馬鈴，馮碧婷，周萌，胡宏偉，孫紅文,*

1. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350 2. 天津市機(jī)動(dòng)車(chē)排污檢控中心，天津 300391 3. 天津泰達(dá)綠化集團(tuán)有限公司，天津 300457

?

人工甜味劑在不同類(lèi)型土壤中的淋溶行為研究

馬鈴1，馮碧婷1，周萌2，胡宏偉3，孫紅文1,*

1. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350 2. 天津市機(jī)動(dòng)車(chē)排污檢控中心，天津 300391 3. 天津泰達(dá)綠化集團(tuán)有限公司，天津 300457

人工甜味劑(artificial sweeteners)是一類(lèi)人工合成或半合成的蔗糖替代品，廣泛應(yīng)用于食品、藥物、個(gè)人護(hù)理品和飼料中，但是大多數(shù)人工甜味劑在人和動(dòng)物體內(nèi)幾乎不被代謝而隨尿液和糞便直接進(jìn)入環(huán)境。在天津污水河沿線及甜味劑廠附近不同深度土層中檢測(cè)到安賽蜜、糖精、甜蜜素和三氯蔗糖。為探討人工甜味劑在土壤中的移動(dòng)性及其對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用土柱淋溶實(shí)驗(yàn)研究了安賽蜜和三氯蔗糖在2種土壤中的淋溶行為，并觀測(cè)了人工甜味劑淋溶對(duì)土柱淋出液的溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)、pH以及電導(dǎo)率 (EC) 的影響。結(jié)果表明安賽蜜和三氯蔗糖在2種土壤中表現(xiàn)出較強(qiáng)的移動(dòng)性，超過(guò)87%的甜味劑均被淋出，只有不到13%的甜味劑被土壤截留或損失，因此對(duì)地下水具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。安賽蜜和三氯蔗糖能夠促進(jìn)土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的溶出，但對(duì)淋出液的pH和電導(dǎo)率無(wú)顯著影響。

人工甜味劑；土壤；淋溶行為

Received 29 November 2015 accepted 26 February 2016

人工甜味劑是一類(lèi)具有甜味而幾乎不被人體代謝的人工合成或半合成的蔗糖替代品，由于其低成本、高甜度、極易溶于水等特性而被廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，人工甜味劑對(duì)人體的安全性一直備受爭(zhēng)議，各國(guó)都給出了較嚴(yán)格的規(guī)定[4]。大多數(shù)人工甜味劑在人和動(dòng)物體內(nèi)幾乎不被代謝而隨尿液和糞便直接進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)[5]，而且研究已表明一些人工甜味劑在環(huán)境中具有持久性，在環(huán)境中的濃度表現(xiàn)出逐漸增高的趨勢(shì)[2,6]。近年來(lái)，幾種典型的人工甜味劑(糖精、安賽蜜、甜蜜素和三氯蔗糖)在水體中已廣泛被檢出且濃度較高[7-11]，本課題組也在天津的污水處理廠、地表水、飲用水、降水及地下水中檢測(cè)到上述4種人工甜味劑[12]。雖然4種典型的人工甜味劑極性強(qiáng)、水溶性高，容易分配到水相中，但仍有研究報(bào)道人工甜味劑能夠通過(guò)污水灌溉、糞肥返田、污泥施肥以及生活垃圾填埋等農(nóng)業(yè)活動(dòng)進(jìn)入土壤[13-15]。

目前，有關(guān)土壤中人工甜味劑的環(huán)境調(diào)查研究鮮有報(bào)道，僅有少量文獻(xiàn)研究了人工甜味劑在土壤中的遷移和降解。研究表明甜蜜素和糖精在土壤中降解較快，半衰期分別為0.8和3.3 d，安賽蜜和三氯蔗糖降解較為緩慢，表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性[13]。人工甜味劑由于較強(qiáng)的極性而難以吸附在土壤顆粒中，因此，相對(duì)穩(wěn)定的人工甜味劑很可能在土壤中發(fā)生淋溶或是在含水層中穩(wěn)定存在，從而對(duì)地下水帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。

