南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃(PAHs)的污染特征、来源及健康风险评价_孙佳兰.pdf

江苏农业学报 孙佳兰 董 成 生弘杰 等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价 江苏农业学 报 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染 特征 来源及健康风险评价 孙佳兰 董 成 生弘杰 张雷刚 陈小龙 余向阳 葛 静 江苏海洋大学海洋食品与生物工程学院 江苏连云港 江苏省农业科学院农产品质量安全与营养研究所 江苏 南京 收稿日期 基金项目 江苏省农业科技自主创新基金项目 江苏 省研究生科研与实践创新计划项目 作者简介 孙佳兰 女 广西桂林人 硕士研究生 主要从事 农产品产地污染修复研究 通讯作者 葛 静 摘要 本研究以江苏省南京市六合区 个设施蔬菜基地 土壤作为研究对象 共采集表层土壤样品 份 采用气相色谱 质谱 法测定 种多环芳烃 单体含量 结果表明 和 土壤中 种 含量分别为 均值分别为 中位数分别为 土壤中 的来源大致相同 机动车尾气排放和石油是其主要来源 通过 终生致癌风险值进行风险评价 结果发现 土壤中 终生致癌风险可以忽略不计 土壤中 终生致癌风险处于低风险水平 毒性当量含量风险评估结果显示 种 的毒性当量含量 均值为 而 种致癌性 的毒性当量含量 均值为 表明研究区土 壤中致癌风险的主要贡献者是 种致癌性 其中 研究区 贡献率最大 本研究结果可为南 京市相关部门对设施蔬菜基地土壤中 预防和控制提供参考 关键词 土壤 多环芳烃 污染特征 风险评价 中图分类号 文献标识码 文章编号 设施蔬菜产业是现代农业发展的重要组成部 分 为蔬菜周年供应提供了保障 然而 由于其种植 密度大 复种指数高 频繁灌溉施肥以及周边工业排 污等问题 使得设施蔬菜基地土壤面临更加复杂的 污染风险 其中 多环芳烃 作为一类典型的 持久性有机污染物在蔬菜产地土壤中被频繁检 出 该类化合物具有致癌 致畸和致突变作 用 已有 种 被美国环境保护署 确定为优先控制污染物 中国 年 排放量占全球总排放量的 据报道 在焦化场周围农业土壤 中约 的采样点土壤受到 中度或严重污 染 中国不同区域农业土壤中 种 总含量 为 综上所述农业土壤中 污染水平差异较大 随着城市化进程的发展 工业区向城市边缘扩散 越来越靠近农田 工业区 与农田之间没有明显的界限 农业土壤中 的 含量可能会增加 人为来源的 比自然来源的影响更 大 在中国农业土壤 来源主要涉及生物 质燃烧 煤炭燃烧 机动车尾气排放和焦化 源 空气中的一部分 可以通过光解而 损失 还有一部分则容易沉积 水系统中部分 与沉积物相互作用 通过地表径流以及地下 水和地表水交换转移到土壤中 评估土壤中 污染以及相关生态和健康风险对于制订有 效的污染防控措施至关重要 本研究选择南京市六合区 个典型设施蔬菜基 地土壤作为研究对象 分析其中 组成和污染 水平 通过特征比值法解析了其主要污染特征和来 源 并对其健康风险进行评价 以期为设施蔬菜产地 污染情况 生态环境质量和风险评估提供基 础数据 为预防和控制该区域土壤 污染提供 参考 材料与方法 材料 年 月 日 从南京市六合区 个设施 蔬菜基地 分别以 表示 采集土壤样 品 种 分别为萘 苊烯 苊 芴 菲 蒽 荧蒽 芘 苯并 蒽 苯并 荧蒽 苯并 荧蒽 苯并 芘 茚并 芘 二苯并 蒽 苯并 苝 种 混合标 准溶液购自北京曼哈格生物科技有限公司 质量浓 度为 乙腈为色谱纯 购自上海麦克林生 化科技股份有限公司 二氯甲烷为分析纯 购自江苏 强盛功能化学股份有限公司 氯化钠为分析纯 购自 西陇科学股份有限公司 本研究中仪器设备包括气 相色谱串联质谱仪 安捷伦 科技 中国 有限公司产品 多管涡旋仪 郑州明天仪器有限公司产品 数控超声仪 昆山超声仪器有限公司产品 高速离心 机 艾本德中国有限公司产品 方法 土壤样品采集 应用五点混合采样法分别 从 采集表层 土壤样品 共布设 个采样点 