易 平 曾 微 羅 萌 方丹丹 王 強(qiáng)?
(1 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶 400716)
(2 重慶市農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究重點(diǎn)試驗(yàn)室,重慶 400716)
(3 重慶盛雅環(huán)保咨詢有限公司,重慶 404100)
鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)(簡(jiǎn)稱PAEs),又名酞酸酯[1],廣泛用作各種產(chǎn)品中的添加劑和增塑劑,以提高柔韌性和耐久性[2]。其不僅是一類重要的環(huán)境激素類化合物,也是一類持久性有機(jī)污染物[3]。PAEs不能與聚合物基質(zhì)共價(jià)結(jié)合[4],大量的PAEs逐漸釋放到環(huán)境后需要極長(zhǎng)時(shí)間才能降解,生物積累性極強(qiáng),已成為水體、大氣和土壤中重要的環(huán)境優(yōu)先污染物[5]。PAEs具有致畸、致突變和生殖發(fā)育毒性,對(duì)身體的一些組織和器官有潛在的不利影響,受到歐盟理事會(huì)、美國(guó)國(guó)會(huì)和許多國(guó)家政府部門的監(jiān)管[6]。大量研究表明,較低分子量的PAEs,如DMP是有毒的[7]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中由于大量的農(nóng)藥、農(nóng)膜的使用導(dǎo)致DMP在土壤環(huán)境中的檢出率較高[8]。美國(guó)環(huán)保署已將鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DBP)、鄰苯二甲酸二正辛酯(DnOP)等六種PAEs列為優(yōu)先控制的有毒污染物[9]。
三峽工程是一項(xiàng)舉世矚目的水力水電工程,每年均會(huì)由于水位周期性漲落形成400多平方千米的消落帶[10],消落帶中無(wú)論物質(zhì)還是能量變化均十分活躍,成為水體中污染物質(zhì)的源和匯,影響著水體污染物質(zhì)的含量和行為。三峽庫(kù)區(qū)豐水期和枯水期7個(gè)斷面的檢測(cè)結(jié)果顯示PAEs檢出率均為100%[11],庫(kù)區(qū)沉積物及消落帶也檢出了較高含量的PAEs,例如長(zhǎng)江武漢段干流沉積物中ΣPAEs在豐水期、枯水期的濃度范圍為151.7~450.0 mg?kg-1和76.3~275.9 mg?kg-1,其中DMP、DBP濃度分別達(dá)到0.1~2.24 mg?kg-1和11.7~246.0 mg?kg-1[12],而重慶段2016年底泥中ΣPAEs為1.93~347.34 mg?kg-1,水體中ΣPAEs濃度范圍為1.22~2.88 μg?L-1[13]??梢?jiàn)三峽庫(kù)區(qū)部分水體PAEs已經(jīng)超過(guò)了美國(guó)華盛頓州的警戒標(biāo)準(zhǔn),對(duì)人體已具有一定的健康風(fēng)險(xiǎn)[14]。消落帶周期性干-濕交替條件對(duì)土壤氮[15]、磷[16]、重金屬[17]遷移轉(zhuǎn)化已有不少研究,但消落帶周期性干-濕交替條件PAEs遷移釋放的影響國(guó)內(nèi)外研究極少,只有杜嫻[18]、楊志丹[19]等少數(shù)人討論了PAEs總量和DBP在三峽庫(kù)區(qū)消落帶環(huán)境中的行為,迄今尚未見(jiàn)消落帶土壤在淹水-落干周期性變換過(guò)程中土壤作為PAEs源或匯的研究。在庫(kù)區(qū)水位漲落的不同階段,消落帶土壤上覆水條件差異極大,土壤性質(zhì)變化方向和過(guò)程亦不同,必然會(huì)影響PAEs在土壤中的釋放、轉(zhuǎn)化等過(guò)程,水體、沉積物中的PAEs來(lái)自哪里、去向何方關(guān)系到庫(kù)區(qū)水質(zhì)安全。了解PAEs在消落帶的遷移釋放過(guò)程是防治庫(kù)區(qū)水體有機(jī)污染必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本研究以三峽庫(kù)區(qū)消落帶典型土壤-紫色土為研究對(duì)象,采用“淹水-落干-再淹水-再落干”模式探討消落帶干濕交替過(guò)程中DMP在上覆水-間隙水-土壤之間的遷移釋放特征,其成果可以為大型水庫(kù)消落帶在土、水環(huán)境PAEs控制等方面提供指導(dǎo)。
