2017, Vol. 37
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2. 青岛农业大学资源与环境学院, 青岛 266109;
3. 青岛农业大学管理学院, 青岛 266019
2. College of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109;
3. College of Management, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109
多环芳烃(PAHs)是由两个或两个以上苯环形成的碳氢化合物，稳定性高难降解，具有强烈的致癌、致畸、致突变性(Lynch et al., 2013).PAHs主要是来源于煤、石油、木材等的不完全燃烧，广泛存在于大气中(Zhang et al., 2009).由于PAHs具有良好的亲脂性，易被富含有机质的土壤吸附从而在土壤中不断积累，导致土壤成为PAHs的重要储库(Wild et al., 1995).PAHs在环境中的广泛存在使其成为农产品中重要的有机污染物，并通过食物链进入人体，对人类健康和生态环境造成潜在的危害(殷婧等，2013)，因而一直受到广泛关注.
由于蔬菜一般具有较大的叶面积，可从大气中吸收PAHs(Kipopoulou et al., 1999)，且根茎类蔬菜的可食部位受其根际土壤中PAHs的影响较大(Fismes et al., 2002)，因此，国内外关于农产品中PAHs的研究主要是针对蔬菜开展的，涉及蔬菜中PAHs的污染水平、富集和迁移行为等(张天彬等, 2008; Ashraf et al., 2012).研究发现，国内外各地种植的蔬菜均检测出PAHs，但其含量存在差异，不同品种的蔬菜中PAHs含量和组成也有所不同(万开等，2009).蔬菜中PAHs的含量和组成受其种植土壤的影响，与土壤含量间存在正相关关系(Khan et al., 2008)；但也有研究表明，蔬菜中PAHs含量受土壤的影响较小，大气沉降是蔬菜富集PAHs的主要途径(Kipopoulou et al., 1999).因此，目前关于蔬菜吸收富集PAHs途径的研究结果也存在差异.
青岛市是山东省重要的蔬菜生产和出口基地，本研究以青岛市城郊种植的蔬菜为对象，分析土壤和蔬菜中PAHs含量、组成及其关系，探究青岛市城郊蔬菜中毒性当量含量，评价不同人群对蔬菜中PAHs的摄食暴露量及致癌风险，以期为青岛市的蔬菜质量安全管理提供科学依据.
2 材料和方法(Materials and methods) 2.1 样品采集与前处理2016年5月在青岛即墨市、平度市、胶州市不同乡镇的蔬菜基地采集表层土壤(0~20 cm)和蔬菜的可食部位，不同蔬菜基地每个品种蔬菜均分别采样.所采土壤均为蔬菜种植土壤，采用梅花形布点法，采集5个以上的样点混合，作为一个混合样品.共采集土壤样本59个，蔬菜样本59个，其中，根茎类、瓜果类和叶菜类蔬菜样品分别为13、7和39个.根茎类蔬菜包括土豆、大蒜；瓜果类蔬菜包括黄瓜、番茄；叶菜类蔬菜包括菠菜、白菜、生菜、卷心菜、茼蒿、芹菜、油菜、大葱.采集的样品当天运送回实验室，土壤样品充分混合后冻干，研磨过20目筛.蔬菜样品先用自来水洗净表面的尘土，然后用蒸馏水洗涤3次，用滤纸吸干表面水分，记录湿重，切碎冻干，冻干后记录干重，研磨过20目筛.样品均保存于-20 ℃的冰箱.
2.2 多环芳烃的提取、分析和质量控制土壤和蔬菜中PAHs的提取和净化见文献(Chai et al., 2017).PAHs的测定采用高效液相色谱紫外/荧光检测器串联(HPLC/UV-FLD)的方法，检测美国环保署优先控制的16种PAHs(2~6环PAHs)，其中，2环PAHs包括萘(Nap)，3环PAHs包括苊烯(Acy)、苊(Ace)、芴(Fl)、菲(Phe)、蒽(Ant)，4环PAHs包括荧蒽(Flu)、芘(Pyr)、苯并(a)蒽(BaA)、(Chr)，5环PAHs包括苯并(b)荧蒽(BbF)、苯并(k)荧蒽(BkF)、苯并(a)芘(BaP)、二苯并(a, h)蒽(DBA)，6环PAHs包括茚并(1, 2, 3-cd)芘(InP)、苯并(g, h, i)苝(BP).这16种PAHs中，7种属于致癌性PAHs(BaA、Chr、BbF、BkF、BaP、DBA和InP).检测时，Acy的检测采用紫外检测器，其余15种PAHs采用荧光检测器.紫外和荧光检测器均采用波长切换，荧光检测器的激发波长分别为265、260、290、250 nm，发射波长分别为420、430和500 nm；紫外检测器采用双波长模式，检测波长1为254 nm，检测波长2分别为220、280和210 nm.PAHs标准品购于美国AccuStandard，溶剂纯度为色谱纯.
