2016, Vol. 28 
(2: 华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室, 广州 510275)
(2: Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes, Guangzhou 510275, P. R. China)
对羟基苯甲酸酯类, 又称为尼泊尔金酯, 常见的包括对羟基苯甲酸甲酯(MPB)、乙酯(EPB)、丙酯(PPB)、丁酯(BPB)和苯甲酯(BzPB)等, 是一类新一代高效低毒的杀菌防腐剂, 因其具有抗菌能力强、pH值适应范围广、毒性低的特点[1], 目前被广泛应用于食品、饮料、个人护理用品和药品中[2-4].近期一些研究表明, 体香剂中对羟基苯甲酸酯类长期的接触可能引发乳腺癌[5].对羟基苯甲酸酯类防腐剂已被证明具有雌激素活性, 一旦进入环境可能造成不良影响[6-8], 并且极易与氯化消毒过的自来水中的余氯发生反应[9], 主要生成一氯或二氯、溴代衍生物, 这些副产物在大型藻检测中显示出比原始有机物更高的急性毒性[10], 对环境和生物造成负面影响.
自从对羟基苯甲酸酯类的雌激素活性被发现以来, 国外对城市水体中对羟基苯甲酸酯类防腐剂的浓度检测以及去除研究做了大量的工作.如Lee等[11]通过对加拿大6大城市中的8所污水处理厂的污水进行分析, 发现处理前污水中对羟基苯甲酸酯类的平均浓度为14.60 μg/L, 经污水处理厂处理后去除率为95.20%;Jonkers等[12]通过对瑞士的Glatt河水中对羟基苯甲酸酯类的测定, 发现Glatt河中MPB、EPB、PPB、BPB和BzPB的平均浓度分别为5.00、0.10、0.60、0.30和0 ng/L; Benijts等[13]发现比利时的河水中对羟基苯甲酸酯类的最高浓度达到85.00 ng/L等.然而我国对羟基苯甲酸酯类防腐剂的研究起步较晚, 防腐剂浓度的研究还停留在食品、药物和化妆品等方面, 对于城市水体中防腐剂的研究目前仍未见过报道.
为了研究国内城市水体中对羟基苯甲酸酯类防腐剂的污染状况, 本文选取广州市内的15个典型湖泊在非汛期进行采样, 并运用液液萃取-气质联用法对MPB、EPB、PPB、BPB和BzPB 5种典型防腐剂进行检测与毒性分析, 以期为广州市湖泊水体的污染控制和水体生态环境的改善提供参考.
1 样品来源与分析方法 1.1 采样点分布本文针对广州市的湖泊水体进行研究, 对市区内较大的15个湖泊分别进行采样(图 1, L1:海珠湖, L2:晓港公园, L3:东山湖公园, L4:荔湾湖公园, L5:流花湖公园, L6:越秀公园, L7:田心新村, L8:麓湖, L9:广州烈士陵园, L10:广州动物园, L11:暨南大学, L12:天河公园, L13:华南师范大学, L14:华南理工大学, L15:华南农业大学)，采样点涵盖海珠区、越秀区、天河区和白云区, 能直观地反映广州市区内各湖泊的污染状况.采样时间为2012年12月15、16日, 采样过程严格遵守标准规范, 保证水样不受污染, 数据结果可靠.
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图 1 广州市湖泊采样点分布 Fig.1 Distribution of sampling sites in Guangzhou City |
样品在真空下通过0.7 μm孔径的Whatman GF/F玻璃纤维膜过滤, 以获得溶解相和颗粒相的样品.萃取之前, 每个样品中掺入10 μl烷基酚, 用经典的液液萃取法提取样品中的目标物质.将1.0 L的水样放置在分液漏斗中, 以二氯甲烷为萃取剂萃取3次, 每次加入50 ml.玻璃纤维膜中的颗粒相样品在索氏提取器中用150 ml二氯甲烷萃取24 h.然后分别对萃取液进行浓缩, 加入10 ml正己烷, 并在温和的氮气流下进一步浓缩到约150 μl, 再向浓缩液中加入50 μl的N, O-双(三甲基硅基)三氟乙酰胺(BSTFA)与1%的三甲基氯硅烷(TMCS)衍生化, 之后加入10 μl 50.00 ng/ml的13C-PCB 208, 然后用微量进样器准确抽取2 μl混合液, 导入GC-MS(6890NGC, 5973MSD, 美国Agilent公司, HP-5MS毛细管柱)中测定, 其中进样口衬管型号为5183-2037, 1.8 mm ID.