DMP(分析純,含量>99.5%,成都市科龍化工試劑廠),甲醇(色譜純,美國(guó)Tedia公司),氯化鈉(分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),二氯甲烷、正己烷、丙酮(分析純,成都科龍化工試劑廠)。
電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司,DHG-9240A),高效液相色譜儀(日本島津,LC-20AT),可見(jiàn)紫外檢測(cè)器(日本島津,SPD-20AL),色譜柱(日本島津,Inertsil ODSSP)、循環(huán)水式真空泵(鞏義市英峪予華儀器廠,SHZ-D)、臥式轉(zhuǎn)換型冷凍箱(河南新飛電器有限公司,BC/BD-386GA)。
根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)消落帶的分布特征和典型性的研究區(qū),采集了重慶開(kāi)州170 m高程的消落帶區(qū)域表層1~4 cm土壤作為供試土樣,土壤類型為紫色土,供試土壤中的DMP含量低于檢測(cè)限。于2015年9月采集土樣,除去雜質(zhì)、石塊、樹(shù)根、落葉等雜物,經(jīng)自然風(fēng)干,粉碎后過(guò)2 mm篩,存于玻璃罐中備用,其理化性質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the soil in the study
參考長(zhǎng)江干流沉積相、消落帶中的DMP含量并適當(dāng)放大設(shè)置一定濃度梯度的DMP污染土壤樣品:準(zhǔn)確稱取DMP標(biāo)準(zhǔn)品和供試土樣,將DMP溶于純水,純水中可加入少量甲醇增加其溶解度,然后將DMP溶液與土樣充分混勻后放入玻璃瓶中陳化20 d得到計(jì)算值為10~200 mg?kg-1濃度的DMP污染土樣。
干濕交替試驗(yàn)裝置參照楊志丹[19]所用試驗(yàn)裝置并作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。稱取含初始含量100 mg?kg-1DMP的污染紫色土樣300 g,平鋪于直徑10.6 cm、高18.5 cm的廣口玻璃瓶?jī)?nèi),按照水土比約為3∶1比例[24],以虹吸法緩慢加入模擬江水800 mL,靜置進(jìn)行淹水試驗(yàn)。在淹水試驗(yàn)結(jié)束后以虹吸法排干上覆水,進(jìn)行落干試驗(yàn)。干濕交替試驗(yàn)整個(gè)周期為80 d,第一次覆水時(shí)間為20 d,落干時(shí)間為20 d,如此反復(fù)2次,期間溫度控制在室溫,自然光照射。模擬江水參照張金洋[21]配置,pH為8.04,電導(dǎo)率為41.7 μs?cm-1,溶解氧為3.19 mg?L-1。分別在覆水1、2、4、8、16、20 d,落干1、2、4、8、16、20 d,取上覆水樣、間隙水樣以及土壤樣品進(jìn)行DMP含量測(cè)定,研究干濕交替過(guò)程土-水界面中DMP遷移釋放特征。試驗(yàn)平行3次。
另稱取1.2節(jié)制備的DMP初始濃度分別為10、40、100、200 mg?kg-1的污染紫色土樣,然后按照上述方法進(jìn)行周期性干濕交替試驗(yàn),研究土壤中DMP初始含量變化對(duì)周期性干濕交替不同階段土壤中DMP土-水界面遷移釋放的影響。試驗(yàn)平行3次。
