基于Tenax脫附技術(shù)評價(jià)沉積物中不同碳質(zhì)對菊酯類農(nóng)藥生物有效性的影響研究

石文瑄，陳美娜，席培恒，谷義杰，李娟英

上海海洋大學(xué)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心 上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306

基于Tenax脫附技術(shù)評價(jià)沉積物中不同碳質(zhì)對菊酯類農(nóng)藥生物有效性的影響研究

石文瑄，陳美娜，席培恒，谷義杰，李娟英*

上海海洋大學(xué)水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種中心 上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201306

本文選取泥炭、生物質(zhì)炭、木炭和活性炭4種含碳材料，結(jié)合以經(jīng)濟(jì)底棲生物菲律賓蛤仔(Venerupis philippinarum)為受試生物的生物累積實(shí)驗(yàn)和Tenax連續(xù)萃取法，闡述不同碳質(zhì)對沉積物中4種菊酯類農(nóng)藥生物有效性的影響，并將Tenax萃取結(jié)果與底棲生物的累積結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果表明，碳質(zhì)的添加導(dǎo)致沉積物中菊酯類農(nóng)藥的快速脫附組分(Frap)降低，極慢速脫附組分(Fvs)增大，生物有效性降低，且4種碳質(zhì)對Frap的影響有所不同，然而因?yàn)榫挣ヮ愞r(nóng)藥的理化性質(zhì)，F(xiàn)rap的差異并不顯著。Tenax 6 h和24 h的單點(diǎn)萃取組分與快速脫附組分相關(guān)性顯著(P<0.0001)，基本可以代替完整的脫附動(dòng)力學(xué)評價(jià)生物有效性，但是對于組成復(fù)雜，有機(jī)碳(OC)和黑炭(BC)含量高的沉積物進(jìn)行研究評價(jià)時(shí)仍應(yīng)注意由此產(chǎn)生的偏離。Tenax快速脫附組分與2種底棲生物累積結(jié)果之間具有顯著的相關(guān)性(R2=0.38, P<0.0001)，表明在OC和BC含量不同的沉積物中，Tenax萃取技術(shù)也可以預(yù)測菊酯類農(nóng)藥在經(jīng)濟(jì)底棲生物菲律賓蛤仔體內(nèi)的累積量，進(jìn)而為沉積物中HOCs的環(huán)境質(zhì)量和相關(guān)水產(chǎn)品的質(zhì)量評估提供更為快捷、有效的參考依據(jù)。

菊酯類農(nóng)藥；碳質(zhì)；Tenax萃??；生物有效性；沉積物

Received12 January 2017accepted18 April 2017

Abstract: Pyrethroids are a group of widely used synthetic insecticides with high hydrophobicity and aquatic toxicity. Previous studies have indicated that organic carbon (OC) especially black carbon (BC) plays an important role in the bioavailability of hydrophobic organic contaminants (HOCs) in sediments. However, the effect of OC on the bioavailability of pyrethroids in sediments is less konwn. In this study, the effect of four different types of carbon sorbents (peat soils, biochar, charcoal and activated carbon) on the bioavailability of sediment-associated pyrethroids was studied based on the bioaccumulation in Venerupis philippinarum and the Tenax desorption kinetics. The results showed that the carbon sorbents could decrease the fraction of rapid desorption (Frap) and increase the fraction of very slow desorption (Fvs) of pyrethroids in sediment. The sequestration capacity of four sobents were similar except for peat soils as the sorption capacity to HOCs of BC sorbents (biochar, charcoal and activated carbon) was found much stronger than that of humic substances (peat soils). Although the three BC sorbents have different specific surface area (SSA) and pore volumes, they still had a similar sequestration capacity to the bioavailability of pyrethroids, mainly due to the large molecular sizes and the nonplanar structure of pyrethroids. In addition, the efficiency of the carbon sorbent treatment was found to increase had the activated carbon in sediments increased. After 672 h Tenax extraction, about 77.5%-91.6%, 71.9%-87.4%, 68.7%-82.6%, 65.6%-78.0%, and 47.8%-70.5% pyrethroids was desorbed for the 0, 0.7%, 2%, 3%, and 5% activated carbon amended sediments, respectively. Significant correlations were observed between the Frapof pyrethroids with Tenax 6 h and with 24 h (P<0.0001) in sediment (F6/Frap=0.95, F24/Frap=1.18). Abnormal points were found when the sediments were amended with 5% activated carbon. It demonstrated that the single time-point Tenax 6 h or 24 h, instead of the whole desorption kinetics can be used to evaluate the bioavailability of sediment-associated pyrethroids. However a large amendment of BC might make the method instability. Further, the relationship between the OC-normalized concentration of rapid desorption (Cs,rap) and the lipid-normalized concentration of pyrethroids in Venerupis philippinarum (Cb,lip) was analyzed. There was a siginificant correlation between Cs,rapand Cb,lip(log Cs,rap=1.5 log Cb,lip-0.49，R2=0.38, P<0.0001), indicating that Tenax extraction not only can predict the concentrations of prethroids in benthic organisms in complex matrix, but also can provide the basis for evaluating the bioavailability of sediment-associated HOCs in aquaculture pond and the quality of aquatic products.

