàn)。首先是數(shù)據(jù)的一致性與兼容性，不同檢測方法可能會產(chǎn)生不同類型和范圍的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一框架中需要解決數(shù)據(jù)一致性和兼容性問題。例如，不同方法產(chǎn)生的濃度數(shù)據(jù)可能需要轉(zhuǎn)換和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較。其次是方法優(yōu)化與驗(yàn)證，當(dāng)使用多種檢測方法時，每種方法都需要進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證以確保其準(zhǔn)確性和可靠性，這通常需要大量時間和資源，并且需要考慮不同方法之間潛在的相互作用和干擾。再次是技術(shù)與資源的限制，整合多種檢測方法可能需要使用高級儀器和技術(shù)，通常需要高昂的成本。最后是數(shù)據(jù)處理與解釋，處理和解釋來自多種檢測方法的數(shù)據(jù)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，這可能涉及使用統(tǒng)計(jì)分析、建模和其他數(shù)據(jù)處理技術(shù)來提取有用信息。在此過程中，理解和解釋數(shù)據(jù)的上下文和限制至關(guān)重要。

5 結(jié)語

綜上所述，本文綜述了水環(huán)境中持久性有機(jī)污染物檢測研究的進(jìn)展，從分析結(jié)果看，在過去的幾十年里，POPs檢測技術(shù)有了顯著進(jìn)步。傳統(tǒng)的氣相色譜和液相色譜法仍然是主要檢測手段，但新興的生物檢測方法和先進(jìn)的納米材料檢測技術(shù)在靈敏度和效率方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，當(dāng)前的檢測方法還面臨許多挑戰(zhàn)，為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，未來的研究需要在技術(shù)開發(fā)、優(yōu)化和整合方面作出更多努力。