（环境工程专业论文）土壤样品umu试验前处理方法优化研究及风险评价.pdf

摘要 u m u 试验( 又称s o s u m u 试验) ，具有简单快速、敏感、廉价等优点，现已在化 学物质和环境样品的遗传毒性检测上得到广泛应用。目前，国内外多把u m u 试验方法应 用于水体样品的遗传毒性检测上，水体样品的前处理方法已经成熟，毒性评价体系也已 完善。而土壤样品的遗传毒性测试却研究的较少，相应的应用于u m u 试验快速高效的土 壤样品前处理方法尚存在许多问题。本文对土壤样品u m t l 试验前处理方法进行了优化研 究，评价了石油污染土壤的生态风险和致癌风险。 ( 1 ) 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究 首先，研究了不同提取方法对石油污染土壤中p a h s 的提取效果，主要比较了超声 波提取，微波、振荡辅助提取，索式提取等实验室常用方法。对超声提取方法进行优化， 得到了超声最佳提取条件，分析了在最佳超声条件下直接超声波、微波辅助超声、微波 与振荡辅助超声的提取效果，并与7 2 小时索氏提取相比较，得出结论，直接超声波提取 多环芳烃总量和大分子多环芳烃的量都较多，提取效果较好。 其次，研究不同溶剂对土壤中p a h s 的提取效果，主要研究了五种溶剂体系，即正 己烷、二氯甲烷、丙酮、1 ：1 ( v v ) 正己烷- - 氯甲烷混合液和i ：i ( v n ) 丙酮正己烷混合液， 利用研究得到的最佳提取方法进行p a h s 的提取，得出用二氯甲烷作为萃取溶剂提取效 果最好。 最后，对适用于u m u 试验土壤样品前处理方法进行研究，主要研究三种提取方法： 最佳超声条件下直接超声和微波、振荡辅助超声的最佳组合方式及7 2 h 索氏提取实验， 对提取得到样品进行u m u 测试，比较遗传毒性，得出最佳超声条件下直接超声法的遗传 毒性最大，能够代替7 2 h 索氏提取，作为u m u 试验土壤样品前处理方法。 ( 2 ) 石油污染土壤的风险评价 用得到的最佳u m u 试验土壤样品前处理方法作为油田不同井场污染土壤中多环芳 烃提取、样品处理方法。 首先，评价了石油污染土壤的生态风险，研究了不同井场的1 0 个采样点中的多环 芳烃( p a h s ) 。调查研究了p a h s 的残留量，结果表明，p a h s 总残留量范围为 7 0 8 5 0 1 3 2 9 9 k g ，且以3 环以上多环芳烃组分为主，其中苯并【a 】芘检出率为1 0 0 。 以加拿大农业区域土壤p a h s 的治理标准值为指标，用内梅罗综合指数法进行评价，结 果表明运行中和停产时间较短的油井周围土壤的生态风险较高，油井运行状态、停产时 间及与采油树( 污染源) 的距离对油田地表土壤的生态风险都有影响。 其次，用u m u 试验方法对石油污染土壤的致癌风险进行评价，对油田不同井场石油 污染土壤不同采样点土壤样品进行遗传毒性分析，得出遗传毒性与距污染源的距离和油 井废弃时间有关。油井废弃时间越长，距污染源的距离越远，土壤样品的遗传毒性也越 低，区域的致癌风险性相对较低。 最佳超声提取与传统索氏提取方法相比较，能够快速高效的从土壤中提取目标物， u l n u 测试结果能够较为全面的反映土壤样品的遗传毒性，该方法可以作为土壤样品u m u 试验前处理新方法。 关键词：u m u 试验，遗传毒性，土壤，多环芳烃，风险评价 n a bs t r a c t u m ut e s t , w h i c ha l s oc a l l e ds o s u m ut e s t , h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e n e s s ，c e l e r i t y ， s e n s i t i v i t y ，c h e a p n e s sa n ds oo n ，i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yt og e n o t o x i c i t yd e t e c t i n go fc h e m i c a lm a t e r i a l s a n de n v i r o n m e n t a ls a m p l e s a tp r e s e n t , u m ut e s th a sb e e nm o r ea p p l i e dt ot h eg e n o t o x i c i t yd e t e c t i n go f w a t e rs a m p l e si nd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，w h i c hp r e t r e a t m e n tm e t h o d sa rem a t u r ea n dt o x i c i t ya s s e s s m e n t s y s t e ma l s op e r f e c t w h e n a st h eg e n o t o x i c i t yd e t e c t i n go fs o i ls a m p l e si sl e s s ，c o r