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第七届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技作品竞赛获奖作品城市污泥对通菜-水稻土中邻苯二甲酸酯(PAEs)的累积效应研究 *本作品获第七届“挑战杯”广东省大学生课外学术科技作品竞赛三等奖蔡全英 指导老师：吴启堂（资源环境学院，华南农业大学，广东广州，510642）摘 要：城市污泥（简称污泥）是城市污水处理厂产生的亟待解决的城市固体废物对水稻土施用城市污泥和化肥盆栽通菜，应用GC/MS联机检测技术对通菜植株体和土壤中6种邻苯二甲酸酯化合物(PAEs)进行分析，探讨城市污泥对PAEs化合物在通菜植株体的含量累积情况和在土壤中的残留作用的影响。结果表明，各处理通菜中6种PAEs化合物的总含量(PAEs)在2.1297.111mgkg-1之间，依次为广州污泥化肥广州污泥佛山污泥佛山污泥化肥化肥空白对照；土壤中6种PAEs的PAEs在7.667 40.025mgkg-1之间，平均为26.137mgkg-1，其高低次序为：佛山污泥广州污泥佛山污泥+化肥广州污泥+化肥空白化肥，显示了施肥造成通菜和土壤中PAEs不同程度的提高，且土壤中PAEs含量远高于对应处理的通菜中PAEs的含量。通菜对PAEs的生物富集系数(BCF)在0.090.34之间，不同处理的通菜对不同PAEs化合物的生物浓缩系数变化趋势不同。通菜和土壤中的PAEs均以个别化合物为主，不同处理的占优势化合物不同，显示出不同的分布特征。关键词：城市污泥；化肥；通菜；水稻土；邻苯二甲酸酯（PAEs）1 引言城市污泥（简称污泥）是城市污水处理厂产生的亟待解决的城市固体废物，它通常含有丰富的氮、磷、钾和有机质，是良好的有机肥料资源，但也含有重金属、多环芳烃类（PAHs）、邻苯二甲酸酯类（PAEs）等有机污染物，需要妥善处置农用资源化是城市污泥最有前景的处置方法，有利于城市和农业的可持续发展8城市污泥的农用率在国外许多国家高达60%左右,但在我国还很低邻苯二甲酸酯类化合物(phthalic acid esters, PAEs)广泛用于塑料、汽车、服装、润滑剂和农药等行业PAEs在环境中稳定、持久，通常具有生物累积效应和放大效应，可进入食物链而危及人体的健康安全有6种PAEs化合物属于美国国家环保局(U.S. EPA)的“优控污染物”，其中有些还具有“三致”（致癌、致畸、致突变）作用PAEs在环境中无处不在，在城市污泥中也普遍检测到1-8农用污泥中重金属和有机污染物对农业环境和农作物的影响是必须要解决的问题对于前者国内外都已进行了大量研究，但对于后者却较少1,6-8尤其是国内关于农作物和土壤中有机污染物累积效应的研究鲜见报道1,6,7,9，关于农作物的有机污染问题至今尚未引起人们足够的重视，如目前所谓“无公害蔬菜”的标准中仍缺乏PAHs、PAEs等微量毒性有机污染物的控制指标为此本文在温室条件下以水稻土施用城市污泥和化肥盆栽通菜(Ipomoea aquatic)，研究PAEs化合物在通菜植株体的含量累积情况和在土壤中的残留作用，为污泥农用资源化和生产“无公害”蔬菜提供科学依据。2 材料与方法2.1 通菜盆栽实验供试通菜品种为白梗通菜土壤为水稻土，取自华南农业大学农场水稻田城市污泥为广州污泥(简称广污)和佛山污泥(简称佛污)，分别取自广州市大坦沙污水处理厂和佛山市镇安污水净化厂，其基本理化性质见表1。