2016, Vol. 36
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2. 华东理工大学, 国家环境保护部化工过程环境风险评价与控制重点实验室, 上海 200237
2. State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Risk Assessment and Control on Chemical Process, East University of Science and Technology, Shanghai 200237
溴代阻燃剂(Brominated Flame Retardants,BFRs)通常以物理掺杂、化学反应等方式添加到塑料、纺织和纤维制品中.多溴联苯醚(PBDEs)是一种添加型的溴代阻燃剂,最常用的3种商业品分别是五溴联苯醚(penta-BDEs)、八溴联苯醚(octa-BDEs)和十溴联苯醚(deca-BDEs)商业品(La Guardia et al., 2006; Yang et al., 2011).这些含溴代阻燃剂的产品在生产、使用和处置过程中会导致BFRs释放进入环境.由于其生物蓄积性及生物毒性,2004年,五溴和八溴联苯醚商业品已经在欧盟和美国一些州被禁用(Betts,2008; BSEF,2010),欧盟规定在电子产品中禁止使用deca-BDEs商业品.随着PBDEs在全球范围内的禁止使用,新型的溴代阻燃剂十溴二苯乙烷(DBDPE)作为deca-BDE商业品的替代物,其在生物体甚至人体内均有检出(Wang et al., 2010; Zheng et al., 2011).2006年,溴代阻燃剂国内生产量达到81000 t,十溴联苯醚商业品和DBDPE分别为20000 t和12000 t(Xiao,2006).随着电子技术的发展,电器产品更新换代的速度不断加快,且以每年约4%的年增长速度不断增加.而电子行业用溴代阻燃剂约占BFRs总量的40%,电子废物回收处置过程复杂,不规范的拆解及回收使产品中的BFRs释放进环境,对环境和人类健康构成一定威胁.目前,电子废物拆解业主要集中在沿海区域,其中,广东贵屿和浙江台州已成为重要的电子废物拆解基地(江桂斌等,2011).
家禽与人类生活的关系极其密切,能起到区域环境污染的哨位作用(Yang et al., 2011;Huang et al., 2013).温岭草鸡肉和鸡蛋是当地市场上销售量最大的肉类和蛋类,也是当地居民饮食结构中的重要组成部分.食用家禽和牛肉较多的人的血清中PBDEs的平均含量高于那些较少食用肉类的人群(Fraser et al., 2009).在浙江省温岭市,普遍存在电子拆解区、养殖区与居民区三者混合在一起,没有明显的分界限,散养草鸡在典型电子废物拆解点自由活动,啄食一些拆解下来的电子元器件、塑料颗粒和土壤颗粒物等.国内外环境工作者已对电子废物拆解造成的区域BFRs及其导致的健康风险问题高度关注,但有关电子拆解区草鸡中BFRs的研究不足.因此,本文对浙江省某电子拆解区草鸡中BFRs的污染水平和可能来源进行分析,并对当地居民通过食用草鸡摄入BFRs进行初步的健康风险评价.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 材料PBDEs标准试样,质量浓度1000 mg · L-1,包含组分有三溴联苯醚(tri-BDEs)、四溴联苯醚(tetra-BDEs)、五溴联苯醚(penta-BDEs)、六溴联苯醚(hexa-BDEs)、七溴联苯醚(hepta-BDEs)、八溴联苯醚(octa-BDEs)、九溴联苯醚(nona-BDEs)和十溴联苯醚(deca-BDEs)；DBDPE,纯度99.9%,替代标准试样13C-PCB141、13C-BDE209、13C-DBDPE和内标物13C-PCB208和13C-BDE118,质量浓度为200 mg · L-1；实验过程所需试剂(二氯甲烷、正己烷、丙酮和异辛烷)均经过二次重蒸,无水硫酸钠、浓硫酸(98%)、氢氧化钠(分析纯)；氧化铝和硅胶(100目).
2.2 采样采集采样区域位于浙江省台州市东南部,属于多山或半多山地区.该镇是一个邻近地区货物集散地,区域面积78.8 km2,在许多村庄,电子废物拆解作坊随处可见,居民长期在拆解场地上工作和生活,有饮用地下水、食用自产农作物和农产品等习惯.温岭草鸡是当地主要的肉鸡种类,占温岭市存栏家禽数量的45%以上(叶国清等,2005),常常被当地农户散养在电子拆解作坊周围,且温岭草鸡肉和草鸡蛋是当地销售量最大的肉类和蛋类.
