菠菜對柴油污染土壤中多環芳烴富集特征及健康風險評估

程琪琪,郭 瑾,柴 超,葛 蔚

1.青島農業大學資源與環境學院，山東 青島 266019；2.青島市農村環境工程研究中心，山東 青島 266019；3.青島農業大學生命科學學院，山東 青島 266019)

多環芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是由2個或2個以上苯環組成的有機污染物[1]。PAHs主要由有機材料的不完全燃燒產生，因具有持久性、遠距離遷移性和致癌性而成為全球范圍內最普遍存在和最受關注的污染物[2]。PAHs的產生大多來自于人為活動，例如化石燃料燃燒、石油排放、汽車尾氣、垃圾焚燒、生物質燃燒、石油精煉、焦炭和瀝青生產以及鋁生產[3-5]。土壤是PAHs最重要的環境載體，承擔了90%以上PAHs的環境負荷[6]。土壤PAHs污染可能來自于大氣中的PAHs，尤其是在城市中心的交通要地，釋放到大氣中的PAHs通過降水在土壤中積累[7]。來自于燃料和石油中的PAHs也會迅速附著在土壤顆粒上，并在其中積累[8]。由于它們具有較長的半衰期和高度穩定的化學結構，容易在土壤中積累且很難降解[3]。污染土壤中PAHs的消散可能是揮發、不可逆的吸附、浸出、植物積累和生物降解[9]，但含有3個及3個以上苯環的PAHs在土壤中有較強的吸附性[7]。土壤中PAHs的濃度和組成可以提供評估污染水平、排放源和健康風險的必要信息[10]。

菠菜(Spinaciaoleracea)是較為常見的蔬菜之一，對于種植環境的要求很低，但人們對污染土壤中種植菠菜的健康風險研究并不深入。對于菠菜的研究多集中在肥料施加和重金屬污染對菠菜生長的影響方面，有研究發現有機無機肥配施處理能更好地調節土壤氮素釋放，促進菠菜生長[11]；高濃度Cd會抑制菠菜生長，低濃度Cd處理對菠菜生長具有刺激作用，使株高顯著上升[12]。關于菠菜中有機污染物的研究認為，有機磷農藥毒死蜱在冬季大棚菠菜中的降解速度顯著慢于在春季大棚和露地栽培菠菜中的降解速度[13]；鄰苯二甲酸酯、雙酚A單一污染對菠菜種子萌發指標的影響表現為低促高抑，與單一污染相比，復合污染加劇了菠菜種子萌發的促進或抑制程度[14]。對于菠菜在PAHs污染土壤中種植的相關研究并不多，筆者選取菠菜為研究對象，采集、制備不同PAHs污染程度和來源的土壤，采用盆栽實驗方法測定不同土壤中種植的菠菜地上部與地下部中PAHs含量及組成，分析不同環數PAHs在菠菜中的富集系數，比較不同PAHs來源土壤種植菠菜中PAHs組成、富集系數及終生致癌風險的差異，評估不同年齡人群食用菠菜的終生致癌風險。

1 材料與方法

1.1 土壤采集與制備

研究選取山東青島大沽河沿岸某林地、山東青島膠州地區某蔬菜基地以及山東濰坊諸城某熱電廠周邊農田采集土壤，分別為輕度、中度和重度PAHs污染土壤，記為T1、T2和T3。3種采集土壤各項理化性質見表1。柴油中含有多種PAHs[15-16]，在相對潔凈的T1土壤中加入不同質量的柴油以配制柴油來源的PAHs污染土壤，分別記為T4和T5，T4和T5土壤中柴油的添加比例分別為10和15 mL·kg-1，老化2個月后 T4和T5土壤中PAHs含量分別為612.7和826.6 ng·g-1，為中度污染土壤，與同為中度污染但污染來源不同的T2土壤形成對比。