Keywords: pyrethroids; carbon sorbents; Tenax extraction; bioavailability; sediment

菊酯類農(nóng)藥是繼有機(jī)氯、有機(jī)磷農(nóng)藥之后的一種新型殺蟲劑，因其廣譜、高效、對人畜低毒而廣泛用于農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生和漁業(yè)等領(lǐng)域[1]。菊酯類農(nóng)藥對防治魚類體表甲殼類內(nèi)寄生蟲、滅殺敵害生物有良好的效果，于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。殘留在環(huán)境中的菊酯類農(nóng)藥不但對水生生物具有高毒性，可能會(huì)通過食物鏈生物放大而對人類健康產(chǎn)生潛在威脅，因此在世界范圍內(nèi)引起了來越來越廣泛的關(guān)注[1]。

菊酯類農(nóng)藥的疏水性較強(qiáng)，進(jìn)入環(huán)境中后更容易沉積在底泥中[3]。研究表明，當(dāng)沉積物或土壤中有機(jī)碳含量大于0.01%～0.2%時(shí)，疏水性有機(jī)污染物(HOCs)在沉積物中的吸附主要由沉積物中的碳質(zhì)控制[4]，而沉積物碳質(zhì)由性質(zhì)各異的不同組分構(gòu)成，它們對HOCs的吸附能力并不均一，其中黑碳(BC)被認(rèn)為對HOCs有著極強(qiáng)的吸附作用，它是生物質(zhì)或化石燃料不完全燃燒所形成的一類特殊產(chǎn)物，具有較大的比表面積、孔隙率和離子交換能力[5]，可以吸附有機(jī)污染物和重金屬[6-7]，這種吸附作用會(huì)直接影響到HOCs在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、生物有效性和生物毒性[8-10]。目前對于黑碳影響污染物生物有效性的研究多集中在多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、含溴阻燃劑、氯苯類等污染物[11-12]，但是有關(guān)碳質(zhì)對沉積物中一些殺蟲劑如擬除蟲菊酯類農(nóng)藥的生物有效性的影響鮮見報(bào)道。

傳統(tǒng)方法對沉積物中HOCs進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估通常采用污染物總量測定的方法。但沉積物中的HOCs通過與碳質(zhì)相互作用后，很大部分較難脫附和被生物利用[13]，因此導(dǎo)致總量評估的方法可能會(huì)高估這部分污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[14-15]。因此生物有效性問題成為近年來沉積物中HOCs評價(jià)研究的熱點(diǎn)。目前，主要的評價(jià)方法有基于熱力學(xué)平衡(如固相微萃取技術(shù))和基于脫附動(dòng)力學(xué)過程(如Tenax萃取)等評價(jià)方法[16]。Tenax萃取技術(shù)能夠完整地描述沉積物中HOCs的脫附過程，提供非熱力學(xué)平衡狀態(tài)下污染物的生物有效性，尤其對濾食性的底棲生物，可以大幅度提高評價(jià)的準(zhǔn)確性[17-18]。

