二恶英(PCDD/Fs)和多氯联苯(PCBs)是一类具有环境持久性、生物蓄积性、远距离迁移性和高毒性等特点的持久性有机污染物(POPs)。作为《斯德哥尔摩公约》受控POPs物质,该类化合物具有较高的辛醇-空气、辛醇-水分配系数,在水中溶解度小,具有较高的脂溶性,容易造成生物富集效应,伴随食物链逐级放大[1]。近年来,大量病理学研究及临床表现发现,人类和动物长期暴露于含有该类物质的环境中,可引起神经毒性、胚胎毒性、生殖毒性和雌激素效应等,对人类健康存在潜在威胁[2, 3]。目前,二恶英类化合物已被世界卫生组织确认为一级致癌物,引起了国际社会的广泛关注。
大气传输是PCDD/Fs和PCBs在环境中迁移转化的主要途径之一,该类化合物可通过长距离传输从而分布在全球各个环境介质中,而颗粒物作为空气中的重要介质,对其在环境中的迁移扩散起着重要作用。大气颗粒物中PM2.5粒径较小,具有较大的比表面积和较强的吸附力,重金属及持久性有机污染物等有毒有害物质大多吸附在小于1 μ m的细颗粒物中,该尺寸的颗粒物90%可以深入至肺泡区,人类通过吸入空气中的细颗粒物而被动摄入细颗粒物中的POPs已成为人体内有毒有害物质的主要来源之一[4, 5]。
国内外对大气中POPs污染的研究较多。Cindoruk等[6]报道土耳其的Bursa城市地区大气中气相和颗粒物中PCBs的平均质量浓度为(491.8±189.4) pg/m3,相对分子质量低的PCBs对总浓度的贡献最大,颗粒物中PCBs对总浓度的贡献约为15% 。Li等[7]在上海嘉定区、闸北区、浦东区、黄浦区采集大气样品,研究表明PCDD/Fs的毒性当量与日本、中国广州、中国台湾等的污染水平一致,但高于欧洲和北美的污染水平。杭州作为浙江省第一大城市,由于其城市化迅速扩展及工业经济的高速发展,机动车尾气污染、扬尘污染、钢铁等工业排放因素同时存在、相互作用,使雾霾天气的发生频率日趋增长,虽然前人对杭州市大气颗粒物的粒径分布特征、重金属及有机碳污染等研究较多,但对于大气超细颗粒物中POPs污染现状研究较少。本研究于2014年1月在杭州市选择5个特征采样点采集样品,采用高分辨气相色谱/高分辨质谱(HRGC-HRMS)对杭州市大气气溶胶PM2.5的污染状况以及PM2.5中PCDD/Fs和PCBs的污染水平及分布特征进行研究,并结合往年测定数据,综合评价杭州市冬季大气环境质量污染现状。
根据受体情况的不同,在杭州市不同功能区设置PM2.5样品采集点位,系统评价杭州市大气环境中PM2.5污染现状。A点位于城市北部,周边为汽配城以及城北工业园区,受交通污染及钢铁、燃煤焚烧等工业污染较重,也受建筑扬尘污染;B点位于城东高教园区,人类活动影响较大,钱塘江潮汐海盐粒子对该检测点位也具有较大影响,同时主导上风向为工业园区,存在大量挥发性有机物排放源;C点位于城市南部,紧邻交流道口,交通流量较大,主要受交通源影响,同时和B点类似受钱塘江潮汐海盐粒子影响相对较大,也可能受上风向工业园区的影响;D点位于城西风景区内,附近没有大型工业企业,人类活动影响较小,但可能受建筑扬尘的影响;E点位于城中,主要受交通源、油烟源、建筑扬尘源等综合影响。PM2.5具体采样点位见图1。
采样时间为2014年1月20日至22日,连续采集3天。A和E采样点分别采用崂应2050型空气采样器和大流量环境空气二恶英采样器(HV-700F,SIBATA,日本柴田)对环境中PM2.5进行采集,同时用聚氨酯泡沫(PUF)收集气态二恶英,其余所有的采样点均安装两台崂应2050型空气采样器采集PM2.5样品,采集前对设备进行校核。大流量环境空气二恶英采样器流速为200 L/min,崂应2050型空气采样器为100 L/min,采集滤膜为石英滤膜。采样前,石英滤膜及PUF按照US EPA TO-9方法进行预处理以除去滤膜及PUF上的有机污染物影响,采样前后滤膜置于恒温恒湿箱内平衡24 h后,采用万分之一的电子天平准确称量滤膜质量以获得PM2.5的质量浓度。
样品的前处理及分析流程参考文献[8]。将干燥后的石英滤膜和PUF分别转移至加速溶剂萃取仪(ASE)萃取池中,加入PCDD/Fs和PCBs的13C12净化内标,在150 ℃、10.3 MPa条件下用甲苯溶剂萃取3次,收集萃取液。提取液经旋转蒸发仪浓缩后,依次用酸性硅胶柱和酸碱多层硅胶柱进行净化分离。酸性硅胶柱的填充从下到上依次为:硅胶(2 g)、44%酸性硅胶(15 g)、硅胶(2 g)、无水硫酸钠(2 g)。酸碱多层硅胶柱的填充从下到上依次为:硅胶(2 g)、33%碱性硅胶(5 g)、硅胶(2 g)、44%酸性硅胶(10 g)、硅胶(2 g)、无水硫酸钠(2 g)。样品转移入硅胶柱后,均用100 mL正己烷淋洗,收集该淋洗液。待样品净化分离后将淋洗液浓缩至1 mL,然后采用高纯氮气去除溶剂,随即加入PCDD/Fs和PCBs的13C12进样内标,用壬烷定容至30 μ L待分析。
