天津市地表水体与沉积物中7种高关注酚类化合物的污染特征与生态风险分析

殷伟，范德玲，汪贞，古文，周林军，刘济宁，王冬梅，石利利,,*

1. 南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044 2. 生态环境部南京环境科学研究所，南京210042 3. 天津市固体废物及有毒化学品管理中心，天津 300191

随着人类工农业生产活动愈加频繁，酚类化合物已成为水体中常见的有机污染物。美国环境保护局(United States Environmental Protection Agency, US EPA)的优先控制污染物清单中列有酚类化合物[1]，我国于1989年将其作为优先控制污染物。至2018年底欧盟将具有生殖毒性或内分泌干扰性的对叔丁基苯酚、壬基酚和双酚A等列入高关注物质清单。有研究表明，酚类化合物不容易自然降解，可通过不同的途径或食物链在组织、细胞和器官中积累；抑制水生生物的生长，高度干扰鱼类及其胚胎内分泌功能或导致细胞死亡[2]。因此，这些化合物可以进一步导致对水生系统的急性或慢性影响。我国的三峡库区[3]、黄浦江[4]、部分饮用水源地[5]以及长江沿岸化工园土壤和底泥中[6]均检测出多种酚类化合物，阿根廷用作饮用水源水的圣马丁运河中亦检测出酚类的存在[7]，甚至在母乳中检出了0～10 800 ng·L-1的酚类物质[8]。酚类化合物在我国环境中的残留状况、污染特征及生态风险应引起高度关注。

天津市位于华北平原海河五大支流汇流处，随着社会经济的快速发展，工业、生活和养殖业等的污染排放量显著增加，使得该地区河流污染日趋严重。据天津市全境生产与使用化学品的初步筛查与分析，天津市161家化工企业中有20多家企业涉及生产或使用酚类物质。因此，本论文将壬基酚、双酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴双酚A和对叔丁基苯酚这7种酚类化学品作为研究对象，采用高效液相色谱-串联质谱法(HPLC-MS/MS)，对天津地区的地表水与沉积物中7种目标酚类化合物进行了测定，并对其分布特征及生态风险进行了分析，以期为天津市酚类化学品的环境风险管控提供科学参考和数据支持。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 样品采集

水样：在天津市于桥水库、尔王庄水库和天津南水北调曹庄子泵站等水源地设置3个采样点位(TJW01、TJW02和TJW03)，在6条主要河流(大沽排污河、独流减河、蓟运河、南运河、永定新河及海河)设置23个采样点位(TJW04、TJW05、TJW06、TJW07、TJW08、TJW09、TJW10、TJW11、TJW12、TJW13、TJW14、TJW15、TJW16、TJW17、TJW18、TJW19、TJW20、TJW21、TJW22、TJW23、TJW24、TJW25和TJW26，如图1所示)，分别采集取水口水样(均采自水面下方10～20 cm处)于1 L于棕色玻璃瓶内，每个点位采样3份。

沉积物样：选择蓟运河、南运河、海河、独流减河以及渤海入海口，设置6个沉积物采样点位(TJS01、TJS02、TJS03、TJS04、TJS05和TJS06)，如图1所示。使用抓斗采样器采集河床底泥，每个点位采集3份样品，每份样品约2 kg。样品采集后于冷藏条件下送至实验室，在4 ℃条件冷藏并在5 d内完成样品前处理。

图1 采样点示意图Fig. 1 Sampling sites of Tianjin

1.2 仪器与试剂

HPLC-MS/MS(LC：Agilent Technologies 1290 Infinity；MS/MS：AB SCIEX QTRAP 4500，美国)；电子天平(Mettler XS205，Mettler Toledo，瑞士)；氮吹仪(ANPEL，安谱)；KQ-300 GDV温控超声仪(昆山舒美，中国)；Sigma 3K15高速冷冻离心机(Sigma-Aldrich，德国)；Heating Bath B-300 Base旋转蒸发仪(BUCHI，瑞士)；IKA Vortex3旋涡混匀器(IKA，德国)；色谱柱为ZORBAX Eclipse Plus C18 Column(150 mm×2.1 mm，3.5 μm，Agilent，美国)；Visiprep 24TM DL固相萃取装置( Supelco，美国)；HLB固相萃取柱(5 mg，6 mL，Waters，美国)。