本研究初步調(diào)查了天津市污水河沿線及工業(yè)點(diǎn)源附近土壤中不同深度層中甜味劑的污染狀況，選取了2種典型的人工甜味劑安賽蜜和三氯蔗糖為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其在2種不同類(lèi)型土壤中的淋濾行為進(jìn)行了研究，并分析了土壤理化性質(zhì)對(duì)甜味劑淋溶行為的影響。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 儀器與設(shè)備

Agilent 1200系列液相串聯(lián)6410B三重四級(jí)桿質(zhì)譜(美國(guó)Agilent Technologies公司)；固相萃取裝置(美國(guó)Supelco公司)；SMADZU TOC-Vcph型TOC分析儀(日本島津公司)。

1.2 試劑與材料

安賽蜜、糖精、甜蜜素和三氯蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；3種氘代內(nèi)標(biāo)(安賽蜜-d4、糖精-d4和三氯蔗糖-d6)購(gòu)自加拿大Toronto Research Chemicals公司；離子對(duì)試劑Tris (三羥甲基氨基甲烷)購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；醋酸銨、醋酸鈉、甲醇、乙腈、丙酮均為色譜純，購(gòu)自德國(guó)CNW Technologies公司，其他試劑氯化鈣、石英砂等均為分析純；Poly-Sery PWAX固相萃取柱(3 mL/60 mg)和50 mL聚丙烯離心管均購(gòu)自德國(guó)CNW Technologies公司；實(shí)驗(yàn)全過(guò)程采用去離子水。

淋溶裝置的主體采用玻璃材質(zhì)的圓柱型柱子，內(nèi)徑5 cm，高60 cm。

2種供試土壤分別采集于天津市南開(kāi)區(qū)花園和天津市東麗區(qū)農(nóng)田，分別屬于粘土和壤粘土，具體理化性質(zhì)見(jiàn)表1。經(jīng)風(fēng)干后的土壤充分混勻，采用四分法，經(jīng)研磨后過(guò)2 mm孔徑篩，分別裝入外層包有鋁箔紙的密封袋中，于-20 ℃保存。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

注：DOC，溶解性有機(jī)碳；AEC，陰離子交換容量；CEC，陽(yáng)離子交換容量。

Note: DOC is an acronym that stands for dissolved organic carbon; ACE is anion exchange capacity; CEC is cation exchange capacity.

1.3 環(huán)境調(diào)查

在天津污水河沿線及一個(gè)人工甜味劑工廠附近共4個(gè)采樣點(diǎn)采集土壤表層(0～10 cm)及亞表層(10～30 cm)土壤，每個(gè)樣品均在100 m2地塊，按照梅花采樣法采集土壤，現(xiàn)場(chǎng)混合，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 土柱淋溶實(shí)驗(yàn)

通過(guò)淋溶試驗(yàn)評(píng)價(jià)污染物在土壤中的移動(dòng)性和污染地下水的可能性，具體的試驗(yàn)操作參考經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)準(zhǔn)則中的土柱淋溶實(shí)驗(yàn)方法[16]。將土壤在121 ℃下高壓蒸汽滅菌30 min后裝柱。土柱的高度為30 cm，下填2 cm玻璃纖維及2 cm石英砂，上面覆蓋2 cm石英砂，然后在土柱表層分別加入1 mL 10 mg·L-1三氯蔗糖或安賽蜜的標(biāo)準(zhǔn)使用液，并用鋁箔紙包裹避光，靜置24 h后開(kāi)始淋溶實(shí)驗(yàn)。