r e s p o n d i n g t h eq u i c ka n d e f f i c i e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d so fs o i ls a m p l e sh a sm a n yp r o b l e m s i nt h i sp a p e r , w eo p t i m i z e dt h e p r e t r e a t m e n tm e t h o d so fs o i ls a m p l e sf o rt h eu m ut e s t , e v a l u a t e dt h ee c o l o g i c a lr i s ka n dc a n c e r e dr i s ko f p e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l ( 1 ) o p t i m i z a t i o no nt h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d so fs o i ls a m p l e sf o rt h eu m ut e s t f i s t l y ，w er e s e a r c h e do nt h ee x t r a c t i v ee f f e c t so f1 6k i n d sp o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) i np e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l sw i t hd i f f e r e n te x t r a c t i v em e t h o d s w em a i n l ya d o p t e du l t r a s o n i ce x t r a c t i o n , m i c r o w a v ea n ds u r g ea s s i s t e du l t r a s o n i ce x t r a c t i o n ，s o x h l e te x t r a c t i o na n ds oo n r e s e a r c ho nu l t r a s o n i c m e t h o d ，c o m eo u tt h eo p t i m a le x t r a c t i o np a r a m e t e r s i th a sa n a l y s e dt h ee x t r a c t i v ee f f e c to fd i r e c t u l t r a s o n i ce x t r a c t i o n , m i c r o w a v ea s s i s t e du l t r a s o n i ce x t r a c t i o na n dm i c r o w a v ea n ds u r g ea s s i s t e du l t r a s o n i c e x t r a c t i o nu n d e ro p t i m a lu l t r a s o n i ce x t r a c t i o np a r a m e t e r s a n dc o m p a r i n g 、析付l7 2 hs o x h l e te x t r a c t i o n t h e r e s u l t ss h o w e dt h a td i r e c tu l t r a s o n i ce x t r a c t i o nh a st h eb e s te x t r a c t i v ee f f e c t , w h i c hg e tt h em o s ta m o u n t so f 船a h sa n dm a c r o m o l e c u l a rp a h s s e c o n d l y ，w er e s e a r c h e do nt h ee x t r a c t i v e e f f e c t so fp a h si n s o i lw i t hd i f f e r e n ts o l v e n t s ，m a i n l y s t u d i e df i v ek i n d so fs o l v e n ts y s t e m t h e s ea r eh e x a n e ，m e t h y l e n ec h l o r i d e ，a c e t o n e ，h e x a n em i x e dw i t h m e t h y l e n ec h l o r i d ew h i c ht h e i rv o l u m er a t i oi s 1 ：1a n da c e t o n em i x e dw i t hh e x a n ew h i c ht h e i rv o l u m e l l i r a t i