本研究以菊酯類農(nóng)藥為研究對象，在海洋經(jīng)濟(jì)雙殼類底棲生物菲律賓蛤仔為受試生物的生物累積實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于脫附動(dòng)力學(xué)的Tenax萃取技術(shù)分析了4種碳質(zhì)，泥炭、木炭、生物質(zhì)炭和活性炭對沉積物中菊酯農(nóng)藥生物有效性及生物富集的影響，進(jìn)而驗(yàn)證Tenax萃取技術(shù)用于評價(jià)不同特性沉積物中HOCs生物有效性和預(yù)測生物累積的可靠性和準(zhǔn)確性，以期在評價(jià)沉積物中菊酯類農(nóng)藥生物有效性時(shí)提供更為簡單可行的方法，同時(shí)也為沉積物修復(fù)治理提供有力參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法(Materials and methods)

1.1 藥品與試劑

甲醇、丙酮、正己烷和二氯甲烷等有機(jī)溶劑均為色譜純，購自美國Sigma公司；無水硫酸鈉、Florisil硅土(60～100目)和銅片均為分析純，購自國藥集團(tuán)。無水硫酸鈉、Florisil硅土在使用前置于馬弗爐中在650 ℃下灼燒6 h，冷卻后轉(zhuǎn)移到干燥器備用；銅片在使用前，用5 mol·L-1鹽酸活化5 h后再用丙酮超聲清洗2次備用。Tenax-TA(60～80目)購自美國Supelco公司，使用前分別用丙酮和正己烷超聲清洗3次，75 ℃條件下烘干備用。4種菊酯類農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品高效氯氟氰菊酯(LCY)、聯(lián)苯菊酯(BF)、氯菊酯(PERM)和甲氰菊酯(FN)購自國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，用丙酮溶解并配成濃度為1 000 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，置-18 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法1.2.1 沉積物的采集、分析及加標(biāo)老化

本實(shí)驗(yàn)中所用沉積物采自上海洋山港潮間帶表層底泥，泥炭購自荷蘭Pindstrup Mosebrug公司，活性炭購自上海展云化工有限公司，木炭由中國安徽的蘋果木燃燒而成，生物質(zhì)炭是用花生殼在實(shí)驗(yàn)室馬弗爐中于400 ℃下不完全燃燒而成，所有材料均經(jīng)酸洗去除灰分。為研究不同碳質(zhì)對沉積物中菊酯類農(nóng)藥生物有效性的影響，分別向沉積物中加入等量泥炭、生物質(zhì)炭、木炭和活性炭，使4種碳質(zhì)都占沉積物干重的3%；另外，為研究不同碳質(zhì)含量對農(nóng)藥生物有效性的影響，分別以0.7%、1.5%、3%和5%的濃度將活性炭加入沉積物中，并向所有添加碳質(zhì)的沉積物中加入4種菊酯類農(nóng)藥丙酮溶液，使沉積物中農(nóng)藥的濃度均為100 μg·kg-1(干重，dw)，混勻，于4 ℃冰箱內(nèi)避光條件下老化28 d后用于Tenax萃取實(shí)驗(yàn)和生物累積實(shí)驗(yàn)。

空白沉積物和4種碳質(zhì)的有機(jī)碳(OC)和黑碳(BC)含量采用元素分析儀(Elementar vario MAX CNS)測定，比表面積和孔容采用Tristar II 3020比表面積分析儀測定，測定結(jié)果見表1。

1.2.2 生物累積實(shí)驗(yàn)

菲律賓蛤仔(Venerupis philippinarum)購自上海市蘆潮港菜市場，選取殼長(32±2) mm、殼高(12±2) mm的健壯成年蛤仔在實(shí)驗(yàn)室條件下馴養(yǎng)3周以上。馴養(yǎng)過程中使用人工海水(ISO-10253)進(jìn)行養(yǎng)殖，鹽度為25±2，水溫控制為(20±1) ℃，連續(xù)曝氣，日換水量1/2，每天定時(shí)定量投加實(shí)驗(yàn)純培養(yǎng)微藻餌料(三角褐指藻和青島大扁藻)。生物樣品中脂肪的測定采用索氏抽提法，具體操作步驟參考GB/T 5009.6—2003《食品中脂肪的測定》，脂肪含量為0.51%±0.16%。

