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        我國59個長期覆膜樣地的表層土壤中鄰苯二甲酸酯污染狀況分析

        2022-03-11 02:32:54靳拓許丹丹薛穎昊習斌孫建鴻彭可為張杰金德才
        生態(tài)毒理學報 2022年6期
        關(guān)鍵詞:塑化劑鄰苯二甲酸樣地

        靳拓,許丹丹,薛穎昊,習斌,孫建鴻,彭可為,張杰,金德才

        1. 湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院,長沙 410128 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護總站,北京 100125 3. 湖南省花垣縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,湘西土家族苗族自治州 416499 4. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085

        隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,塑料類制品得到廣泛使用。鄰苯二甲酸酯(PAEs)作為塑化劑被大量應(yīng)用于食品包裝、裝修材料、醫(yī)療器械、化妝品和玩具等各種日用產(chǎn)品中,也作為地膜被廣泛用于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動中[1]。由于PAEs和塑料制品間非緊密結(jié)合,PAEs很容易游離到周邊環(huán)境當中[2]。目前,塑化劑已經(jīng)成為全球性的環(huán)境污染物,在河流、湖泊、土壤和空氣等環(huán)境介質(zhì)中檢均能測出不同程度的塑化劑污染[3-4]。由于塑化劑可通過吸入、攝入或皮膚吸收進入人體,在人的血清、尿液、母乳以及其他生物組織中均檢測到塑化劑的存在[5]。PAEs作為一類環(huán)境激素類化合物,在人體內(nèi)具有類似于雌性激素作用,不但可導致內(nèi)分泌紊亂,而且具有胚胎毒性、生殖毒性和遺傳毒性[6],同時生活在PAEs污染水平高的環(huán)境中會增加人們患病的概率,如Yang等[7]發(fā)現(xiàn)PAEs暴露是促進肌肉減少癥發(fā)生的一個重要因子;Zhang等[8]發(fā)現(xiàn)室內(nèi)灰塵中的PAEs濃度和兒童哮喘癥狀呈正相關(guān),尤其在女孩當中更為顯著。目前鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)、鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP)、鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)6種PAEs已被美國環(huán)境保護局(US EPA)列為優(yōu)先控制污染物,我國也將其中的3種鄰苯二甲酸酯類化合物(DMP、DBP和DNOP)列為優(yōu)先控制的有毒污染物[9]。

        據(jù)統(tǒng)計,我國每年塑料地膜使用面積高達1 500萬hm2左右,是世界上塑料地膜使用量最多的國家,地膜覆蓋在農(nóng)田保溫保濕、促進農(nóng)作物產(chǎn)量等方面發(fā)揮了重要作用,然而其中的添加成分如塑化劑也對農(nóng)田環(huán)境造成了污染。近年來關(guān)于覆膜農(nóng)田土壤的PAEs污染調(diào)查較多,如鄭順安等[10]調(diào)查發(fā)現(xiàn),在西北地膜高投入的5個典型縣,土壤中6種優(yōu)先控制的PAEs含量為0.103~1.117 mg·kg-1,均值為(0.532±0.175) mg·kg-1。易鴛鴦等[11]采集了新疆五家渠地區(qū)不同地膜使用年限的棉田土壤樣品,對6種優(yōu)先控制的PAEs含量進行了檢測,結(jié)果表明,土壤樣品中6種PAEs總量范圍為1.360~4.490 mg·kg-1,均值為(2.770±0.919) mg·kg-1。然而,目前對我國不同覆膜年限的農(nóng)田土壤的PAEs污染狀況研究仍然很少,或者僅集中于一個地點的樣品分析。本文選擇我國59個不同覆膜年限的農(nóng)田作為研究對象,采集農(nóng)田土壤樣品并采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法對土壤中6種PAEs化合物進行檢測,重點對其含量水平、組成情況及分布特點進行了分析,并對其污染風險進行了評估,旨在為我國覆膜農(nóng)田土壤污染管控工作提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法(Materials and methods)