oi s1 ：1 ，w er e s e a r c h e dt h ee x t r a c t i o no fp a h sw i t ht h eb e s te x t r a c t i o nm e t h o dt h a tw eh a dg o t t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tw eu s em e t h y l e n ec h l o r i d ea se x t r a c t i o ns o l v e n th a sb e s te x t r a c t i o ne f f e c t r e s e a r c h e do nt h ep r e t r e a t m e n tm e t h o d so fs o i ls a m p l e sw h i c ha p p l i c a b l et ot h eu m ut e s t ，w em a i n l y s t u d i e dt h r e ee x t r a c t i o nm e t h o d s ：t h ed i r e c tu l t r a s o n i ce x t r a c t i o n ，t h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no fm i c r o w a v e a n ds u r g ea s s i s t e du l t r a s o n i ce x t r a c t i o na n d7 2 hs o x h l e te x t r a c t i o n w ed i du m ut e s tw i t hp a h sw h i c h e x t r a c t e da n dc o m p a r e dt h e i rg e n o t o x i c i t y ，w eo b t a i n e dt h a tt h ed i r e c tu l t r a s o n i ce x t r a c t i o nh a dt h em o s t g e n o t o x i c i t y ，i tc a nr e p l a c e7 2 hs o x h l e te x t r a c t i o na st h ep r e t r e a t m e n tm e t h o do fs o i ls a m p l e sf o rt h eu m u ( 2 ) r i s ka s s e s s m e n to np e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l w eu s e dt h eb e s tp r e t r e a t m e n tm e t h o do fs o i ls a m p l e sf o rt h eu m ut e s ta st h ee x t r a c t i o nm e t h o do f p a h sf r o mp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l so f d i f f e r e n tw e l l s f i s t l y , w ee v a l u a t e dt h ee c o l o g i c a lr i s ko fp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l st h r o u g hs t u d i e dp a h si n10 s a m p l i n gs i t e so fd i f f e r e n tw e l l s w ei n v e s t i g a t e dt h ep a h sr e s i d u e s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tp a h sr e s i d u e s i nt h i sa e l - ar a n g e db e t w e e n7 0 8a n d5 013 2 t t g k g ，t h ep a h sw i t hm o r et h a nt h r e er i n g sw e r et h em a i n p o l l u t a n t s ，a n dt h ed e t e c t i o nr a t eo fb a pi s10 0 e v a l u a t i o nw i t ht h en l n e m e r o wc o m p o s i t ei n d e xa n d t h es t a n d a r df o rp a h sm a n a g e m e n to fa g r i c u l t u r a l ss o i l si nc a n a d as h o w e dt h ee c o l o g i c a lr i s ko fs o i l s a r