水体中草甘膦质量标准及检测方法综述

马天翼,董会军,董建芳,李 义,李梓瑶,封梅青

(1.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室,河北 石家庄 050021;2.河北省地质环境监测院,河北 石家庄 050021)

0 引言

自1974年孟山都公司将草甘膦引入市场,草甘膦已成为世界上应用最广泛的除草剂之一。据报道,2020年草甘膦的全球使用量在60万t～70万t,预计2025年草甘膦使用量达到74万t～92万t[1]。草甘膦作为最常见的土壤用有机磷除草剂之一,具有高效,低毒的特性,长期以来被认为是环境友好型农药[2]。然而,随着大量使用草甘膦除草剂造成土壤中草甘膦不断累积,并且通过地表径流、雨水冲刷及地下水渗透等方式进入水体中污染水体环境,破坏水生生态系统平衡[3,4],研究表明,草甘膦对环境生物具有遗传毒性、神经毒性、生长毒性等不利作用[5],残留于环境中的草甘膦及其衍生物通过生物富集作用进入食物链,可能会影响人体神经和肾脏等健康,并具有一定的致癌性,从而引起了人类的广泛关注。因此对水体中草苷酸残留分析检测和监管至关重要。本文主要综述了水体中草苷酸残留相关标椎和检测方法,为未来制定符合我国水体现状的质量标准和快速、灵敏的草苷膦残留检测技术提供参考。

1 水体草甘膦残留质量标准及检测标准方法概述

据报道,草甘膦作为有机污染物之一,已在我国多个地区检出[6]。我国政府为保障水质安全作了大量努力,多次结合我国发展现状修改水质标准。

GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》[7]是在GB5749—1985《生活饮用水卫生标准》基础上,参考美国、欧盟以及世界卫生组织等的水质标准,结合我国饮用水现状在原有基础上修订增加了包括草甘膦在内的71项指标,规定生活饮用水草甘膦限值为0.7 mg/L。

GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[8]在GB/T 14848—1993《地下水质量标准》的基础上增加了包括草甘膦在内的54项指标评价地下水质量,GB/T 14848—2017规定草甘膦指标在地下水Ⅰ类水不得超过0.1 μg/L,Ⅱ类水不得超过140 μg/L。

水质实时监测能够迅速把握水体污染情况,为及时调查污染来源、解决突发污染状况提供有力保障。国内外先后制定水体中草甘膦除草剂的检测标准来规范监测手段。

1990年美国发布《EPA 547-Determination of Glyphosate in Drinking water by Direct-queous Injection HPLC,Post-column Derivatization,and Fluorescence Detection》检测标准[9]使用高效液相色谱荧光检测器和柱后衍生测定饮用水中的草甘膦,检出限为6 μg/L。

2006年我国发布GB/T 5750.9—2006《生活饮用水标准检验方法 农药指标》[10]适用于高效液相色谱法测定饮用水和水源水中草甘膦,经过柱后衍生,用荧光检测器进行检测,外标法定量,直接进样方式检出限为25 μg/L(进样量200 μL)。

2007年国家环境保护总局发布GB 5085.6—2007《危险废物鉴别标准 毒性物质含量鉴别》[11]使用柱后衍生和高效液相色谱测定水体中草甘膦,地下水草甘膦检出限达到8.99 μg/L,试剂水检出限达到6 μg/L,脱氯处理过的自来水检出限达到5.99 μg/L (进样量均为200 μL)。

国际标准ISO 16308—2014《Water quality-Determination of glyphosate and AMPA-Method using high performance liquid chromatography (HPLC) with tandem mass spectrometric detection》[12]在ISO 21458—2008基础上作了改进,采用柱前衍生的处理方式,液相色谱质谱联用仪测定饮用水、地下水和地表水中的草甘膦和氨基甲基膦酸,检出限达到0.03 μg/L。

2018年发布CJ/T 141—2018《城镇供水水质标准检验方法》[13]适用于离子色谱法测定城镇供水及水源水中草甘膦,以氢氧化钾或者氢氧化钠为淋洗液,等度淋洗,电导检测器检测,保留时间定性,峰高或者峰面积定量。检出限为0.044 mg/L(进样量25 μL);以碳酸钠为淋洗液检测城镇供水及水源水中草甘膦,检出限为0.032 mg/L(进样量为20 μL)。

2019年发布HJ 1071—2019《水质草甘膦的测定高效液相色谱法》[14]适用于高效液相色谱测定地表水、地下水、生活污水和工业废水中草甘膦,在水样中加入柠檬酸三钠络合金属离子,经过固相萃取小柱净化后使用9-芴甲基氯甲酸酯进行衍生后,使用二氯甲烷萃取,高效液相色谱仪测定,根据保留时间定性,外标法定量,检出限为2 μg/L(进样量为20 μL),该液相色谱法使用衍生和净化等前处理方式,相比柱后衍生过程能更好的控制衍生过程,提高回收率和精确度,该方法目前广泛被用于水体中草甘膦的检测。