选择从事电子废物拆解的3个村庄(LXZ、MK和ML),于2014年10月从农户家购买4~5月龄的温岭草鸡和农户用来饲养的谷物.同时,收集鸡活动场地的土壤样品,为保证土壤样品的代表性,选择3个土壤样品混合成一个土壤混合样.共计2只公鸡和8只母鸡,8个土壤和8个谷物样品(表 1).同时,选择无明显BFRs污染源的对照区CYDT,当地农业活动较少,仅从当地农户家购买2只母鸡、采集一个土壤和一个谷物样品.
| 表 1 样品和采样点描述 Table 1 Description of samples and sampling sites |
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活鸡收集血液后,在解剖盘内用不锈钢剪刀剪开胸腔,去骨去皮依次分离出可食组织(包括胸肉、腿肉、肝脏、心脏、肾脏、脑、鸡蛋和脂肪等组织),用生理盐水冲洗干净,沥干后再分割成小块,放入组织均浆机均浆.样品经冷冻干燥后,研磨成均匀粉末,用锡箔纸包裹备用.土壤样品去除枯叶、砂砾等杂质,冷冻干燥后过100目筛,稻米粉碎,用锡箔纸包裹备用.参考已报道的生物样品提取方法(Huang et al., 2013).具体为:准确称取组织样品0.5~5.0 g(土壤5 g,稻米3 g),添加替代物(10 ng 13C-PCB141和20 ng 13C-BDE209)平衡3 h,量取30 mL正己烷/丙酮(1 ∶ 1,V/V),105 ℃微波提取20 min,冷却至室温,3500 r · min-1离心5 min,收集萃取液；上清液转移至250 mL圆底烧瓶中,用旋转蒸发仪浓缩至干；10 mL正己烷重溶,取1 mL氮吹干,定量瓶恒重测脂肪重,剩余9 mL提取液用约8 mL浓硫酸除脂肪,弃去酸层,转移有机层并用调至中性,之后将有机层萃取液浓缩至约1 mL,转移至先后用10 mL二氯甲烷和10 mL正己烷活化好的酸性硅胶-氧化铝复合小柱,30 mL正己烷/二氯甲烷(1 ∶ 1 V/V)以5 mL · min-1的流速洗脱目标物并收集,之后用氮吹仪氮吹至干,加入内标物BDE118,用异辛烷定容至100 μL,封装待测.
2.4 仪器分析利用气相色谱与质谱联用(GC-MS)测定BFRs(Wang et al., 2011; Huang et al., 2013).低溴代BDEs(BDE28、47、100、99、154、153、183),采用岛津QP2010PLUS气质联用和DB-5MS(30 m×0.25 mm i.d.,0.25 μm,Agilent 公司)毛细管柱进行分析,升温程序为：100 ℃保持1 min,以30 ℃ · min-1升到240 ℃,保持1 min,再以8 ℃ · min-1升到280 ℃,保持3 min.高溴代BDEs(BDE203、208、207、206、209)和DBDPE,利用安捷伦7890GC/5973N气质联用和DB-5HT毛细管柱(12.5 m×0.25 mm i.d.,0.10 μm,Agilent 公司)进行分析,升温程序为：110 ℃保持1 min,以30 ℃ · min-1升温至300 ℃,保持3 min.溶剂延迟为3 min,1 μL分流进样,四级杆和离子源温度分别为150 ℃和230 ℃；接口温度280 ℃；离子源压力为2.04×10-4 Torr.
2.5 质量控制与质量保证为了保证定量的重现性和仪器的灵敏度,质控过程包括配制标准溶液的溶剂、程序空白、加标空白、重复样品和基质加标,溶剂和程序空白中均未检测到待测物,PBDEs和DBDPE的平均加标回收率分别为68%~107%和65%~80%,替代物13C-PCB141和13C-BDE209的回收率分别为75%~116%和68%~102%.重复样品的相对标准偏差(RSD)为5%~15%.以3 g鸡肉样品为准,PBDEs和DBDPE的方法检出限(MDL)为26~814 pg · g-1(以脂重计).每组设计12个样品,添加一个质控样和空白样,以检查仪器的稳定性,报道数据未进行回收率矫正.