色谱条件:采用无分流进样, 数据的采集和处理采用GC-MS solution软件工作站; 进样口温度为280℃; 柱温程序开始为60℃保持2 min, 以30℃/min的速率上升至130℃, 之后以2℃/min的速率升温到220℃, 然后以30℃/min的速率升温至300℃, 并保持5 min.
质谱条件:传输线和离子源温度分别保持在280和230℃, 电子能量为70 eV.先以保留时间和全扫方式进行定性分析; 然后根据标液中各物质的出峰时间和特征离子, 采用分时段单扫的方式选择离子, 进行定量分析.
1.3 实验参数将5种标准物质的混合溶液溶解于正己烷中, 分别配置成浓度为2、5、10、25、50、100 μg/L的溶液, 使用GC-MS测定标样.根据标样的色谱图确定目标化合物的特征离子, 以全扫方式确定出各自的出峰时间(表 1).
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表 1 5种目标物的特征离子和出峰时间 Tab.1 Characteristic ion and retention time of 5 target compounds |
根据几种不同浓度的标样进行GC-MS分析, 以目标物与内标物出峰面积的比值为横坐标(x), 以目标物与内标物的浓度比值为纵坐标(y), 得到标准曲线的方程表达式和相关系数(表 2).结果显示, 标准物质在2~100 μg/L范围内时, 该检测方法得到5种物质的出峰面积比与相应的实际浓度比的相关系数都在0.996以上, 二者具有非常好的线性关系, 可以据此计算样品中目标物的浓度.
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表 2 5种防腐剂的标准曲线及相关系数 Tab.2 Standard curve and correlation coefficient of 5 parabens |
取5种对羟基苯甲酸酯的已知浓度溶液, 按照与样品同样的方法进行处理和GC-MS分析, 根据平行实验得出的结果可以计算标准偏差, 以实验结果的平均值与已知浓度的比值作为该方法的回收率.根据美国EPA的标准方法, 以3倍的信噪比作为计算方法的检出限MDL(method detection limitation), 即MDL=STD·信噪比[14], 信噪比系数取3, 结果表明5种目标物质的回收率均在90%以上, 重复性好, 符合分析要求(表 3).因此该方法对5种防腐剂的检测限十分理想, 为0.01~0.06 ng/L, 可以在实际水体的检测中进行应用.
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表 3 方法对目标物质的标准偏差、检测限和回收率 Tab.3 Standard deviation, detection limit and recovery of 5 target compounds |
本文采用国内常用的青海湖发光细菌对5种防腐剂的毒性进行研究[15], 以不同物质对青海湖发光细菌光强的抑制性强弱来表征其毒性的大小.将对羟基苯甲酸酯的标样以超纯水按梯度进行稀释, 得到一定浓度梯度的样品.然后将活化好的青海湖发光细菌放在恒温15℃的LUMIStherm恒温器中15 min后待测, 之后取0.5 ml稀释好的各浓度待测样品加入0.5 ml菌液, 在15℃环境的恒温器中接触15 min后用HACH的LUMIStox300毒性检测仪测定出各浓度梯度的样品对发光细菌发光光强的抑制率.
2 结果与讨论 2.1 广州市湖泊水体防腐剂浓度使用上述方法对所采集的样品进行萃取和GC-MS分析, 检测得到湖泊水体中溶解相和颗粒相中5种防腐剂的总浓度, 结果表明, 广州市内湖泊水体中溶解相的防腐剂浓度范围为0.10~19.40 ng/L, 平均浓度为5.06 ng/L(图 2).最高值出现在越秀区内的麓湖公园, 这是由于紧挨着麓湖边上分布着几家餐饮店, 餐饮店产生的污水直接排入麓湖水体, 造成麓湖的防腐剂浓度相对较高; 最低值出现在越秀公园东门附近的湖泊, 这是由于越秀公园是广州省内著名的旅游景点, 平时的管理十分严格, 基本上不会有污水流入的缘故.相比之下水体中颗粒相的防腐剂浓度远低于溶解相, 平均浓度为0.78 ng/L, 这是由于5种防腐剂均微溶于水, 其在水体中的浓度本身就很低, 因此水体颗粒相中的浓度更低.