样品数量共计 份 经纬度如表 所示 样品预处理 将土壤样品充分混合并去除 根系 经过室温自然风干后研磨 过 目筛 所有 样品放在密封袋中保存于实验室 冷冻箱备 用 提取参考谭华东等 的方法并略作修 孙佳兰等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价 改 称取样品 将其置于 离心管内 加入 乙腈与二氯甲烷 体积比 超声波提取 再加入 以 离心 取 上清液 然后加入 丙基乙二胺 和 十八醇 净化 取 过有机 滤膜至进样瓶待测 表 个设施蔬菜基地经纬度 设施蔬菜基地经度 纬度 土壤中 化合物含量测定 色谱条件 采用 色谱柱 进样口温度 升温程序 以 的速率将温度上升至 后保持恒温 再以 的速率将温 度上升至 后保持恒温 恒流模式 进样方式 不分流进样 离子源 传 输线温度 选择离子模式 模式 采集数 据 详细参数参照文献 标准曲线采用基 质加标 含量范围为 土壤 样品中 的回收率为 仪器测定样品 过程中每 个样品为一批次 每批次同时测定空白 溶剂样品和基质标准样品标准曲线 定性分析用 标准化合物的保留时间进行比较分析 风险评价方法 采用 终生致癌风险 模型 评估 对人体健康造成的危害 通过以下公式计算通过摄入 皮肤接触和吸入土壤 颗粒而引起的癌症风险 公式 和 参照 文献 式中 分别是摄 入 皮肤接触 吸入土壤颗粒而导致的终生致癌风险 值 为研究区土壤中污染物的含量 其 他参数含义及取值详见表 表 多环芳烃 对人类终生致癌风险参数 参数 含义 单位致癌剂量数值参考文献 土壤摄入率 暴露频率 暴露持续时间 口服斜率因子 平均体重 平均时间 暴露的皮肤面积 土壤的皮肤黏附因子 污染物在胃肠道中的吸收率 吸入率 肺的吸收因子 颗粒物排放因子 吸入单位的风险 皮肤吸收因子 表示对应的参数没有单位 毒性当量法是以有致癌性的 为基础 通过 计算 种 相对于 的毒性当量含量 来评估其生态风险 计算公式参照文献 式中 为多环芳烃相对于 的毒性当 量浓度 为多环芳烃单体的含量 为毒性等效 因子 土壤中 来源分析 本研究对 来 江苏农业学报 年第 卷第 期 源的分析采用分子标记物特征比值法 对于石油源 和燃烧源可通过相对分子量为 和 的异构 比值进行鉴别 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 的比值已被许多学者用于指示机 动车尾气排放 油类排放 生物质和煤炭的燃烧废气 来源 此外 更高相对分子量 和 的异构 比值也可指示其来源的有效指标 其中 含量 含量 含量 含量 含量 含量 的比值用于指示为石油源 交通源 蒽 菲 芴 芘 荧蒽 苯并 蒽 茚并 芘 苯并 苝 数据处理 采用 软件对 含量进 行描述性统计分析 应用 软件对结果进行可视 化分析 利用 软件标记研究区采样点位 结果与分析 土壤中 含量 南京市六合区 个设施蔬菜基地土壤中 种 含量的分布特征如图 所示 土壤 中总 含量范围分别为 均值分别为 中位数分别为 土壤中低环单体 含量较 高 均值分别为 中环单体 含量较高 均值分 别为 高环单体 含量较高 分别为 图 土壤样本中 种多环芳烃 的含量 孙佳兰等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价 荷兰学者 曾针对土壤 中 总量提出将污染程度分为 个等级 具体 见表 表 土壤中多环芳烃 污染等级 污染等级 总含量 污染等级 总含量 无污染 依据表 的标准对本研究区表层土壤中 污染状况进行评价 从研究区 总含量均值看 和 均属无污染 属于轻度污染 为了进 一步明确南京市六合区设施蔬菜基地土壤的污染水 平 本研究还对南京市六合区其他土壤类型以及国内 其他区域土壤中 含量 进行了对比 从表 可以看出 本研究 和 土壤中 的平均 含量与南京市六合区农田 上海市闵行区菜地 含量均值在同一水平 属于无污染水平 与 南京市江宁区林地 水田 菜地 陕西省咸阳市杨凌区 蔬菜基地 含量均值处于轻度污染水平 表 其他部分地区表层土壤中多环芳烃 分布情况 研究区 种类 种 土壤类型 