用0.01 mol·L-1氯化鈣溶液模擬雨水對(duì)土柱進(jìn)行淋溶，直到淋出液沒(méi)有目標(biāo)物檢出，同時(shí)測(cè)定土柱的最大持水量。經(jīng)測(cè)定，土1和土2的最大飽和持水量分別為：275 mL 和300 mL。每淋出25 mL濾液(1個(gè)孔體積)為1個(gè)采樣點(diǎn)，每天可收集3批樣品，每個(gè)柱子收集40個(gè)樣品，共1 000 mL淋溶液。本實(shí)驗(yàn)淋溶液用量基于天津市近10年年平均降水量(500 mm)計(jì)算得出。淋溶速度并不均勻，平均淋溶速度為 0.05 mL·min-1。

1.4.2 吸附平衡常數(shù)(Kd)值的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取1.5 g土壤樣品于50 mL聚丙烯離心管中，加入15 mL 0.01 mol·L-1氯化鈣溶液(溶液中分別含有100 μg·L-1安賽蜜/三氯蔗糖標(biāo)準(zhǔn)液)，于(25±0.5) ℃下進(jìn)行恒溫振蕩24 h (經(jīng)吸附動(dòng)力學(xué)預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，2種人工甜味劑在6 h后均已達(dá)到吸附平衡)。在4 200 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min，取1 mL上清液再于15 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min。取200 μL上清液，并加入200 μL對(duì)應(yīng)的氘帶內(nèi)標(biāo)，用Vortex混合均勻后，測(cè)定人工甜味劑含量。吸附量由差值法獲得，Kd值由土壤吸附態(tài)濃度Qe(μg·kg-1)與溶液平衡態(tài)濃度Ce(μg·L-1)的比值計(jì)算。

1.5 測(cè)定方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.5.1 樣品中人工甜味劑的分析測(cè)定

水樣：取1 mL淋出液，于15 000 r·min-1轉(zhuǎn)速下離心10 min。取100 μL上清液于進(jìn)樣瓶中，同時(shí)加入100 μL對(duì)應(yīng)的氘帶內(nèi)標(biāo)溶液(80 μg·L-1三氯蔗糖-d6、40 μg·L-1糖精-d4和40 μg·L-1安賽蜜-d4)，充分混合，供HPLC-MS/MS測(cè)定。

土壤樣品：土壤樣品經(jīng)冷凍干燥后，研磨，過(guò)0.2 mm孔徑篩。準(zhǔn)確稱(chēng)取5 g土壤樣品，加入10 μL對(duì)應(yīng)的氘帶內(nèi)標(biāo)溶液(2 mg·L-1三氯蔗糖-d6，1 mg·L-1糖精-d4和1 mg·L-1安賽蜜-d5)。用25 mL 0.01 mol·L-1醋酸鈉溶液(pH=4)進(jìn)行提取，提取2次，每次振蕩20 min，合并2次上清液過(guò)固相萃取小柱。將洗脫液氮吹至近干，用甲醇定容到0.5 mL，取200 μL濃縮液供HPLC-MS/MS分析測(cè)定。固相萃取方法以及液相色譜和質(zhì)譜條件參考本課題組已建立的方法[17-18]，加標(biāo)回收率及方法檢出限和定量限見(jiàn)表2。

表2 土壤中4種人工甜味劑(AS)的加標(biāo)回收率及方法檢出限和定量限

1.5.2 水樣中pH、DOC和電導(dǎo)率的測(cè)定

水樣中pH和電導(dǎo)率的測(cè)定方法參照《土壤分析手冊(cè)》[19]；土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)的提?。河猛了葹?:2的純凈水振蕩提取16 h，離心，將上清液過(guò)0.45 μm的微孔濾膜，采用SMADZU TOC-Vcph型TOC分析進(jìn)行測(cè)定[20]。

1.5.3 數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制

每1處理土柱作2個(gè)平行，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組。淋出液和土壤中人工甜味劑的含量取2個(gè)平行樣品的算術(shù)平均值。數(shù)據(jù)分析采用Excel處理軟件。使用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用Spearman法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果(Results)