2.6 统计分析数据分析采用SPSS18.0统计软件,所有数据均进行标准对数转换进行单因素方差分析(ANOVA),利用最小显著性差异(LSD)多重比较方法,比较草鸡不同组织中BFRs的含量差异.同时,比较胃内食靡、肠内物和粪便中污染物含量的差异.设定p=0.05为显著水平.
3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 草鸡中BFRs的可能来源在电子拆解区所有土壤样品中,12个PBDEs和DBDPE均被检出,PBDEs和DBDPE的含量分别为1513.0~12594.0和1130.0~3325.0 ng · g-1(以干重计),电子拆解区土壤中PBDEs的含量高出对照区(37.7 ng · g-1)2~3个数量级.4类PBDEs(BDE47、153、207、209)和DBDPE在75%以上的谷物样品中检出,谷物中∑12PBDE(表示所有待测PBDE同系物的总和)和DBDPE含量分别为1.9~47.3和0.2~4.9 ng · g-1(以干重计)(表 2),食糜中PBDEs和DBDPE的含量分别为4.0~1296.0和nd~1042.0 ng · g-1(以干重计).一般认为,饮食摄入是家禽暴露PBDEs的主要途径(Luo et al., 2009; Zheng et al., 2015).假设草鸡主要摄入含有污染物的土壤和谷物,通过土壤、谷物和食糜中污染物的含量粗略估算饲料和土壤对食糜中BFRs的贡献,结果发现,土壤中PBDEs对胃内食靡中PBDEs含量的平均贡献率为97.6%,对DBDPE而言,土壤的平均贡献率(86%)稍低于PBDEs,这一结果表明电子拆解点土壤是散养鸡体内BFRs的主要食物来源.
| 表 2 养殖场地土壤、饲养谷物和鸡消化道中PBDEs和DBDPE的含量 Table 2 PBDEs and DBDPE levels in soils,feeding grains and chicken digestive tract |
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同时,比较了散养草鸡饲养场地的土壤、食用的谷物和消化道食糜中PBDE同系物的分布模式(图 1),结果发现,食糜中PBDE同系物分布模式与土壤相似,均是BDE209为主要同系物,食糜和土壤中BDE209占总PBDEs的百分比分别为86%~91%和81%~86%,其次是BDE207、183、153和47,但这与谷物中完全不同,谷物中主要同系物是BDE47、100、153和207,土壤与食糜中PBDE同系物分布模式相似,这进一步证实了电子拆解区草鸡体内PBDEs污染主要来自其活动场地的土壤.然而,家禽的栖息地和喂食习惯也将影响其体内持久性污染物的残留水平.
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| 图 1 土壤、谷物和食糜中PBDE同系物分布模式 Fig. 1 Congener profile of PBDE in environmental matrices,food and chyme of chicken |
PBDEs在电子拆解区鸡胃内食糜、肠内物质和粪便中均被检测到,∑12PBDE均值分别为130、362和548 ng · g-1(以干重计),DBDPE在食糜、肠内物和粪便中的平均含量分别是25、100和112 ng · g-1(以干重计)(表 2).草鸡消化道中PBDEs的含量显著高于DBDPE(p<0.05),这与当地拆解区土壤中PBDEs高于DBDPE的趋势一致(Xu et al., 2015).污染物随食物链进入生物体的过程被认为是食物与生物体之间的一个复杂的物化分配过程,不能用平衡分配理论来解释.在肠内物与粪便中PBDEs的含量没有显著差别(p>0.05),然而在胃内食糜中PBDEs含量显著低于肠内物和粪便(p<0.05).由于有机物质或水分的吸收,含有机污染物的食物在消化道中的体积下降,在剩下的体积中浓缩了污染物.Foster等(2011)认为,从胃到小肠中有机氯污染物的含量会增加.食糜和肠内含物中BDE209占总PBDEs含量的平均百分比分别为83%和66.4%.在肠内,BDE209的比重较小,低溴代化合物的比重较大.这可能是因为在肠内含有更丰富的分解酶和代谢酶,使得BDE209更容易代谢生产低溴代化合物.