o u n dw o r k i n gw e l la n dt h ew e l lw h i c hs t o pp r o d u c t i o ns h o r t e rt i m ea r eh i g h e r m a n yf a c t o r sh a v ee f f e c t s o nt h ee c o l o g i c a lr i s ko fs u r f a c ec o n t a m i n a t e ds o i l si no i l f i e l d ，s u c ha st h er u n n i n gs t a t e ，o i lw e l lp r o d u c t i o n t i m ea n dt h ed i s t a n c ew i t ht h ep o l l u t i o n s e c o n d l y ，w ee v a l u a t e dt h ec a n t e r e dr i s ko fp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l sw i t hu m ut e s tt h r o u g h a n a l y s e dt h eg e n o t o x i c i t yo ft h ep a h sf r o mp e t r o l e u mc o n t a m i n a t e ds o i l so fd i f f e r e n tw e l l si no i l f i e l d ， c o m eo u tt h eg e n o t o x i c i t yr e l a t e dw i t ht h er u n n i n gs t a t ea n dt h ed i s t a n c ew i t ht h ep o l l u t i o n t h ew e l l i v a b a n d o n e dl o n g e rt i m eo rd i s t a n c e dt h ep o l l u t i o nf a r t h e r , t h eg e n o t o x i c i t yo fs o i l si sl o w e ra n dt h ec a n c e r e d r i s ko fa r e ai sr e l a t i v el o w e r b e s tu l t r a s o n i ce x t r a c t i o nc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls o x h l e te x t r a c t i o n ，i tc a r le x t r a t et h eo b j e c t sf r o m s o i lq u i c k l ya n de f f i c i e n t l ya n di t s u m ut e s tr e s u l t sc a nr e f l e c tt h eg e n o t o x i c i t yo fs o i lc o m p r e h e n s i v e l y , s o t h i sm e t h o dc a nb e u s e da st h en e ws o i ls a m p l ep r e t r e m e n tm e t h o df o rt h t l t lt e s t k e yw o r d s ：u m u t e s t ，g e n o t o x i c i t y , s o i l ，p o l y e y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) ，r i s ka s s e s s m e n t v 第一章绪论 第一章绪论 环境毒理学是研究环境污染物，特别是化学污染物对生物有机体，尤其是对人体的 损害作用及其机理的科掣1 | 。它不仅要研究环境污染物对生物个体的损害作用，而且要 研究污染物对生物群体、生态系统甚至特定环境下的整个生物社会的损害作用及其防治 对策。环境毒理学研究的环境污染物种类很多，其中化学污染物是环境毒理学目前的主 要研究对象，研究内容涉及到污染物的环境生态行为，环境污染物的化学结构和毒性作 用之间的关系，环境污染物及其转化产物对人体的“三致 等作用的特殊毒性作用与机 理，环境污染物的毒性评价方法等i z j 。 1 1 环境中的化学致癌物质 癌症是严重威胁人类健康和生命的疾病。随着近代人类肿瘤发病率和死亡率 不断增高，发癌年龄年轻化，化学致癌问题逐渐引起广泛关注【2 1 。世界卫生组织 ( w t o ) t 旨出，9 0 的人类癌症可归因于环境因素，其中主要是一些环境化学因素， 另外还有物理因素( 电离辐射等) 和生物因素( 致癌病毒等) 【3 1 。据估计，使人 类致癌的环境因素中约有3 4 是由环境化学物质引起的【4 1 。 1 1 1 化学致癌物质的种类 目前世界上已经有1 3 0 0 多万种合成的或已鉴定的化学物质，其中常见的或 在使用中的有6 5 万一8 5 万种之多，化合物、混合物和各种消费产品的数量达数 百万种【2 1 。