王春花，于寶勒，梁麗君，劉克明，胡 偉，王玉秋,*

1. 天津市結(jié)核病控制中心，天津 300011 2. 天津市疾病預(yù)防控制中心，天津300011 3. 南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300096

城市回用水(recycled water或reclaimed water)主要是指城市污水或生活污水經(jīng)處理后達(dá)到一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可在一定范圍內(nèi)重復(fù)使用的非飲用水，是水資源有效利用的一種形式。研究顯示城市回用水中含有致癌性較強(qiáng)的多環(huán)芳烴(PAHs)。在使用過程中，城市回用水既可以液態(tài)存在又可形成氣溶膠，人體主要通過肺吸入、皮膚吸收、飲水暴露于親脂性強(qiáng)的PAHs，因而PAHs潛在的健康風(fēng)險受到廣泛關(guān)注。

本研究立足于我國城市回用水再利用安全性問題，采用氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)聯(lián)用的分析化學(xué)方法對不同季節(jié)回用水中的16種PAHs進(jìn)行定量分析，在此基礎(chǔ)上采用美國國家科學(xué)院和國家研究委員會提出的環(huán)境健康風(fēng)險評價方法，開展不同回用條件下具有我國水體基質(zhì)特色的城市回用水中PAHs健康風(fēng)險評價研究。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 試劑與儀器

二氯甲烷、甲醇、乙酸乙酯均為農(nóng)殘級試劑，含有16種PAHs目標(biāo)分析物的混合標(biāo)樣購自美國Supelco公司，分析所用內(nèi)標(biāo)Acenaphthene-d10, Phenanthrene-d10, 及Chrysene-d12為Sigma-Aldrich產(chǎn)品。自動固相萃取儀：美國Zymark；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器：德國BüCHI Rotavapor R-200；固相萃取柱：International Sorbent Technology LTD (U.K.)，規(guī)格：3 mL，500 mg；氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)：美國Finnigan公司Trace 2000-GC-MS。

1.2 實驗方法

1.2.1 城市回用水中多環(huán)芳烴的定量分析

(1)水樣采集及固相萃取 分別于2006年3月，2006年8月，2007年5月，2007年11月，2008年1月采集某城市回用水廠入水即污水處理廠二級出水和城市回用水水樣，經(jīng)甲醇和硫酸預(yù)處理并0.45 μm濾膜過濾后將C18固相萃取柱置于Zymark真空固相萃取儀上固相萃取，流量5 mL·min-1。1.0 L水樣萃取后，萃取柱用空氣干燥10～15 min，以除去殘留的水分。吸附在C18柱上的化合物用2×2.5 mL乙酸乙酯淋洗。乙酸乙酯淋洗所得萃取物用無水硫酸鈉脫去水分，然后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，最后在35 ℃水浴用氮?dú)膺M(jìn)一步濃縮到約1 mL。

(2)氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析 氣相分離用毛細(xì)管色譜柱(DB-5MS, 30 m×0.32 mm i.d., 涂層厚度0.25 μm，高純氦氣(99.999%)為載氣，載氣流速1.0 mL·min-1。不分流進(jìn)樣量2 μL，進(jìn)樣口溫度280 ℃。程序升溫：初始溫度70 ℃，保持1 min，以10 ℃·min-1升溫至300 ℃，保持10 min。質(zhì)譜為電子轟擊模式，轟擊電壓70 eV，離子源溫度250 ℃，傳輸線溫度280 ℃。

1.2.2 城市回用水健康風(fēng)險評價

按照美國國家科學(xué)院和國家研究委員會提出的健康風(fēng)險評價模式，健康風(fēng)險評價一般可分為四步：危害鑒別——鑒定風(fēng)險源的性質(zhì)及強(qiáng)度；

暴露評估——對人群或生態(tài)系統(tǒng)暴露于風(fēng)險因子的方式、強(qiáng)度、頻率及時間的評估及描述；

劑量反應(yīng)評估——暴露與暴露所導(dǎo)致的健康或生態(tài)系統(tǒng)影響的因果關(guān)系；

風(fēng)險評估——對有害事物發(fā)生的概率及所得概率的可靠程度給以估算和分析。

暴露評估階段要確定回用水中PAHs對人體的暴露量及暴露途徑的影響。對于非直接飲用再生途徑, 人體對回用水的暴露量與回用用途有關(guān)。根據(jù)國內(nèi)外資料及經(jīng)驗[1-2]，綜合考慮各種常見的回用情況，各種回用途徑的攝入量及暴露次數(shù)列于表1中。

暴露劑量換算為單位體重的日均暴露劑量，暴露劑量CDI=(回用水暴露量×污染物濃度×年暴露次數(shù)×暴露期限)/(體重×終生暴露時間)