甲醇(色谱纯，MERCK，德国)；乙腈(色谱纯，MERCK，德国)；二氯甲烷(色谱纯，MERCK，德国)；正己烷(色谱纯，MERCK，德国)；Milli-Q纯水(Millipore，美国)。

标准品：1-萘酚(99%)、壬基酚(99%)、双酚A(99%)、2-苯基苯酚(99%)、3,4-二氯酚(98.5%)、四溴双酚A(98%)以及对叔丁基苯酚(95%)均购自河北百灵威超精细材料有限公司。

1.3 样品处理

水样：真空抽滤过0.45 μm孔径玻璃纤维膜，准确量取500.0 mL经预处理的水样，过预先用甲醇活化的Oasis HLB 6 cc小柱进行固相萃取，上样速度约为5.0 mL·min-1。上样后，用10.0 mL超纯水淋洗HLB小柱，抽干后用10.0 mL甲醇洗脱，洗脱液经N2吹至干，然后用甲醇定容至1.00 mL，涡旋1 min，待HPLC-MS/MS分析。

沉积物：采用四分法缩分沉积物样品，并经真空冷冻干燥后过20目筛。取5.0 g经预处理的沉积物样品置于50.0 mL聚四氟乙烯离心管，加入25.0 mL V(二氯甲烷)∶V(正己烷)为4∶1的提取液，超声提取15 min后，于5 000 r·min-1条件下离心分离5 min，将有机相转移至梨形瓶，重复提取3次，合并提取液，旋蒸(水浴温度40 ℃)至<1.00 mL，N2吹干后加入1.00 mL乙腈复溶，过0.22 μm滤膜后待HPLC-MS/MS分析。

1.4 仪器条件1.4.1 液相色谱

采用ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(150 mm×2.1 mm，3.5 μm)，流动相为乙腈/水(0.05%氨水)按一定梯度比例混合的溶液(表1)，柱温30 ℃，流速0.3 mL·min-1，进样体积5.0 μL。

1.4.2 质谱条件

负离子模式，采用电喷雾离子源(ESI)、多反应离子监测(multiple reaction monitoring, MRM)扫描定量分析目标物，气帘气压35 000 Pa，喷雾气压450 000 Pa，辅助加热气压413 688 Pa，源温度500 ℃，离子化电压5 500 V。

表1 酚类目标化合物测定时的洗脱梯度Table 1 Gradient elution program for the analysis of the phenols

注：aA为0.05%(体积分数)氨水溶液，B为乙腈。

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

1.5 质量保证和质量控制(QA/QC)

整个分析过程设置方法空白、加标空白、平行样进行质量控制和质量保证，每10个样品添加1个基质空白、1个样品重复和1个基质加标回收质控样。目标化合物采用混合标样外标法定量，工作曲线的相关系数均>0.998。预处理土壤作为加标空白，无目标化合物检出。纯水和沉积物空白样品中酚类化合物加标回收率测定结果分别为81%～132%、79%～145%，相对标准偏差分别为8.41%～16.59%、5.04%～16.07%，方法空白均未检出目标化合物。以信噪比S/N=3计算仪器检出限(LOD)，以信噪比S/N=10作为仪器定量限(LOQ)，仪器LOD为0.03～1.82 μg·L-1，LOQ为0.10～6.00 μg·L-1；水体和沉积物中各目标化合物的LOQ分别为0.20～12.0 ng·L-1和0.02～1.20 μg·kg-1。

实验所用锥形瓶、梨形瓶等玻璃器皿均在丙酮溶剂中浸泡，105 ℃下烘干，同时尽量避免使用塑料容器。

1.6 生态风险评估方法

生态风险评估(ecological risk assessment, ERA)是分析和评估环境污染物引起的不利生态效应可能性的过程[9]，通过浓度阈值或风险熵来量化污染物对环境的生态危害[10]；确定在不同风险水平下p%物种受影响(HCp)、即保护(1-p)%物种时的危害浓度[11]，一般采用5%危害浓度(hazardous concentration 5%, HC5)，HC5指影响不超过5%的物种即可以保护95%以上的物种时对应的浓度[12-13]。