樣品采集方法:(1)上覆水樣:采集樣品時(shí),注射器從距土-水界面3 cm處取水樣50 mL儲(chǔ)存在4 ℃冰箱中,48 h內(nèi)進(jìn)行前處理,為了抑制微生物的降解活動(dòng),在上覆水中添加0.05%NaN3溶液;(2)間隙水樣:水樣采集完畢后,傾去上覆水,取土層表面1~3 cm的土樣,離心取得間隙水,同樣添加0.05%NaN3溶液;(3)土壤樣品:離心后,將一部分土樣放入冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥,干燥后的土樣保存在-20 ℃冰箱中,40 d內(nèi)進(jìn)行前處理。另一部分土樣測(cè)定土壤含水率。所有樣品的采集均為破壞性采樣,即完成某一時(shí)期的上覆水、間隙水和土壤采集后,樣品不再使用。
樣品前處理方法:(1)水樣前處理方法參照U.S.EPA Method3510[22],液-液萃取方式進(jìn)行水樣的萃取。(2)土壤前處理方法參照馬燕玲等[23]采用超聲波提取方法,將提取液離心5 min(4 000 r?min-1,20℃),用0.45 μm的濾膜真空抽濾收集濾液,60℃恒溫水浴蒸發(fā)至近干,用甲醇定容,過(guò)0.22 μm有機(jī)濾膜后上機(jī)檢測(cè),淹水處理前的土壤也按上述方法測(cè)定初始濃度。
DMP檢測(cè)條件:采用日本島津LC-20AT高效液相色譜儀對(duì)樣品中DMP進(jìn)行測(cè)定,儀器運(yùn)行參數(shù)參照文獻(xiàn)[24],DMP的檢出限為0.020 μg?mL-1,精密度為0.33%~1.15%,加標(biāo)回收率在79.90%~103.74%,符合試驗(yàn)準(zhǔn)確度、精密度要求。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用Excel 2007、SPSS 22、Origin Pro8.5.1等軟件進(jìn)行處理和分析。
圖1a表示在土壤中添加DMP初始濃度為100 mg?kg-1時(shí),干濕交替試驗(yàn)期間土壤中DMP 含量隨淹水時(shí)間的變化趨勢(shì)。從圖1可知,第一次淹水初期(0~2 d),土壤中DMP含量出現(xiàn)明顯下降,第1天降至55.86 mg?kg-1,第2天僅為16.59 mg?kg-1。在淹水初期,由于土-水界面、液-液界面的濃度差,土壤中的DMP會(huì)快速釋放至間隙水中,土壤中DMP的釋放是間隙水中DMP的重要來(lái)源。但從淹水第3天開(kāi)始,土壤中的DMP含量有反彈增高的趨勢(shì)。第二次淹水期間土壤中DMP含量變化趨勢(shì)與第一次相似,只是不如第一次劇烈。兩次淹水土壤中DMP遷移釋放過(guò)程呈現(xiàn)出在初始階段釋放速度較快,而后釋放速度減慢的特點(diǎn),這與六氯苯的釋放規(guī)律一致[25]。
兩次落干初期(20~21 d和60~61 d)土壤中DMP含量均有不同程度的上升,此時(shí)土壤含水率均在20%左右。落干初期,上覆水和間隙水中存在大量的DMP,由于水分的快速蒸發(fā),間隙水中DMP向土壤表面或土壤內(nèi)部空隙聚集,與土壤中的有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)礦物等結(jié)合,導(dǎo)致土壤中DMP含量上升。而兩次落干的2~4 d,土壤中DMP含量均有不同程度的下降。這可能是因?yàn)槁涓沙跗贒MP從間隙水遷移至土壤中的量達(dá)到飽和,隨后伴隨大量的間隙水揮發(fā),落干期間土壤表面與空氣接觸面積增大,因此間隙水揮發(fā)時(shí)可能帶走其中的部分DMP,造成兩次落干2~4 d土壤DMP含量下降。從落干期的第8天開(kāi)始,土壤中DMP基本穩(wěn)定在同一水平。值得注意的是由于反應(yīng)體系為敞開(kāi)體系,微量的 DMP可能通過(guò)水相的揮發(fā)進(jìn)入空氣中,因而在水相和氣相間存在擴(kuò)散通量,但由于DMP的蒸汽壓常數(shù)極低,僅為4.2×10-3,所以水相與氣相間的擴(kuò)散通量應(yīng)該較低。