常见的“三致”化学物质主要涉及表1 1 中的1 1 类物质【5 1 。 化学致癌物的种类很多，主要分为直接作用的化学致癌物和间接作用的化学致癌 物，它们的致癌机理不同。直接化学致癌物，占化学致癌物中的少数，不需在体内进行 代谢转化即可致癌，如烷化剂。间接化学致癌物，占化学致癌物中的绝大多数，它们只 有在体内( 主要是在肝) 进行代谢，活化后才能致癌。 土壤样品u r n l l 试验前处理方法优化研究及风险评价 直接烷化剂 间接烷化剂 多环芳烃 芳香胺类 芥子气、氯甲甲醚、 c h ，c 卜0 t h 、c 1 环氧乙烷、硫酸二乙酯 。 氯乙烯、苯、 丁二烯抗癌烷化药物 苯并芘、二甲基苯葸、二苯葸、 三甲基胆葸、煤焦油、沥青 联苯胺、乙萘胺、 4 氨基联苯、4 硝基联苯 o h ，c - - c h c l h 文冷 金属和类金属镍、铬、镉、铍、砷 n i 、c r 、c d 、b e 、a s 亚硝胺及亚硝酰 胺 二甲基亚硝胺、 二乙基亚硝胺、亚硝酰胺 霉菌和植物毒素黄曲霉素、铁霉素、黄樟素 结晶硅及石棉 嗜好品 结晶硅及石棉 吸烟、嚼烟、槟榔、 鼻烟、过量的酒精饮料 食物的热裂解产 杂环胺类、2 氨3 甲基咪唑喹啉、 品 药物( 含某些激 还磷酰氨、噻替派、乙烯雌酚 素) n o i 王壬3 c 吨一ch 3 注：此表摘自于惠秀娟的环境毒理学 2 第一章绪论 1 1 2 化学致癌物质的致癌机理 到目前为止，化学致癌的机理尚未得到完全阐明，从多种角度研究形成了多种化学 致癌的学说，其中突变致癌学说得到了许多证据的支持。 突变致癌学说认为细胞癌变是由突变引起的，即控制细胞分裂的基因发生了突变， 或者控制细胞膜完整性的基因发生了突变，或者控s u d n a 修复的基因发生了突变【2 ，6 】。 从机体暴露于化学致癌物质至机体出现致癌作用的过程可分为启动阶段、促癌阶段和 进展阶段0 1 。 ( 1 ) 启动阶段：致癌物直接作用于d n a 的初级序列，引起基因突变，使多个或少量 细胞发生功能永久性的、不可逆的遗传性改变。 ( 2 ) 促癌阶段：细胞在启动阶段形成“启动细胞 后，在某些因素的促进下克隆扩 增，形成细胞群，即良性肿瘤。 ( 3 ) 进展阶段：启动和促癌两个阶段所所引起的良性损伤并不是致死性的，良性肿 瘤需要经过一个演变过程才会转变为恶性肿瘤。在进展阶段，肿瘤获得恶性化的特征， 如生长加快、侵袭、转移、免疫性能改变等。 三个阶段中，启动和进展都涉及突变，三个阶段都可以自发发生( 内源性因素作用) 。 研究证明，不论是用动物、植物还是微生物作为检测材料，“三致效应( 致癌、致畸、 致突变) 之间具有很高的相关性，至少有9 0 。9 5 的致癌物质也是致突变物质1 1 也】。但 由于致癌和致畸试验需要较长的时间才能得出结果( 一般动物致癌试验需要三年的时 间，而且花费较大) ，而测定致突变效应可以短时间内得到结果，因此，依据化学物质 的致突变性可以预测其是否具有潜在的致癌或致畸危险。 1 1 3 化学致癌物质的环境毒理行为 人类对化学物致癌作用的研究已有近三百年的历史，18 世纪末以来，不少医 生已经注意到职业和生活接触的化学物质可引起多种癌症，如1 7 7 5 年英国人p o t t 以临床观察和流行病学调查为依据发现烟筒清扫工人多发阴囊癌1 3 】，证实了环境化学因 素可以引起癌症。之后又陆续发现吸烟与肺癌【1 4 】，对二氨基苯及芳香胺类与膀胱 癌【15 1 ，石棉与间皮组织恶性肿瘤【1 6 j ，苯与白血病【17 - 1 8 】以及黄曲霉素与肝癌 1 9 - 2 0 之间都存在着因果关系。 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究及风险评价 在过去的两个多世纪里，尽管人类对化学物质与癌症的认识有了很多进展， 但近年来，在全球范围内区域性污染导致的癌症发病率上升( 如美国马萨诸塞州 的儿童白血病等) 现象仍然十分普遍。究其原因是由于近几十年来，随着科学技 术的进步和工业时代的到来，在生产环境中发现的致癌性化学物质越来越多；而 在生活环境中，人们通过饮用被污染的水，吸入被污染的空气，食入含有残留农 药的农副产品等，比以前更有机会接触到更多的化学致癌物1 2 1 1 。 作为全球性的公众健康问题，如何对癌症进行有效的预防和控制已经成为全 人类共同关注的重要课题。世界卫生组织( w o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ，w h o ) 在 2 0 0 4 年的第五十八届世界卫生大会上通过了预防和控制癌症的决议，该决议 指出有1 3 的癌症可以通过戒烟、合理饮食和避免致癌物暴露来避免的【2 2 1 。 就化学物质致癌而言，大部分的化学物质暴露致癌都是长期的低剂量暴露造 成的，因而许多化学物质导致的癌症病例和死亡都是可以预防的。而对环境中化 学致癌物质的检测及其致癌风险评价是避免与其接触的前提条件，是癌症预防和 控制的基础。 1 2 常用的几种遗传毒性检测技术 目前常用的短期致突变试验包括a m e s 试验，s o s 显色试验，微核试验，哺乳类细胞 突变检测法，染色体畸变检测法和程序夕 - d n a 合成检测法等【2 3 2 5 1 。 