生态风险评估方法步骤：(1)毒性数据获取与处理；(2)物种敏感性分布(species sensitivity distribution, SSD)曲线拟合及HC5的计算；(3)预测无效应浓度(predicted no effect concentration, PNEC)和风险熵(RQ)的计算。7种酚类化合物的毒性数据来自美国环保局ECOTOX数据库(https://cfpub.epa.gov/ecotox/)以及相关文献。对于同一物种有多个数据的情况，采用其所有浓度数据的几何平均值[10]。由于相关的慢性毒性数据较少，故主要选取急性毒性效应终点值半致死浓度值(lethal concentration 50, LC50)或半数效应浓度值(concentration for 50% of maximal effect, EC50)构建SSD曲线[14]。将毒性数据值进行对数转换，并由小到大进行排序，设定相应的序数i。根据序数计算出累积概率P(计算公式为P=i/(N+1)，N为物种数)。将转换后的毒性值与累计概率拟合，其中的拟合模型可选用log-normal、log-logistic、Sigmoid和Gaussian等多种SigmaPlot 13.0软件内置的函数，通过决定系数R2和图像综合判别最佳拟合模型并推算出累计概率为5%的毒性值HC5。

PNEC的计算包括PNECwater和PNECsed。其中，PNECwater计算采用评估因子法，即

PNECwater=HC5/FA

PNECwater为水环境预测无效应浓度(μg·L-1)；HC5为5%危害浓度(μg·L-1)；FA为评估因子，取值范围为1～5，依据生态风险评价中“最坏情况”(the worst case)原则本研究评估因子值取为5[15]。

PNECsed(以干质量计)，当无法获得沉积物中生物毒性数据时，采用相平衡分配法[14]计算，公式如下：

RHOsusp=Fsolidsusp·RHOsolid+Fwatersusp·RHOwater

KPsusp=Focsusp·Koc

式中：PNECsed为以干质量计的淡水沉积物环境预测无效应浓度(μg·kg-1)；Ksusp-water为悬浮物-水分配系数(m3·m-3)；RHOsusp为悬浮物湿体积密度(kg·m-3)； 4.6为PNECsed的干、湿质量转化系数；Fwatersusp为悬浮物中水的体积分数，默认值为0.9 m3·m-3； Fsolidsusp为悬浮物中固体物的体积分数，默认值为0.1 m3·m-3；KPsusp为污染物在悬浮物中的固-水分配系数(L·kg-1)； RHOsolid为固相的密度，默认值为2 500 kg·m-3；RHOwater为水的密度，默认值为1 000 kg·m-3；Focsusp为悬浮物中有机碳的质量分数，本研究取0.02 kg·kg-1；Koc为污染物有机碳-水分配系数(L·kg-1)。7种目标酚类化合物的Koc值如表2所示。各参数的取值参考文献[16]。

风险熵值法(RQ)的计算方法为

RQ=MEC/PNEC

即实际测定浓度(measured environmental concentration, MEC)和无效应浓度(PNEC)之间的比值。当RQ<0.1时，表示化学品对环境存在的风险较低，当为0.1≤RQ≤1时，表明化学品对环境存在一定风险，需要对相关风险源展开跟踪观察；当RQ>1时，表明化学品对环境存在不可接受的风险，需要采取相应的风险削减措施[17]。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 水体中7种酚类化合物的浓度水平

