殷偉，范德玲，汪貞，古文，周林軍，劉濟寧，王冬梅，石利利,,*

1. 南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院，南京 210044 2. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學研究所，南京210042 3. 天津市固體廢物及有毒化學品管理中心，天津 300191

隨著人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動愈加頻繁，酚類化合物已成為水體中常見的有機污染物。美國環(huán)境保護局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的優(yōu)先控制污染物清單中列有酚類化合物[1]，我國于1989年將其作為優(yōu)先控制污染物。至2018年底歐盟將具有生殖毒性或內(nèi)分泌干擾性的對叔丁基苯酚、壬基酚和雙酚A等列入高關注物質(zhì)清單。有研究表明，酚類化合物不容易自然降解，可通過不同的途徑或食物鏈在組織、細胞和器官中積累；抑制水生生物的生長，高度干擾魚類及其胚胎內(nèi)分泌功能或導致細胞死亡[2]。因此，這些化合物可以進一步導致對水生系統(tǒng)的急性或慢性影響。我國的三峽庫區(qū)[3]、黃浦江[4]、部分飲用水源地[5]以及長江沿岸化工園土壤和底泥中[6]均檢測出多種酚類化合物，阿根廷用作飲用水源水的圣馬丁運河中亦檢測出酚類的存在[7]，甚至在母乳中檢出了0～10 800 ng·L-1的酚類物質(zhì)[8]。酚類化合物在我國環(huán)境中的殘留狀況、污染特征及生態(tài)風險應引起高度關注。

天津市位于華北平原海河五大支流匯流處，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)、生活和養(yǎng)殖業(yè)等的污染排放量顯著增加，使得該地區(qū)河流污染日趨嚴重。據(jù)天津市全境生產(chǎn)與使用化學品的初步篩查與分析，天津市161家化工企業(yè)中有20多家企業(yè)涉及生產(chǎn)或使用酚類物質(zhì)。因此，本論文將壬基酚、雙酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴雙酚A和對叔丁基苯酚這7種酚類化學品作為研究對象，采用高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(HPLC-MS/MS)，對天津地區(qū)的地表水與沉積物中7種目標酚類化合物進行了測定，并對其分布特征及生態(tài)風險進行了分析，以期為天津市酚類化學品的環(huán)境風險管控提供科學參考和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 樣品采集

水樣：在天津市于橋水庫、爾王莊水庫和天津南水北調(diào)曹莊子泵站等水源地設置3個采樣點位(TJW01、TJW02和TJW03)，在6條主要河流(大沽排污河、獨流減河、薊運河、南運河、永定新河及海河)設置23個采樣點位(TJW04、TJW05、TJW06、TJW07、TJW08、TJW09、TJW10、TJW11、TJW12、TJW13、TJW14、TJW15、TJW16、TJW17、TJW18、TJW19、TJW20、TJW21、TJW22、TJW23、TJW24、TJW25和TJW26，如圖1所示)，分別采集取水口水樣(均采自水面下方10～20 cm處)于1 L于棕色玻璃瓶內(nèi)，每個點位采樣3份。

沉積物樣：選擇薊運河、南運河、海河、獨流減河以及渤海入?？?，設置6個沉積物采樣點位(TJS01、TJS02、TJS03、TJS04、TJS05和TJS06)，如圖1所示。使用抓斗采樣器采集河床底泥，每個點位采集3份樣品，每份樣品約2 kg。樣品采集后于冷藏條件下送至實驗室，在4 ℃條件冷藏并在5 d內(nèi)完成樣品前處理。

圖1 采樣點示意圖Fig. 1 Sampling sites of Tianjin

1.2 儀器與試劑

HPLC-MS/MS(LC：Agilent Technologies 1290 Infinity；MS/MS：AB SCIEX QTRAP 4500，美國)；電子天平(Mettler XS205，Mettler Toledo，瑞士)；氮吹儀(ANPEL，安譜)；KQ-300 GDV溫控超聲儀(昆山舒美，中國)；Sigma 3K15高速冷凍離心機(Sigma-Aldrich，德國)；Heating Bath B-300 Base旋轉蒸發(fā)儀(BUCHI，瑞士)；IKA Vortex3旋渦混勻器(IKA，德國)；色譜柱為ZORBAX Eclipse Plus C18 Column(150 mm×2.1 mm，3.5 μm，Agilent，美國)；Visiprep 24TM DL固相萃取裝置( Supelco，美國)；HLB固相萃取柱(5 mg，6 mL，Waters，美國)。