        1.1 土壤樣品采集

        在實地調(diào)研的基礎(chǔ)上,選擇我國28個省份/自治區(qū)的長期覆膜農(nóng)田,布設(shè)表層土壤采樣點59個,具體采樣點位信息如表1所示。2019年5月采樣,先對采樣點表層進行清掃,采用五點法采集土壤樣品,混合成一個樣品,每樣點所采土樣約1 kg,記下樣點實際地理位置和種植作物等基本信息。土壤樣品帶回實驗室后自然風干,除去小石子、雜草等外源物質(zhì),過1 mm的不銹鋼篩,處理好后,置于棕色玻璃瓶中保存,等待實驗室分析。同時,通過走訪交談、問卷調(diào)查等手段,獲得農(nóng)田土壤覆膜信息。

        表1 59個樣點的采樣分布Table 1 Distribution of 59 sampling points

        1.2 儀器與試劑

        Thermo Scientific ITQ 900氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(美國);RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(上海亞榮生化儀器廠,中國);KQ-100KDE超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司,中國);Mixplus旋渦混合器(合肥艾本森科學儀器有限公司,中國)。

        6種鄰苯二甲酸酯類化合物混合標液(壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司,北京,中國),濃度為1 000 μg·mL-1,包括DMP、DEP、DBP、BBP、DEHP和DNOP;正己烷、乙酸乙酯和二氯甲烷等均為色譜純(ThermoFisher Scientific,美國);固相萃取柱為PSA/Silica復合填料玻璃柱(1 000 mg,6 mL)(廣州信譜徠科學儀器有限公司,中國)。

        1.3 樣品前處理

        取2 g干燥過篩后的土壤樣品,攪拌均勻,加入10 mL乙酸乙酯,超聲振蕩40 min,重復3次,靜置至少30 min,收集2 mL上層清液,待凈化。采用固相萃取法對提取液進行凈化,固相萃取小柱為PSA/Silica復合填料玻璃柱。依次向柱中加入10 mL二氯甲烷、6 mL乙酸乙酯,棄去流出液;將待凈化液加入柱中,控制流速1 滴·s-1,收集2 mL流出液,后進行溶劑置換,正己烷準確定容至2 mL,過0.22 μm的有機相濾膜,供色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析。

        利用GC-MS進行樣品分析。色譜條件:DB-5 MS石英毛細管色譜柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm);載氣為高純氦氣(純度>99.999%),載氣流量1.5 mL·min-1;進樣方式為不分流進樣,進樣量為1.0 μL;進樣口溫度280 ℃;柱溫為程序升溫(初始柱溫60 ℃,保持1 min;以20 ℃·min-1升溫至220 ℃,保持1 min;再以5 ℃·min-1升溫至280 ℃,保持5 min)。質(zhì)譜條件:電子轟擊電離源(EI);電離能量70 eV;傳輸線溫度280 ℃;離子源溫度230 ℃;采用SIM模式進行質(zhì)譜全掃描。采用0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1濃度的6種PAEs做工作曲線。土壤中添加6種PAEs用以計算回收率,回收率均>77%。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel 2016和SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析,使用Pearson方法分析覆膜年限、比例等與土壤中PAEs含量之間的相關(guān)性。

        2 結(jié)果(Results)

        2.1 鄰苯二甲酸酯工作曲線的繪制

        根據(jù)上述GC-MS檢測條件,6種PAEs混合標準液中各單體能夠完全分離(圖1)。將6種PAEs標準樣品配制成6個濃度,分別為0.5、1、2、3、4和5 mg·L-1,以PAEs標樣濃度為橫坐標,以峰面積為縱坐標,儀器自動繪制標準曲線,并計算測試樣品的濃度。