在26个水样(3个水源地，23个地表水)中7种酚类化合物(壬基酚、四溴双酚A、对叔丁基苯酚、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和双酚A)均有检出。图2为各采样点地表水样品酚类化合物的浓度水平。水源地及受纳河流水样中7种酚类化合物的总浓度范围分别为116.72～220.24和114.55～448.12 ng·L-1；平均值分别为185.84和225.51 ng·L-1，河流水样中目标物的浓度差异性较大。水源地水样总浓度最高点出现在尔王庄水库(TJW02采样点)，因尔王庄水库是引滦输水的重要调节水库，又是地表水蓄水库；且水库周边种养业发达，辖村相较于其他水源地居多，因此酚类目标物浓度相对较高。河流水样酚类化合物总浓度最高点出现在独流减河的滨海新区段下游(TJW07采样点)，独流减河是天津市海河南系下游地区最大的河流，采样点附近不仅有冶金行业和石化行业等企业存在；人类生活活动产生的粪污和含氮有机物在分解过程中也产生酚类化合物；此外，上游水量不足，河流水流速度缓慢，导致该点位附近的污染物累积[18]。壬基酚、对叔丁基苯酚、2-苯基苯酚和四溴双酚A这4种物质检出率为100.0%。不同污染物的检出浓度依次为：壬基酚>四溴双酚A>对叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>3,4-二氯酚>双酚A，浓度范围依次为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。壬基酚的检出浓度最高，平均浓度为151.60 ng·L-1，占7种酚类物质总浓度的68.62%。研究表明，即便壬基酚的排放浓度很低，也具有一定的危害性[19]。壬基酚在工业上多用作洗涤剂、乳化剂、润湿剂、分散剂以及农药助剂；化学性质较为稳定，具有模拟雌激素作用，一旦进入生物体内之后，就会影响机体正常的生殖和发育，是典型的环境内分泌干扰物质(EDCs)[20]。欧洲第2003/53/EC号指令(2003)禁止使用壬基酚及其乙氧基化物。因此，壬基酚的环境污染问题应引起高度重视。3,4-二氯酚虽然检出率高，但是检出浓度水平最低，仅为ND～4.51 ng·L-1，平均浓度约为1.26 ng·L-1，占酚类物质总浓度的0.50%。

对比分析已有文献数据，天津市主要河流水样中壬基酚检测浓度(47.80～358.40 ng·L-1)远低于珠三角(420.00～1 860.00 ng·L-1)[21]，且最高浓度水平差一个数量级；但高于太湖(ND～121.00 ng·L-1)表层水中的浓度[22]。与国外报道如英国河流(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，本研究的壬基酚检测浓度极低。对于水源地水样，相较于中国31个主要城市的62个饮用水处理厂水源水的壬基酚浓度(8.20～918.00 ng·L-1)[24]，天津市水源地水样中壬基酚浓度(108.40～169.00 ng·L-1)处于中等水平。对于四溴双酚A而言，本研究地表水中检测到的浓度(12.60～70.74 ng·L-1)略高于德国西南部州巴登-弗腾堡某河流(0.20～20.40 ng·L-1)[25]，与日本某污水处理厂出水浓度相近(7.70～130.00 ng·L-1)[26]，却远低于巢湖的检出浓度(420.00～1 860.00 ng·L-1)[27]。而对于双酚A，国内外河流和湖泊水体中检测到的报道非常多，如辽河流域(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)、美国密西西比河(6.00～113.00 ng·L-1)和美国运河(1.90～158.00 ng·L-1)[28-31]，最高浓度含量均高于本研究的最高检测浓度(16.26 ng·L-1)一个数量级，太湖水体双酚A的检测含量(ND～55.10 ng·L-1)[22]与本研究检测结果相似；但对叔丁基苯酚的浓度(5.33～23.60 ng·L-1)低于南京表层水体(67.50～9 295.00 ng·L-1)[32]与太湖表层水体(ND～142.00 ng·L-1)[22]。综上，除1-萘酚、3,4-二氯酚以及2-苯基苯酚暂未找到数据支持，本研究涉及目标物的检测浓度在与其他地区的水体相比属中间水平。

表2 酚类化合物的有机碳-水分配系数(Koc)值Table 2 Organic carbon-water partition (Koc) values of phenols

2.2 沉积物中酚类化合物的浓度水平

除双酚A外，6个河流沉积物样品中检出的6种目标酚类化合物如图3所示。总浓度为170.29～786.63 μg·kg-1，平均值为436.29 μg·kg-1。不同酚类化合物的检出浓度依次为壬基酚>对叔丁基苯酚>1-萘酚>2-苯基苯酚>四溴双酚A>3,4-二氯酚。检测浓度范围分别为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，壬基酚的浓度远远高于其他物质，至少高2个数量级，占目标酚类化合物总浓度的96.51%，如图4所示。原因应为壬基酚的辛醇-水分配系数(lgKow=4.28)比较大，使得其易吸附于颗粒物质，并且也有研究表明，壬基酚在河流沉积物中的浓度大大超过其相对应的地表水中的浓度[19]。