甲醇(色譜純，MERCK，德國)；乙腈(色譜純，MERCK，德國)；二氯甲烷(色譜純，MERCK，德國)；正己烷(色譜純，MERCK，德國)；Milli-Q純水(Millipore，美國)。

標準品：1-萘酚(99%)、壬基酚(99%)、雙酚A(99%)、2-苯基苯酚(99%)、3,4-二氯酚(98.5%)、四溴雙酚A(98%)以及對叔丁基苯酚(95%)均購自河北百靈威超精細材料有限公司。

1.3 樣品處理

水樣：真空抽濾過0.45 μm孔徑玻璃纖維膜，準確量取500.0 mL經(jīng)預處理的水樣，過預先用甲醇活化的Oasis HLB 6 cc小柱進行固相萃取，上樣速度約為5.0 mL·min-1。上樣后，用10.0 mL超純水淋洗HLB小柱，抽干后用10.0 mL甲醇洗脫，洗脫液經(jīng)N2吹至干，然后用甲醇定容至1.00 mL，渦旋1 min，待HPLC-MS/MS分析。

沉積物：采用四分法縮分沉積物樣品，并經(jīng)真空冷凍干燥后過20目篩。取5.0 g經(jīng)預處理的沉積物樣品置于50.0 mL聚四氟乙烯離心管，加入25.0 mL V(二氯甲烷)∶V(正己烷)為4∶1的提取液，超聲提取15 min后，于5 000 r·min-1條件下離心分離5 min，將有機相轉移至梨形瓶，重復提取3次，合并提取液，旋蒸(水浴溫度40 ℃)至<1.00 mL，N2吹干后加入1.00 mL乙腈復溶，過0.22 μm濾膜后待HPLC-MS/MS分析。

1.4 儀器條件1.4.1 液相色譜

采用ZORBAX Eclipse Plus C18色譜柱(150 mm×2.1 mm，3.5 μm)，流動相為乙腈/水(0.05%氨水)按一定梯度比例混合的溶液(表1)，柱溫30 ℃，流速0.3 mL·min-1，進樣體積5.0 μL。

1.4.2 質(zhì)譜條件

負離子模式，采用電噴霧離子源(ESI)、多反應離子監(jiān)測(multiple reaction monitoring, MRM)掃描定量分析目標物，氣簾氣壓35 000 Pa，噴霧氣壓450 000 Pa，輔助加熱氣壓413 688 Pa，源溫度500 ℃，離子化電壓5 500 V。

表1 酚類目標化合物測定時的洗脫梯度Table 1 Gradient elution program for the analysis of the phenols

注：aA為0.05%(體積分數(shù))氨水溶液，B為乙腈。

Note:aA is 0.05% (volume fraction) ammonia solution in water; B is acetonitrile.

1.5 質(zhì)量保證和質(zhì)量控制(QA/QC)

整個分析過程設置方法空白、加標空白、平行樣進行質(zhì)量控制和質(zhì)量保證，每10個樣品添加1個基質(zhì)空白、1個樣品重復和1個基質(zhì)加標回收質(zhì)控樣。目標化合物采用混合標樣外標法定量，工作曲線的相關系數(shù)均>0.998。預處理土壤作為加標空白，無目標化合物檢出。純水和沉積物空白樣品中酚類化合物加標回收率測定結果分別為81%～132%、79%～145%，相對標準偏差分別為8.41%～16.59%、5.04%～16.07%，方法空白均未檢出目標化合物。以信噪比S/N=3計算儀器檢出限(LOD)，以信噪比S/N=10作為儀器定量限(LOQ)，儀器LOD為0.03～1.82 μg·L-1，LOQ為0.10～6.00 μg·L-1；水體和沉積物中各目標化合物的LOQ分別為0.20～12.0 ng·L-1和0.02～1.20 μg·kg-1。