致癌風(fēng)險推估：

當(dāng)致癌風(fēng)險risk<0.01時，致癌風(fēng)險=CDI×SF，

當(dāng)致癌風(fēng)險risk>0.01時，致癌風(fēng)險=1-exp(-CDI×SF)

其中，CD—長期每日攝入劑量，mg·(kg·day)-1；SF—致癌斜率因子，(mg·(kg·day)-1)-1。

表1 不同回用途徑的回用水?dāng)z入量及暴露次數(shù)Table 1 Intake and exposure times of different reuse approaches of reclaimed water

根據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)在國家風(fēng)險計劃中所建立的以污染導(dǎo)致增加致癌風(fēng)險為10-6(即污染導(dǎo)致百萬人增加一個癌癥患者)作為人體健康致癌風(fēng)險管理目標(biāo)，致癌風(fēng)險10-5～10-6為可接受的致癌風(fēng)險水平[3]。

累積毒性等效劑量(TEQ， total toxic benzo[a]pyrene equivalent)可以用來定量表征PAHs的致癌風(fēng)險。TEQ定義為：假設(shè)B(a)P的毒性當(dāng)量因子(TEF)為1，把其它PAHs對人體的危害性與B(a)P進(jìn)行比較，根據(jù)其對人體危害的強(qiáng)弱確定其毒性等效因子(the toxic equivalency factors, TEF)(見表2)，然后把各PAHs的濃度和其毒性等效因子相乘，再將各乘積值疊加，所得的數(shù)值就是毒性等效劑量，用公式表示：

TEQ=Σ(PAHs的濃度×TEF)

表2 單個多環(huán)芳烴化合物的推薦TEF值[4]Table 2 Recommended TEF values of single PAHs

由BaP毒性等效因子TEF計算BaPEq，而后計算個體暴露的等效于BaP的日均暴露量，再通過癌癥風(fēng)險計算方法對PAHs可能造成的癌癥風(fēng)險進(jìn)行估計。

2 結(jié)果(Results)

2.1 多環(huán)芳烴分析測定結(jié)果

按照前述GC-MS條件對16種PAHs標(biāo)樣進(jìn)行全掃描(m/z: 90-460)，得總離子流圖(圖1)，根據(jù)各PAHs的保留時間和質(zhì)譜圖，確定各待測化合物在選擇離子檢測方式(selected ion monitoring, SIM)中的采集時間和監(jiān)測離子，結(jié)果如表3。

在確定SIM定量測定方法條件后，以稀釋為不同濃度的PAHs進(jìn)行GC-MS測定制作校準(zhǔn)曲線。SIM測定實際樣品，PAH化合物的確認(rèn)主要依據(jù)保留時間是否與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)保留時間一致。分析回收率在(70±10)%和(91±9)%之間，檢測限約為1 ng·L-1。

圖1 PAHs標(biāo)樣全掃描圖Fig. 1 Full tracing picture of PAHs standards

2.1.1 回用水及污水處理廠二級出水水樣中多環(huán)芳烴的濃度

見表3，回用水水樣中PAHs總濃度最小值為623.63 ng·L-1，最大值為2 267.86 ng·L-1，平均值為1 422.85 ng·L-1?；赜盟畼拥?6種PAHs中低分子量的PAHs(2環(huán)和3環(huán)PAHs)表現(xiàn)出較高的濃度水平，出現(xiàn)最高濃度的是3環(huán)的芴(fluorene)(最高濃度為1 174.8 ng·L-1，平均濃度為704.43 ng·L-1)，其次是3環(huán)的菲(phenanthrene)(最高濃度為612.8 ng·L-1，平均濃度為475.42 ng·L-1)。較高分子量的PAHs中(4環(huán)和4環(huán)以上PAHs)濃度水平較高的為4環(huán)的熒蒽(fluoranthene)(最高濃度為62.71 ng·L-1，平均濃度為40.72 ng·L-1)、芘(pyrene)(最高濃度為69.9 ng·L-1，平均濃度為34.09 ng·L-1)，其余較高分子量的PAHs濃度均在檢測限以下。

污水處理廠二級出水水樣中PAHs總濃度最小值為930.37 ng·L-1，最大值為2 788.41 ng·L-1，平均值為1 791.77 ng·L-1。回用水水樣的16種PAHs中低分子量的PAHs(2環(huán)和3環(huán)PAHs)表現(xiàn)出較高的濃度水平，出現(xiàn)最高濃度的是3環(huán)的芴(最高濃度為1 362.3 ng·L-1，平均濃度為844.38 ng·L-1)，其次是3環(huán)的菲 (最高濃度為785.5 ng·L-1，平均濃度為621.53 ng·L-1)。較高分子量的PAHs中(4環(huán)和4環(huán)以上PAHs)濃度水平較高的為4環(huán)的熒蒽(最高濃度為82.29 ng·L-1，平均濃度為48.39 ng·L-1)、芘(最高濃度為99.78 ng·L-1，平均濃度為46.50 ng·L-1)，其余較高分子量的PAHs濃度均在檢測限以下。