圖1 干濕交替期間DMP在土壤(a)、間隙水(b)、上覆水(c)中遷移釋放特征Fig.1 Migration and release characteristics of DMP in soil (a), pore water (b), and overlying water (c) during dry-wet alternations
圖1 b表示周期性干濕交替期間,間隙水中DMP濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。第一次淹水初期(0~2 d),間隙水中DMP濃度快速升高,第2天達(dá)到最大濃度71.00 μg?mL-1,在2~4 d又大幅度下跌至12.82 μg?mL-1,在4~8 d濃度小幅度增加至21.83 μg?mL-1,8~16 d又降低至9.72 μg?mL-1,最后在16~20 d濃度趨于穩(wěn)定。結(jié)合土壤中DMP濃度的變化特征,可以推測(cè)土壤與間隙水之間DMP可能存在解吸(釋放)-吸附-再解吸(釋放)-再吸附的機(jī)制,出現(xiàn)了DMP分子在兩相間的振蕩分配。而且第一次淹水期間,解吸-吸附階段(0~4 d)的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于再解吸-再吸附階段(4~16 d)。第二次淹水期間,土壤與間隙水間的DMP遷移與第一次淹水基本相似,只是間隙水中DMP濃度只出現(xiàn)了一次振蕩分配現(xiàn)象(0~8 d),在淹水第8天左右便達(dá)到基本穩(wěn)定??赡苁怯捎诘诙窝退陂g土壤與間隙水中的DMP含量相對(duì)較低,DMP與土壤中顆粒物、有機(jī)質(zhì)等的吸附作用也相對(duì)穩(wěn)定,其在兩相間的振幅不如第一次淹水劇烈,經(jīng)歷小幅度的釋放-吸附后便很快趨于穩(wěn)定,這與楊志丹[19]的研究結(jié)果相似??傮w上,DMP在間隙水中遷移變化過(guò)程是逐步趨于穩(wěn)定的,DMP的短鏈結(jié)構(gòu)并未使其在土-水界面的遷移轉(zhuǎn)化中呈現(xiàn)快速穩(wěn)定狀態(tài),而是需要通過(guò)反復(fù)的分配才最終達(dá)到平衡。
如圖1c所示,在第一次淹水期間,上覆水中DMP濃度總體呈現(xiàn)出增加、降低、再增加、再降低的振蕩變化, 在淹水后期DMP濃度逐漸趨于穩(wěn)定。第二次淹水期間上覆水中DMP濃度在0~4.46 μg?mL-1范圍內(nèi)變化,幅度不大,總體呈現(xiàn)出微弱的增加、降低、再增加,最后趨于穩(wěn)定的特征;第二次淹水在淹水前期0~8 d和第一次淹水上覆水中DMP濃度變化趨勢(shì)相似,且均在第2天達(dá)到最大濃度,但不同的是,第二次淹水第8天左右體系便基本達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),與第二次淹水間隙水的平衡時(shí)間一致,說(shuō)明第二次淹水時(shí)土-水體系、液-液體系更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這與自然狀態(tài)下三峽庫(kù)區(qū)在干濕交替期間土-水界面的有機(jī)物遷移轉(zhuǎn)化情況更為接近。兩次淹水期間,DMP在上覆水與間隙水中的變化特征極其相似,推測(cè)此階段間隙水可能是上覆水DMP的主要來(lái)源。