2.1 人工甜味劑在天津若干土壤中的污染狀況

沿天津大沽排污河沿線三3個(gè)點(diǎn)(D1～3)及1個(gè)甜味劑工廠附近的點(diǎn)位(T)采樣，分別采集表層土和亞表層土(圖1)。在4個(gè)采樣點(diǎn)均檢測(cè)出安賽蜜、糖精和甜蜜素，濃度在0.22～15.57 μg·kg-1之間；而在D1和D2處檢出三氯蔗糖，濃度在0.55 ～ 1.38 μg·kg-1之間。糖廠附近糖精和甜蜜素濃度明顯高于其他點(diǎn)位，屬于點(diǎn)源污染。在同一個(gè)點(diǎn)位的亞表層土中人工甜味劑的濃度明顯低于表層土。

圖1 人工甜味劑在天津大沽排污河沿線(D1-3)及某糖廠(T)附近表層土(A)和亞表層土(B)中的濃度Fig. 1 Concentrations of artificial sweeteners in the topsoil (A) and subsoil (B) at sites along Dagu Drainage Canal (D1-3) and a sugar factory (T) in Tianjin

圖2 安賽蜜在2種土壤中的(a)相對(duì)淋溶曲線及(b)累積淋溶曲線Fig. 2 (a) Relative leaching curves and (b) cumulative leaching curves of acesulfame in the two soils

圖3 三氯蔗糖在兩種土壤中的(a)相對(duì)淋溶曲線及(b)累積淋溶曲線Fig. 3 (a) Relative leaching curves and (b) cumulative leaching curves of sucralose in the two soils

2.2 模擬降雨條件下2種土壤中安賽蜜的淋溶行為

由圖2(a)可知，土1中，安賽蜜從第4個(gè)孔體積(淋濾第2天)開(kāi)始淋出，第8 ～ 9個(gè)孔體積時(shí)(第3天)淋出濃度達(dá)到最大值(94.8 μg·L-1)，到第21個(gè)孔體積時(shí)(第7天)已有90%的安賽蜜被淋出(圖2(b))，并且安賽蜜從開(kāi)始淋出到淋出液濃度降至1 μg·L-1以下，共經(jīng)過(guò)17個(gè)孔體積的時(shí)間。土2中，安賽蜜從第9個(gè)孔體積(第3天)開(kāi)始淋出，到第13 ～ 14個(gè)孔體積(第5天)淋出濃度達(dá)到最大值(66.1 μg·L-1)，在第33個(gè)孔體積時(shí)(第11天)淋出液濃度降至1 μg·L-1以下，共經(jīng)過(guò)24個(gè)孔體積的時(shí)間。由圖2(b)可知，安賽蜜在土1中的淋出總量較大，共有9.24 μg (92.4%)被淋出，說(shuō)明其在土壤中的移動(dòng)性更強(qiáng)。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)2種人工甜味劑在不同深度土壤及淋出液中的分布

此外，對(duì)淋溶體系中安賽蜜進(jìn)行了質(zhì)量平衡計(jì)算(表3)，對(duì)于土1，高達(dá)92.44%的安賽蜜被淋出，只有3.73%的安賽蜜被土壤截留，大約有3.83%的安賽蜜損失；而土壤中殘留的安賽蜜主要存在于土壤下層(25～30 cm段)。土2中，淋出液和土柱中的安賽蜜總回收率高達(dá)99.21%，損失的安賽蜜僅占加入量的0.79%。

2.3 模擬降雨條件下2種土壤中三氯蔗糖的淋溶行為

由圖3(a)可知，土1中，三氯蔗糖從第7個(gè)孔體積(淋濾第3天)開(kāi)始淋出，在第11 ～12個(gè)孔體積(第4天)時(shí)淋出濃度達(dá)到最大值(62.7 μg·L-1)，之后到第30個(gè)孔體積(第10天)時(shí)淋出液濃度降至1 μg·L-1以下。類(lèi)似地，對(duì)于土柱2，三氯蔗糖也從第7個(gè)孔體積(淋濾第3天)開(kāi)始淋出，到第13 ～ 14個(gè)孔體積(第5天)時(shí)淋出濃度達(dá)到最大值(60.4 μg·L-1)，并在第28個(gè)孔體積(第10天)時(shí)淋出液濃度降至1 μg·L-1以下。由圖3(b)可知，三氯蔗糖在2種土壤中的總淋出量和淋溶速率相近，土2略慢于土1。

