金 梦,王 梓,黎玉清,潘 浪,贺德春,赵 波*,冯 华**



石化企业周边儿童多环芳烃内暴露负荷的时间变异性

金 梦1,2,王 梓1,黎玉清2,潘 浪2,贺德春2,赵 波2*,冯 华1**

(1.西北师范大学化学化工学院,甘肃 兰州 730070；2.环保部华南环境科学研究所,广东 广州 510655)

为了研究空气低质量数多环芳烃污染对儿童内暴露负荷的影响,选取华南地区某石化企业为污染区,上风向15km处为对照区,在污染区和对照区各自选取一所小学中的80名儿童为内暴露采样对象,连续采集3d的尿样.研究石化企业多环芳烃污染对儿童内暴露负荷的影响以及多环芳烃内暴露的时间变异性.结果表明:3d中,污染区儿童羟基多环芳烃(OHPAHs)浓度的几何平均值为0.06~5.09μg/g;对照区儿童OHPAHs浓度几何均值为0.04~4.00μg/g.污染区儿童OHPAHs浓度略高于对照区,并且存在显著影响(<0.05);除对照区2d以外,污染区与对照区儿童尿液中OHPAHs组成特征均表现出羟基萘>羟基菲>羟基芴>羟基芘的规律; OHPAHs之间的相关性分析表明,只有污染区3d的OHPAHs之间存在显著相关(<0.01,2=0.74~0.97),污染区OHPAHs之间的相关性好于对照区;仅在污染区3d的1-羟基芘与其它OHPAHs单体之间均为显著性相关(<0.01,2=0.82~0.95).

多环芳烃；羟基多环芳烃；相关性

多环芳烃(PAHs)是一类由2~7个苯环构成的持久性有机污染物,广泛分布在空气、土壤和水体中[1],已经被很多国家列为优先控制污染物,截止到目前已经有400多种具有致癌作用的PAHs和其衍生物被发现[2]. PAHs进入环境后会发生物理迁移、化学反应、生物合成、降解转化等复杂的反应,并通过各种途径进入人体[3-4].人体PAHs暴露一般有三种途径:呼吸、饮食和皮肤接触.PAHs进入人体后会经历一系列的生物转化,首先被P450细胞色素酶氧化形成高活性的含氧中间产物,然后水解形成羟基代谢物,羟基代谢物最后与葡萄糖苷酸和硫酸盐相结合,通过尿液或者粪便排出体外[5-6].这其中,几种低质量数PAHs的单羟基代谢物,譬如羟基萘(OHN)、羟基芴(OHF)、羟基菲(OHPhe)和羟基芘(OHP)等由于评价多环芳烃内暴露灵敏度、特异性好成为近几年来环境科学领域的研究热点,如Thai等[7]、Sul等[8]、Guo等[9]对澳大利亚、韩国、日本、等地人体尿液中OHN、OHFlu、OHPhe和OHP的浓度水平的调查.此外,研究表明在相同浓度空气污染情况下,由于儿童相对较弱的新陈代谢能力会导致儿童PAHs内暴露水平更高,在相同居住环境中6~11岁的儿童1-OHP的含量比成年人高出30%[10].而在相同的暴露浓度中儿童会具有更多潜在的危害[11-12].因此,了解儿童 PAHs内暴露水平,对儿童健康风险评价具有很重要的作用.

针对工业污染或城市污染对非职业暴露人群内暴露负荷的影响,是学术界目前研究的新热点.石油化工被认为是空气污染的重要来源,也是PAHs主要来源之一.学术界仅有少数文献报道了石化企业对人群内暴露负荷的影响,如Tatiana等[13]、Trasande等[14]对墨西哥和美国石油化工区儿童PAHs内暴露水平的研究,但这些研究均为横断面研究.本文选取华南地区某大型石化企业作为污染区,并选取其上风向15km处为对照区,分析周边儿童尿液中多环芳烃代谢物羟基多环芳烃的浓度,以此研究石化企业多环芳烃污染对儿童内暴露负荷的影响,以及羟基多环芳烃内暴露的时间变异性,并首次突破了多环芳烃内暴露研究领域的横断面研究方法,连续采集研究区域儿童3d的尿液,从而更全面的评估石化企业污染对儿童内暴露负荷的影响.

1 材料与方法

1.1 样品采集

选取华南地区临近某大型石化企业作为污染区和距石化企业15km处作为对照区,空气监测结果表明污染区PAHs浓度高于对照区.在污染区和对照区各选取一所小学均随机抽取80名六年级儿童对其尿样进行采集,尿样存放在聚乙烯塑料瓶中,并放在-80℃的超低温冰箱中保存,直至样品检测.广东省疾病控制中心对2所小学儿童的问卷调查结果显示,儿童年龄为11~14岁,污染区男、女儿童分别为 42、38人,二手烟暴露与非二手烟暴露儿童分别为28、52人,对照区男、女儿童分别为41、39人,二手烟暴露与非二手烟暴露儿童分别为28、52人.