污泥中PAEs化合物的含量特征见另文8所用化肥为尿素(化学纯)、过磷酸钙(化学纯)和氯化钾(分析纯)盆栽试验在华南农业大学环境科学与工程系玻璃网室进行，设6个处理：空白对照、化肥、佛污、佛污+化肥、广污和广污+化肥，各有5个重复，随机排列每盆用土5kg，污泥施用量为10gkg-1土，化肥施用量分别为N：0.20gkg-1土，P：0.15 gkg-1土，K：0.20gkg-1土1999年4月播种育苗盆栽前将土壤与污泥、化肥混合均匀后装盆，用去离子水将土浇到田间持水量，土干后将其倒出粉碎混匀再装盆从育苗床上移苗定植，每盆种植3株。盆栽过程中用去离子水浇淋，严禁使用农药种植39d后收割，用不锈钢剪刀从土表面将植株剪断，用去离子水轻轻清洗表面灰尘同时采集盆栽土壤，取样时将每盆土壤全部倒出混合均匀后，采用四分法，各取300g左右组成组合样，风干后粉碎过筛(1mm)备测。表1 供试城市污泥和土壤的基本化学性质项目有机质(gkg-1)全N (gkg-1)全P (gkg-1) 全K (gkg-1)有效N (mgkg-1)有效P (mgkg-1)速效K (mgkg-1)EC25 (mScm-1) CEC(cmolkg-1)pH(水:土=2.5:1)广州污泥298.4929.6013.3521.43125.381392.644712.001.90-佛山污泥354.1124.9826.8210.28123.711461.556355.172.25-水稻土 25.721.320.3815.6014.9844.79119.380.229.136.152.2 样品预处理与GC/MC分析2.2.1 样品预处理 样品的预处理参考Wang(1994)的预处理方法18通菜植株体样品先经二氯甲烷泡洗（1min），然后粉碎、烘干（4550），用乙醚进行索氏抽提24h；土壤样品（20g左右）用100mL丙酮/二氯甲烷（11，V/V）进行脱硫索氏抽提24h。上述提取液用无水硫酸钠脱水，在旋转蒸发仪上以50 rmin-1转速浓缩，再过无水硫酸钠-硅胶柱净化分离，用二氯甲烷洗脱洗脱液经浓缩后，转移到细胞瓶，稀释吹干，用二氯甲烷定容。2.2.2 标准样品 芘-d10和苯胺-d5标准溶液：分别作内标化合物和加标空白用邻苯二甲酸酯化合物混合标准溶液：浓度为500gml-1，包括邻苯二甲酸二甲酯(DMP)、邻苯二甲酸二乙酯(DEP)、邻苯二甲酸正二丁酯(DnBP)、邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)、邻苯二甲酸正二辛酯(DnOP)和邻苯二甲酸(2-乙基己基)酯(DEHP)共6种化合物配制工作标准液时，分别吸取混合标准液2.0、4.45和9.9l，并加入内标芘-d10标准溶液，用二氯甲烷定容至100l，即得浓度为10.0、22.25和44.45gml-1的工作标准溶液，其中内标浓度均为45.45gml-1以上标准物质均购自美国ULTRA Scientific, Inc., North Kingstown，RI.。2.2.3 GC/MS分析 GC/MS分析方法参考U.S.EPA 8270C方法气相色谱仪为HP 5890 II；质谱检测器为HP 5972A色谱柱：HP-1 25m0.22mm0.11m；载气为高纯氦气；初始压力35kPa，载气流速0.615mlmin-1，最终压力245kPa；采用不分流进样，进样体积为1l升温程序:初始温度45200(6.0min-1)300(8.0min-1)，进样口温度:250，检测器温度：280；溶剂延迟时间：3.00min；运行时间:39.33min质谱仪所用离子源为电子轰击源(EI)；电子倍增器的电压：1800eV，扫描质量范围：50550amu数据采集与处理系统为GC-MSD (5972A HP)化学工作站根据质谱特征离子及相对保留时间进行样品定性，并与仪器所附质谱库(Pripol.L，Nbs75k.L)的标样质谱图进行比较，其吻合度达80%,使用内标法定量。