累積實(shí)驗(yàn)參照EPA方法(EPA 600/R-99/064)，稱取2 kg (濕重)左右的加標(biāo)老化沉積物，放入8 L玻璃缸中，加入6 L左右上覆水。靜置1 d后，向盛裝底泥的玻璃缸中放入馴養(yǎng)后的菲律賓蛤仔30只，采用半靜水式方法(日換水量1/2)進(jìn)行累積實(shí)驗(yàn)，條件同馴養(yǎng)，暴露期間不喂食。2種生物的累積實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置1個(gè)空白，每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)平行，持續(xù)28 d。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將生物和沉積物取出，冷凍干燥磨碎后備用。

表1 沉積物、泥炭、生物質(zhì)炭、木炭和活性炭的性質(zhì)Table 1 Properties of sediment, peat soils, biochar, charcoal and activated carbon

1.2.3 Tenax脫附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

取4 g(濕重)老化沉積物置于40 mL棕色樣品瓶中，加入0.3 g Tenax和35 mL去離子水，再加入約3 mg的HgCl2(相當(dāng)于沉積物干重的0.15%)，搖勻后置于振蕩器上連續(xù)振蕩。在合適的時(shí)間點(diǎn)(1、6、24、48、96、168、312、480和672 h)分離Tenax，重新加入0.3 g新鮮Tenax，繼續(xù)振蕩。將上述步驟中每次分離出的Tenax用10 mL丙酮/正己烷(V/V=1∶1)混合液超聲萃取2次，每次10 min，將2次萃取液合并，按3 000 r·min-1離心5 min，輕柔氮?dú)獯蹈?，用正己烷定容? mL，待氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)測定，試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行。

1.3 樣品處理及測定1.3.1 樣品的萃取和凈化

稱取冷凍干燥后的沉積物樣品2 g放入微波萃取管中，加入15 mL丙酮/正己烷(V/V=1∶1)混合液，進(jìn)行微波萃取，提取溫度90 ℃，運(yùn)行萃取40 min，萃取結(jié)束后，放入銅片并避光放置1 d，濃縮萃取液至1 mL左右進(jìn)行凈化。凈化柱從下至上依次填充1 cm無水硫酸鈉、3～5 g Florisil硅土和1 cm活性炭粉末，凈化之前需用20 mL正己烷預(yù)淋洗凈化柱，然后將濃縮后的萃取液移入凈化柱中，用50 mL正己烷/二氯甲烷(V/V=7∶3)混合液淋洗，收集淋洗液，輕柔氮?dú)獯蹈桑谜和槎ㄈ葜? mL，GC-MS待測。

稱取冷凍干燥后的生物樣品0.5 g放入微波萃取管中，加入15 mL丙酮/正己烷(V/V=1∶1)混合液，進(jìn)行微波萃取，提取溫度90 ℃，運(yùn)行萃取40 min，萃取結(jié)束后，萃取液用輕柔氮?dú)獯抵两瑢⑷軇┲脫Q為4 mL乙腈，再加入4 mL乙腈飽和的石油醚，漩渦振蕩1 min，使其充分混合。于3 000 r·min-1離心5 min，棄去上層石油醚，將乙腈層氮?dú)獯蹈伞?乙腈飽和的石油醚的配制：參考GB/T5009.132—2003，向100 mL石油醚中加入20 mL乙腈，振蕩1 min，待靜置分層后，上層即為乙腈飽和的石油醚，取其保存?zhèn)溆肹19])。將上述氮?dú)獯蹈傻纳飿悠酚? mL正己烷/二氯甲烷(V/V=1∶1)混合液溶解殘留物移入已經(jīng)預(yù)淋洗好的凈化柱中，凈化柱從下至上依次為1 cm無水硫酸鈉和3～5 g Florisil硅土，用50 mL正己烷/二氯甲烷(V/V=7∶3)混合液淋洗，收集淋洗液，輕柔氮?dú)獯蹈?，用正己烷定容? mL，GC-MS待測。