3.2 组织分布 3.2.1 各个组织中BFRs的水平PBDEs、DBDPE在不同可食组织中的含量水平如表 3所示.在拆解区,所有组织中均检测到了PBDEs,为了研究食用草鸡暴露BFRs的健康风险,将可食组织中BFRs的含量以鲜重计.但为了研究BFRs在草鸡体内组织分布,将不同组织中BFRs的含量进行脂肪归一化,结果发现,PBDEs和DBDPE在各组织中的含量分别为16.0~6025和nd~1139 ng · g-1(以脂重计).在拆解区和对照区均是肾脏中Σ12PBDE的平均含量最高,拆解区(2071 ng · g-1,以脂重计)高于对照区(2.36 ng · g-1,以脂重计,表 3)2~3个数量级.肝脏组织中Σ12PBDE的平均含量(550 ng · g-1,以脂重计)显著高于腿肉和胸肉(131和76 ng · g-1,以脂重计)(p<0.05),与鸡蛋、心脏组织无显著差异(p>0.05).
| 表 3 电子拆解区草鸡不同组织中PBDEs和DBDPE的含量(以鲜重计) Table 3 PBDEs and DBDPE levels in various chicken tissues |
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DBDPE主要在肾脏和卵中检出(检出率>50%),其含量分别为nd~87.0和nd~93.0 ng · g-1(以脂重计),DBDPE在其他组织中较少检出,表明DBDPE较低的生物利用率.肾脏和卵是草鸡进行生理活动的主要器官或组织,尤其对于产蛋母鸡,但DBDPE在肾脏和卵中是否会降解,以及转移到其他组织并在肌肉和脂肪中堆积还未可知.同时,在脑组织中也检测到DBDPE,但样品量较少,需进一步补充数据.
由于BFRs的高疏水亲脂性,一般认为BFRs主要分布在高脂含量的组织中,如脂肪组织.但脂肪组织中PBDEs的平均含量(1383 ng · g-1,以脂重计)显著低于肾脏(p<0.05).脑、肌肉组织中PBDEs含量较低,由于污染物进入生物体,首先被截留在含有丰富的血液的组织器官,如肾脏、心脏和肝脏,之后污染物进入血液流经较少的外部组织器官,如肌肉、脑和脂肪组织(Loughnan et al., 1976).脑组织中PBDEs含量最低,可能血脑屏障保护脑组织,减少PBDEs的残留.
生物体的性别对其体内污染物残留起着重要作用,不同性别鸡中各个组织中PBDEs的差异见图 2.温岭地区公鸡肌肉、心脏、肾脏和脂肪组织中PBDEs含量稍高于母鸡.一方面,母鸡能通过转移污染物到鸡蛋内,减少其体内负荷；另一方面,公鸡相对较低的食物转化率,导致公鸡体内污染物负荷增多.这与之前的研究结果一致(Luo et al., 2009).
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| 图 2 不同性别鸡各组织中PBDEs的含量 Fig. 2 Concentration of PBDEs in hen and cork various tissues |
各个组织中PBDE同系物分布模式并不完全一致,在胸肉、腿肉和卵组织中BDE209是主要同系物,分别占总PBDEs含量的51%、78%和59%,其次为BDE207,分别占总PBDE含量的15%、9.2%和8.9%(图 3)；在血液、肾脏、肝脏、心脏组织中BDE183是主要同系物,分别占总PBDEs含量的67%、57%、44%和42%,其次为BDE153,分别占总PBDEs含量的15%、26%、18%和19%.在血液含量丰富的中央组织或器官,如心、肝和肾脏等组织中高溴代联苯醚发生了还原脱溴作用,而肌肉、卵等血液流经较少的外部组织或器官,脱溴作用较弱或较少发生；在脂肪组织中,BDE153、BDE209和BDE183是主要同系物,均占总PBDEs含量的30%左右；在脑组织中,BDE183占总PBDEs含量的41%,高于肌肉和卵组织,而BDE209占总PBDEs的26%,低于肌肉和卵组织,可能是因为脑组织能选择性地保护生物体对高溴代联苯醚(BDE209)的富集.不同组织中PBDE同系物组成模式呈现差异,这与不同PBDE同系物的辛醇水分配系数跨度较大(从三溴至七溴的logKow在5.70~8.27之间(Braekevelt et al., 2003))有关.PBDEs在家禽鸡体内的组织分布不但依赖于组织特异性,也依赖于PBDE同系物特异性.