2.2 城市回用水健康風(fēng)險評價

2.2.1 16種多環(huán)芳烴的非致癌參考劑量(RfD)和致癌斜率因子(SF)值

RfD和SF可由美國EPA的綜合風(fēng)險信息系統(tǒng) ( Integrated Risk Information System, IRIS)查知，見表4。

美國環(huán)保局將物質(zhì)的致癌性分為A、B、C、D和E五類。A物質(zhì)為確定的人類致癌物，表示有足夠的流行病學(xué)研究來證實接觸劑量與致癌的因果關(guān)系；B類為很可能的人類致癌物，包括由流行病學(xué)研究得到的人類致癌證據(jù)從“足夠”到“不足”的物質(zhì)，又分為B1和B2兩類，其中B1類為有限的人類證據(jù)證明具有致癌性的物質(zhì)，B2類為動物實驗證據(jù)充分而人類證據(jù)不充分或無證據(jù)的物質(zhì)；C類為可能的人類致癌物，沒有人類數(shù)據(jù)，動物致癌證據(jù)也有限的污染物；動物致癌證據(jù)不足的歸于D類；至少做過兩種不同動物試驗或流行病學(xué)和動物研究中都無致癌證據(jù)的歸于E類。

表3 回用水及污水處理廠二級出水中多環(huán)芳烴濃度Table 3 Concentrations of PAHs in reclaimed water and secondary effluent (ng·L-1)

2.2.2 長期日均暴露量計算結(jié)果

在本研究中，暴露數(shù)據(jù)以如下模型進(jìn)行分析。假設(shè)暴露人群為健康成年人，暴露期限為70年，體重為70 kg，終生暴露時間(AT)為70×365 d?；赜盟卸喹h(huán)芳烴濃度少于1 ng·L-1的，按0.5 ng·L-1計算(見表5)。

2.2.2.1 城市綠化回用途徑日均暴露量計算結(jié)果

城市綠化，包括道路噴灑、澆灌綠地公園等，人體可以通過呼吸噴霧或皮膚接觸等暴露于回用水中，人體對回用水的暴露次數(shù)為每周2次，即年暴露次數(shù)104次，每次1 mL。

2.2.2.2 農(nóng)業(yè)灌溉回用途徑日均暴露量計算結(jié)果

對農(nóng)田灌溉，包括蔬菜、水果及糧食等農(nóng)作物灌溉，人體暴露途徑主要為經(jīng)口攝入回用水，假設(shè)人體對回用水的暴露次數(shù)為每天1次，即年暴露次數(shù)為365次，每次10 mL。

2.2.2.3 景觀娛樂回用途徑日均暴露量計算結(jié)果

污水再生利用的另一個重要途徑是景觀娛樂用水，包括劃船、釣魚、游泳等全身接觸性活動，人體暴露途徑主要為口服攝入回用水，假設(shè)人體對回用水的暴露次數(shù)為每年40次，每次100 mL。

表4 多環(huán)芳烴的RfD和SF值(EPA)Table 4 RfD and SF value of PAHs (EPA)

注：*綜合風(fēng)險信息系統(tǒng)IRIS中顯示無相關(guān)數(shù)據(jù)。

Note: no related date in IRIs.

表516種多環(huán)芳烴的各種回用途徑的CDI值

Table 5 TheCDIvalues of 16 kinds of PAHs in different reuse ways (mg·(kg·day)-1)

2.2.3 16種多環(huán)芳烴的致癌風(fēng)險

由BaP毒性等效因子TEF計算BaPEq，而后計算個體暴露的等效于BaP的日均暴露量，再通過癌癥風(fēng)險計算方法對PAHs可能造成的癌癥風(fēng)險進(jìn)行估計。

TEQ=Σ(PAHs的濃度×TEF) =2.66 ng·L-1

各種回用途徑的CDI值及致癌風(fēng)險，見表7。

總致癌風(fēng)險=CDI城市綠化+CDI農(nóng)業(yè)灌溉+CDI景觀娛樂

= 7.88×10-8+2.77×10-6+3.04×10-6=5.89×10-6

表6 多環(huán)芳烴的等效毒理學(xué)估算Table 6 Carcinogenic risk of PAHs

表7 各種回用途徑的CDI值(mg·kg-1·day-1)及致癌風(fēng)險Table 7 The CDI value of different reuse approaches and carcinogenic risk

3 討論(Discussion)