同樣對(duì)淋溶體系中三氯蔗糖進(jìn)行了質(zhì)量平衡計(jì)算(表3)，土1中93.33%的三氯蔗糖被淋出，僅6.67%的三氯蔗糖被土壤截留或損失；土2中，92.31%的三氯蔗糖被淋出，大約5.13%的三氯蔗糖被土壤截留，最終損失2.56%的三氯蔗糖。土壤中殘留的三氯蔗糖同樣存在于土壤下層(25～30 cm段)。

2.4 人工甜味劑的Kd值及其對(duì)土柱淋出液理化性質(zhì)的影響

為解釋人工甜味劑在土壤中的移動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)中采用單點(diǎn)法測(cè)定了安賽蜜和三氯蔗糖在2種土壤中的吸附常數(shù)(Kd)值。結(jié)果顯示，安賽蜜在土1和土2中的Kd值分別為4.24和13.7 L·kg-1，三氯蔗糖在2種土壤中的Kd值分別為1.38和2.28 L·kg-1。

同時(shí)測(cè)定了淋出液的DOC、pH及EC值，以考察甜味劑淋出對(duì)土壤溶液理化性質(zhì)的影響。對(duì)于未添加安賽蜜的土柱(圖4a)，淋出液中DOC隨孔體積的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；而在添加了安賽蜜的土柱淋出液中，DOC呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，最終降到與未添加安賽蜜的土柱相似的濃度水平。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，添加了安賽蜜的土柱淋出液的DOC隨孔體積的變化與安賽蜜隨孔體積的變化之間存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，因此可以推測(cè)，土壤中的安賽蜜的淋溶帶動(dòng)了溶解性有機(jī)質(zhì)的溶出。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究還進(jìn)行了搖瓶實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于空白對(duì)照體系，其上清液中DOC的平均濃度為10.0 mg·L-1；對(duì)于添加了安賽蜜的體系，其上清液中DOC的平均濃度為42.2 mg·L-1，約為空白組上清液中DOC濃度的4倍。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了安賽蜜能夠促進(jìn)土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的溶出。

圖4 在添加和未添加(a)安賽蜜或(b)三氯蔗糖的條件下，土柱淋出液中DOC的濃度變化Fig. 4 Concentrations of DOC in leachates from soil columns with and without (a) acesulfame and (b) sucralose

對(duì)三氯蔗糖而言，添加組與空白組中淋出液DOC隨孔體積的變化趨勢(shì)(圖4b)與安賽蜜相似，且在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，添加三氯蔗糖的土柱淋出液DOC隨孔體積的變化曲線與三氯蔗糖的淋溶穿透曲線之間存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，因此土壤中三氯蔗糖的淋溶帶動(dòng)了溶解性有機(jī)質(zhì)的溶出。同樣地，搖瓶實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，對(duì)于添加了三氯蔗糖的體系，其上清液中DOC的平均濃度為38.5 mg·L-1，約為空白組上清液中DOC濃度的3.8倍。

本研究還測(cè)定了添加及未添加甜味劑，淋出液中pH及電導(dǎo)率(EC)的變化，由于土壤強(qiáng)的緩沖能力，添加甜味劑的實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組淋出液的pH及EC值沒(méi)有明顯差異(數(shù)據(jù)未顯示)。

3 分析討論(Analysis and discussion)