表1 3種采集土壤的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of soils

1.2 盆栽實驗

2016年9月，將5種供試土壤風干后過2 mm孔徑篩，取3.5 kg土壤于直徑16 cm、高14 cm盆中，每種供試土壤種植設置5個平行。加入適量水使土壤濕潤后，向盆中均勻撒入菠菜種子，播種后在盆中覆蓋一層細沙，移至塑料棚中以保持種子發芽適宜溫度。菠菜播種2～3 d后發芽，1周后生長出2片小葉，隨后間苗使每盆中菠菜苗數量均為10棵，生長過程中施加適量有機肥，每隔3 d用等量蒸餾水澆灌，保持土壤持水量為40%。菠菜種植6周后收獲，在每個盆栽中收集土壤和菠菜樣品，菠菜需經蒸餾水洗滌數次至凈，土壤和菠菜樣品冷凍干燥，土壤樣品過2 mm孔徑篩后干燥保存，菠菜樣品經研磨后干燥保存。

1.3 樣品中PAHs測定及高效液相色譜分析條件

取2 g土壤樣品于玻璃離心管中，加入10 mL二氯甲烷，超聲萃取1 h，以4 000 r·min-1(離心半徑10 cm)離心10 min，取3 mL上清液過層析柱(上層4 g無水硫酸鈉，下層4 g中性硅膠)凈化。取一定量植物樣品于玻璃離心管中，用10 mL二氯甲烷與正己烷混合液(體積比1∶1)超聲萃取30 min，萃取3次，收集萃取液，采用層析柱(自上而下為4 g無水硫酸鈉、2 g酸性硅膠、4 g中性硅膠)凈化。土壤和植物樣品過柱凈化后，用15 mL二氯甲烷與正己烷混合液(體積比1∶1)洗脫。洗脫液于40 ℃恒溫條件下濃縮近干，用甲醇定容至2 mL，過0.22 μm孔徑濾膜后，采用高效液相色譜紫外/熒光串聯方法(HPLC/UV-FLD)檢測。

1.4 富集系數計算

研究利用KHAN等[17]的方程，確定了菠菜地下部與地上部中PAHs的富集系數。地下部富集系數(RCF,FRC)和地上部富集系數(SCF,FSC)計算公式分別為

FRC=croot/csoil，

(1)

FSC=cshoot/csoil。

(2)

式(1)～(2)中，croot和cshoot分別為菠菜地下部和地上部中PAHs含量,ng·g-1；csoil為土壤中PAHs含量，ng·g-1。

1.5 終生致癌風險評估

PAHs的致癌風險由其相對于苯并(a)芘(BaP)的毒性當量因子(TEFs)與PAHs濃度相乘得到的BaP當量含量(BaPeq)表示[17]。不同年齡人群食用污染土壤種植菠菜的終生致癌風險(ILCR,RILC)計算公式為

BaPeq=Ci×FTE,i，

(3)

RILC=BaPeq×RI×FE×DE×FS×FC/

(WB×TA) 。

(4)

式(3)～(4)中，FTE,i為某PAHs化合物的毒性當量因子;其余參數含義和取值見表2。

表2 用于PAHs終生致癌風險評價的參數[19-22]Table 2 Parameters used in the ILCR assessment of PAHs

2 結果與討論

2.1 種植土壤中PAHs含量與組成

5種種植菠菜土壤中PAHs含量與組成見表3。

表3 不同土壤中PAHs含量和占比Table 3 PAHs concentrations and relative contributions of individual PAH compounds or of PAHs with different numbers of rings to total PAHs

2.2 菠菜各部位中PAHs含量

菠菜地上部和地下部中PAHs含量見圖1。在5種土壤中種植的菠菜地上部中16種PAHs總量在72.8～516.9 ng·g-1范圍內，地下部中總量在153.4～1 101.6 ng·g-1范圍內，由于菠菜在棚內種植，暫且不考慮葉片從大氣中吸收的PAHs含量。T3土壤種植的菠菜PAHs含量最高，T1土壤種植的菠菜PAHs含量最低。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個月制得。直方柱上方英文小寫字母不同表示處理間PAHs含量差異顯著(P<0.05)。