2023年GB/T 5750.9—2023《生活饮用水标准检验方法第9部分:农药指标》(10月1日实施)[15]测定生活饮用水中草甘膦的检测方法在2007版的基础上增加了离子色谱法,检出限达到0.15 mg/L(进样量100 μL)。

现行部分检测标准测定草甘膦无法避免基质效应干扰和假阳性检测情况发生,且检出限过高无法准确评定地下水质量水平。因此,研究人员在不断探索优化的检测方法。

2 水体中草甘膦检测方法

水体中草甘膦的检测方法主要包括离子色谱法,高效液相色谱法,高效液相色谱串联质谱法,气相色谱串联质谱法和毛细管电泳法。水体中草甘膦检测研究应用情况详见表1—表3。

表1 离子色谱法检测水体中草甘膦的应用

2.1 离子色谱法(IC)

离子色谱法是通过氢氧根或碳酸根等淋洗液将水体中的草甘膦和其他阴离子带入阴离子交换柱,根据阴离子交换柱对不同离子的亲和力差异进行离子分离,经阴离子抑制系统转化为高电导率强酸,利用电导检测器检测各阴离子电导率后,通过保留时间定性,色谱峰面积或峰高定量。

基于上述不足,研究人员通过使用不同类型色谱柱及调整淋洗液类型及浓度等进行优化,大多优化条件为使用IonPac AS19保护柱、分析柱和使用KOH淋洗液等提高检测分辨率和灵敏度[16-21]。离子色谱法线性范围一般设置为mg/L量级,优化后检出限在1～100 μg/L不等,如丘露等人[19]、张任男等人[22]通过大体积进样提高检测灵敏度,检出限达到1～5 μg/L,邱慧敏等人[23]使用一维分析系统串联二维毛细管离子色谱使检测限达到0.025 μg/L。通过条件优化,大部分研究草甘膦检测都能避开水体中其他阴离子干扰,目标峰能够正常显示。详见表1。

2.2 高效液相色谱法(HPLC)

高效液相色谱法主要通过前处理(过滤或固相萃取等)净化后与9-芴甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)进行衍生化反应,生成的荧光产物去除衍生化副产物后,利用不同性质物质在两种流动相中移动速度的差异经过色谱柱分离,有序的进入荧光检测器进行检测,以保留时间和特征波长定性,色谱峰面积或峰高定量。

高效液相色谱荧光检测器无法直接检测草甘膦,因此需要进行柱前衍生或者柱后衍生,柱前衍生在水样中加入硼酸盐溶液和FMOC(FMOC-Cl)于50～60 ℃水浴衍生1～2 h,衍生过程中产生的水解产物等干扰物质使用固相萃取或者有机溶剂去除,经过滤后上机测试。采用柱前衍生处理方式过程中产生的水解产物干扰可以通过固相萃取或者有机溶剂去除,该方法应用广泛,检出限较低,但存在过程繁琐,试剂使用量大的缺点。柱后衍生则是使用柱后衍生仪,不需要进行繁杂的前处理过程,配制柱后衍生液后使用液相色谱上机。液相色谱法测定水体中的草甘膦精密度和灵敏度较高,报道的检出限在0.002～5 μg/L。柱后衍生处理过程自动化,由于柱后衍生化反应是在高效液相色谱流路中完成的,反应程度难以观察和控制,且柱后衍生仪价格昂贵,因此这种方法普及度不高,文献报道的较少。

研究人员主要通过优化固相萃取小柱类型,洗脱液比例,选择合适的色谱柱和洗脱程序[31-38]等方式提高高效液相色谱法测定水体中草甘膦含量的精密度和灵敏度。详见表2。

表2 高效液相色谱法检测水体中草甘膦的应用

2.3 高效液相色谱串联质谱法(HPLC/MS/MS)

草甘膦样品由9-芴基甲酸甲基氯甲酸酯(FMOC-Cl)进行衍生,降低极性以增加化合物在反相色谱柱的保留能力,通过高效液相色谱系统进样,经色谱柱分离后进入离子源进行离子化,进而被聚焦后送入质谱,通过三重四极杆后以离子对形式被检测。根据保留时间和特征离子对定性,峰高或者峰面积定量。

综合近些年的研究发现,高效液相色谱串联质谱法(HPLC/MS/MS)测定水体样品,通过调整色谱质谱条件能达到较高的灵敏度、精密度和准确度,测试时间短,同时可检测多种有机污染物,能够实现高效监测水质的目标。然而,高效液相色谱串联质谱法直接进样只适用于生活饮用水等干净水质的检测,不适用于地表水、地下水甚至盐分高和污染严重的水质监测,直接进样检测结果存在不同程度基质干扰的问题。因此,研究人员采用了固相萃取或者衍生等前处理方法,降低基质干扰及水质污染的影响,提高高效液相色谱串联质谱法测定草甘膦的灵敏度和准确度[39-41]。笔者现使用该方法测定地下水和地表水样品,柱前衍生-高效液相色谱串联质谱法测定草甘膦可以有效地降低基质干扰的影响,方法检出限满足地下水质量标准要求,回收效果好,适用于大批量样品检测。但是该方法衍生过程的盐类物质易析出阻塞质谱接口,损害仪器设备。