土壤調(diào)查中主要檢測(cè)出安賽蜜、糖精和甜蜜素，三氯蔗糖在部分樣品中也有檢出。人工甜味劑在土壤中的污染水平在文獻(xiàn)中很少報(bào)道。本文的研究結(jié)果表明，污水灌溉及工業(yè)點(diǎn)源污染可造成土壤中人工甜味劑的污染。Buerge等[13]研究發(fā)現(xiàn)，甜蜜素和糖精在土壤中的降解半衰期較短，分別為0.4～6 d和3～12 d，這可以用來(lái)解釋結(jié)論中亞表層土中甜蜜素和糖精的濃度顯著低于表層土。此外，化學(xué)物質(zhì)在不同深度土層中的分布還與其吸附截留和淋溶有關(guān)。由于這4種人工甜味劑極性較強(qiáng)(logKow在-1.61～-0.91之間)，水溶性較高(Sw在4～283 g·L-1之間)，所以穩(wěn)定性較強(qiáng)的人工甜味劑很有可能向下遷移至地下水。

通過(guò)土柱淋溶實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)安賽蜜和三氯蔗糖均表現(xiàn)出較強(qiáng)的淋溶特性，對(duì)地下水具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于安賽蜜(pKa=2.0，logKow= -1.33，溶解度為270 g·L-1)，其分子中含有多個(gè)極性基團(tuán)，而且在實(shí)驗(yàn)條件下主要以陰離子形式存在，土壤膠體顆粒帶負(fù)電，對(duì)其具有靜電斥力作用，促使其進(jìn)入孔隙水進(jìn)行遷移。而土壤中目標(biāo)化合物的淋溶性取決于該物質(zhì)在土壤顆粒上的吸附性和在土壤中的溶解性之間的平衡[21]。由此可知上述吸附作用對(duì)目標(biāo)化合物移動(dòng)性的影響不占主導(dǎo)地位，而陰離子的存在形式可能增加了化合物的溶解性，使其更易分配到水相中。對(duì)于三氯蔗糖(pKa=11.8，logKow= -1.0，溶解度為283 g·L-1)，它為中性分子，但是存在多個(gè)羥基，水溶性較高，所以三氯蔗糖在土1和土2中的淋出量分別達(dá)到了93%和92%。另外，用吸附常數(shù)值可進(jìn)一步解釋人工甜味劑在土壤中的移動(dòng)性，相比于其他傳統(tǒng)憎水性化合物高達(dá)103～105的吸附系數(shù)，人工甜味劑的吸附系數(shù)很低，在1.38～13.7 L·kg-1之間，具有較強(qiáng)的流動(dòng)性。而對(duì)于土2種安賽蜜的淋出速度和總量都明顯低于土1，這主要是因?yàn)橥?具有較高的有機(jī)質(zhì)含量，較低的DOC含量，因此對(duì)于有機(jī)污染物具有較大的截留能力[22]。

安賽蜜和三氯蔗糖的淋溶曲線存在一定差異。對(duì)于同一種土壤，三氯蔗糖的淋溶曲線不同于安賽蜜。就土1而言，三氯蔗糖淋出時(shí)間略晚于安賽蜜，且淋出濃度的最大值低于安賽蜜，但是兩者的總淋出量相近，分別為9.3 μg和9.2 μg。而在土壤中檢測(cè)出三氯蔗糖的含量略高于安賽蜜，這不能完全用Kd值解釋?zhuān)饕蓺w結(jié)為2種化合物與溶解性有機(jī)質(zhì)的交互作用不同。對(duì)于土2，三氯蔗糖與安賽蜜的淋出時(shí)間和濃度峰值均較為接近，但三氯蔗糖的總淋出量高于安賽蜜。原因是土2種人工甜味劑的Kd值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，2種物質(zhì)在水土之間的分布差異較為明顯，土2截留了5%的三氯蔗糖、12%的安賽蜜。