在空白中未检出目标化合物，可见整个实验流程对目标化合物没有人为因素影响加标(芘-d10)回收率在65.42%87.74%之间。3 结果与分析3.1 通菜中PAEs化合物的含量分布3.1.1 通菜中PAEs化合物的总含量各处理通菜植株（简称通菜）中6种PAEs化合物的总含量（PAEs）在2.1297.111mgkg-1之间(表2)，依次是广污+化肥广污佛污佛污+化肥化肥空白表2表明，化肥处理的通菜中PAEs的含量比空白对照略有提高。与空白对照和化肥处理相比，佛污、佛污+化肥、广污和广污+化肥处理的通菜中PAEs的含量明显提高，其中广污、广污+化肥处理的通菜中PAEs的含量分别是空白对照的2.23倍和3.34倍，佛污、佛污+化肥处理的通菜中PAEs的含量分别比空白对照提高了67.64%和55.24%与佛污和佛污+化肥处理相比，广污和广污+化肥处理的通菜中PAEs的含量也较高，其中广污+化肥处理的通菜中PAEs的含量约是佛污和佛污+化肥处理的2倍，广污处理的通菜中PAEs的含量分别比佛污和佛污+化肥处理提高了33.57%和44.26%这与两种污泥中PAEs的含量特征和植物的稀释效应等因素有关各处理通菜的生物量（g，鲜重平均值）分别为85.09c（空白）、132.18ab(化肥)、134.22ab(佛污)、142.29a(佛污+化肥)、109.60b(广污)、123.08ab(广污+化肥)（数据后含相同字母者为差异不显著，p=0.05）佛污和佛污化肥处理的通菜生物量比广污和广污化肥处理的高，而佛山污泥的PAEs却比广州污泥的低9对于污泥和污泥+化肥处理之间，佛污+化肥处理的通菜中PAEs的含量比佛污处理略有降低，而广污+化肥处理的通菜中PAEs的含量则比广污处理提高了49.17%，这可能与污泥的性质如微生物特征、可溶性有机碳含量等因素有关，有待进一步研究。表2 各处理通菜中PAEs化合物的含量 (mgkg-1干重)化合物空白化肥佛污佛污+化肥广污广污+化肥邻苯二甲酸二甲酯(DMP)0.0150.0140.0130.0760.0300.026邻苯二甲酸二乙酯(DEP)0.0120.2050.1010.1960.1230.164邻苯二甲酸正二丁酯(DnBP)0.3710.2760.1831.8510.2950.475邻苯二甲酸丁基苄基酯(BBP)1.7341.0511.8350.2543.3292.206邻苯二甲酸酯双(2-乙基己基) (DEHP)ND 1）0.5630.7200.0010.4942.091邻苯二甲酸正二辛酯(DnOP)ND0.5290.7170.9270.4962.152PAEs 2）2.1292.6383.5693.3054.7677.111注：1) ND:未检出,检测限0.007gkg-1；2)PAEs为6种化合物含量总和3.1.2 通菜中单个PAEs化合物的含量由表2可见，除了空白对照通菜中有两种化合物（DnOP和DEHP）未检出外，各处理通菜中6种PAEs化合物均被检出含量较高的化合物主要是BBP，在各处理通菜中的含量均大于1.0mgkg-1（佛污+化肥处理的通菜除外，仅为0.254mgkg-1），最高达3.329mgkg-1其次是DEHP，在各处理通菜中的含量几乎都大于0.50mgkg-1（但在空白对照中未检出），最高达2.152mgkg-1DnOP在空白对照通菜中未检出，在佛污+化肥处理的通菜中仅为0.001mgkg-1，但在其它处理通菜中的含量几乎都大于0.50mgkg-1，最高达2.091mgkg-1DnBP在佛污+化肥处理的通菜中含量高达1.851mgkg-1，但在其它处理的通菜均低于0.50mgkg-1 DMP和DEP在各处理通菜中的含量均较低，前者低于0.10mgkg-1，后者低于0.20mgkg-1。