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| 图 3 各个组织中PBDE同系物分布模式 Fig. 3 Congener profiles of PBDE in chicken tissues |
摄入受污染的食物和饮用水是人类体内BFRs的主要来源.根据草鸡中BFRs的含量和当地居民摄入鸡肉、鸡蛋、鸡肝等食品的日消费量,估算出当地居民食用草鸡摄入BFRs的日均摄入量(ADI),公式如下：
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式中,ADI为日均摄入量(ng · kg-1 · d-1);Ci为草鸡中BFRs或∑12PBDE或单个同系物的含量(ng · g-1,以湿重计); Cri为当地居民摄入草鸡的日消费量(g · d-1),成人摄入鸡肉、鸡蛋、鸡肝等的日摄入量分别为16、30和5.5 g · d-1(Labunska et al., 2014)；BW为体重(kg),根据杨彦等(2012)的调查,温岭地区成人体重为65 kg.
当地居民通过食用草鸡摄入BFRs的健康风险可以通过相关危害商(HR)进行评估,危害商是日均摄入量(ADI)除以参考剂量(RfD),目前USEPA推荐成人经口暴露BFRs的参考剂量(RfD),BDE47、99、153和209的RfD分别为0.1、0.1、0.2、 7.0 μg · kg-1 · d-1,DBDPE的RfD值为333 μg · kg-1 · d-1(USEPA,2014).当地居民通过食用草鸡各个可食组织摄入PBDEs和DBDPE日均摄入量分别为363和10.6 ng · kg-1 · d-1(表 4),通过食用胸肉、腿肉和脂肪组织摄入PBDEs的量(68 ng · kg-1 · d-1)高于台州市路桥区电子拆解区居民通过食用鸡肉摄入PBDEs的量(13.5 ng · kg-1 · d-1)(Qin et al., 2011),也高于我国南部电子废物拆解区通过鸡肉摄入PBDEs量(中位值为1.1 ng · kg-1 · d-1)1~2个数量级(Luo et al., 2009).这表明浙江温岭地区膳食摄入PBDEs的风险更大.
| 表 4 居民通过家禽鸡各组织摄入PBDEs和DBDPE的日摄入量和危害商(HR) Table 4 Average daily intakes(ADI)and hazard ratio(HR)values for local residents to PBDEs and DBDPE via chicken tissues |
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当地居民通过食用草鸡蛋暴露∑PBDE的ADI值最高(262 ng · kg-1 · d-1),这主要与草鸡蛋的消费量较大有关.本研究结果高于同区域之前报道的鸭蛋中PBDEs的ADI值(60.6 ng · kg-1 · d-1)(Labunska et al., 2013),这说明浙江温岭电子拆解区草鸡蛋摄入PBDEs的风险更大.
BDE209分子量大,较难在生物体中富集,但在本研究电子废物拆解区草鸡蛋中,BDE209是最主要的同系物,当地居民通过草鸡蛋摄入BDE209的量为154.5 ng · kg-1 · d-1,低于美国EPA推荐成人经口暴露BDE209的RfD值.BDE47、99、153、209的非致癌危害商(HR)均小于1,这表明本地草鸡中PBDEs浓度处于可接受水平.DBDPE作为BDE209的替代品,与BDE209结构相似,可在环境、食物链及生物体内,甚至人体内发生蓄积.本文仅在卵和肾脏组织中检出DBDPE,DBDPE的ADI值(10.6 ng · kg-1 · d-1)低于BDE209约1~2数量级.虽然DBDPE的毒性数据较少,Hardy等(2008)认为,DBDPE的RfD为333333 ng · kg-1 · d-1,本文食用草鸡暴露DBDPE的健康风险低于RfDs.但因DBDPE本身的生物蓄积性,仍不能忽视长期食用BFRs污染的草鸡的人群健康问题.
4 结论(Conclusions)电子废物简单回收过程造成了严重的BFRs污染,家禽与人类生活的关系密切,通过研究家禽体内BFRs的来源和组织分布特征,了解人类居住环境的污染状况,可为从源头上控制这类污染物的治理技术提供支持.电子拆解区草鸡中BFRs主要来自摄入污染的土壤,BFRs在鸡体内分布不均,各组织中PBDE同系物分布模式不同.药物生理学理论可解释这一现象,BFRs主要被截留在中央部位含血丰富的器官和组织,如肾脏、肝脏、心脏等,之后到外部血液较少流经的组织或器官,如肌肉和脑组织等.当地居民通过草鸡各个可食组织摄入BFRs的日摄入量低于参考剂量(RfD),这表明当地居民食用草鸡暴露BFRs的健康风险较低.
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