总含量 总含量均值 文献 南京市江宁区 水田 菜地 林地 南京市六合区 农田 咸阳市杨凌区 蔬菜基地 上海市闵行区 大棚内菜地 露天菜地 的组成特征 根据苯环数可将 种 分为低环 环 中环 环 高环 环 本研 究 土壤中 的组成特征如图 所示 个 设施蔬菜基地土壤中低环 含量占比超过 中环 含量占比 高环 含量占 比 个设施蔬菜基地土壤中多环芳烃的 组成相近 表明有相似 来源 其中低环 占 比较高 高环 由于其相对分子量小 更多以气 态形式存在 在环境中具有更大的迁移性 本研 究设施蔬菜基地周围存在大量农田 秸秆以及其他生 物质燃烧会释放低环 进入环境 这可能是土 壤中低环 占比较高的原因之一 来源 各污染源排出的多环芳烃单体各不相同 因此 可以根据其特征进行 来源解析 本研究通 过分子标记物特征比值法对研究区土壤中 进 行分析 以 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 含量 作为分析 来源的常用 参数 以 个特征比值判断 来源 表 并 以 个特征比值作为横坐标和纵坐标制作 来 源解析图 图 从图 可见 本研究中 的研 究区域 含量 含量 含量 为 指示 来源为机动车尾气排放 的 研究区域 含量 含量 含量 的研究区域 含量 含量 含 量 的研究区域 含量 含 量 含量 的研究区域 含 量 含量 含量 均指示 来源 为石油 的研究区域 含量 含量 含量 为 指示 来源为油类排 放 的研究区域 含量 含量 含量 为 均指示 来源为石油燃烧 综上所述 本研究 个设 施蔬菜基地土壤中 的来源大致相同 机动车 江苏农业学报 年第 卷第 期 尾气排放和石油是多环芳烃的主要来源 并混合了该地区的油类消耗以及生物质和煤炭燃烧等 见表 图 本研究 个设施蔬菜基地土壤中各多环芳烃 组成 表 多环芳烃 分子标记物特征比值和来源 比值 比值范围来源 参考文献 含量 含量 含量 柴油排放 含量 含量 含量 煤炭和生物质燃烧 含量 含量 含量 生物质和煤炭燃烧 石油源 含量 含量 含量 石油泄露和不完全燃烧 机动车尾气排放 含量 含量 含量 石油源 燃烧源 含量 含量 含量 石油源 芴 芘 荧蒽 蒽 菲 苯并 蒽 孙佳兰等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价 和 的 源解析 和 的 源解析 和 的 源解析 见图 注 见表 图 研究区土壤中多环芳烃 来源 前人已经对不同地区农业土壤中 的来 源进行了广泛的研究 不同区域农田土壤 来源存在差异 这些差异主要受到当地人类活动 因素的影响 严韵欣等 通过特征比值法对南京 市郊区道路两侧稻田表层土壤研究发现 石油燃 烧及木材 煤炭燃烧是土壤中 的主要来源 与本研究结果基本一致 金晓佩等 通过特征比 值法对上海市设施农业土壤研究发现 石油排放 为土壤中 的主要来源 少部分来源于石油燃 烧 与本研究结果较为类似 宋艳艳等 通过特 征比值法对山东省淄博市东部化工园区周边农业 土壤研究发现 主要来源于煤炭燃烧 其次 是石油和交通排放源 此结论与当地的工业发展 水平密切相关 结合该研究区实际情况 与 高速公路直线距离分别为 与 高速公路直线距离为 机动车尾 气排放是农业土壤环境中 的重要污染源之 一 随着汽车工业的快速发展 南京全市民用车辆拥 有量从 年的 辆到 年的 辆 汽车轮胎与道路摩擦产生的轮胎颗粒含有 大量的 可通过道路径流或大气沉降物在 路边农业土壤中沉积 露天燃烧农业秸秆的废弃物 也是农业土壤中 的关键来源 因 此 今后应更加重视能源的调整 以减轻城市环境介 质中 的污染 风险评估 终生致癌风险评估 采用公式 至公式 通过对人类摄入 皮肤接触和吸入土壤颗粒这 种途径摄入的 进行计算并评估终生致癌风险 表 对 终生致癌风险水平进行定性排序 安全水平 低风险水平 从表 可见 研究区的 终 生致癌风险值 分别为 表明这些化合物终生致癌风险处于较低水 平 研究区的 终生致癌风险值 为 终生致癌风险处于低风险水平 江苏农业学报 年第 卷第 期 表 研究区土壤中 终生致癌风险值 采样点 