1.3.2 色譜分析

采用Agilent7890A/5975C氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)色譜柱進(jìn)行分離分析。選用EI離子源，選擇離子監(jiān)測模式，脈沖不分流方式進(jìn)樣，進(jìn)樣量為2 μL，載氣流量為1.2 mL·min-1。氣相條件：進(jìn)樣口溫度為280 ℃；色譜柱初始溫度100 ℃，保持0 min；以15 ℃·min-1升到190 ℃，保持0 min；6 ℃·min-1升到215 ℃，保持0 min；20 ℃·min-1升到280 ℃，保存10 min；20 ℃·min-1升到310 ℃，保持2 min。質(zhì)譜條件：離子源溫度為230 ℃，傳輸線溫度為300 ℃，四級桿溫度為150 ℃。

1.4 質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

生物累積試驗(yàn)期間生物的死亡率控制在15%以內(nèi)，均無急性毒性，滿足生物累積試驗(yàn)的要求。沉積物和生物樣品提取前，進(jìn)行加標(biāo)3個(gè)濃度梯度菊酯類農(nóng)藥的樣品回收率實(shí)驗(yàn)，其回收率在62%～104%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為8%～13%，方法檢出限為1.14～2.04 μg·kg-1。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 碳質(zhì)對Tenax脫附動(dòng)力學(xué)的作用

Tenax作為一種顆粒狀多孔膜材料，具有孔隙多、比表面積大、吸收容量大等特點(diǎn)，可以源源不斷地提取孔隙水中的污染物，從而使得沉積物中的污染物向孔隙水中轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到完全提取的目的[15]。沉積物中的HOCs據(jù)碳質(zhì)對其吸附能力的不同可以分為快速、慢速和極慢速解吸部分，這3部分所占比例可以用Tenax連續(xù)萃取結(jié)果擬合的三相脫附方程獲得[20](式1和2)，且多項(xiàng)研究表明，快速脫附組分(Frap)因容易脫附下來進(jìn)入到水相中，易于被生物吸收富集，因此能夠很好地表征HOCs的生物有效性[21-22]，其他2部分不易脫附因此不容易被生物吸收利用。

(1)

Frap+Fslow+Fvs=1

(2)

其中S0和St分別表示初始點(diǎn)和t(h)時(shí)間點(diǎn)測得的沉積物中HOCs的含量(ng·g-1)；Frap，F(xiàn)slow和Fvs分別表示快速、慢速和極慢速脫附組分所占的比例；krap，kslow和kvs則分別為快速、慢速和極慢速脫附速率常數(shù)(h-1)。

本文結(jié)合了生物累積實(shí)驗(yàn)時(shí)間以及前人的研究方法，使用Tenax樹脂對添加不同碳質(zhì)沉積物上的菊酯類農(nóng)藥進(jìn)行672 h連續(xù)萃取[21, 23-24]，研究不同碳質(zhì)影響下沉積物中菊酯類農(nóng)藥的脫附動(dòng)力學(xué)，得出各脫附動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表2)。

表2 4種碳質(zhì)影響下菊酯類農(nóng)藥的快速、慢速和極慢速脫附比例及相應(yīng)脫附速率常數(shù)Table 2 Desorption rate constants and fractions for three compartments (fast, slow and very slow) with 4 carbon sorbents amended

注：Frap、Fslow和Fvs分別為快速、慢速和極慢速脫附組分的量占總量的比例(%)；krap、kslow和kvs分別為快速、慢速和極慢速脫附組分的脫附速率常數(shù)(h-1)；R2為決定系數(shù)；Kow為辛醇-水分配系數(shù)。LCY, BF, PERM, FN表示高效氯氟氰菊酯、聯(lián)苯菊酯、氯菊酯和甲氰菊酯。

Note: Frap, Fslowand Fvs(%) are fraction of pyrethroids for the rapidly, slowly and very slowly desorbing compartments, respectively; krap, kslowand kvs(h-1) are the rate constants describing rapid, slow and very slow desorption; R2is the coefficient of determination; Kowis octanol-water partition coefficient. LCY, BF, PERM, FN are lambda-cyhalothrin, bifenthrin, permethrin and fenpropathrin.