1 2 1a m e s 试验( 细菌回复突变试验，b a c t e r i a lr e v e r s em u t a t i o nt e s t ) 1 9 7 5 年美国加州大学的艾姆斯( a m e sb n ) 教授创建了细菌回复突变试验【2 6 】即 a m e s 试验，是世界各国都常用的快速检测方法之一。试验的基本原理：利用鼠伤寒沙 门氏菌一系列组氨酸营养缺陷型( h i s ) 菌株，在加入哺乳动物肝微粒体酶( s 9 ) 活化 的条件下，测定化学物质诱导组氨酸操纵子回复突变成为组氨酸营养型回复子( h i s + ) 的能力，因此属于回复突变检测体系。当细菌由组氨酸营养缺陷型回复突变为原营养型 后，细菌再次具有合成组氨酸的能力，因此通过与对照组比较在不含组氨酸的培养基上 生长的细菌菌落数目，来测定化学物质诱导微生物基因突变的能力【2 7 。3 0 】。 a m e s 法具有简便、易行，器材简单的优点，故而容易推广。但是微生物d n a 修复 系统较哺乳动物简单的多，基因也较哺乳动物少，因此通过a m e s 法得到的实验结果不 4 第一章绪论 能完全代表哺乳动物的实际情况。尽管如此，目前此法在致突变检测试验中仍占有重要 的位置，广泛应用于环境样品的致突变检测3 1 习7 】。 1 2 2s o s 显色试验( s o sc h r o m o t e s t ) q u i l a r d e t 等人于1 9 8 5 年首创了该方法，并对此法进行了大量改进【3 9 - 4 0 。厍 t - s o s 反应的试验菌种为用大肠杆菌e c o l i4 4 3 6 构建的含有s f i a ：l a c z 融合基因的菌株 p q 3 7 ，当d n a 受损后，s o s 反应启动s f i a ：l a c z 融合基因表达，产生b 半乳糖甘酶，通过 计算该酶的产生量来估算受试物的遗传毒性。 该试验目前已在环境样品的遗传毒性检测上得到应用，其检测范围涉及空气、食品 及水污染物的监测、藻类对工业废水的影响、重要药用植物研究等许多方面删。 1 2 3 微核试验( t h em i c r o n u c l e u st e s t ，m n t ) 微核的形成有两种方式：一种是由迟滞染色体或染色体无着丝点断片在细胞分裂后 期形成仍存在于细胞质的类似细胞核的微小结构；另一种是由核物质在核膜受损后向外 突出延伸而形成的，染色体片段不能随有丝分裂进入子细胞，而是在细胞质中形成直径 小于主核的且与主核完全分开的圆形或椭圆形小体，其嗜色性与主核相似的。凡是进行 分裂的细胞，在染色体断裂剂的作用下，都能够产生微核，因此通过微核率的变化可以 检测诱变物。 由于该方法具有快速可靠的优点，近年来，该法已作为化学致突变试验的一种常用 筛检方法【2 5 ，4 5 堋。 1 2 4 染色体畸变检测法( c h r o m o s o m ea b e r r a t i o nt e s t ) 染色体畸变检测法是用来检测由致突变物所引起的细胞染色体数目和结构改变的 一种方法。用于染色体畸变检测的材料一般有离体培养的细胞株和动、植物体外细胞。 任何一种核型已确定的细胞株，基本上都能够用于体外细胞遗传学的分析。尤其是用染 色体畸变检测法检测高等植物细胞，有以下优点：它的染色体结构与哺乳动物( 包括人) 类似；同一个体分生的植株可用作多项检测，能减少个体异质的影响；植物的生活周期 短，用于显示致突变效应所需要的时间也很短；研究致突变效应的条件( 如p h 、温度等) 广泛；花费低；观察检测容易。因此，近几十年来，该检测法在国内外发展很快 4 8 - 5 0 l 。 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究及风险评价 1 2 5 哺乳类细胞突变检测法( m a m m a l i a nc e l lg e n em u t a t i o na s s a y ) 哺乳类细胞突变检测法，原理上是用待测物诱导哺乳类细胞突变，这与诱导细菌突 变没有根本的区别。但是用哺乳类细胞进行检测，能更好地反映被测物在人体内的作用 情况。如今，这一检测系统发展地较快，已经形成多个相对完善的检测方法。 哺乳类细胞突变检测法在原理上虽然与细菌突变检测法相同，但不同之处在于在结 构、生理和生化代谢上哺乳类细胞与细菌有很大的不同，因此二者具有相互独立的检测 结果。巴奇( b a r t s c hh ) 等曾测试过1 8 0 种化合物，沙门氏菌微粒体酶法单独使用时 敏感性为7 6 ，在与哺乳类细胞突变法联测其中2 6 种致癌物时，敏感性提高至 9 6 t 5 1 - 5 2 】。 1 2 6 程序外d n a 合成检测法( u n s c h e d u l e dd n as y n t h e s i st e s t ，u d s ) u d s 试验是通过测定受损d n a 的切除修复合成水平来评价受试物是否对原代哺乳 动物细胞d n a 和哺乳动物细胞系d n a 造成损伤，以及d n a 的损伤程度。目前u d s 检测 法已成为化学物质致癌性、诱变性快速预筛的方法之一【5 3 - 5 4 1 。 1 3 土壤环境中的多环芳烃污染 土壤是人类赖以生存的物质基础，是人类不可缺少、不可再生的自然资源，它是人 类环境的重要组成部分，是一个极其复杂的体系，具有不均一性和不定性的特点【5 5 】。 