1.2 实验材料及试剂

仪器:快速液相色谱—三重四级杆串联质谱仪(Agilent 1260/ABSIEX 4000Q)、高效液相色谱仪(岛津DGU—20As)、24位固相萃取装置(visiprep -24TMPL)、氮吹仪(ETEL4MG-2200)、涡旋仪(SI Vortex-2)、恒温振荡器(SHA-CA)和离心机( DT5-2).

其他材料:反向C18固相萃取柱(Waters)、特氟龙离心管、针头过滤器(疏水性PTFE针式滤器,0.22μm)、1.5mL旋盖尖底瓶等.

试剂:β-葡糖苷酸-芳基硫酸酯酶、甲醇和盐酸(广州化学试剂厂)等.

标准品:1-羟基萘(1-OHN)、2-羟基萘(2-OHN)、2-羟基芴(2-OHF)、3-羟基芴(3-OHF)、1-羟基菲(1-OHPhe)、2-羟基菲(2-OHPhe)、3-羟基菲(3-OHPhe)、4-羟基菲(4-OHPhe)、9-羟基菲(9-OHPhe )、1-羟基芘等(Dr.Ehrenstorfer Gmbh).

表1 羟基多环芳烃检测的质谱条件

1.3 实验方法

样品前处理:首先,取4mL解冻后的尿样于塑料离心管中,依次加50%的盐酸(250μL)、1mol/L的醋酸铵缓冲溶液(2mL)、β-葡糖苷酸-芳基硫酸酯酶(40mL)以及d-2-OHN、d-2-OHF、13C-2-OHPhe、13C-1-OHP混标后放入恒温震荡器中震荡12h,在1500r/min的条件下离心20min,离心后用C18固相小柱富集净化.C18固相小柱依次用5mL甲醇、10mL去离子水活化;上样:用4mL、30%的甲醇溶液淋洗,弃掉淋洗液, 保持真空状态1min;用10mL甲醇淋洗固相萃取柱,收集淋洗液.净化后的样品用柔和的氮气浓缩至0.2mL后,用0.22μm滤膜过滤.然后,加入氘代的3-羟基菲作为进样内标.最后,用快速液相色谱—三重四级杆串联质谱仪进行检测.同时,用高效液相色谱检测样品中肌酐的浓度来校准OHPAHs的浓度.

仪器条件:高效液相色谱条件设定:以甲醇和水做流动相,反相C18色谱柱分析(Waters),30℃.串联质谱条件设定:离子源为点喷雾电离源,负离子方式检测,扫描方式为MRM监测.电喷雾电压为-3000V,扫描时间400ms,温度360℃.MRM模式下的离子对和碰撞能量等参数选择见表1.

1.4 统计学分析

采用SPSS 17.0软件进行数据分析,检测结果中OHPAHs浓度数据不符合正态分布,采用均值与四位间距表示.各OHPAHs浓度之间的相关性采用Spearman函数双侧检验,性别与吸烟对OHPAHs浓度影响比较采用Mann-Whitney U检验.

1.5 质量控制与保证

实验过程采用10%实验室空白、10%空白加标、10%随机采样平行双样.OHPAHs的实验空白为0.00733~0.231ng,空白样品加标回收率为90.2%~96.1%,采样平行相对标准偏差为2.33~4.35,质控样品数据证明实验数据真实可信.

2 结果与讨论

2.1 儿童尿液中羟基多环芳烃暴露水平

表2 对照区儿童尿液中多环芳烃含量 (肌酐校准) (μg/g)