各种PAEs化合物在不同处理通菜之间的含量差别很大总体而言，与空白对照相比，无论是施用污泥还是施用化肥均引起通菜中PAEs化合物不同程度的提高对于DMP，在化肥和佛污处理的通菜中其含量与空白对照几乎一致，在广污和广污+化肥处理的通菜中其含量约是空白对照的2倍，而在佛污+化肥处理的通菜中其含量是空白对照的5倍对于DEP，在化肥处理的通菜中含量最高（0.205mgkg-1），是空白对照的18倍，在其它处理通菜中的含量也是空白对照的10倍左右对于DnBP，在化肥、佛污和广污处理的通菜中其含量与空白对照大体相当，在广污+化肥处理的通菜中其含量比空白对照略有提高，在佛污+化肥处理的通菜中其含量是空白对照的5倍空白对照的通菜中DnOP和DEHP均未检出，但在施用污泥或/和化肥处理的通菜中均被检出，其中在化肥处理的通菜中含量均高于0.50mgkg-1，在广污+化肥处理的通菜中含量都在2.0mgkg-1以上以上通菜中DEP、BBP和DEHP等化合物的含量也高于施用污泥种植的大麦籽粒中的含量11。与化肥处理相比，佛污处理的通菜中BBP、DnOP和DEHP的含量略有提高，DMP、DEP和DnBP的含量则大体相当或略有降低；广污处理的通菜中BBP和DMP的含量是化肥处理的23倍，而DEP、DnBP、DnOP和DEHP的含量则与化肥处理的大体相当或略有降低可见，施用化肥可能引起农作物的PAEs污染，是值得今后重视的。尤其是污泥与化肥一起施用引起了通菜中某些PAEs化合物的含量大幅度提高，如佛污+化肥处理的通菜中DnBP的含量是佛污处理的10倍，广污+化肥处理的通菜中DnOP和DEHP的含量均是广污处理的4倍多，各化合物的最高含量几乎都出现在广污+化肥和佛污+化肥处理的通菜中。3.1.3 通菜中PAEs化合物的分布特征各处理通菜中的PAEs都仅以个别化合物为主，其余化合物的含量均较低或未检出不同处理通菜中PAEs化合物的含量分布特征各不相同，从而显示出不同的PAEs分布模式（图1）在分布模式图中，除了佛污+化肥处理呈明显的双峰状分布外，其它处理基本呈单峰状分布，都大体上呈正态分布特征空白对照、佛污和广污处理通菜中的PAEs主要是BBP，占了PAEs的51%以上，其它化合物均低于PAEs的20%；佛污+化肥处理通菜中的PAEs主要是DnBP，占PAEs的56%，其次是DEHP，占PAEs的28%；化肥和广污+化肥处理通菜中的PAEs主要是BBP、DnOP和DEHP，分别占PAEs的40%、21%和20%和 31%、29%和30%DMP和DEP在各处理通菜中都不是主要的化合物。 图1 各处理通菜中PAEs化合物的分布模式化合物：DMP: 邻苯二甲酸二甲酯; DEP: 邻苯二甲酸二乙酯；DnBP: 邻苯二甲酸正二丁酯; BBP: 邻苯二甲酸丁基苄基酯; DnOP: 邻苯二甲酸正二辛酯; DEHP: 邻苯二甲酸(2-乙基己基)酯。3.2 土壤中PAEs化合物的含量分布3.2.1 土壤中邻苯二甲酸化合物的总含量各处理土壤中6种PAEs化合物的总含量（PAEs）在7.66740.025mgkg-1之间，其高低依次为佛污广污佛污+化肥广污+化肥空白化肥（见表3）.与空白对照相比，佛污、广污、佛污+化肥和广污+化肥处理的PAEs分别提高了1.36倍、1.25倍、86.54%和33.21%；与化肥对照相比，上述处理的PAEs则分别提高了4.22倍、3.97倍、3.12倍和1.94倍.