由表2可知，未添加碳質(zhì)的洋山港沉積物中4種菊酯類農(nóng)藥的快速脫附組分(Frap)占到接近一半，范圍處于49.83%～60.10%之間，極慢速脫附組分(Fvs)占13.33%～30.14%。添在加碳質(zhì)后，沉積物中菊酯類農(nóng)藥的Frap減少至25.96%～46.04%，而Fvs增加至21.75%～45.69%，說明沉積物中OC和BC含量的增加可以顯著降低菊酯類農(nóng)藥的生物有效性。雖4種碳質(zhì)的添加量相同(3%)，但對菊酯解吸的影響略有不同，泥炭的影響最弱，木炭和生物質(zhì)炭影響作用次之，活性炭最強(qiáng)。這是因?yàn)槟嗵繉儆诟迟|(zhì)，而另外3種皆為不完全燃燒的熱解產(chǎn)物，即黑碳。研究表明[25]，黑碳對HOCs有著極強(qiáng)的吸附作用，因?yàn)樗嬗袩o機(jī)碳的物理結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳的吸收能力。純無機(jī)碳吸附劑，如碳納米管，是憑借其多孔結(jié)構(gòu)來吸附污染物的，而對于有機(jī)質(zhì)，如腐殖酸等，則憑借分配作用吸收污染物，吸附強(qiáng)度較弱，而黑碳則是結(jié)合了兩者的特性，所以黑碳對HOCs的吸附既有表面有機(jī)質(zhì)的分配作用，又可以有內(nèi)部的孔隙填充[26]，因此，黑碳對菊酯類農(nóng)藥解吸的影響效果更強(qiáng)。對于黑碳來說，不同來源、不同燃燒條件下得到的黑碳理化性質(zhì)(如比表面積、微孔數(shù)量、元素組成及表面官能團(tuán)等)不同[27-29]，而這些理化性質(zhì)與HOCs的吸附能力密切相關(guān)[30-31]，本研究所用3種黑碳中活性炭的比表面積和孔容均最大(表1)，菊酯農(nóng)藥更容易進(jìn)入微孔而被強(qiáng)吸附于黑碳內(nèi)部，因此活性炭的吸附效果最強(qiáng)，使得沉積物中菊酯農(nóng)藥難以脫附，最有效地降低生物有效性。

4種碳質(zhì)對菊酯類農(nóng)藥的生物有效性的影響與其他研究結(jié)果基本一致，例如Fang等[11]發(fā)現(xiàn)活性炭對PBDEs的吸附作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于木炭和生物質(zhì)炭。Mcleod等[12]用了7種含碳材料并研究了它們對沉積物中苯并芘和四氯聯(lián)苯生物有效性的影響，發(fā)現(xiàn)活性炭對它們生物有效性的抑制作用為泥炭的40倍。但本實(shí)驗(yàn)中4種碳質(zhì)對菊酯類農(nóng)藥生物有效性的影響差別并非如此顯著(Frap接近)，這可能是因?yàn)榫挣ヮ愞r(nóng)藥較大的分子量和非平面結(jié)構(gòu)所造成的，這種特性使得菊酯類農(nóng)藥相對較難進(jìn)入黑碳的微孔中，使不同有機(jī)碳類型對其影響差別不顯著[10]。另外，從脫附速率常數(shù)中也可看出快速、慢速和極慢速解吸組分的脫附速率常數(shù)數(shù)量級均分別為10-1、10-2和10-4，與其他文獻(xiàn)報(bào)道出的數(shù)量級基本一致[24]，由于脫附速率常數(shù)可以用來表示化合物的結(jié)合強(qiáng)度[32]，這也說明了4種碳質(zhì)對菊酯的吸附能力相仿，對生物有效性的影響差別不明顯。

由于活性炭對沉積物上菊酯類農(nóng)藥的解吸影響最強(qiáng)，因此選取活性炭為代表研究不同濃度黑碳對菊酯類農(nóng)藥Tenax脫附動(dòng)力學(xué)的影響，脫附曲線如圖1所示，發(fā)現(xiàn)活性炭的影響隨著含量的增加而升高，在用不同含量活性炭修正(0%、0.7%、2%、3%、5%)的沉積物中，經(jīng)過672 h的萃取后，分別有77.5%～91.6%、71.9%～87.4%、68.7%～82.6%、65.6%～78.0%、47.8%～70.5%的菊酯類農(nóng)藥被解吸。說明活性炭添加量越多對菊酯類農(nóng)藥的脫附影響越大，但添加3%的活性炭后的Frap值(25.96%～36.48%)和添加5%的活性炭后的Frap值(14.82%～32.87%)差別已較小，且Frap表征的是生物有效性，所以再增加添加量可能并不會(huì)對生物有效性有更好的抑制效果，且BC含量過高也會(huì)影響Tenax評價(jià)生物有效性的效果，考慮到成本和實(shí)際操作問題，我們認(rèn)為添加3%左右的活性炭對沉積物的修復(fù)效果最佳。