2.3 生态风险评估结果

查阅了相关研究及技术规范，均推荐采用物种敏感性分布法开展生态风险评估的最少毒性数据量为8～10个不等。本研究收集、整理了7种目标酚类化合物对11～20个水生生物物种(藻、溞、鱼、虾和轮虫等)的急性毒性数据，符合US EPA构建SSD曲线时3门8科生态毒性数据的要求，数据信息如表3所示。

采用SigmaPlot 13.0各个模型推导出7种目标酚类化合物的HC5值，分别对不同的模型进行拟合并筛选出最优拟合结果，如图5所示。不同目标物最优模型的决定系数(R2)、HC5、PNECwater以及PNECsed列于表4。

表3 酚类毒性数据Table 3 Toxicity data of phenols

表4 7种酚类目标化合物的R2、HC5、PNECwater和PNECsed值Table 4 Values of R2, HC5, PNECwater and PNECsed for the seven test phenolic compounds

注：R2表示决定系数，HC5表示5%危害浓度，PNECwater表示水环境预测无效应浓度，PNECsed表示以干质量计的淡水沉积物环境预测无效应浓度。

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种酚类化合物的生态风险评估结果表明，1-萘酚、2-苯基苯酚、对叔丁基苯酚、四溴双酚A、3,4-二氯酚和双酚A的RQ均在0～0.1范围内，水生生态风险整体较低；壬基酚的RQ范围为0.289～0.538，对环境存在一定风险。总体上，天津市水源地7种酚类化合物的水生态风险在可接受范围内。河流水体(TJW04～TJW26)中双酚A、1-萘酚、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚和对叔丁基苯酚的水生态风险较低；四溴双酚A有16个采样点对环境存在的风险较低，7个采样点对环境存在一定风险；RQ最大的是壬基酚，范围为0.152～1.141，个别点位存在不可接受的风险。

天津市沉积物中7种酚类化合物的生态风险评估结果如表6所示，双酚A、2-苯基苯酚、3,4-二氯酚、四溴双酚A和1-萘酚的RQ<0.1，此5种酚类对于沉积物的生态风险较低；对叔丁基苯酚的RQ则在0.1～1范围内，说明它对沉积物环境存在一定风险；壬基酚的RQ为0.563～2.877，其中有3个采样点对沉积物环境存在一定风险，3个采样点存在不可接受的风险。

图2 天津市水体中酚类物质的含量Fig. 2 Concentrations of phenols in waters of Tianjin City

图3 天津市河流沉积物中酚类物质的含量Fig. 3 Concentrations of phenols in river sediments of Tianjin City

图4 天津市河流沉积物中壬基酚的含量Fig. 4 Concentrations of NP in river sediments of Tianjin City

表5 天津市地表水体中7种酚类化合物的生态风险熵(RQ)计算结果Table 5 The ecological risk quotient (RQ) of seven phenolic compounds in surface water of Tianjin City

图5 7种酚类目标化合物的物种敏感度分布曲线Fig. 5 Species sensitivity distribution (SSD) curves of the seven test phenolic compounds

表6 天津市河流沉积物中7种酚类化合物的RQ计算结果Table 6 RQ of seven phenolic compounds in river sediments of Tianjin City

本研究测定了天津市地表水样及沉积物中7种高关注酚类化合物的浓度水平，并对其进行了生态风险评估。地表水样中7种酚类化合物检出率为100%。其中壬基酚的检出浓度最高达448.12 ng·L-1；相比于水源地，河流水样中目标物的浓度差异性较大。沉积物中除双酚A外的6种目标物全部检出，同样壬基酚检出浓度最高，由于其辛醇-水分配系数较大，所以壬基酚在沉积物中的浓度占比远超它在水中的浓度占比。通过现有的研究数据分析，天津市水体中酚类目标化合物的浓度属于中间水平，这也与生态风险评估结果相吻合，除部分点位的水和沉积物中壬基酚存在不可接受的生态风险外，其余酚类均对环境存在中低风险。此外，本研究仅仅是分别评估单个酚类物质的水体和沉积物生态风险，对于多种酚类共同作用的生态风险并未进行讨论，同类物质相同终点的生态风险可能存在叠加或协同作用。因此，对于多种酚类的协同或复合作用产生的生态风险有待更进一步的深入研究，以取得更为科学的评估结论。