实验中对照区儿童和污染区儿童尿液中OHPAHs暴露水平见表2、3.其中2-OHF和3-OHF、1-OHPhe 和9-OHPhe无法通过液相色谱柱分离,分别用2&3-OHF和1&9-OHPhe 来表示.3d中,污染区儿童尿液中1-OHN、2-OHN、2&3-OHF、2-OHPhe、3-OHPhe、4-OHPhe、1&9-OHPhe、和1-OHP的浓度分别是对照区儿童的(1.67±0.45)、(1.62±0.34)、(1.36±0.43)、(1.80±0.12)、(1.56±0.44)、(1.75±0.35)、(2.18±0.31)、(1.64±0.36)倍,并且两区域2d的1-OHN、1&9-OHPhe与3d的2&3- OHF、2-OHPhe、3-OHPhe、4-OHPhe、1-OHP、1&9-OHPhe存在显著性差异,<0.05.此外,性别与二手烟暴露对儿童OHPAHs水平无显著性影响(>0.05).这种差异的主要原因可能是污染区距离石油化工厂比较近,石油化工厂裂解和精炼工艺会产生大量的PAHs,周边居民暴露于较高浓度的PAHs污染中,从而导致污染区儿童尿液中的OHPAHs处于较高水平.其它国家和地区儿童PAHs内暴露水平见表4.本研究对照区儿童OHPAHs浓度显著高于美国、捷克、丹麦、等一些欧美国家儿童,分别是其1.04~3.29倍;其他国家对污染区儿童PAHs内暴露的研究主要集中于芘的代谢物1-OHP,本研究污染区儿童1-OHP的浓度低于荷兰、巴基斯坦、墨西哥等地污染区,高于日本、美国、韩国和阿拉伯等地污染区儿童,分别是其1.85~3.6倍.此外本研究对照区儿童1-OHP的浓度甚至高于阿拉伯、韩国污染区,可能是由于附近交通污染造成的.与我国儿童相比,本研究对照区儿童尿液中2-OHN、2&3-OHF、1&9-OHPhe低于南方某中学;除菲的羟基代谢物以外本研究污染区儿童尿液中OHPAHs均低于广州钢铁焦化厂附近儿童.可见,本研究儿童与国外儿童相比PAHs内暴露水平偏高,与岳强等[15-16]报道的广州中学生和南方钢铁焦化厂相比PAHs内暴露水平偏低.

表3 污染区儿童尿液中多环芳烃含量(肌酐校准) (μg/g)

表4 小学生尿液中OHPAHs浓度与国内外其他研究成果的比较

注:本研究结果为3d平均值.

2.2 儿童尿液中羟基多环芳烃组成特征

图1为对照区与污染区儿童3d尿液中OHPAHs组成特征,可见对照区与污染区儿童尿液中OHPAHs均以二环PAHs代谢物OHN为主,OHN占ΣOHPAHs的75%以上.对照区中儿童3d尿液中ΣOHN、ΣOHF、ΣOHPhe、ΣOHP所占比例分别为(78.43±2.16%)、(8.29±1.87%)、(8.93±2.18%)、(4.34±1.34%),污染区儿童3d尿液中ΣOHN、ΣOHF、ΣOHPhe、ΣOHP所占比例分别为80.13±3.24%、6.99±0.71%、10.19±2.35%、3.91±0.56%,污染区与对照区各OHPAHs单体组成比例之间无显著性差异(>0.05).此外,性别与二手烟暴露对各OHPAHs单体组成比例之间无显著性影响(>0.05).对照区与污染区儿童3d尿液中OHPAHs组成特征具有相似的规律,除对照区2d以外,组成特征均表现出ΣOHNap>ΣOHPhe>ΣOHFlu> ΣOHPyr的组成特征,对照区2d为ΣOHNap> ΣOHFlu>ΣOHPhe> ΣOHPyr的组成特征.

图1 儿童尿液中OHPAHs组成特征

2.3 儿童尿液中羟基多环芳烃相关性

污染区儿童3d中Nap的代谢物之间均显著相关(<0.01,2=0.85~0.91),除4-OHPhe以外的Phe的代谢物均显著相关(<0.01,2=0.81 ~0.99),Flu的代谢物2 & 3-OHFlu与Pyr的代谢物1-OHP之间也均显著相关(<0.01,2＝0.71~0.82).此外,第3d各OHPAHs之间均为显著相关(<0.01,2=0.73~0.97).对照区儿童3d中有1-OHN:2&3-OHF(P0.01,2=0.23~0.58)、2&3- OH:1&9-OHPhe(<0.01,2=0.37~0.77)、2&3- OHF:4-OHPhe(<0.01,2=0.08~0.76)、2-OHPhe: 3-OHPhe(<0.01,2=0.82~0.99)、3-OHPhe: 4- OHPhe(<0.01,2=0.43~082)之间显著相关.而且污染区儿童尿液中各OHPAHs之间的相关性普遍好于对照区儿童,这种差异的主要原因可能是污染区儿童体内的PAHs具有较一致的来源,考虑到石化企业排放的PAHs以低质量数的为主,因此推测该地区石化企业排放是儿童体内各种PAHs代谢物的最重要来源,从而导致与对照区相比污染区儿童尿液中OHPAHs具有更好的相关性.

表5 污染区儿童尿液中各OHPAHs相关性

续表5

注:1,2 ,3:1d,2d,3d; *<0.05, **<0.01.