佛污处理的PAEs比佛污化肥处理的高26.77%；广污处理的PAEs比广污化肥处理的高68.90%.3.2.2 土壤中单个PAEs化合物的含量各处理土壤均检测到6种PAE化合物，各化合物在不同处理土壤中的含量相差较大（见表3）。总体上看，以DEHP的含量最高，其次是DnBP.其中DEHP的含量高低次序与PAEs的次序略有不同，为佛污佛污+化肥广污广污+化肥空白化肥.与空白对照相比，施用污泥后土壤中DEHP的含量提高了2.736.27倍；但化肥对照的DEHP含量较低，仅为0.469mgkg-1.DnBP的含量高低次序与PAEs及DEHP的明显不同，为广污空白化肥广污+化肥佛污佛污+化肥.其余化合物的含量在1.0 mg/kg以下（佛污+化肥处理的BBP和DnOP除外），它们在污泥（化肥）处理的含量与空白对照的相接近或略有增加或降低.DMP的最高含量出现在空白对照；DEP和DnBP的最高含量出现在广污处理；BBP和DnOP的最高含量出现在佛污化肥处理；DEHP的最高含量出现在佛污处理.没有一种化合物的最高含量出现在广污+化肥处理的土壤中.与国外土壤中PAE化合物含量相比，本研究各处理土壤中PAE化合物的含量在国外检测到土壤中的PAE化合物含量范围内，远低于Muller报道的污染土壤中PAE化合物的含量7；也低于美国土壤治理标准控制值12。表3 不同处理的土壤中PAEs的含量(mgkg-1,干重)处理空白化肥佛污佛污+化肥广污广污+化肥DMP0.287(1.70)0.149(1.94)0.023(0.06)0.159(0.50)0.097(0.25)0.186(0.82)DEP0.045(0.27)0.173(2.26)0.004(0.01)0.035(0.11)0.633(1.66)0.084(0.37)DnBP10.687(63.14)6.587(85.91)1.077(2.69)0.932(2.95)15.051(39.52)2.103(9.33)BBP0.450(2.66)0.194(2.53)0.514(1.28)2.018(6.39)0.074(0.19)0.394(1.75)DnOP0.221(1.31)0.095(1.24)0.333(0.83)1.580(5.00)0.127(0.33)0.248(1.10)DEHP5.236(30.93)0.469(6.12)38.074(95.13)26.849(85.04)22.099(58.03)19.532(86.63)PAEs16.9267.66740.02531.57338.08122.547注：PAEs为6种PAEs化合物含量之和；括号内数值为该化合物占PAEs的百分数.3.2.3 PAEs化合物在土壤中的分布类型土壤中PAEs化合物的分布类型可以归纳为3类：（1）以DnBP为主，属于该类型的有化肥对照，DnBP占PAEs的85.91%。（2）以DnBP和DEHP为主，属于该类型的有空白对照和广污处理.其中空白对照的DnBP和DEHP分别占PAEs的63.14%和30.93%；广污处理的DnBP和DEHP分别占PAEs的39.52%和58.03%，其余化合物的百分含量较低。（3）以DEHP为主，属于该类型的有佛污、佛污+化肥和广污+化肥处理，其中DEHP占PAEs的85.04%95.13%，其余化合物的百分含量低于10%.以上说明盆栽通菜土壤以长侧链的PAEs化合物为主，短侧链化合物的含量都较低。3.3 通菜植株体对PAEs化合物的生物富集系数(BCF)通菜植株体对PAEs的富集作用采用生物浓缩系数（BCF）表示，它等于生物体中污染物的浓度与其在环境中的浓度之比。本研究中采用通菜植株体内化合物的浓度与盆栽通菜后土壤中该类化合物浓度的比值来表示生物浓缩系数(BCF)，其计算结果见表4。