采用Pearson相關性分析方法進行土壤和菠菜各部位中PAHs含量的相關分析。種植土壤中PAHs含量與菠菜各部位中PAHs含量均存在極顯著正相關關系(P<0.01)，這與其他研究結果一致。有報道稱，小白菜根與葉中PHE、FLA和BaP含量隨土壤PAHs含量的增大而增大[24]。SHEN等[25]研究也發現植物中16種PAHs總量與土壤和大氣中PAHs含量存在顯著正相關關系。然而，張天彬等[26]發現萵苣和卷心菜等其他蔬菜中PAHs含量與土壤PAHs含量間不存在相關關系，這可能是由于種植土壤中PAHs含量為233.0 ng·g-1，屬輕度污染土壤。土壤污染程度可能對蔬菜和土壤PAHs含量間的相關關系產生影響。

2.3 菠菜中PAHs組成

菠菜地下部和地上部中PAHs組成見圖2。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個月制得。

菠菜地上部和地下部中3環和4環PAHs占PAHs總量的比例較高，在地下部中3環和4環PAHs占比分別為43.8%～78.7%和16.2%～46.3%，在地上部中3環和4環PAHs占比分別為44.2%～81.6%和13.6%～42.6%。2環、5環和6環PAHs在地上部和地下部中質量分數均相對較低。研究發現，在松針中3環和4環PAHs占比在65%～95%范圍內[27]。郜紅建等[28]也發現在胡蘿卜、菠菜和茄子中3環PAHs占比分別為65.9%、66.2%和64.5%，因此3環和4環PAHs是蔬菜及其他植物中主要的PAHs化合物。菠菜中低環PAHs占比較大，可歸因于土壤中低環PAHs具有較大的水溶性、揮發性和生物利用率[29]。

5種土壤種植菠菜地上部中致癌PAHs含量和占比見圖3。5種土壤種植菠菜地上部為可食部位，其中致癌PAHs含量在18.5～41.8 ng·g-1范圍內，占PAHs總量的比例在5.4%～30.6%范圍內。其中，T1土壤種植菠菜地上部致癌PAHs含量最低，T5土壤種植菠菜最高。但T3土壤種植菠菜地上部致癌PAHs占比最低，T4土壤種植菠菜最高。蔬菜中致癌PAHs含量標準目前較缺乏，但捷克提出蔬菜中致癌PAHs的容許含量為2 ng·g-1[30]。根據此標準，5種土壤種植菠菜地上部可食部位中PAHs含量均超標。加入柴油配置的柴油污染土壤種植的菠菜地上部中致癌PAHs含量和占比均較高，因此使用柴油污染土壤種植菠菜對人體健康危害更大。

T1、T2、T3分別為采集的輕度、中度、重度PAHs污染土壤，T4和T5土壤由T1土壤中分別加入10和15 mL·kg-1柴油后老化2個月制得。

2.4 菠菜中PAHs富集系數

不同土壤種植菠菜中PAHs富集系數見表4。地下部富集系數在0.32～0.48范圍內，地上部富集系數在0.14～0.30范圍內，地下部富集系數高于地上部 (P<0.05)。由于PAHs不能到達根表皮的木質部，所以PAHs由根到莖葉的傳輸較困難[31]。地下部和地上部中2～4環PAHs的富集系數顯著高于5～6環PAHs (P<0.05)，由于5～6環PAHs化合物與土壤有機質有密切聯系，且易于被土壤中的黑碳吸附，較難進入植物細胞中[31-33]。5～6環PAHs的可利用性和攝取率較低，所以其在地上部和地下部中的富集系數較低[17,34]。SAMS?E-PETERSEN等[35]研究指出，幾種作物對土壤中BaP的富集系數隨土壤污染負荷的提高而減小。筆者對土壤中PAHs初始含量和菠菜地上部、地下部富集系數分別進行相關性分析可得，其初始含量與富集系數不存在相關關系；對土壤有機質含量與菠菜地上部、地下部富集系數分別進行相關性分析可得，有機質含量與富集系數不存在相關關系。有研究發現，生長于低有機質黏土中的作物狄氏劑含量明顯高于生長于高有機質黏土中的作物[36]。