實驗所用錐形瓶、梨形瓶等玻璃器皿均在丙酮溶劑中浸泡，105 ℃下烘干，同時盡量避免使用塑料容器。

1.6 生態(tài)風險評估方法

生態(tài)風險評估(ecological risk assessment, ERA)是分析和評估環(huán)境污染物引起的不利生態(tài)效應可能性的過程[9]，通過濃度閾值或風險熵來量化污染物對環(huán)境的生態(tài)危害[10]；確定在不同風險水平下p%物種受影響(HCp)、即保護(1-p)%物種時的危害濃度[11]，一般采用5%危害濃度(hazardous concentration 5%, HC5)，HC5指影響不超過5%的物種即可以保護95%以上的物種時對應的濃度[12-13]。

生態(tài)風險評估方法步驟：(1)毒性數(shù)據(jù)獲取與處理；(2)物種敏感性分布(species sensitivity distribution, SSD)曲線擬合及HC5的計算；(3)預測無效應濃度(predicted no effect concentration, PNEC)和風險熵(RQ)的計算。7種酚類化合物的毒性數(shù)據(jù)來自美國環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)以及相關文獻。對于同一物種有多個數(shù)據(jù)的情況，采用其所有濃度數(shù)據(jù)的幾何平均值[10]。由于相關的慢性毒性數(shù)據(jù)較少，故主要選取急性毒性效應終點值半致死濃度值(lethal concentration 50, LC50)或半數(shù)效應濃度值(concentration for 50% of maximal effect, EC50)構建SSD曲線[14]。將毒性數(shù)據(jù)值進行對數(shù)轉換，并由小到大進行排序，設定相應的序數(shù)i。根據(jù)序數(shù)計算出累積概率P(計算公式為P=i/(N+1)，N為物種數(shù))。將轉換后的毒性值與累計概率擬合，其中的擬合模型可選用log-normal、log-logistic、Sigmoid和Gaussian等多種SigmaPlot 13.0軟件內(nèi)置的函數(shù)，通過決定系數(shù)R2和圖像綜合判別最佳擬合模型并推算出累計概率為5%的毒性值HC5。

PNEC的計算包括PNECwater和PNECsed。其中，PNECwater計算采用評估因子法，即

PNECwater=HC5/FA

PNECwater為水環(huán)境預測無效應濃度(μg·L-1)；HC5為5%危害濃度(μg·L-1)；FA為評估因子，取值范圍為1～5，依據(jù)生態(tài)風險評價中“最壞情況”(the worst case)原則本研究評估因子值取為5[15]。

PNECsed(以干質(zhì)量計)，當無法獲得沉積物中生物毒性數(shù)據(jù)時，采用相平衡分配法[14]計算，公式如下：

RHOsusp=Fsolidsusp·RHOsolid+Fwatersusp·RHOwater

KPsusp=Focsusp·Koc

式中：PNECsed為以干質(zhì)量計的淡水沉積物環(huán)境預測無效應濃度(μg·kg-1)；Ksusp-water為懸浮物-水分配系數(shù)(m3·m-3)；RHOsusp為懸浮物濕體積密度(kg·m-3)； 4.6為PNECsed的干、濕質(zhì)量轉化系數(shù)；Fwatersusp為懸浮物中水的體積分數(shù)，默認值為0.9 m3·m-3； Fsolidsusp為懸浮物中固體物的體積分數(shù)，默認值為0.1 m3·m-3；KPsusp為污染物在懸浮物中的固-水分配系數(shù)(L·kg-1)； RHOsolid為固相的密度，默認值為2 500 kg·m-3；RHOwater為水的密度，默認值為1 000 kg·m-3；Focsusp為懸浮物中有機碳的質(zhì)量分數(shù)，本研究取0.02 kg·kg-1；Koc為污染物有機碳-水分配系數(shù)(L·kg-1)。7種目標酚類化合物的Koc值如表2所示。各參數(shù)的取值參考文獻[16]。