        圖1 6種鄰苯二甲酸酯(PAEs)標準溶液的色譜圖(2 mg·L-1)注: 1為鄰苯二甲酸二甲酯(DMP);2為鄰苯二甲酸二乙酯(DEP);3為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP);4為鄰苯二甲酸丁基芐基酯(BBP);5為鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP);6為鄰苯二甲酸二正辛酯(DNOP)。Fig. 1 Chromatogram of 6 phthalates (PAEs) mixed standard solution (2 mg·L-1)Note: 1 represents dimethyl phthalate (DMP); 2 represents diethyl phthalate (DEP); 3 represents dibutyl phthalate (DBP); 4 represents benzyl butyl phthalate (BBP); 5 represents di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP); 6 represents di-n-octyl phthalate (DNOP).

        2.2 土壤中PAEs化合物的總含量(Σ6PAEs)分析

        表2中的檢測數(shù)據(jù)表明,在59個樣地土壤中6種鄰苯二甲酸酯類塑化劑的總濃度(∑6PAEs)從最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計),最高濃度的土壤采自廣西壯族自治區(qū)梧州市的農(nóng)田土壤,其次為采自重慶市黔江區(qū)和云南省昭通市的農(nóng)田土壤,分別為0.614 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計)和0.611 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計),最低的為安徽省淮南市的農(nóng)田土壤。所測試的59個樣地中6種PAEs的含量均值為0.433 mg·kg-1,其中僅有1個樣品>1 mg·kg-1。

        表2 59個樣地土壤中的PAEs含量Table 2 Concentration of PAEs in the 59 soil samples (mg·kg-1)

        2.3 土壤中PAEs化合物單體的含量特征

        按照PAEs種類來說,DEHP、DBP和BBP為主要的3種檢出類型,平均濃度分別達到0.162、0.133和0.101 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計)(表3),濃度最高的分別為廣西壯族自治區(qū)梧州市、重慶市黔江區(qū)和云南省昭通市的農(nóng)田土壤,濃度最低的為采集于安徽省淮南市的農(nóng)田土壤。本研究檢測的6種單體中,DEP的檢出率為0,其余單體的檢出率均為100%。這6種化合物在土壤中的平均含量依為:DEHP>DBP>BBP>DNOP>DMP,其中DEHP占總的PAEs濃度比為8.349%~63.43%,DBP占∑6PAEs濃度比為9.702%~86.494%,BBP占∑6PAEs濃度比為3.095%~44.721%。

        表3 59個土壤樣地中單個PAEs的檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of single PAEs pollution in the 59 soil samples

        2.4 土壤PAEs種類和∑6PAEs與地膜用量、年限和覆膜比例的相關(guān)性分析

        對59個樣地土壤中6種PAEs含量及∑6PAEs與地膜用量、覆膜年限、覆膜比例進行了相關(guān)性分析,結(jié)果如表4所示。不考慮土壤性質(zhì)和采樣地點等差異,未發(fā)現(xiàn)6種優(yōu)控PAEs化合物和∑6PAEs的含量與地膜用量等存在顯著相關(guān)。

        表4 土壤PAEs濃度與地膜使用之間的Pearson相關(guān)性分析Table 4 Pearson correlation coefficients of PAEs concentration and mulch film application

        2.5 土壤中PAEs的超標情況

        由于我國還沒出臺農(nóng)田PAEs控制標準,故與美國紐約州土壤中6種PAEs化合物控制和治理標準進行了比較(表5),DMP只有1個點位超標,而DBP超標率是35.60%,其他4種PAEs的污染情況均未超過控制標準。所有的樣品中PAEs含量均未超過土壤治理標準。其中廣西壯族自治區(qū)梧州市農(nóng)田土壤中的DBP污染超標最嚴重,達到了45.96倍。其次為來源于河南省駐馬店市的農(nóng)田土壤,DBP超標3.010倍。

        表5 美國紐約州土壤PAEs化合物控制標準與治理標準[12]Table 5 Soil allowable concentration and cleanup objective of PAEs compounds in New York State, USA[12]