多环芳烃( p o l y c y c l i ea r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ，p a h s ) 是指两个或两个以上的苯环按 线形、角状或簇状方式稠合在一起的一类中性或非极性有机化合物【5 6 1 。环境中的多环芳 烃的含量虽然微量但是分布广泛，其中的一些物质具有较强的致癌和致突变作用，对人 体健康产生很大的威胁，许多国家都将它列入优先污染物的黑名单或灰名单中【5 7 】。世界 各地的土壤和沉积物中都相继发现1 0 1 5 个非取代p a h s ，包括：菲、葸、屈、荧葸、 芘、j 苞、苯并 e 芘、苯并 a 芘、1 ，1 2 一苯并芘，稠葸和晕苯以及一些烷基取代苯1 5 8 1 。 1 3 1 土壤中多环芳烃的来源和分布 多环芳烃在环境中的来源一般分为天然源和人为源。天然源主要来自高等植物和微 生物的合成、火山活动，它们是产生p a h s 背景值的主要因子，其它还有草原、森林大 6 第一章绪论 火等：人为源主要来自工业发达国家和城市地区的工业生产加工过程和某些有机物的不 完全燃烧等，其中人为的燃料燃烧对p a h s 的产生贡献很大【5 9 1 。与天然源相比，人为源 是p a h s 的主要产生源。 土壤是一个p a h s 库。土壤中p a h s 污染来源广泛，主要来自污水灌溉、大气沉降、 废物倾倒和工业漏渗，土壤中p a h s 通过某些作用会迁移转化到水体和农作物中【6 0 1 。在 我国，土壤中p a h s 污染的一个重要来源是污水灌溉。有研究表明，用污水长期灌溉水 稻会造成该区域土壤中p a h s 总量积累，在渠首p a h s 的含量最高【5 9 1 。土壤中p a h s 污 染的另一个重要来源是大气沉降，尤其是一般土壤中有9 0 以上p a h s 都是该因素造成 的【5 9 1 。 土壤中多环芳烃的分布具有区域性，不同区域多环芳烃含量有很大不同。有研究结 果表明，土壤中苯并【a a 芘含量在不同区域差异很大，如人烟稀少地区含量仅为 0 0 7 一l l g g k g ，而大阪市区则达1 1 9 “9 3 m g k g ，这主要是城市工业三废“废气、废 渣、废液”，还有汽车废气、道路尘土及炉灶烟尘等 6 0 】。土壤中p a h s 分子量不同， 其在土壤中的含量也不同，一般低分子p a h s 在土壤中的检出量较高，但其容易在植 物根系和土壤微生物的作用下降解，因此积累量不大；相反，高分子p a h s 不容易降解， 因此在土壤中的含量较高【5 9 1 。p a h s 在土壤中的含量和点源距离、土层深度也有关 系，具有随点源距离增大p a h s 含量呈指数下降的规律，另外在土壤剖面上，具有 随着土层深度的增加p a h s 含量也明显降低的规律【5 9 】。 1 3 2 土壤中多环芳烃的种类和致癌机理 多环芳烃( p a h s ) 可分为芳香稠环型及芳香非稠环型，其中芳香稠环型是指分 子中相邻的苯环至少有两个共用的碳原子的碳氢化合物，如萘、葸、菲、芘等； 芳香非稠环型是指分子中相邻的苯环之间只有一个碳原子相连的化合物，如联 苯、三联苯等1 6 。迄今已发现的致癌p a h s 及其衍生物多达四百种以上，其中致 癌性最强的有苯并【a 】芘、7 ，1 2 二甲基苯葸、二苯并 a h 葸及三甲基胆葸等。由于多环芳 烃能够长久存在于环境中，具有“三致”特性而成为环境优先污染物，因此多环 芳烃类物质一直受到国内外学者的广泛关注。1 9 7 9 年美国环保局( e p a ) 分布了1 2 9 种优先控制污染物，其中有1 6 种多环芳烃，我国政府也已经列出了7 种p a h s 于“中 国环境优先控制污染物黑名单”中【6 2 1 。美国环保总局( e p a ) 优先监测污染物的1 6 种p a h s 7 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究及风险评价 的结构和性质列于表1 - 2 中【6 1 1 。 目前，人们对环境中多环芳烃毒性的全面研究还比较少。在环境中很少遇到 单一的多环芳烃，而p a h 混合物之间可能会发生许多相互作用。p a h s 物质中不 少是致癌物质，但并非是直接致癌物，而必须经过细胞微粒体中的混合功能氧化 酶激活后才具有致癌性【6 0 1 。多环芳烃的致癌机理的第一步为氧化和羟化作用，多 环芳烃作用产生环氧化物或酚类。第二步是环氧化物或酚类通过解毒反应生成葡 萄糖苷、硫酸盐或谷胱苷肽结合物，但某些环氧化物可能代谢产生二氢二醇。第 三步是二氢二醇通过结合生成可溶性的解毒产物或氧化成二醇一环氧化物，这后一 类化合物被认为是引起癌症的最终致癌物。另外，多环芳烃的化学结构与致癌活 性也有关，当分子结构改变了，致癌活性也会发生显著的变化。例如，在苯环骈 合类的多环芳烃中有致癌活性的只是4 6 环的芳烃中的一部分，其中茚并【1 ，2 ，3 c d 】 芘的相对致癌性较弱。 表1 - 21 6 种多环芳烃结构及性质6 1 】 第一章绪论 注：此表摘自于岳敏等人的文章多环芳烃的危害与防治 9 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究及风险评价 1 3 3 多环芳烃在土壤中的环境行为 吸附是多环芳烃在土壤中重要的环境行为，主要是通过土壤与土壤水之间的分配过 程使p a h s 吸附在土壤颗粒上 6 0 l 。