為探討DMP在上覆水、間隙水、土壤三相間的遷移釋放機(jī)理,通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程擬合了第一次淹水期間,間隙水、上覆水中DMP濃度隨時(shí)間的變化特征(表2)。從表2可以看出,間隙水、上覆水中DMP濃度變化的動(dòng)力學(xué)方程中,擬合效果最好的是準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程,達(dá)到極顯著相關(guān)。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程是基于化學(xué)吸附,化學(xué)鍵是聯(lián)系吸附劑與吸附質(zhì)之間的橋梁,吸附劑的吸附能力取決于其表面的活性點(diǎn)位數(shù)量和性質(zhì),決定吸附過(guò)程的速率[26]。表明DMP在上覆水、間隙水、土壤之間的相互作用主要是化學(xué)機(jī)制[27]。兩次淹水期間,間隙水DMP平均濃度為18.58 μg?mL-1,上覆水為4.54 μg?mL-1,間隙水中DMP濃度明顯高于上覆水,究其原因,可能是由于DMP在固-液兩相分配時(shí),首先釋放到遷移距離較近的間隙水中,然后再通過(guò)間隙水遷移至上覆水中。丁輝等[25]研究指出有機(jī)物在沉積物-上覆水的遷移釋放主要分為3步:首先,有機(jī)污染物從沉積物中解吸(釋放)到間隙水中,這是固/液兩相間的分配過(guò)程,解吸分為快解吸和慢解吸。然后,有機(jī)污染物在間隙水中的擴(kuò)散,這一步是在單一介質(zhì)間的擴(kuò)散過(guò)程。最后,有機(jī)物從間隙水開(kāi)始向上覆水中擴(kuò)散,這是液-液兩相間的擴(kuò)散過(guò)程,其遷移的主要驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于有機(jī)物在這兩相間的濃度差。
本研究結(jié)果證實(shí)了該模型的合理性,由2.1節(jié)可以看出在第一次淹水0~2 d,土壤中DMP向間隙水快速解吸(釋放),4~8 d為慢速解吸,進(jìn)入間隙水的DMP又快速向上覆水轉(zhuǎn)移。這與楊志丹[19]對(duì)DBP遷移釋放的描述相似,表明DMP與DBP作為同系物,兩者在三相間存在相似的遷移釋放規(guī)律。
表2 間隙水和上覆水中DMP濃度變化動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)Table 2 Kinetic equation and parameters of DMP in pore water and overlying water
為進(jìn)一步解釋影響DMP在三相間遷移歸趨的原因,對(duì)上覆水、間隙水、土壤中DMP含量進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果如表3中所示,在第一次淹水時(shí),間隙水和上覆水DMP濃度存在顯著正相關(guān)的關(guān)系(P<0.05)。DMP在間隙水-上覆水液-液兩相傳質(zhì)時(shí),傳質(zhì)阻力較小,速率較快,驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自兩者的濃度差,隨間隙水中DMP濃度增加,釋放到上覆水中DMP的量也相應(yīng)同步增加,也說(shuō)明此階段間隙水是上覆水DMP的主要來(lái)源,盡管表層土壤中的DMP也可以直接釋放到上覆水中,但不是主要的,可能的原因是不同于液-液傳質(zhì),土-水界面的固-液傳質(zhì)助力相對(duì)較大,DMP從土壤直接向上覆水遷移速率較低。而土壤與間隙水中DMP濃度呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān),表明土壤與間隙水中DMP濃度之間在時(shí)間是不同步的,存在此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì),也正是這種趨勢(shì),暗示土壤中DMP是間隙水中DMP的源。
表3 三相體系間DMP濃度的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of DMP concentration between three-phase systems
