合肥市典型入湖河流有机紫外吸收剂污染特征研究

1 引言(Introduction)

为防止中波紫外线UVB(280~320 nm)和长波紫外线UVA(320~400  nm)对人体的伤害，有机紫外吸收剂被广泛应用于防晒霜等许多个人护理品中.同时，有机紫外吸收剂还被应用到纺织品、塑料、涂料和汽车抛光剂等高分子材料中,  以避免聚合物因紫外线照射而老化和降解.我国《化妆品安全技术规范》(2015版)规定了25种有机紫外吸收剂的限用量，除甲酚曲唑三硅氧烷最大允许使用量为15%外，其它限量均在2%~10%范围内(卫生部,  2015).目前市场上所售防晒剂约有80%为有机紫外吸收剂(吴可克,  2006)，其中，4-甲基苄亚基樟脑、肉桂酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类等最为常见(孟垚等, 2008; 于淑娟等,  2005).具有抗紫外线性能的纺织品其织物中添有无机紫外屏蔽剂或有机紫外吸收剂,  目前最常用的有机紫外吸收剂有苯并三唑类、二苯甲酮类、水杨酸类和三嗪类等(顾艳楠,  2012).塑料光稳定剂中最常用的有机紫外吸收剂包括苯并三唑类、二苯甲酮类、水杨酸类和三嗪类(陶刚, 2009; 李静,  2011).由于有机紫外吸收剂的广泛使用，目前水环境(Cuderman et al., 2007; Kameda et al., 2011)、沉积物(Barón  et al., 2013; Gago-Ferrero et al., 2011)及生物体(Buser et al., 2006; Fent et al.,  2010)，甚至人体(Ye et al., 2008; Zhang et al., 2013)中均检测到有机紫外吸收剂.大多数有机紫外吸收剂化学性质较稳定,  在环境中不易降解.很多有机紫外吸收剂具有内分泌干扰效应、遗传毒性和生殖毒性等, 对生物体存在较大的潜在危害(Ying et al., 2002; 杨红莲等,  2009).

目前，有机紫外吸收剂的环境污染及其生态风险已受到国内外学者的广泛关注.有机紫外吸收剂种类繁多，目前大多数研究主要集中于少数几种化合物，环境污染的研究主要集中在水环境(Kameda  et al., 2011; Rodil et al.,  2008)，致力于水、沉积物中含量水平和赋存特征等.近年来，一些研究开始关注水生生物的污染及其毒性特征，但迄今其毒性机制仍不十分明确.我国对于有机紫外吸收剂污染的研究多集中于较大河流、污水处理厂及其出水,  如珠江、松花江和典型城市污水处理厂等(Song et al., 2014)，但报道的区域还极其有限.

巢湖是我国五大淡水湖之一，有着极其重要的生态功能，同时也是区域居民和工农业用水的主要来源.近年来，入湖污染物不断增多，巢湖污染日益严重(王永华等,  2004; Zheng et al.,  2010).合肥市生活污水和工业废水的排放是其污染的重要来源.合肥市拥有787万人，同时也是重要的日用化工、纺织和汽车等工业基地.合肥市可能通过入湖河流向巢湖排放了大量的有机紫外吸收剂.但迄今还未见关于合肥市入湖河流中有机紫外吸收剂污染的报道，对其生态风险仍不清楚.鉴于此，本研究选取合肥市典型入湖河流，研究水和沉积物中有机紫外吸收剂污染特征，评估这类化合物污染的生态风险，以期为该区域及巢湖有机紫外吸收剂污染的防控提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods)