風險熵值法(RQ)的計算方法為

RQ=MEC/PNEC

即實際測定濃度(measured environmental concentration, MEC)和無效應濃度(PNEC)之間的比值。當RQ<0.1時，表示化學品對環(huán)境存在的風險較低，當為0.1≤RQ≤1時，表明化學品對環(huán)境存在一定風險，需要對相關風險源展開跟蹤觀察；當RQ>1時，表明化學品對環(huán)境存在不可接受的風險，需要采取相應的風險削減措施[17]。

2 結果與討論(Results and discussion)

2.1 水體中7種酚類化合物的濃度水平

在26個水樣(3個水源地，23個地表水)中7種酚類化合物(壬基酚、四溴雙酚A、對叔丁基苯酚、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和雙酚A)均有檢出。圖2為各采樣點地表水樣品酚類化合物的濃度水平。水源地及受納河流水樣中7種酚類化合物的總濃度范圍分別為116.72～220.24和114.55～448.12 ng·L-1；平均值分別為185.84和225.51 ng·L-1，河流水樣中目標物的濃度差異性較大。水源地水樣總濃度最高點出現(xiàn)在爾王莊水庫(TJW02采樣點)，因爾王莊水庫是引灤輸水的重要調(diào)節(jié)水庫，又是地表水蓄水庫；且水庫周邊種養(yǎng)業(yè)發(fā)達，轄村相較于其他水源地居多，因此酚類目標物濃度相對較高。河流水樣酚類化合物總濃度最高點出現(xiàn)在獨流減河的濱海新區(qū)段下游(TJW07采樣點)，獨流減河是天津市海河南系下游地區(qū)最大的河流，采樣點附近不僅有冶金行業(yè)和石化行業(yè)等企業(yè)存在；人類生活活動產(chǎn)生的糞污和含氮有機物在分解過程中也產(chǎn)生酚類化合物；此外，上游水量不足，河流水流速度緩慢，導致該點位附近的污染物累積[18]。壬基酚、對叔丁基苯酚、2-苯基苯酚和四溴雙酚A這4種物質(zhì)檢出率為100.0%。不同污染物的檢出濃度依次為：壬基酚>四溴雙酚A>對叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>3,4-二氯酚>雙酚A，濃度范圍依次為47.80～358.40、12.60～70.74、5.06～23.60、ND～15.02、7.72～10.88、ND～4.51和ND～16.26 ng·L-1。壬基酚的檢出濃度最高，平均濃度為151.60 ng·L-1，占7種酚類物質(zhì)總濃度的68.62%。研究表明，即便壬基酚的排放濃度很低，也具有一定的危害性[19]。壬基酚在工業(yè)上多用作洗滌劑、乳化劑、潤濕劑、分散劑以及農(nóng)藥助劑；化學性質(zhì)較為穩(wěn)定，具有模擬雌激素作用，一旦進入生物體內(nèi)之后，就會影響機體正常的生殖和發(fā)育，是典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物質(zhì)(EDCs)[20]。歐洲第2003/53/EC號指令(2003)禁止使用壬基酚及其乙氧基化物。因此，壬基酚的環(huán)境污染問題應引起高度重視。3,4-二氯酚雖然檢出率高，但是檢出濃度水平最低，僅為ND～4.51 ng·L-1，平均濃度約為1.26 ng·L-1，占酚類物質(zhì)總濃度的0.50%。