终生致癌风险值 平均值 见表 毒性当量法风险评估 为致癌性最强 的 单体之一 将其毒性等效因子 定义 为 通过公式 计算毒性当量含量 从表 可见 种 毒性当量含量均值为 而 种致癌性 的毒性 当量含量 均值为 占研究区 种 毒性当量含量 平 均值的 表明研究区土壤中致 癌风险主要由 这 种致癌性 贡献 其中 研究区 贡 献率最大 应重点关注 中国的土壤 质量风险管理控制标准 中 仅对 风险筛选 值进行了明确规定 为 根据此标准 本 研究区的所有采样点位土壤中 均未超标 对 比加拿大农业土壤质量标准 值 本研究区未有超标土壤样品 风险评价 结果表明 个设施蔬菜基地研究区土壤中 潜在致癌风险较小 表 研究区土壤中多环芳烃 的毒性当量含量 加拿大农业土壤质量 标准中 毒性 当量含量 毒性当量含量均值 贡献率 种 种 表示致癌性 单体 表示该项没有数据 毒性等效因子 见图 注 孙佳兰等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价 本研究基于终生致癌风险值和毒性当量含量评 估结果表明 南京市六合区 个设施蔬菜基地土壤 总体风险较低 孙奥等 对湖北省咸丰县农田土 壤终生致癌风险评估结果表明成人 为 在可接受的安全范围内 与本研究结 果相似 在其他区域的研究也显示出类似结果 宋 艳艳等 对山东省淄博市工业园区附近农业土壤 检测发现 土壤中 的 平均值为 郭佳佳等 对山西省东南部野生连翘生长 区土壤进行检测发现 的 平均值为 低于加拿大农业土壤中 毒性当量 含量标准值 但潜在致癌风险高于本研究 结论 南京市六合区的 个设施蔬菜基地土壤中 的 种 在土壤中均有不同程度检出 苯环数 以低环 环 为主 土壤中 种 含量范围分别为 土壤中 的总污染程度分级结 果表明 和 属无污染区 属于轻度污 染区 应用分子标记物特征比值法进行溯源 结 果表明 土壤中 的主要来源是机动车 尾气排放和石油 并混合了该地区的油类消耗以及 生物质和煤炭燃烧等 研究区 土壤中 的终生致癌风 险值 分别为 毒性当量法风险评估 种 的毒性 当量含量 均值为 种 致癌性 的毒性当量含量 均值为 本研究结果表明 南京市六合区设施蔬菜 基地土壤中 污染情况应引起相关部门重视 建议制订相应的预防和控制措施 参考文献 王鸿霖 徐 伟 刘 洁 海口市主城区农田表层土壤 分布特征及来源解析研究 环境科学与管理 赵冰帅 吴怡霏 李素鑫 等 中国路域农田土壤多环芳烃污染 特征和风险评价 环境科学 孙 奥 王 芳 段碧辉 等 鄂西山区农田土壤多环芳烃分布 特征及风险评价 资源环境与工程 江苏农业学报 年第 卷第 期 谭华东 张汇杰 武春媛 结合微量 法快速 测定土壤中 种多环芳烃 中国测试 严韵欣 潘剑君 赵美芳 等 南京城郊道路两侧稻田土壤多环 芳烃污染特征及风险评价 土壤通报 张秀秀 朱昌达 王 飞 等 南京城郊不同土地利用类型农业 土壤多环芳烃污染特征及风险评价 环境科学 卢晓丽 康 翔 魏宇宸 等 城乡结合带农田土壤多环芳烃空 间分布特征及来源解析 以南京市周岗镇为例 土壤通报 李国秀 崔利辉 刘 伟 等 杨凌蔬菜基地土壤多环芳烃的污 染特征及其来源 贵州农业科学 金晓佩 贾晋璞 毕春娟 等 设施栽培对土壤与蔬菜中 污染特征及其健康风险评价 环境科学 杨北辰 解启来 郑 芊 等 新疆典型地区植物和土壤多环芳 烃污染特征 来源解析及健康风险评价 环境科学 杨靖宇 俞元春 王小龙 南京市不同功能区林业土壤多环芳 烃含量与来源分析 生态环境学报 黄 丹 黄 勇 安永龙 等 北运河流域 北京段 表层土壤多 环芳烃空间分布特征及来源解析 水文地质工程地质 宋艳艳 贾 鹏 房宁宁 等 化工园区及周边农田土壤多环芳 烃污染特征 来源及风险评价 四川环境 南京统计局 南京统计年鉴 生态环境部 国家市场监督管理总局 土壤环境质量 农用地 土壤污染风险管控标准 北京 中国标准 出版社 郭佳佳 王 琦 康敏捷 等 山西野生连翘生长地土壤 污染特征及风险评价 环境科学 责任编辑 黄克玲 孙佳兰等 南京设施蔬菜基地土壤中多环芳烃 的污染特征 来源及健康风险评价