        3 討論(Discussion)

        目前關(guān)于農(nóng)田土壤中的PAEs污染水平的研究較多,但是對于長期覆膜的農(nóng)田土壤關(guān)注相對較少。

        本研究的檢測結(jié)果表明,59個樣地土壤中6種優(yōu)控PAEs化合物總含量(∑6PAEs)為最低的0.221 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計)至最高的4.304 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計),均值為0.433 mg·kg-1(以土壤干質(zhì)量計)。長期覆膜的6種PAEs含量與其他文獻的結(jié)果相比,并沒有顯著差異,如李國秀等[13]調(diào)查了西安市楊凌區(qū)設(shè)施蔬菜基地土壤中PAEs的污染狀況,結(jié)果顯示,在分析的土壤樣品中檢測出12種PAEs化合物,總含量為0.005~3.524 mg·kg-1,平均值為0.060 mg·kg-1。陳佳祎等[14]采集了北京市的10個典型設(shè)施蔬菜基地60個大棚的土壤樣品,15種PAEs總的濃度范圍為0.05~2.02 mg·kg-1,平均濃度為0.98 mg·kg-1。趙勝利等[15]對珠江三角洲城市群中的典型中小城市的菜園和果園表層土壤中的16種PAEs進行了測定,結(jié)果顯示,東莞土壤的16種PAEs總含量最高,平均達3.710 mg·kg-1;最低的為惠州土壤,為0.600 mg·kg-1。周斌[16]對黃淮海地區(qū)設(shè)施菜地土壤和大田土壤中16種PAEs的污染情況及農(nóng)業(yè)投入品開展了調(diào)查,結(jié)果顯示PAEs在黃淮海地區(qū)農(nóng)田土壤的檢出率為100%,16種PAEs濃度范圍在0.066~3.646 mg·kg-1之間,平均值為0.912 mg·kg-1。馮艷紅等[17]發(fā)現(xiàn)江蘇省設(shè)施菜地土壤樣品中6種PAEs范圍為0.042~0.276 mg·kg-1,平均值為0.117 mg·kg-1,檢出率為100%。吳山等[18]采用GC-FID檢測了汕頭市蔬菜產(chǎn)區(qū)的63個表層土壤樣品,結(jié)果顯示,汕頭市蔬菜產(chǎn)區(qū)土壤樣品中6種PAEs化合物總濃度范圍為0.018~9.303 mg·kg-1,平均含量為0.721 mg·kg-1。李玉雙等[19]分析了土壤中US EPA優(yōu)控的6種PAEs在沈陽市新民蔬菜基地設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤的分布特征,結(jié)果顯示6種PAEs濃度范圍為0.52~1.73 mg·kg-1,平均值為0.94 mg·kg-1,∑6PAEs含量超過1 mg·kg-1占比32%。相對于我國國內(nèi)在塑化劑污染狀況的大量調(diào)查,國外在農(nóng)田土壤塑化劑污染方面開展的工作較少,Tran等[20]在法國豐特奈萊布里伊的農(nóng)業(yè)土壤中檢測到9種PAEs污染物,其中DMP和DNOP未檢出,DEP、DBP、BBP和DEHP的總濃度為0.260 mg·kg-1。Rhind等[21]調(diào)查發(fā)現(xiàn)蘇格蘭表土中DEHP的污染水平為0.025~1.596 mg·kg-1,平均值為0.258 mg·kg-1。由此可見,本研究中的我國59個樣地的表層土壤中檢測到的PAEs總量相較于其他農(nóng)業(yè)功能區(qū),處在同一個數(shù)量級。對于城市土壤,廖健等[9]分析了杭州西湖景區(qū)土壤環(huán)境中PAEs的污染情況,西湖景區(qū)6種PAEs濃度范圍為0.597~7.360 mg·kg-1,均值為2.963 mg·kg-1;張文娟等[22]在西安市三環(huán)內(nèi)采集了62個表層土壤,發(fā)現(xiàn)其中6種PAEs總濃度為1.54~153.17 mg·kg-1,平均值為10.95 mg·kg-1。從平均值來比較,59個長期覆膜農(nóng)田土壤的6種PAEs濃度顯著低于城市表層土壤。