2.1 样品采集

在平水期，选取塘西河、南淝河、板桥河、店埠河和派河等合肥市典型的入湖河流.根据该区域可能的污染源分布和环境特征，选择河流入湖口、河流交汇处、污水处理厂排水口的上下游、工业密集区排水口等设置采样点，采集24个水样和27个沉积物样，具体采样点如图  1所示.其中，南淝河为主要入湖河流，流经人口密集区，接纳大量生活污水和工业废水，因此，该河流共采集10个水样(W5、W6、W8、W9、W10等，图中仅对文中分析过程中涉及的特征采样点予以编号)和13个沉积物样(S5、S6、S9、S10、S15等).按照《水样的采集与保存》(GB/T5750.2—2006)，以铁桶采集水面下0.5  m左右的水样，每1 h采集1次，连续采集4 h，混成一个混合样后运回实验室立即进行固相萃取富集.使用抓斗式采泥器采集表层0~5  cm的沉积物，每个样点在上下游20  m范围内采集5次沉积物，以四分法取每一子样以混成混合样.以铝箔纸包好，放入冷藏箱带回实验室.样品室温下自然风干，去除石块及动植物残体等杂物后，粉碎机磨碎过100目铜筛，混匀后置于-20  ℃条件下冷冻保存以备用.

图 1

图 1采样点位置分布示意图

2.2 仪器与材料

仪器：Agilent  7890A-5975型气相色谱-质谱联用仪、ESJ120-4B电子天平(沈阳龙腾电子有限公司)、KX-2013TD超声波清洗机(北京科玺时代有限公司)、2-16PK高速冷冻离心机(德国Sigma公司)、RE52CS-1旋转蒸发仪(上海亚荣生化仪器厂)、D10-12氮吹仪(杭州奥盛仪器有限公司)、Millipore  Express超纯水机.

12种有机紫外吸收剂中，二苯甲酮(BP，99.5%)、水杨酸-2-乙基己基酯(EHS，99.4%)、胡莫柳酯(HMS，100%)、二苯甲酮-3(BP-3，100%)、4-甲基苄亚基樟脑(4-MBC，100%)、对氨基苯甲酸乙酸已酯(OD-PABA，97%)、奥克立林(OC，≥98%)、4-甲氧基肉桂酸-2-乙基己酯(EHMC，97.5%)、2-(3,  5-叔丁基-2-羟基苯)-2H-苯并三唑(UV-320，99.1%)、2-(5-氯-2-苯三唑基)-6-叔丁基对甲酚(UV-326，99.2%)购自百灵威科技有限公司;2-(2'-羟基-3',  5'-二叔丁基苯基)-5-氯代苯并三唑(UV-327, > 98%)和2-(2'-羟基-5'-叔辛基苯基)苯并三唑(UV-329，>  98%)购自日本TCI公司.内标物氘代菲(Phenanthrene-d10，98.6%)购自百灵威科技有限公司.

正己烷、二氯甲烷、甲醇均为色谱纯(J.T.Baker);无水硫酸钠为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)，使用前需在450 ℃的马弗炉中烘烤4  h，放置常温后移至干燥器中备用;柱层层析硅胶(100~200目)(青岛海洋化工有限公司)使用前以160 ℃活化12  h，再加3%(质量分数)超纯水，摇匀后置于干燥器中备用.

2.3 样品前处理

以0.7 μm的玻璃纤维膜过滤水样，然后取1 L水样，以5~10 mL˙min-1流速通过活化的固相萃取柱(Oasis HLB 6 mL 500  mg).以6 mL二氯甲烷/甲醇(V/V，9: 1)洗脱液淋洗固相萃取柱.加适量无水硫酸钠去水，旋转蒸发浓缩后以微弱的氮气吹至近干，加入100  μg˙L-1的内标物菲-d10后定容至0.20 mL，待GC-MS分析.

称取10.0 g冷干的沉积物于50 mL聚四氟乙烯离心管中，再加入20 mL甲醇，超声提取20 min，再以4000 r˙min-1离心5  min，取上清液.提取过程重复2次，合并所有提取液，旋转蒸发浓缩至0.5 mL后通过装有硅胶的层析柱(内径10 mm)净化.以30  mL二氯甲烷/甲醇(V/V，1: 1)洗脱目标物.旋转蒸发浓缩后以微弱的氮气吹至近干，加入100 μg˙L-1的内标物菲-d10后定容至0.50  mL，待GC-MS分析.