总结优化后的条件,高效液相色谱系统用于分离草甘膦(或衍生产物)的色谱柱多采用反相色谱柱,流动相中有机相一般采用乙腈或者甲醇,水相则是采用乙酸铵或者甲酸水溶液。多数研究检出限在0.06～40 μg/L,适用于水体中痕量草甘膦的检测。详见表3。

表3 高效液相色谱串联质谱法检测水体中草甘膦的应用

2.4 气相色谱串联质谱法(GC/MS/MS)

草甘膦需经过衍生反应后才可使用气相色谱串联质谱仪测定,性质不同物质在气、固相中分配系数存在差异,样品经过气化后被载气带入色谱柱分离,依次进入质谱检测。根据保留时间、碎片离子质荷比或不同离子丰度比定性,峰面积或峰高定量。

程雪梅等人[48]研究认为气相色谱串联质谱法比高效液相色谱法方便,灵敏度高。对于灌溉水中草甘膦的测定,使用七氟丁醇-三氟乙酸酐衍生试剂水浴反应1 h后,吹氮气排除杂质,加入柠檬醛乙酸乙酯溶解残渣后上机测试。色谱柱采用弹性石英毛细管柱DB-5MS。检出限为0.3 μg/L,回收率为91%～106%,精密度为2.9%～6.2%。由于草甘膦极性较强,需要进行衍生化反应无法使用气相色谱及气相色谱质谱法直接检测,目前,我国使用气相或气相色谱串联质谱法测定水体中的草甘膦方法报道较少。

2.5 毛细管电泳分离法

毛细管电泳法是以毛细管为各组分分离通道,以高压直流电场为驱动力,根据样品的电荷、大小、极性和相分配特性等差异的大小实现分离分析的技术。毛细管电泳主要与紫外检测器、激光诱导荧光检测器、电化学检测器或质谱检测器串联进行检测,毛细管电泳法具有分析速度快、环境友好等优点。

由于草甘膦缺乏紫外可见波长范围内的生色团,因此直接检测非常困难,一般使用间接检测的方法,将草甘膦进行衍生,使草甘膦具有一定的光学性能,检测器选择紫外检测器或者激光诱导荧光检测器进行检测,该方法需要芴甲氧羰酰氯[49]、硫代异氰酸苯酯[50]、异硫氰酸荧光素酯[51]或5-(4,6-二氯三嗪)氨基荧光素[52]等衍生,分别适用于地下水和湖水、地表水和植物油、农产品以及环境水样和土壤样品等基体中草甘膦的检测,步骤较为繁琐,检出限较高,因此需要旋转蒸发[50]或微流控芯片[51]等方法实现高灵敏度检测,检出限达到0.05～5 μg/L,回收率达到84%～102%。毛细管电泳结合电化学检测方法,具体包括安培法、电导法和电致化学发光法等[53],该方法无需衍生,但存在检测灵敏度较低的特点,检出限在mg/L水平[54-55]。有研究人员使用毛细管电泳串联质谱检测器对草甘膦进行测定,不需要衍生实现10 min内完成检测,检出限达到10 μg/L[56],毛细管电泳串联电感耦合等离子体质谱对草甘膦进行测定,检出限达到mg/L水平[57]。

毛细管电泳法可以满足水体、土壤和食品等草甘膦检测的需求,使用电化学检测器、紫外检测器或者荧光检测器灵敏度较低,和质谱检测器串联可以提高检测灵敏度,但需要对毛细管柱内壁化学性质、与质谱接口设计以及样品纯化等方面做进一步研究。

3 结束语

草甘膦在我国应用广泛,其残留物及代谢产物危害人类和环境生物的健康和安全,因此,建立符合我国国情的水质标准和灵敏可靠的样品分析技术是保障生态环境健康稳定的基础。针对生活饮用水和地下水,我国已有成熟的水质标准规范水体中草甘膦的含量。目前,水体中草甘膦的检测技术也在日趋成熟,质谱法检测采用柱前衍生,高效液相色谱质谱仪灵敏度高,选择性强,但价格昂贵,因此现今我国少有测定水体中草甘膦的高效液相色谱串联质谱仪的标准方法。相比于质谱法,色谱仪的普及度较高,其中液相色谱法测定草甘膦需要进行衍生反应,检出限较低,操作简单,目前是检测水体中草甘膦的主要方法。

水体中草甘膦的检测已经关系到人类和生态系统的健康,未来的草甘膦检测研究还应侧重以下两方面:①对于地下水,地表水及污染地块水体中草甘膦的批量前处理和检测方法需要更快捷,灵敏和精确;②目前环境方法中测定地下水体中草甘膦检出限较高,无法满足地下水水质定级标准,未来需要完善相关检测标准,更好的发挥检测对于地表水,地下水污染的预警作用。