表4 通菜植株体对PAEs化合物的生物富集系数(BCF)（干重计）处理空白化肥佛污佛污+化肥广污广污+化肥DMP0.050.090.570.480.310.14DEP0.221.1825.255.600.191.95DnBP0.030.040.171.990.020.23BBP3.855.423.570.1344.995.60DnOP05.932.1603.898.43DEHP01.130.020.030.020.11PAEs0.130.340.090.100.130.32通菜对PAEs的BCF在0.090.34之间，其中空白对照、佛污处理、佛污化肥处理及广污处理的BCF为0.1左右，而化肥处理和广污化肥处理的BCF分别为0.34和0.32(见表4)，说明土壤中PAEs含量远高于对应处理的通菜中PAEs的含量（见图2）.通菜对单个PAEs化合物的BCF差异较大，在045之间，其中通菜对BBP的BCF普遍较高，对DMP和DEHP较低.总体上看，通菜对PAEs化合物的BCF比胡萝卜、莴苣、辣椒对氯苯类（CBs）的BCF5高。图2 通菜之植株体土壤系统中PAEs分布4 讨论土壤溶液中PAEs化合物可以穿过根皮层而进入木质部，通过根毛细胞的作用累积于植物茎，或通过运输作用达到叶部并累积5,13,14植物对PAEs的吸收与PAEs的理化性质、植物种类、土壤性质、耕作措施(如施肥条件)、环境条件等因素有关DEP的水-土分配系数(Kp)约为1,很易移动；DEHP的Kp为1400,易被强烈吸附而不易移动；而DnBP的Kp为20,具有一定的移动性15但土壤中的DMP和DEP可快速被生物降解（半衰期为0.75d），DEHP不易被降解16通菜中以DnBP或BBP为主可能与此有关另一方面，植物吸收的PAEs化合物(如DEHP)可通过代谢作用降解为其它化合物5,13至于PAEs化合物在土壤-植株体系统的迁移、代谢、转化等机制有待进一步研究。通菜中PAEs的含量与施用污泥的PAEs含量及其特性有关施用污泥会增加作物中PAEs的含量11广州污泥和佛山污泥的PAEs含量较高，而且前者高于后者8，因而施用这两种污泥种植的通菜中PAEs含量比空白对照和化肥处理的高，广污处理的通菜中PAEs的含量也比佛污处理的高作物从土壤中吸收PAEs的程度与土壤特性如可溶性有机碳含量等因素及化合物在作物中的转移特性有关17土壤施用污泥会影响其中PAEs化合物的生物有效性18，从而影响PAEs化合物在土壤中的持留动态、作物的吸收量及生物富集系数等.PAEs化合物在污泥改良土上的迁移转化机制有待进一步研究。5 结论水稻土施用城市污泥盆栽通菜后，各处理通菜中6种PAEs化合物的总含量(PAEs)在2.129 7.111mgkg-1之间，依次为广州污泥化肥广州污泥佛山污泥佛山污泥化肥化肥空白对照；土壤中6种PAEs的PAEs在7.667 40.025mgkg-1之间，平均为26.137mgkg-1，其高低次序为：佛山污泥广州污泥佛山污泥+化肥广州污泥+化肥空白化肥，显示了施肥造成通菜和土壤中PAEs不同程度的提高，且土壤中PAEs含量远高于对应处理的通菜中PAEs的含量.通菜对PAEs的生物富集系数(BCF)在0.090.34之间.通菜和土壤中的PAEs均以个别化合物为主，不同处理的占优势化合物不同，显示出不同的分布特征。参考文献1.莫测辉,吴启堂,蔡全英,等.论城市污泥农用资源化与可持续发展. 应用生态学报, 2000,11(1):157-1602 .Jacobs L W, 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