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图 2 广州市湖泊水样防腐剂浓度测定结果 Fig.2 Test results of parabens in water samples from lakes in Guangzhou City |
对羟基苯甲酸酯类除天然存在于一些如蓝莓、白花杜鹃等植物中, 其它全部由化学合成以用做防腐剂.所以未受污染的天然水体中对羟基苯甲酸酯类是不会有检出的, 但广州市湖泊水体中对羟基苯甲酸酯类防腐剂的检出率竟高达100%(图 2), 这说明广州市内的湖泊水体已经普遍受到防腐剂的污染.目前国际上还没有明确的标准来衡量水体中防腐剂的污染水平, 但将本研究结果与Jonkers等[12]以及Benijts等[13]的研究结果作比较, 发现广州市内湖泊水体中防腐剂的浓度略低于国外天然水体中的浓度.其主要原因是广州市使用对羟基苯甲酸酯类防腐剂的时间相对较短; 其次是由于本次采样的湖泊多数为公园与高校内的湖泊景观水, 有公园和相关部门专门负责, 而且除麓湖外, 其他湖泊几乎不会有生活和工业污水直接汇入.
湖泊水体中防腐剂主要以溶解相存在(图 2), 所以本文就溶解相中5种防腐剂所占比例进行研究, 结果显示溶解相中BPB的平均浓度最高, 占溶解相总量的30.45%, 在本文所选取的15个湖泊中, 更有4个湖泊水体中BPB浓度占5种防腐剂溶解相总量的58%以上; BzPB的平均浓度最低, 为6.71%, 其中有7个湖泊中BzPB未检出(图 3).另外MPB、EPB和PPB的平均占比分别为25.37%、7.72%和29.75%.
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图 3 广州市湖泊水体溶解相中各种防腐剂的比例 Fig.3 Proportions of 5 parabens of dissolved phase in water samples from lakes in Guangzhou City |
根据方法1.5节得到的结果, 以抑制率为纵轴, 以样品中防腐剂的浓度为横轴, 作出不同浓度的样品与水样毒性的折线关系图, 实验结果测得水样的毒性随标样浓度的变化如图 4.由防腐剂毒性分析的折线图可以看出(图 4), 5种防腐剂的毒性均随浓度的升高而上升, 当浓度达到一定限值时其抑制率趋近于1, 当浓度较低时其抑制率趋近于0.通过LUMIStox300毒性检测仪的检测, MPB、EPB、PPB、BPB和BzPB的EC50值分别为5.05、6.73、12.79、8.65和0.19 mg/L, 可以看出5种对羟基苯甲酸酯类防腐剂中, BzPB的毒性最高, 这与Applegate等[15]的结论一致.所以, 虽然自然水体BzPB所占的比例最小, 但在研究广州市区防腐剂污染的问题时, BzPB应得到足够重视.
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图 4 防腐剂MPB、EPB、PPB、BPB和BzPB的毒性分析 Fig.4 Analysis of toxicity of MPB, EPB, PPB, BPB and BzPB |
1) 对广州市区内15个湖泊进行分析检测的结果表明, 水体中防腐剂的检出率高达100%, 说明广州市区内的湖泊普遍受到防腐剂的污染, 其中溶解相的防腐剂平均浓度为5.06 ng/L, 颗粒相的平均浓度为0.78 ng/L.
2) 广州市区的湖泊水体中溶解相防腐剂浓度最高的为对羟基苯甲酸丁酯, 占总量的30.45%;对羟基苯甲酸苯甲酯所占比例最小, 为6.71%.
3) 以防腐剂对发光细菌光强的抑制强弱来表征其毒性的大小, 5种防腐剂的毒性都随浓度的升高而上升, 且以对羟基苯甲酸苯甲酯的毒性为最强, 考虑到自然水体中所检测到的浓度, 对羟基苯甲酸苯甲酯对环境所产生的影响最大.
本文虽然对广州市内湖泊水体中防腐剂的溶解相和颗粒相的浓度进行研究, 在国内自然水体中防腐剂的领域上迈出一步, 但对湖泊之外的水体还没有进行研究, 为了准确地了解国内自然水体中防腐剂的分布与浓度、掌握防腐剂的污染状况, 下一步将对不同类型的自然水体都进行相关研究.
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