表4 菠菜各部位PAHs富集系數Table 4 Transfer facters of PAHs in spinach

2.5 菠菜地上部中PAHs健康風險評估

在5種土壤中種植菠菜地上部中PAHs的毒性當量含量BaPeq見表5。菠菜地上部中BaPeq在3 361.4～13 231.3 ng·kg-1范圍內。T3土壤種植菠菜中PAHs含量最高，但T4和T5土壤種植菠菜中TEFs較大的化合物含量較高，導致T4和T5土壤種植菠菜中BaPeq高于T3土壤種植菠菜(P<0.05)。

表5 不同類型土壤種植的菠菜地上部中PAHs毒性當量含量(BaPeq)Table 5 BaPeq in aboveground part of spinach grown in different soils

兒童、青少年、成人和老年人食用不同土壤種植菠菜的終生致癌風險(ILCR)見表6。

表6 不同類型土壤種植菠菜中PAHs終生致癌風險(ILCR)Table 6 ILCR values of PAHs for people with different age through ingestion of spinach grown in different soils

當ILCR低于10-6為不存在潛在致癌風險，當ILCR在10-6～10-4范圍內為存在潛在致癌風險，當ILCR高于10-4為存在嚴重致癌風險[35,37-39]。兒童食用T4和T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風險；青少年食用T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風險；成人食用5種土壤種植菠菜均存在潛在致癌風險，其中食用T2土壤種植菠菜ILCR值最低，T5最高；老年人食用T3、T4和T5土壤種植菠菜存在潛在致癌風險。對不同年齡人群食用T5土壤種植菠菜的ILCR進行比較可知，成人食用后致癌風險最高，其余依次為老人、兒童和青少年。食用污染土壤種植的蔬菜均有可能存在潛在的致癌風險。

韓國有研究表明，成人食用高PAHs含量海洋生物的ILCR值為9×10-7[40]，比筆者研究中食用T5土壤種植菠菜的致癌風險略低。西班牙有研究認為成人攝入含PAHs食物的ILCR值為5.0×10-5[41]，略高于筆者的研究。已有較多案例表明食物中含有PAHs并存在潛在致癌風險，對于如何保障食品安全來降低健康風險需引起更多關注。該研究僅考慮柴油污染土壤中PAHs對于土壤及菠菜中PAHs富集特征和健康風險的影響，針對柴油中其他物質對健康的可能影響有待進一步研究。

3 結論

(1)T3土壤種植的菠菜各部位中PAHs含量最高，T1土壤種植菠菜中PAHs含量最低。種植土壤中PAHs含量與菠菜地上部和地下部中PAHs含量存在顯著正相關關系。

(2)菠菜地上部和地下部中均為3環和4環PAHs化合物含量和占比最高。在2種柴油污染土壤T4和T5種植菠菜中，致癌PAHs含量和占比最高。菠菜地上部和地下部中3～4環PAHs化合物的富集系數均高于5～6環PAHs。

(3)兒童、成人和老年人食用T4和T5土壤種植菠菜均存在終生致癌風險；成人和老年人食用T3土壤種植菠菜存在終生致癌風險；除成人外，其他人群食用T1和T2土壤種植的菠菜不存在終生致癌風險。不同年齡人群食用T4和T5土壤種植菠菜的終生致癌風險值高于其他土壤。對T5土壤種植的菠菜，ILCR值高低順序為成人>老年人>兒童>青少年。