實(shí)驗(yàn)中，安賽蜜和三氯蔗糖的降解損失較少(<4%)，印證了文獻(xiàn)中安賽蜜和三氯蔗糖在土壤中比較穩(wěn)定的結(jié)論[13]。因此這2種人工甜味劑一旦污染地表土，污染地下水的可能性較大。相比于地表水，目前世界范圍內(nèi)對(duì)于地下水的監(jiān)測(cè)尚十分有限。部分研究者在垃圾填埋場(chǎng)、養(yǎng)豬場(chǎng)化肥池(人工甜味劑是豬飼料的添加劑)以及污水管網(wǎng)下游地下水中主要檢測(cè)出安賽蜜，其最高濃度達(dá)到了18 μg L-1，而其它人工甜味劑極易被微生物降解，濃度較低[9-11,23]。另外，本課題組在天津5處地下水中也廣泛檢測(cè)出4種典型的人工甜味劑[12]。針對(duì)于土壤及地下水大范圍的調(diào)查，特別是污染源沿線的調(diào)查還有待進(jìn)一步展開(kāi)。

[1] Kroger M, Meister K, Kava R. Low-calorie sweeteners and other sugar substitutes: A review of the safety issues [J]. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2006, 5: 35-47

[2] Lange F, Scheurer M, Brauch H J. Artificial sweeteners - A recently recognized class of emerging environmental contaminants: A review [J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, 403(9): 2503-2518

[3] Tollefsen K E, Nizzetto L, Huggett D B. Presence, fate and effects of the intense sweetener sucralose in the aquatic environment [J]. Science of the Total Environment, 2012, 438: 510-516

[4] Chattopadhyay S, Raychaudhuri U, Chakraborty R. Artificial sweeteners - A review [J]. Food Science, 2011, 51(4): 611-621

[5] Weihrauch M R, Diehl V. Artificial sweeteners-Do they bear a carcinogenic risk [J]. Annals of Oncology, 2004, 15(10): 1460-1465

[6] Scheurer M, Storck F R, Brauch H J, et al. Performance of conventional multi-barrier drinking water treatment plants for the removal of four artificial sweeteners [J]. Water Research, 2010, 44(12): 3573-3584

[7] Scheurer M, Brauch H J, Lange F T. Analysis and occurrence of seven artificial sweeteners in German waste water and surface water and in soil aquifer treatment (SAT) [J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009, 394(6): 1585-1594

[8] Loos R, Gawlik B M, Boettcher K, et al. Sucralose screening in European surface waters using a solid-phase extraction-liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometry method [J]. Journal of Chromatography A, 2009, 1216(7): 1126-1131

[9] Roy J W, Van Stempvoort D R, Bickerton G. Artificial sweeteners as potential tracers of municipal landfill leachate [J]. Environmental Pollution, 2014, 184(1): 89-93

[10] Robertson W D, Van Stempvoort D R, Solomon D K, et al. Persistence of artificial sweeteners in a 15-year-old septic system plume [J]. Journal of Hydrology, 2013, 477(1): 43-54

[11] Van Stempvoort D R, Robertson W D, Brown S J. Artificial sweeteners in a large septic plume [J]. Ground Water Monitoring and Remediation, 2011, 31(4): 95-102

[12] Gan Z W, Sun H W, Feng B T, et al. Occurrence of seven artificial sweeteners in the aquatic environment and precipitation of Tianjin, China [J]. Water Research, 2013, 47(14): 4928-4937

[13] Buerge I J, Keller M, Buser H R, et al. Saccharin and other artificial sweeteners in soils: Estimated inputs from agriculture and households, degradation, and leaching to groundwater [J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(2): 615-621

[14] Ordonez E Y, Quintana J B, Rodil R, et al. Determination of artificial sweeteners in sewage sludge samples using pressurised liquid extraction and liquid chromatography-tandem mass spectrometry [J]. Journal of Chromatography A, 2013, 1320: 10-16

[15] Oppel J, Broll G, L?ffler D, et al. Leaching behaviour of pharmaceuticals in soil-testing-systems: A part of an environmental risk assessment for groundwater protection [J]. Science of the Total Environment, 2004, 328(1-3): 265-273

[16] The Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD). Guidelines for the Testing of Chemicials: Leaching in Soil Columns [S]. Paris: OECD, 2004

[17] Gan Z W, Sun H W, Wang R N, et al. A novel solid-phase extraction for the concentration of sweeteners in water and analysis by ion-pair liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometry [J]. Journal of Chromatography A, 2013, 1274(1): 87-96