采用方法空白、基质加标和双平行样品控制PAHs分析质量.空白中未检出目标化合物，Nap的回收率为60.9%，其余15种PAHs的回收率为75.7%~104.2%，相对标准偏差范围为0.6%~15.8%.采用外标法对PAHs进行定量，每15个样品做1次标准曲线，16种PAHs的方法检出限为0.07~2 μg·kg-1.
2.3 健康风险评估PAHs的毒性当量含量([BaP]eq)采用苯并(a)芘毒性当量因子(TEFs)计算(Suman et al., 2016)，具体见式(1).
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(1) |
式中，Ci为某PAH含量(μg·kg-1)；TEFi为PAH毒性当量因子.
人群由于摄食蔬菜对PAHs的日平均暴露量(Ed)的计算公式见式(2)(Waqas et al., 2014).
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(2) |
式中，[BaP]eq为PAHs的毒性当量含量(μg·kg-1)；IR为蔬菜摄取量，由于不同年龄和不同性别的人群蔬菜摄取量不同，因此，本研究将人群按照年龄分为4个亚群，包括儿童(4~10岁)、未成年人(11~17岁)、成年人(18~60岁)、老年人(高于61岁)；按照性别分为男性和女性.男性儿童、未成年人、成年人、老年人的蔬菜摄取量分别取95、160、240、230 g·d-1，女性儿童、未成年人、成年人、老年人分别取90、140、220、200 g·d-1 (翟凤英等, 2006).根据对青岛市居民蔬菜消费结构的调查，各类蔬菜膳食结构为：土豆12%、大蒜0.5%、黄瓜10%、番茄8%、菠菜6%、白菜14%、生菜6%、卷心菜6%、茼蒿6%、芹菜5%、油菜4%、大葱0.5%，根据该结构，可计算各类蔬菜的摄取量.CF为蔬菜湿重和干重之间的转换系数，经测定不同蔬菜的干湿比如下：土豆0.235、大蒜0.374、黄瓜0.032、番茄0.061、菠菜0.074、白菜0.093、生菜0.039、卷心菜0.058、茼蒿0.047、芹菜0.045、油菜0.026、大葱0.053.
蔬菜中PAHs的健康风险评估采用终生致癌风险(ILCR)方法(Jiang et al., 2016)，具体如式(3)所示.
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(3) |
式中，Ed为人群由于摄食蔬菜对PAHs的日平均暴露量(ng·d-1)；EF为暴露频率(365 d·a-1)；ED为暴露时间(a)，儿童、未成年人、成年人、老年人分别为7、7、43和10(殷婧等, 2016).SF为BaP摄食暴露的致癌斜率因子，平均值为7.3 mg·kg-1·d-1(Maliszewska-Kordybach et al., 2009)；CF为转化因子(10-6 mg·ng-1)；BW为体重(kg)；AT为平均寿命，男性为71 a，女性为74 a.
2.4 数据处理利用SPSS19.0软件，采用单因素方差分析方法对均值之间的差异性进行检验，采用Pearson相关性分析方法分析蔬菜中PAHs含量与土壤中含量的相关性.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 土壤中PAHs含量与组成青岛市城郊蔬菜基地土壤中PAHs的含量和检出率见表 1.由表可知，土壤中PAHs检出率均超过90%的有13种，其中包括Acy、Ace、Phe、Flu、Pyr、BaA和BP在内的7种PAHs检出率高达100%.16种PAHs的总含量(∑16PAH)为277.0~1548.1 μg·kg-1，平均含量为597.4 μg·kg-1.7种致癌PAHs的总含量(∑7cPAH)为23.8~548.5 μg·kg-1，在∑16PAH中所占的平均比例为29.6%.土壤中不同环数PAHs的含量具有显著性差异(p＜0.05)，其中3环PAHs含量最高，在总含量中所占的比例为47.4%；其次是5环和4环PAHs，比例分别为23.2%和21.3%；2环和6环PAHs的含量最低，比例分别为6.8%和1.3%.根据Maliszewska-Kordybach等(2009)提出的土壤中PAHs污染评价标准，所有土壤样品均受到PAHs污染，其中50.8%和47.5%的土壤样品分别达到轻度污染(200~600 μg·kg-1)和中度污染(600~1000 μg·kg-1)，1.7%的土壤样品为重度污染(>1000 μg·kg-1)，青岛市城郊蔬菜基地土壤主要呈现PAHs轻、中度污染.