        59個長期覆膜農(nóng)田表層土壤中PAEs的構(gòu)成主要以DBP和DEHP為主,二者約占∑6PAEs的43.508%~94.843%,主要的PAEs種類和其他的文獻報道也基本一致,如陳佳祎等[14]發(fā)現(xiàn)DBP在10個典型設(shè)施蔬菜基地的土壤中含量最高,其次為DEHP。戴華鑫等[23]發(fā)現(xiàn)DBP和DEHP是河南植煙土壤中的主要PAEs污染物,均值分別達到了0.348 mg·kg-1和0.131 mg·kg-1。在江蘇省不同設(shè)施菜地土壤中,DBP和DEHP同樣是占比前2位的PAEs種類[17]。張小紅等[24]發(fā)現(xiàn)DEHP、DBP和鄰苯二甲酸二異丁酯(DIBP)是寧夏回族自治區(qū)6種不同土地利用類型共87個土壤樣品中最主要的3種污染單體,分別占6種優(yōu)控PAEs污染物的58.3%、13.9%和11.8%。吳山等[18]發(fā)現(xiàn)汕頭市蔬菜土壤樣品中檢測到的6種PAEs污染物以DBP(50.1%)和DEHP(21.8%)為主。在筆者檢測的59個樣地土壤中,DEHP是最重要的污染物,其次為DBP。DBP和DEHP在農(nóng)田土壤中的污染及其風險,需要引起廣泛關(guān)注。

        長期使用塑料薄膜可增加土壤中PAEs的污染程度。李瑾等[25]發(fā)現(xiàn)土壤中PAEs含量累積與地膜使用年限成正比。易鴛鴦等[11]發(fā)現(xiàn)覆膜前5年,PAEs殘留隨著時間增長不斷增加,5年后土壤PAEs總量和覆膜年限的增長并非呈現(xiàn)線性增長趨勢。由于我們研究的樣地分布在不同的地理位置,土壤性質(zhì)差異很大。同時,PAEs在土壤中能被微生物降解或者被作物吸收,因此它的含量是動態(tài)變化的,Kong等[26]發(fā)現(xiàn)DBP在不同類型土壤中的降解存在著顯著差異,而微生物在DBP的降解速度方面起著重要的作用,暗示著土壤中的PAEs殘留量與不同土壤中微生物種群差異顯著相關(guān),而微生物的演替又受土壤理化性質(zhì)的影響,尤其是pH[27]。而pH被認為與土壤的PAEs含量成顯著負相關(guān)[23]。本研究結(jié)果暗示著在更大的區(qū)域尺度,土壤性質(zhì)對PAEs殘留量影響更大。對PAEs的風險管控的同時,應(yīng)考慮地區(qū)土壤與環(huán)境的差異。

        陳佳祎等[14]在60個北京設(shè)施蔬菜基地土壤中,檢測到有57個樣品DBP超過控制標準,超標率95%,最高超標14倍。戴華鑫等[23]調(diào)查發(fā)現(xiàn)DBP在河南植煙土壤中超標率超過97%。李國秀等[13]在對西安市楊凌區(qū)蔬菜基地土壤檢測分析中發(fā)現(xiàn),DBP的平均含量超過控制標準,超標率為50%。本研究中,59個長期覆膜農(nóng)田土壤樣品中6種PAEs含量與美國優(yōu)控的6種PAEs化合物的控制標準相比,21個樣地土壤中的DBP含量均超過控制標準,超標率35.60%。由此可見,全國各地農(nóng)業(yè)土壤中的DBP均有超標現(xiàn)象,亟待重視。

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