2.2 Tenax單點(diǎn)萃取技術(shù)評價(jià)沉積物中菊酯類農(nóng)藥的生物有效性

由上述脫附動(dòng)力學(xué)可知，快速脫附組分(Frap)是基于完整的脫附動(dòng)力學(xué)擬合而來，且實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間較長，所以許多研究認(rèn)為Tenax單點(diǎn)萃取6 h和24 h時(shí)所獲得的組分所占比例(F6和F24)也可以用來表征Frap，能夠較好地評價(jià)沉積物中HOCs的生物有效性[33]。本研究通過對Frap與F6和F24的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)rap與F6和F24呈顯著相關(guān)(圖2，P<0.0001)其中F6、F24與Frap的比值分別為0.95和1.18，與之前本課題組的研究結(jié)果類似[11]。通過比較F6/Frap和F24/Frap可知，Tenax單點(diǎn)萃取比例(F6和F24)可以用于菊酯類農(nóng)藥生物有效性評價(jià)，但需要注意的是，圖2中有異常離散值，這幾個(gè)值是在添加了5%活性炭時(shí)出現(xiàn)的，此時(shí)高效氯氟氰菊酯的F6/Frap和F24/Frap值分別為0.16和0.84，F(xiàn)6/Frap與上述相關(guān)性分析所得到的比值相差較大，這可能是因?yàn)槌练e物中高BC含量所引起，且高效氯氟氰菊酯的疏水性最強(qiáng)(log Kow=7.00)，最容易受到BC吸附的影響。有研究顯示，當(dāng)用Tenax萃取6 h和24 h所獲得的組分評價(jià)污染物的生物有效性時(shí)，F(xiàn)6幾乎是Frap的一半[20]，F(xiàn)24與Frap的值幾乎相同[21]，如Liu等[21]的研究中PBDE的F6/Frap的比值為0.6±0.02，F(xiàn)24/Frap的比值為1.0±0.02，Yang等[34]的研究發(fā)現(xiàn)DDT的F6/Frap的比值范圍在0.47～0.54之間，均低于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，說明沉積物的特性尤其是OC的組成特性對Frap有影響。因此，在用Tenax單點(diǎn)萃取法對組成復(fù)雜，OC和BC含量高的沉積物進(jìn)行研究評價(jià)時(shí)，應(yīng)注意由此產(chǎn)生的預(yù)測偏離。

圖1 活性炭含量對Tenax脫附動(dòng)力學(xué)的影響Fig. 1 The effect of activated carbon content on Tenax desportion kinetics of four pyrethroids