p a h s 在土壤中的吸附过程分为“快 和“慢 两个 过程，其中“快 是第一个过程，在这个过程中p a h s 能够迅速吸附到土壤的疏水表面； 而“慢 是第二个过程，这个过程持续时间长，一部分p a h s 通过迁移到达土壤基体深 处，这部分p a h s 具有难降解性【6 0 】。因此，在p a h s 在土壤和土壤水之间的分配过程中 p a h s 和土壤的物理化学性质起到了关键作用。这些性质包括土壤颗粒大小、土壤有机 碳含量、多环芳烃水溶度、酸碱度和温度等【6 3 1 。一般地，土壤有机质是公认的p a h s 最 重要的吸附剂，由于p a h s 容易结合在有机质的疏水区域，因此土壤有机质的含量越高， 土壤中p a h s 的含量也越高，p a h s 的降解也较慢。另外土壤中p a h s 的含量与土壤颗 粒粒径的大小成反比畔】。土壤处于还原状态有助于p a h s 的积累。 降解是多环芳烃在土壤中另外一个较为重要的环境行为，一般有非生物因素和生物 因素两个降解因素，其中生物因素对土壤中p a l - i s 的去除起到了关键作用。土壤中p a h s 去除的非生物因素主要有水解、氧化分解和光解。对高环数多环芳烃来说，在土壤中能 够直接降解的微生物较少，这是因为p a h s 在土壤中的稳定性较高，它的苯环数最多， 其生物可降解性越低1 6 0 1 。 1 3 4 常用的土壤样品中多环芳烃的提取方法 土壤样品的基体复杂，并且多环芳烃的浓度很低，一般为痕量、超痕量级，难以直 接测定，样品需要经过预处理后才可以进行仪器分析，因此对于整个分析过程来说，前 处理技术显得尤为重要。随着对p a h s 研究的日渐深入和广泛，相关的样品前处理技术 也在不断的改进。由于全球环境污染日益严重，要求减少使用各种有机溶剂的呼声越来 越高，近年来各种高效、快速、溶剂用量少的样品前处理技术发展迅速【6 5 1 。 土壤样品中p a h s 提取方法较为常用的有经典的索氏提取法【鲫，超声波提取法【6 7 】， 液固萃取法等。经典的索式提取法，回收率较高i 的j ，但是提取时间长，操作也相对 繁琐，一般要连续提取2 4 h 6 8 1 ，有时甚至长达7 2 小时嗍，并且溶剂的使用量很大。 超声波提取法是一种快速、简单的土壤样品前处理技术，一般只需要几个小时就 可以获得较好的回收率【7 0 1 ，它是美国e p a ( s w - 8 4 6 3 5 5 0 ) 推荐的方法之一。超声提 l o 第一章绪论 取是利用超声波产生的强烈振动、高加速度和空化现象等效应加速目标物进入萃 取溶剂，具有萃取时间短，有机溶剂用量少的优点。液固萃取法最为简单的，对 设备的要求也最低，但回收率比其他几种提取方法较低。利用磁力搅拌装置，用 二氯甲烷( c h 2 c 1 2 ) 或n ，n 二甲酰胺( d m f ) 等有机溶剂为萃取剂，在常温下连续搅 拌1 0h ，就可以完成萃取过程1 7 。 随着其他学科相关基础理论的深入研究，样品提取技术有了新的进展，出现 了微波辅助萃取( m a e ) 、超临界流体萃取( s f e ) 、加速溶剂萃取( p l e ) 、基质分散 固相萃取、吹扫捕集技术等新型的提取方法。微波辅助萃取( m a e ) 是通过调节微 波加热方式使样品中的目标有机物质被选择性加热，从而使被萃取物质从体系中 分离出来，进入到介电常数小、微波吸收能力差的萃取剂中【7 2 1 。这种方法已被广 泛地应用于土壤中多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药【7 3 川】等有机污染物的提取上， 具有快速、有效、节省溶剂、污染小、可实行多份试样同时处理等优点，是一种 环境友好型技术，但该仪器成本较高，还没有在实验室广泛地推广。超临界流体 萃取是一种清洁的样品前处理技术，它是利用超临界流体良好的溶解能力和高扩 散性来实现对实际样品中目标化合物的萃取分离，现在已研究发现对土壤【7 5 】中 p a h s 的分析取得了很好的成果。但是，超临界流体萃取也存在缺点，它需要的装 置较为复杂，操作有一定的危险性，并且成本较高，因此它的实际应用受到限制。 加速溶剂萃取( p l e ) 又名压力流体萃取是一种新兴、快速、全自动的固体样品前处 理方法，主要通过施加高压来增强溶剂的溶解性能和加速分析物的分离热力学过 程【5 6 1 。o l i v e l l a 对加速溶剂萃取装置进行改进，研究出了一种新的萃取大体积水样 中p a h s 的方法，从而使操作更简洁、快速，重现性也得到了改善【7 6 】。 发展成本低、效率高、高精度、操作简便实用的土壤样品前处理技术，特别 是在线样品前处理技术已成为该研究领域的一个重要的发展方向。 1 4 石油污染土壤的现状及修复技术简介 1 4 1 石油污染土壤现状 在现代文明中，石油作为能源供应的主要支柱，对社会发展具有巨大的作用。然而， 由于石油在开采、冶炼、使用等过程中会引起一系列的环境问题，石油污染越来越受到 土壤样品u m u 试验前处理方法优化研究及风险评价 人类的关注【5 5 1 。 土壤中的石油污染物主要来自灌溉、溢油事故、油页岩矿渣的堆放和施