2.4 仪器条件

色谱条件：DB-5MS毛细管柱，30 m×0.25 mm×0.25 μm.水样升温程序：初始温度80 ℃，保持1 min;以10  ℃˙min-1升温至190 ℃并保持1 min，再以20 ℃˙min-1升至300 ℃保持15 min.沉积物升温程序：初始温度80 ℃，保持2 min;以10  ℃˙min-1升温至300 ℃，保持15 min.载气为高纯氦气(纯度 > 99.9999%)，载气流速为1 mL˙min-1.不分流进样，进样量为1  μL.进样口温度280 ℃.

质谱条件：采用电子轰击电离方式(EI)进行离子化，EI电离能为70 eV，离子源温度为230 ℃，四级杆温度为150 ℃，溶剂延迟4  min.采用选择离子扫描模式(SIM).

2.5 分析质量控制

为避免环境中有机紫外吸收剂对实验的影响，实验过程中实验器皿尽量采用玻璃制品，实验器皿经丙酮清洗干净后，放入烘箱迅速烘干，待实验使用.分析过程中增加方法空白、加标空白、基质加标分析进行质量控制和质量保证.每批分析样品增加1个空白样以检验试剂和容器的清洁程度，每12个样品增加2个含12种组分混标的基质加标样.

以12种紫外吸收剂单标对目标化合物进行定性分析，混标对其进行定量分析.以内标法绘制标准曲线，线性范围为10~400  μg˙L-1.水样中12种紫外吸收剂的平均加标回收率为85.6%~112%，检出限(PK-PK S/N=3)为0.45~2.43  ng˙L-1;沉积物中12种紫外吸收剂的平均加标回收率为71.9%~131%，检出限(PK-PK S/N=3)为0.07~0.28 ng˙g-1.

2.6 风险评估方法

根据欧盟风险评价技术指南(European Union,  2003a)，采用评价因子(AF)法计算污染物的预测无效应浓度(PNEC)，即利用各物质对应的毒性数据—半致死浓度(LC50)或半最大效应浓度(EC50)或无观察效应浓度(NOEC)的最小值除以相应AF值.以风险商(RQ)法，即RQ=MEC/PNEC(MEC为污染物的环境浓度;PNEC=  LC50(EC50)/AF或PNEC=NOEC/AF)评价目标化合物的风险.表 1为本研究评价因子AF的取值.

通过数据库和文献检索，获取了部分有机紫外吸收剂的LC50或EC50.由于缺乏毒性数据，关于苯并三唑类有机紫外吸收剂(UV326、UV327、UV329)及EHS、HMS、OC的LC50或EC50，采用US  EPA提供的ECOSAR软件(基于化学结构预测其对水生生物或生态系统毒性)进行了估算(徐蕾,  2016).本研究中UV320含量和检出率均较低，因此，未计算其LC50或EC50.ECOSAR软件通常采用鱼、大型溞、绿藻类等水生生物.选取高礼等(2015)推荐的评价因子AF值(100或1000)计算有机紫外吸收剂的PNEC值.

水中，当RQ < 0.01时，表明没有风险;0.01≤RQ < 0.1为较低风险;0.1≤RQ <  1为中等风险;RQ≥1则为较高风险(Tsui et al., 2014; Hernando et al., 2006).

沉积物中，3 < logKow < 5的物质，当RQ < 0.1时表示没有风险，0.1≤RQ < 1为较低风险，1≤RQ  < 10为中等风险，RQ≥10则为较高风险(Da et al., 2010; 唐量, 2012).logKow > 5的物质，RQ >  10则存在生态风险.因为logKow > 5的物质更易被沉积物吸附，对生物的危害降低，可适当放宽评价标准.而logKow <  3的物质，不易被沉积物吸附，因此不予考虑(European Union,  2003b).将沉积物中污染物浓度按照平衡状态下污染物在沉积物/水分配的经验关系(Liu et al.,  2015)，转化为孔隙水中污染物浓度，计算沉积物的RQ值.