表6 对照区儿童尿液中各OHPAHs相关性

注:1,2,3:1d,2d,3d; *<0.05,**<0.01.

近些年,1-OHP经常被用作人体PAHs内暴露研究的生物标志物.在此问题上存在很大争议, zhang等[23]研究表明1-OHP可以用来评价人体PAHs内暴露水平,范瑞芳等[22]的研究表明1-OHP只可以反映2-3环PAHs内暴露水平而无法反映总体PAHs内暴露水平.本研究污染区1d儿童尿液中1-OHP与1-OHN、4-OHPhe以外的OHPAHs之间均存在显著相关(<0.01,2=0.65~0.77),2d的1-OHP仅与1-OHN与2&3- OHF之间存在显著相关(<0.01,2=0.36~0.77), 3d的1-OHP与其它OHPAHs均为显著性相关(<0.01,2=0.82~0.95).对照区1d的1-OHP仅与Phe的代谢物之间存在显著相关(<0.01,2= 0.47~0.82).2d的1-OHP与除Phe以外的代谢物之间存在显著相关(<0.01,2=0.32~0.63).3d的1-OHP与除4-OHPhe和1-OHNap以外的代谢物之间均存在显著相关(<0.01,2=0.35~0.75).仅在污染区3d可以用1-OHP来评价儿童PAHs内暴露水平.结果与岳强[16]、zhang等[24]一致,只有在PAHs污染较高时才可以用来评价人体PAHs内暴露水平,而在普通地区仅用 1-OHP评价人体PAHs内暴露水平具有一定局限性.此外,其它OHPAHs与1-OHP类似,单一的OHPAHs 难以客观的反应人体PAHs内暴露水平.

3 结论

3.1 3d中,污染区儿童OHPAHs浓度的几何平均值为0.06~5.09μg/g;对照区儿童OHPAHs浓度几何均值为0.04~4.00μg/g.受石油化工厂的影响,污染区儿童OHPAHs浓度略高于对照区,并且存在显著影响(<0.05).性别与二手烟暴露情况对儿童体内OHPAHs无显著影响(<0.05).研究区域儿童OHPAHs的浓度略高于国外儿童的内暴露水平.

3.2 除居民区2d以外,儿童体内OHPAHs组成特征表现出ΣOHNap>ΣOHPhe>ΣOHFlu> ΣOHPyr的规律,二手烟暴露对儿童尿液中OHPAHs组成特征无显著性影响(>0.05).

3.3 OHPAHs之间的相关性分析表明,污染区OHPAHs之间的相关性好于对照区,更多的情况下,1-OHP并不能真实的反应儿童PAHs的内暴露水平变化.此外,任何一种OHPAHs都难以客观的反应人体PAHs内暴露水平变化.

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The research on the temporal variability of the internal exposure levels of polycyclic aromatic hydrocarbons in children around the petrochemical enterprise.

JIN Meng1,2, WANG Zi1, LI Yu-qing2, PAN Lang2, HE De-chun2, ZHAO Bo2*, FENG Hua1**

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China；2.South China Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Guangzhou 510655, China)., 2018,38(5)：1943~1950

In order to study the effect of low molecular weight PAHs air pollution on the internal exposure levels of children, the study selected two groups of children to collect the urine samples in three days. One group (=80) in polluted area were from an elementary school situated adjacent to a petrochemical enterprises in southern China, and the other group (=80) in controlled area were from an elementary school situated in unwind area of 15km. The effect of petrochemical enterprises pollution on children internal exposure and the temporal variability of the internal exposure was investigated. The results suggested that: In three days, the geometric mean of the OHPAHs concentrations in children of polluted area were slightly higher than those of controlled area with significant effect (<0.05), which were 0.04~4.00μg/g and 0.06~5.09μg/g, respectively. The constituent characteristics of OHPAHs were expressed as ΣOHNap> ΣOHPhe> ΣOHFlu> ΣOHPyr, except for that of polluted area on the second day. Significant correlations were exist between all OHPAHs only on the third day of the polluted area (<0.01,2=0.74~0.97) and the correlations of OHPAHs in the samples of polluted area were better than those of controlled area. There were significant correlation between 1-OHP and other OHPAHs only on the third day of polluted area (<0.01,2=0.82~0.95).

polycyclic aromatic hydrocarbons；hydroxy polycyclic aromatic hydrocarbons；correlation

X131

A

1000-6923(2018)05-1943-08

2017-09-22

国家自然科学基金资助项目(21507035)

* 责任作者, 高级工程师, zhaobo@scies.org; ** 副教授,hfeng@nwnu. edu.cn

金 梦(1993-),女,黑龙江双鸭山人,西北师范大学大学硕士研究生,主要从事多环芳烃内暴露研究.