對比分析已有文獻數(shù)據(jù)，天津市主要河流水樣中壬基酚檢測濃度(47.80～358.40 ng·L-1)遠低于珠三角(420.00～1 860.00 ng·L-1)[21]，且最高濃度水平差一個數(shù)量級；但高于太湖(ND～121.00 ng·L-1)表層水中的濃度[22]。與國外報道如英國河流(2 000～336 000 ng·L-1)、瑞士河流(300～45 000 ng·L-1)和加拿大河流(3 000～300 000 ng·L-1)[23]相比，本研究的壬基酚檢測濃度極低。對于水源地水樣，相較于中國31個主要城市的62個飲用水處理廠水源水的壬基酚濃度(8.20～918.00 ng·L-1)[24]，天津市水源地水樣中壬基酚濃度(108.40～169.00 ng·L-1)處于中等水平。對于四溴雙酚A而言，本研究地表水中檢測到的濃度(12.60～70.74 ng·L-1)略高于德國西南部州巴登-弗騰堡某河流(0.20～20.40 ng·L-1)[25]，與日本某污水處理廠出水濃度相近(7.70～130.00 ng·L-1)[26]，卻遠低于巢湖的檢出濃度(420.00～1 860.00 ng·L-1)[27]。而對于雙酚A，國內(nèi)外河流和湖泊水體中檢測到的報道非常多，如遼河流域(4.40～141.00 ng·L-1)、珠江(43.00～639.00 ng·L-1)、松花江(23.00～714.00 ng·L-1)、美國密西西比河(6.00～113.00 ng·L-1)和美國運河(1.90～158.00 ng·L-1)[28-31]，最高濃度含量均高于本研究的最高檢測濃度(16.26 ng·L-1)一個數(shù)量級，太湖水體雙酚A的檢測含量(ND～55.10 ng·L-1)[22]與本研究檢測結果相似；但對叔丁基苯酚的濃度(5.33～23.60 ng·L-1)低于南京表層水體(67.50～9 295.00 ng·L-1)[32]與太湖表層水體(ND～142.00 ng·L-1)[22]。綜上，除1-萘酚、3,4-二氯酚以及2-苯基苯酚暫未找到數(shù)據(jù)支持，本研究涉及目標物的檢測濃度在與其他地區(qū)的水體相比屬中間水平。

表2 酚類化合物的有機碳-水分配系數(shù)(Koc)值Table 2 Organic carbon-water partition (Koc) values of phenols

2.2 沉積物中酚類化合物的濃度水平

除雙酚A外，6個河流沉積物樣品中檢出的6種目標酚類化合物如圖3所示?？倽舛葹?70.29～786.63 μg·kg-1，平均值為436.29 μg·kg-1。不同酚類化合物的檢出濃度依次為壬基酚>對叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>四溴雙酚A>3,4-二氯酚。檢測濃度范圍分別為152.26～778.54、2.05～11.52、ND～1.45、0.77～1.09、0.80～1.72和ND～0.26 μg·kg-1。其中，壬基酚的濃度遠遠高于其他物質(zhì)，至少高2個數(shù)量級，占目標酚類化合物總濃度的96.51%，如圖4所示。原因應為壬基酚的辛醇-水分配系數(shù)(lgKow=4.28)比較大，使得其易吸附于顆粒物質(zhì)，并且也有研究表明，壬基酚在河流沉積物中的濃度大大超過其相對應的地表水中的濃度[19]。

2.3 生態(tài)風險評估結果

查閱了相關研究及技術規(guī)范，均推薦采用物種敏感性分布法開展生態(tài)風險評估的最少毒性數(shù)據(jù)量為8～10個不等。本研究收集、整理了7種目標酚類化合物對11～20個水生生物物種(藻、溞、魚、蝦和輪蟲等)的急性毒性數(shù)據(jù)，符合US EPA構建SSD曲線時3門8科生態(tài)毒性數(shù)據(jù)的要求，數(shù)據(jù)信息如表3所示。

采用SigmaPlot 13.0各個模型推導出7種目標酚類化合物的HC5值，分別對不同的模型進行擬合并篩選出最優(yōu)擬合結果，如圖5所示。不同目標物最優(yōu)模型的決定系數(shù)(R2)、HC5、PNECwater以及PNECsed列于表4。

表3 酚類毒性數(shù)據(jù)Table 3 Toxicity data of phenols

表4 7種酚類目標化合物的R2、HC5、PNECwater和PNECsed值Table 4 Values of R2, HC5, PNECwater and PNECsed for the seven test phenolic compounds

注：R2表示決定系數(shù)，HC5表示5%危害濃度，PNECwater表示水環(huán)境預測無效應濃度，PNECsed表示以干質(zhì)量計的淡水沉積物環(huán)境預測無效應濃度。

Note: R2stands for coefficient of determination; HC5stands for hazardous concentration 5%; PNECwaterstands for predicted no effect concentration in water; PNECsedstands for predicted no effect concentration in sediment caculated by dry weight.