| 表 1 青岛市城郊蔬菜基地土壤中PAHs含量和检出率 Table 1 Concentration and detectable ratio of individual and total PAHs in the soils of vegetable greenhouses in Qingdao suburb |
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与我国其他地区农田土壤相比，青岛市城郊蔬菜基地土壤中PAHs含量高于北京(464 μg·kg-1) (Ma et al., 2009)、湖北省长江流域(463 μg·kg-1)(张旭等, 2016)、大连(223 μg·kg-1)(Wang et al., 2007)、河南(129.5 μg·kg-1)(杨国义等，2007)、南昌(197.9 μg·kg-1)(樊孝俊等, 2009)、寿光(289 μg·kg-1)(冯岸红等, 2013)，但低于南京(1060 μg·kg-1)(Wang et al., 2015)、广东和深圳(1480 μg·kg-1)(Cai et al., 2007)及长春(＞1000 μg·kg-1)(杜连生等, 2015)，青岛市城郊蔬菜基地土壤中PAHs含量处于中等水平.
3.2 蔬菜中PAHs含量和组成蔬菜可食部位中PAHs的含量和检出率见表 2，包括Acy、Ace、Pyr和BP在内的4种PAHs在各类蔬菜中的检出率均达到100%.各类蔬菜中∑16PAH平均含量为222.6 μg·kg-1，范围为77.8~420.7 μg·kg-1，其中，叶菜类、瓜果类和根茎类蔬菜中∑16PAH的平均含量分别为222.1、241.3、205.8 μg·kg-1；蔬菜中∑7cPAH的平均含量为54.9 μg·kg-1，不同类别蔬菜中的∑16PAH和∑7cPAH均没有显著性差异(p＞0.05).
| 表 2 青岛市城郊蔬菜可食部位中PAHs含量和检出率 Table 2 Concentrations and detectable ratio of 16 PAHs in edible parts of vegetable collected from Qingdao suburb |
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与其他地区种植的蔬菜比较，青岛市蔬菜中∑16PAH含量低于东莞(656.3 μg·kg-1)(万开等，2009)、广州(641.06 μg·kg-1)(游远航，2015)等珠江三角洲的典型城市，低于天津某燃煤电厂旁的蔬菜(690 μg·kg-1)(Tao et al., 2004)，与天津市西城区的蔬菜接近(280 μg·kg-1)(Tao et al., 2004)，但高于安徽(Tao et al., 2004)和欧洲的希腊(中值为42~160 μg·kg-1)(Kipopoulou et al., 1996).对巴基斯坦的研究也发现，高度城市化地区的蔬菜中PAHs含量为500~900 μg·kg-1，而城市化程度略低的地区为210~490 μg·kg-1 (Waqas et al., 2014).本研究采集的是农田土壤，虽然部分采样点周边存在工业和交通等污染源，但污染源周边采样点的比例相对较低，所以蔬菜中PAHs的含量与其他地区城市化、工业化程度相对较低的地区接近.
组成上，青岛市城郊3类蔬菜中均是3环PAHs所占的比例最高，达到51.4%~56.2%；6环PAHs的比例相对较少，仅占1.2%~1.6%，总体上低环(2~3环)PAHs的比例高于高环(4~6环)PAHs.16种PAHs中，Acy、Ace的比例高，约占20%，其次是BbF、Pyr和Phe的比例较高，约占10%，而InP和BaA的比例较低，均低于1%.蔬菜中3环PAHs较高的含量和比例，既与土壤中的高含量和比例有关，也与低环PAHs具有更高的溶解性和从土壤到植物更快的转移速率有关，因此，较多的报道发现蔬菜或植物中含有较高比例的低环PAHs(Kipopoulou et al., 1999; Suman et al., 2016; 游远航, 2015).
虽然3类蔬菜中∑7cPAH含量无显著差异，但在总含量中所占比例差异较大.在根茎类蔬菜中∑7cPAH在总含量中所占的比例最高，达到29.5%；其次是叶菜类，为24.3%；瓜果类最低，为20.8%.因此，根茎类蔬菜中致癌PAHs所占比例高于叶菜类和瓜果类，这可能是由于根茎类蔬菜可食部位均位于地下，相比其他种类的蔬菜易从土壤中吸收高环的致癌PAHs.
对蔬菜中PAHs含量与土壤中含量的相关性分析表明，叶菜类中的PAHs含量与土壤中PAHs含量具有显著的正相关关系(r=0.434，p＜0.05).Fismes等(2002)发现，蔬菜中PAHs含量随着土壤中PAHs含量的增加而增加，其中，根从土壤吸收是高环PAHs的主要吸收途径，但低环PAHs可能是叶片从大气吸收和根从土壤吸收共同作用的结果.本研究也发现，蔬菜中2环PAHs与土壤中2环PAHs含量没有显著的相关性(p＞0.05)，但3~6环PAHs均与土壤中的含量呈显著正相关关系(r=0.406~0.917，p＜0.05)，这可能是由于土壤中2环PAHs的含量较低，同时叶片又可以从大气中吸收，所以导致其与土壤中含量没有出现相关性.