通過(guò)前述DMP在上覆水-間隙水-土壤三相間的遷移釋放及其相互關(guān)系,獲得了DMP在三相間的表觀源/匯關(guān)系圖(圖2)??梢钥闯?,在第一次淹水前0~2 d,土壤中DMP含量明顯減少,而間隙水和上覆水中的DMP濃度相應(yīng)增加,表明這期間土壤成為DMP的源,而間隙水、上覆水則是DMP的匯;當(dāng)?shù)谝淮窝退M(jìn)行到2~4 d,土壤中DMP含量增加,同一時(shí)間段間隙水中和上覆水中DMP含量均有不同程度降低,表明這期間土壤成為DMP的匯,而間隙水和上覆水則轉(zhuǎn)換成DMP的源;在第一次淹水的4~8 d,土壤是DMP的源,間隙水和上覆水是DMP的匯;第一次淹水的8~20 d,間隙水和上覆水是DMP的源,土壤是DMP的匯。DMP在土-水兩相間存在振蕩分配,而不是單向的遷移釋放,但隨著淹水時(shí)間的延長(zhǎng),振蕩幅度逐漸減小,直至平衡。
由圖3可見(jiàn),當(dāng)土壤中初始DMP含量10、40、100 mg?kg-1時(shí),上覆水、間隙水、土壤中的濃度變化趨勢(shì)大致相同;但是當(dāng)土壤初始DMP含量為200 mg?kg-1時(shí),上覆水、間隙水、土壤中的濃度變化出現(xiàn)了與前三組不同的特征:首先,在淹水4~16 d、第一次落干2~8 d土壤中DMP出現(xiàn)了與其他三組明顯不同的上升趨勢(shì)。其次,在兩次淹水后期(4~20 d)間隙水中DMP濃度均出現(xiàn)與其他三組不同的變化趨勢(shì),即在兩次淹水的4~16 d升高,16~20 d降低,且兩次淹水結(jié)束后均未達(dá)平衡;第二次淹水期間,在淹水16 d 才達(dá)到最大釋放量11.51 μg?mL-1,較其他三組晚14 d。這說(shuō)明土壤初始DMP含量增加到一定程度后,土壤中DMP向間隙水中的釋放時(shí)間會(huì)有一定程度延長(zhǎng),且再吸附作用有所減小。第三,當(dāng)土壤初始DMP含量增加至200 mg?kg-1后,上覆水DMP含量出現(xiàn)了與其他三組不同的變化趨勢(shì),即第一次淹水4~16 d上覆水中DMP濃度明顯持續(xù)下降,而其他三組的表現(xiàn)為先增加,后減少。由于濃度過(guò)高,使DMP在三相中DMP的分配波動(dòng)較大。之所以出現(xiàn)了這種變化,可能的原因是當(dāng)土壤初始DMP含量200 mg?kg-1時(shí),濃度太大,影響了其在間隙水和上覆水中的膠束形態(tài)及其在三相中的分配,進(jìn)而影響了其在三相中的遷移過(guò)程。
圖2 第一(a)、二(b)次淹水期間不同時(shí)間段三相表觀源/匯關(guān)系Fig.2 Relationship between source and sink relative to phase and sampling time during the first (a) and second (b) flooding periods
干濕交替過(guò)程中DMP在紫色土與間隙水、上覆水之間的相互作用由化學(xué)機(jī)制控制,淹水期間,DMP在土壤、間隙水與上覆水之間存在反復(fù)分配現(xiàn)象。在第一次淹水初期,間隙水和上覆水DMP濃度存在顯著正相關(guān)的關(guān)系,而土壤與間隙水中DMP濃度呈現(xiàn)較弱的負(fù)相關(guān)。DMP初始含量10~100 mg?kg-1土壤在淹水后向間隙水、上覆水遷移釋放的特征基本相同,但上覆水DMP含量太高,將影響DMP在三相中的分配,使三相間DMP的分配波動(dòng)更大。
圖3 土壤初始DMP含量對(duì)干濕交替期間土壤(a)、間隙水(b)、上覆水(c)中DMP遷移釋放的影響Fig.3 Influences of DMP concentration on DMP migration and release in the soil (a), pore water (b), and overlying water (c)during dry-wet alternation