如表5所示，水源地水(TJW01、TJW02和TJW03)中7種酚類化合物的生態(tài)風險評估結果表明，1-萘酚、2-苯基苯酚、對叔丁基苯酚、四溴雙酚A、3,4-二氯酚和雙酚A的RQ均在0～0.1范圍內(nèi)，水生生態(tài)風險整體較低；壬基酚的RQ范圍為0.289～0.538，對環(huán)境存在一定風險?？傮w上，天津市水源地7種酚類化合物的水生態(tài)風險在可接受范圍內(nèi)。河流水體(TJW04～TJW26)中雙酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和對叔丁基苯酚的水生態(tài)風險較低；四溴雙酚A有16個采樣點對環(huán)境存在的風險較低，7個采樣點對環(huán)境存在一定風險；RQ最大的是壬基酚，范圍為0.152～1.141，個別點位存在不可接受的風險。

天津市沉積物中7種酚類化合物的生態(tài)風險評估結果如表6所示，雙酚A、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴雙酚A和1-萘酚的RQ<0.1，此5種酚類對于沉積物的生態(tài)風險較低；對叔丁基苯酚的RQ則在0.1～1范圍內(nèi)，說明它對沉積物環(huán)境存在一定風險；壬基酚的RQ為0.563～2.877，其中有3個采樣點對沉積物環(huán)境存在一定風險，3個采樣點存在不可接受的風險。

圖2 天津市水體中酚類物質(zhì)的含量Fig. 2 Concentrations of phenols in waters of Tianjin City

圖3 天津市河流沉積物中酚類物質(zhì)的含量Fig. 3 Concentrations of phenols in river sediments of Tianjin City

圖4 天津市河流沉積物中壬基酚的含量Fig. 4 Concentrations of NP in river sediments of Tianjin City

表5 天津市地表水體中7種酚類化合物的生態(tài)風險熵(RQ)計算結果Table 5 The ecological risk quotient (RQ) of seven phenolic compounds in surface water of Tianjin City

圖5 7種酚類目標化合物的物種敏感度分布曲線Fig. 5 Species sensitivity distribution (SSD) curves of the seven test phenolic compounds

表6 天津市河流沉積物中7種酚類化合物的RQ計算結果Table 6 RQ of seven phenolic compounds in river sediments of Tianjin City

本研究測定了天津市地表水樣及沉積物中7種高關注酚類化合物的濃度水平，并對其進行了生態(tài)風險評估。地表水樣中7種酚類化合物檢出率為100%。其中壬基酚的檢出濃度最高達448.12 ng·L-1；相比于水源地，河流水樣中目標物的濃度差異性較大。沉積物中除雙酚A外的6種目標物全部檢出，同樣壬基酚檢出濃度最高，由于其辛醇-水分配系數(shù)較大，所以壬基酚在沉積物中的濃度占比遠超它在水中的濃度占比。通過現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)分析，天津市水體中酚類目標化合物的濃度屬于中間水平，這也與生態(tài)風險評估結果相吻合，除部分點位的水和沉積物中壬基酚存在不可接受的生態(tài)風險外，其余酚類均對環(huán)境存在中低風險。此外，本研究僅僅是分別評估單個酚類物質(zhì)的水體和沉積物生態(tài)風險，對于多種酚類共同作用的生態(tài)風險并未進行討論，同類物質(zhì)相同終點的生態(tài)風險可能存在疊加或協(xié)同作用。因此，對于多種酚類的協(xié)同或復合作用產(chǎn)生的生態(tài)風險有待更進一步的深入研究，以取得更為科學的評估結論。