[18] 馮碧婷, 干志偉, 孫紅文, 等. 土壤中典型人工甜味劑的前處理方法優(yōu)化及高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析[J]. 色譜, 2014, 32(9): 930-935

Feng B T, Gan Z W, Sun H W, et al. Optimization of sample pretreatment method for determination of typical artificial sweeteners in soil by high performance liquid chromatography-tamdem mass spectrometry [J]. Chinese Journal of Chromatography, 2014, 32(9): 930-935 (in Chinese)

[19] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2007: 152-200

[20] Wang T, Sun H, Zhang Y. Cadmium immobilization by bioamendment in polluted farmland in Tianjin, China [J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2012, 17: 3507-3514

[21] Gibson R, Durán-lvarez J C, Estrada K L, et al. Accumulation and leaching potential of some pharmaceuticals and potential endocrine disruptors in soils irrigated with wastewater in the Tula Valley, Mexico [J]. Chemosphere, 2010, 81(11): 1437-1445

[22] Schwarzenbach R P, Gschwend P M, Imboden D M. Environmental Organic Chemistry [M]. New Jersey: John Wiley and Sons, 2003: 178-212

[23] Wolf L, Zwiener C, Zemann M. Tracking artificial sweeteners and pharmaceuticals introduced into urban groundwater by leaking sewer networks [J]. Science of the Total Environment, 2012, 430(1): 8-19

◆

Study on the Leaching Behavior of Typical Artificial Sweeteners in Soils

Ma Ling1, Feng Biting1, Zhou Meng2, Hu Hongwei3, Sun Hongwen1,*

1. College of Environmental Science and Engineering, Ministry of Education Key Laboratory of Pollution Processes and Environmental Criteria, Nankai University, Tianjin 300350, China 2. Tianjin Vehicle Emission Inspection and Control Center, Tianjin 300391, China 3. Tianjin TEDA Green Group Company, Tianjin 300457, China

Artificial sweeteners (ASs) are used worldwide as sugar substitutes in remarkable amounts in food, pharmaceuticals, personal care products as well as in animal feed, however, the majority of artificial sweeteners ingested by human and animals are almost not absorbed or metabolized and get into environment through the urine and feces directly. In this study, acesulfame, saccharin, cyclamate, and sucralose were detected in different soil layers along a sweage canal and around a sweetener factory in Tianjin. Soil column leaching experiments on acesulfame and sucralose were conducted to study their mobility and the possible risk to contaminate ground water. The results showed that more than 87% of the two tested sweeteners were detected in leachates and less than 13% of them existed in soil column or lost, mainly in the deep layer, indicating the strong mobility. Therefore, it may cause risk to groundwater. Furthermore, the influence of acesulfame and sucralose on dissolved organic matter (DOM), pH and electrical conductivity (EC) of the leachates were measured. The results indicated that both of the two artificial sweeteners could enhance the leaching of DOM, while they rarely had any impact on pH or EC of the leachates.

artificial sweeteners; soil; leaching behavior

10.7524/AJE.1673-5897.20151129005

國(guó)家自然科學(xué)基金(41225014)；科技部“973”項(xiàng)目(2014CB441104)

馬鈴(1991-)，女，碩士，研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)，E-mail: maling@mail.nankai.edu.cn

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: sunhongwen@nankai.edu.cn

2015-11-29 錄用日期：2016-02-26

1673-5897(2016)2-650-08

X171.5

A

簡(jiǎn)介：孫紅文(1967—)，女，環(huán)境化學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染化學(xué)、人體健康與生態(tài)修復(fù)，發(fā)表論文260余篇。

馬鈴, 馮碧婷, 周萌, 等. 人工甜味劑在不同類(lèi)型土壤中的淋溶行為研究[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(2): 650-657

Ma L, Feng B T, Zhou M, et al. Study on the leaching behavior of typical artificial sweeteners in soils [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 650-657 (in Chinese)