城市回用水中使用的可行性研究得到了世界各國政府及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，尤其是目前普遍關(guān)心的環(huán)境致突變物的潛在風(fēng)險。而關(guān)于水質(zhì)安全性的研究已經(jīng)由致病菌，重金屬的污染發(fā)展到了有機(jī)物對水污染的研究[5]。有機(jī)污染物中苯系多環(huán)芳烴(PAHs)是最早發(fā)現(xiàn)的致癌物質(zhì)之一。

目前，歐美國家對PAHs的研究多集中在其在海水及沉積物的研究上[6-8]。在我國PAHs的研究集中在沿海海水及沉積物中[9,10]，對城市回用水中PAHs的研究則未見報道。在本研究中，首先對城市回用水中有機(jī)污染物的代表性物質(zhì)PAHs的含量進(jìn)行了檢測，并選擇了美國EPA推薦優(yōu)先控制的16種PAHs進(jìn)行分析[11]?；赜盟椭兴畼又芯鶛z測出PAHs，主要為芴和菲、其次為萘、熒蒽、芘等。回用水中16種PAHs的總濃度為1 422.85 ng·L-1，污水處理廠二級出水中16種PAHs的總濃度為1 791.77 ng·L-1，結(jié)果顯示經(jīng)過處理后回用水中PAHs含量有所降低，但目前的處理方法并不能有效去除水中的多環(huán)芳烴類物質(zhì)。有關(guān)PAHs結(jié)構(gòu)與其致癌性的相關(guān)研究表明，三環(huán)以下、七環(huán)以上的PAHs母體不具致癌活性，四到六環(huán)PAHs母體及其它環(huán)數(shù)PAHs的衍生物部分具有致癌活性。從回用水水樣PAHs組成來看，較低分子量(2環(huán)和3環(huán))的PAHs為主要成分，以3環(huán)PAHs為主。PAHs中B[a]P具有特強(qiáng)致癌性，而本研究中顯示回用水中其含量很低，低于1 ng·L-1。

B[a]P被認(rèn)為是環(huán)境毒性最強(qiáng)的PAHs之一，常被作為健康風(fēng)險評價的代表性化合物，也是僅有的具有環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值的PAHs，但是PAHs中并非只有苯并(a)芘具有致癌致突變性。為了全面認(rèn)識和評價人群暴露水平和風(fēng)險，許多學(xué)者通過試驗確定了PAHs毒性等效因子(toxicity equivalency factors， TEFs)概念和量值。PAHs的TEFs的發(fā)展和建立與評價多氯二苯并二惡英、多氯二苯并呋喃和多氯聯(lián)苯混合物毒性中使用的TEF概念類似，它有助于更精確地定義PAHs混合物的致癌性質(zhì)[12]。然而，目前只有很少的PAHs的TEFs推薦值可以選用。最初，美國環(huán)保局將PAHs劃分為致癌性和非致癌性兩類。B[a]P作為參考物質(zhì)，所有致癌性PAHs的TEF值為1，非致癌性PAHs的TEF值為0[13]。之后Chu和Chen[14]， Thorslund[15]先后提出了更為詳細(xì)的TEFs推薦值。Nisbet[4]研究更精確的反映單個PAHs相對毒性的TEFs值，給出的TEFs值是基于和Clement相同研究基礎(chǔ)上得出的，即在一個分析體系中同時測定一種或多種PAHs和B[a]P混合物。研究者認(rèn)為，PAHs所包括的物質(zhì)在生物可利用性、結(jié)合位點(diǎn)的競爭、共致癌行為或是代謝轉(zhuǎn)化過程中有差異，不同的PAHs混合物有不同的致癌潛能，所以實驗結(jié)果仍然有很大的不確定性。但是在所有的研究中，還都是將B[a]P作為參考化合物的。

本研究顯示回用水在城市綠化、農(nóng)業(yè)灌溉和景觀娛樂3種不同回用途徑下多環(huán)芳烴的致癌風(fēng)險分別為7.88×10-8、2.77×10-6、3.04×10-6，總致癌風(fēng)險為5.89×10-6。此次計算的風(fēng)險值為個體終生致癌風(fēng)險，在EPA規(guī)定的可接受風(fēng)險范圍內(nèi)10-5～10-6。

未來城市回用水可能應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、市政景觀、河道補(bǔ)充、居民沖廁和污水處理廠出水沖車，為確保大規(guī)模使用城市回用水人群的安全性，改進(jìn)現(xiàn)有回用水處理工藝，徹底去除水中的有機(jī)污染物，有利于擴(kuò)大回用水資源化的發(fā)展空間，有利于城市可持續(xù)發(fā)展的水資源的開發(fā)與使用。有必要對城市回用水的致突變物質(zhì)的種類、復(fù)合作用機(jī)理及去除方法問題進(jìn)行更加深入細(xì)致的研究。

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