3.3 蔬菜中PAHs毒性当量含量和致癌风险评价Bap是PAHs中致癌性最强的物质之一，在致癌风险评价中通常以Bap为标准参考物计算其他PAHs毒性当量含量([BaP]eq).青岛市蔬菜中16种PAHs总毒性当量平均含量为20.6 μg·kg-1，范围为2.5~81.0 μg·kg-1，其中，叶菜类、瓜果类、根茎类的总毒性当量平均含量分别为20.87、19.41、20.47 μg·kg-1 (表 3)，不同类型蔬菜的总毒性当量含量没有显著差异(p＞0.05).3类蔬菜中不同环数PAHs中，5环PAHs的毒性当量含量最高.值得注意的是，3类蔬菜中7种致癌PAHs的平均毒性当量含量分别为20.66、19.18和20.27 μg·kg-1，占16种PAHs总毒性当量含量的比例接近或超过98%，表明蔬菜中的毒性主要来自于7种致癌PAHs.
| 表 3 青岛市城郊蔬菜可食部位中PAHs毒性当量含量 Table 3 PAHs toxic concentrations of PAHs in edible parts of vegetable collected from Qingdao suburb |
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根据各年龄人群对不同品种蔬菜的摄食量，计算人群的日平均PAHs暴露量(Ed，表 4)，从性别上看，男性的日平均暴露量高于女性，是女性的1.1倍；从年龄上看，成年人和老年人的日平均暴露量高于未成年和儿童，因此，成年男性和成年女性的日平均暴露量最高；从蔬菜品种上看，土豆和白菜的日平均暴露量高于其他蔬菜，其中，成年男性和女性摄食土豆产生的日平均暴露量分别高达139.7和128.1 ng·d-1.总体上，通过摄食蔬菜产生的日平均PAHs暴露量为成年人＞老年人＞未成年人＞儿童.
| 表 4 人群摄食蔬菜产生的PAHs日平均暴露量 Table 4 Daily intake of PAHs by people consumption of vegetables with different varieties |
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对人群摄入各品种蔬菜产生的PAHs终生致癌风险(ILCR)的研究发现，各年龄人群摄食土豆和白菜的致癌风险均高于10-6，其中，成年男性和女性摄食土豆的致癌风险最高，分别为9.4×10-6和9.5×10-6(表 5)，这可能是由于人群对这两类蔬菜的摄取量较高.此外，成年人摄食番茄、菠菜和生菜的致癌风险也超过10-6，而其余蔬菜的终生致癌风险均低于10-6.就不同年龄的人群分析，终生致癌风险为成年人>老年人>未成年人≈儿童，与日平均暴露量略有差异，这可能是由于儿童体重轻，对致癌性物质相对敏感，通过蔬菜摄食的暴露导致儿童的致癌风险与未成年人接近.通常认为，致癌风险低于10-6是没有风险，10-6~10-4为存在潜在的致癌风险(Liao et al., 2006)，因此，青岛市城郊土豆和白菜中PAHs对各年龄人群存在潜在的致癌风险，番茄、菠菜和生菜对成年人存在潜在的致癌风险.对山西临汾市售蔬菜的研究也发现，不同年龄的人群在目前蔬菜摄食量下均存在潜在的PAHs致癌风险(殷婧等, 2016).对上海、天津、北京、兰州等多地居民暴露于PAHs的健康风险评价发现，膳食暴露在日均暴露量中的贡献均接近或超过90%，是最主要的暴露途径，大大超过呼吸暴露和皮肤暴露；在膳食暴露中，谷类暴露和蔬菜暴露对日均暴露量中的贡献较大(董继元等, 2014).因此，对蔬菜中PAHs污染和健康风险需引起重视.
| 表 5 人群摄食不同品种蔬菜产生的PAHs终生致癌风险(×10-6) Table 5 Incremental lifetime cancer risk of PAHs by people consumption of vegetables with different varieties |
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青岛市城郊蔬菜基地土壤主要呈现PAHs轻、中度污染，与我国其他地区比较呈中等水平.蔬菜中可食部位中PAHs检出率较高，4种PAHs的检出率均达到100%.蔬菜中∑16PAH平均含量为222.6μg·kg-1，其中3环PAHs所占的比例最高，6环PAHs的比例最低，根茎类蔬菜中致癌PAHs所占比例高于叶菜类和瓜果类蔬菜.叶菜类蔬菜中PAHs含量与土壤中的含量具有显著的正相关关系.蔬菜中PAHs的毒性主要来自于7种致癌PAHs，通过摄食蔬菜产生的日平均PAHs暴露量为成年人＞老年人＞未成年人＞儿童，青岛市城郊部分品种蔬菜中的PAHs对人群存在潜在的致癌风险.
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