圖2 Frap與F6和F24的相關(guān)性Fig. 2 The relationship between Frap and F6/F24

2.3 基于Tenax萃取的生物有效性與生物累積的關(guān)系

Tenax萃取技術(shù)不僅被廣泛應(yīng)用于評價(jià)沉積物中HOCs的生物有效性，同時(shí)其快速脫附部分與生物累積量之間存在良好的相關(guān)性，并且污染物濃度經(jīng)有機(jī)碳標(biāo)化后其相關(guān)性更為顯著[15]。本文分析了快速脫附組分經(jīng)有機(jī)碳標(biāo)化后菊酯類農(nóng)藥的濃度Cs,rap(ng·kg-1)與雙殼類經(jīng)濟(jì)底棲生物菲律賓蛤仔體內(nèi)經(jīng)脂肪標(biāo)化后菊酯類農(nóng)藥濃度Cb,lip(ng·kg-1)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，logCs,rap與logCb,lip之間的顯著相關(guān)(圖3，P<0.0001)。先前的研究也表明，Tenax萃取結(jié)果與生物累積結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性，如Trimble等[35]研究了基于Tenax萃取的log Cs,rap與通過底棲無脊椎動(dòng)物L(fēng)umbriculus variegates富集多氯聯(lián)苯(PCBs)得到的log Cb,lip之間的線性關(guān)系，即log Cs,rap=0.94log Cb,lip+ 0.83，R2=0.91。陳美娜等[36]使用Tenax萃取法評價(jià)沉積物中有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)的生物有效性時(shí)，發(fā)現(xiàn)菲律賓蛤仔和河蜆體內(nèi)經(jīng)脂肪標(biāo)稱的OCPs濃度與Tenax快速萃取部分并經(jīng)有機(jī)碳標(biāo)稱的濃度之間存在明顯的相關(guān)性(P<0.0001)。本文在此基礎(chǔ)上在沉積物中加入不同的碳質(zhì)，表明在OC和BC含量不同的沉積物中，Tenax萃取技術(shù)也可以預(yù)測菊酯類農(nóng)藥在經(jīng)濟(jì)底棲生物菲律賓蛤仔體內(nèi)的累積量，進(jìn)而為沉積物中HOCs的環(huán)境質(zhì)量和相關(guān)水產(chǎn)品的質(zhì)量評估提供更為快捷、有效的參考依據(jù)。

圖3 生物體內(nèi)菊酯類農(nóng)藥濃度(Cb,lip)和Tenax萃取 快速脫附濃度(Cs,rap)的關(guān)系Fig. 3 The relationship between concentrations of pyrethroids in Ruditapes philippinarum (Cb,lip ) and concentrations in rapidly desorbing fraction (Cs,rap) of sediment measured by Tenax extraction

綜上所述：

(1) Tenax脫附動(dòng)力學(xué)的結(jié)果表明，添加碳質(zhì)使沉積物中菊酯類農(nóng)藥的快速脫附組分(Frap)減小，極慢速脫附組分(Fvs)增大，生物有效性降低，且4種碳質(zhì)對Frap的影響有所不同，其中活性炭影響最大，泥炭影響最弱，然而因?yàn)榫挣ヮ愞r(nóng)藥的理化性質(zhì)，F(xiàn)rap的差異并不顯著。另外活性炭添加量越多對菊酯類農(nóng)藥的脫附影響越大，但考慮到成本和實(shí)際的影響效果，我們認(rèn)為添加3%左右的活性炭對沉積物的修復(fù)效果最佳。

(2) Tenax 6 h和24 h的單點(diǎn)萃取技術(shù)基本可以代替完整的脫附動(dòng)力學(xué)評價(jià)生物有效性，F(xiàn)6和F24使得在評價(jià)上更加簡單快速而有效，但是對于組成復(fù)雜，OC和BC含量高的沉積物進(jìn)行研究評價(jià)時(shí)，應(yīng)注意由此產(chǎn)生的偏離。

(3) Tenax快速脫附組分與底棲生物累積結(jié)果之間具有顯著的相關(guān)性，表明在OC和BC含量不同的沉積物中，Tenax萃取技術(shù)也可以預(yù)測菊酯類農(nóng)藥在經(jīng)濟(jì)底棲生物菲律賓蛤仔體內(nèi)的累積量，進(jìn)而為沉積物中HOCs的環(huán)境質(zhì)量和相關(guān)水產(chǎn)品的質(zhì)量評估提供更為快捷、有效的參考依據(jù)。

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◆

StudyontheEffectofDifferentCarbonSorbentsontheBioavailabilityofSediment-associatedPyrethroidsBasedonTenaxDesorptionTechnology

Shi Wenxuan, Chen Meina, Xi Peiheng, Gu Yijie, Li Juanying*

Shanghai Collaborative Innovation Center for Aquatic Animal Genetics and Breeding, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China

10.7524/AJE.1673-5897.20170112007

2017-01-12錄用日期2017-04-18

1673-5897(2017)3-382-09

X171.5

A

李娟英(1978—)，女，環(huán)境化學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)。

養(yǎng)殖水中疏水性有機(jī)污染物的原位仿生監(jiān)測與去除(A1-2037-16-0001-12)

石文瑄(1992—)，女，碩士在讀，研究方向?yàn)榄h(huán)境化學(xué)，E-mail：421863785@qq.com

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

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