PCDD/Fs和PCBs的测定采用HRGC-HRMS(Agilent 6890-GC,Waters AutoSpec Premier)联用方法。质谱电离模式为电子轰击(EI+),电子发射能量为35 eV,质谱分辨率R>10000,采集方式为选择离子检测(selected ion recording,SIR)模式,源温为280 ℃,载气(He)流速为1.2 mL/min,样品进样量为1 μ L,不分流进样。气相色谱柱为BPX-DXN色谱柱(SGE,60 m×0.25 mm),柱升温程序为130 ℃(保持1 min),以15 ℃/min 升温至310 ℃,再以5 ℃/min 升温至320 ℃,保持8 min。
实验室所用试剂包括PCDD/Fs和PCBs同位素标记净化内标和进样内标(Wellington Laboratories Inc.),具体内标物质选择参考文献[8],有机溶剂甲苯、丙酮、正己烷、壬烷(农残级,Tedia Company Inc.),无水硫酸钠和硅胶(Merck Drugs & Biotechnology)。
样品处理过程中平行分析3个实验室空白样品,结果表明空白样品中目标物均值为:0.035 pg PCB-118,0.058 pg OCDD和0.045 pg OCDF,其余目标物均未检出。以采集大约740 m3环境空气计算,PCDD/Fs和PCBs的方法检出限分别为0.001~0.005 pg/m3和 0.0006~0.004 pg/m3,空白含量低于方法检出限,符合实验室分析要求。在实际样品中,13C12标记的PCDD/Fs的回收率为66% ~123% ,符合US EPA 1613B的要求。 13C12标记的PCBs的回收率为73% ~128% ,符合US EPA 1668B的要求。
图2为杭州市5个采样点大气中PM2.5质量浓度日均值分布直方图。冬季采样期间,杭州大气较为稳定,出现逆温天气频率较高,大气扩散能力较差,使得细颗粒物质量浓度相对较高。采样期间,杭州市全市区PM2.5的质量浓度范围为85~168 μ g/m3,平均质量浓度为119 μ g/m3,以《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)中PM2.5日均值75 μ g/m3 指标为依据,5个检测点位均超标,其浓度超标范围为24% ~128% 。结合2013年至2014年度本实验室对杭州市不同地点、不同季节环境空气PM2.5多批次检测数据进行统计,市区范围内PM2.5质量浓度年均值为80.0 μ g/m3,超出环境空气质量标准中PM2.5年均值35 μ g/m3标准限值2倍以上。由此可见,目前杭州市大气气溶胶PM2.5的污染水平较重。
为更好地研究杭州市近年来PM2.5的污染趋势,本文还与本实验室于2004年度在杭州市开展的类似课题检测结果进行比较,其中两个检测点位(C点与E点)相同,检测结果见图2。可以看出,2004年度市区PM2.5年统计平均值为164 μ g/m3,与2014年1月份测定结果相比,2014年的PM2.5污染明显降低。2004年1月两个相同检测点位同季节采集的PM2.5样品结果分别为260 μ g/m3和276 μ g/m3,2014年1月份的检测结果同样也大为降低。究其原因在于随着杭州市城市化的推进,政府实施了市区工业企业搬迁战略,工业污染源显著下降,杭州市大气污染的类型已逐渐从煤烟型污染转变为复合型污染,PM2.5质量浓度总体呈下降趋势。
将杭州市PM2.5的污染程度与欧美等发达国家[9, 10, 11]相比,杭州的细颗粒物污染明显高于德国慕尼黑(37.1 μ g/m3)、英国伦敦(21 μ g/m3)和意大利米兰(32.8 μ g/m3),污染情况相对严重。目前,国内发达城市PM2.5浓度普遍较高,北京2008年1月PM2.5平均日均值达到119 μ g/m3[12]。
杭州PM2.5的质量浓度空间分布表现为A(168 μ g/m3)>E(131 μ g/m3)>B(113 μ g/m3)>C(96 μ g/m3)>D(85 μ g/m3),具有局地排放源贡献的特征。采样期间,各采样点气象条件相似,细颗粒物的质量浓度分布与污染源有密切关系。A点位于城北工业园区,该地区以钢铁冶炼、燃煤发电等重工业为主,工业污染可能是该地区PM2.5污染较重的原因之一,另外该地区又处于城北汽车城附近,交通异常繁忙,交通污染也可能是重要贡献源;E点处于市中心,通风不流畅,人为产生的颗粒物污染不易扩散,导致该地区PM2.5浓度同样偏高;B、C两点分别位于高教园区和钱塘江边,扩散相对较好,污染水平相当,相比较相对较低;D点为风景区,虽然无典型污染源,但周边有建筑施工,建筑扬尘对其质量浓度可能有一定的贡献,另外大气颗粒物在城市内迁移趋向平衡也是其浓度较高的原因之一。
图3为杭州市5个采样点PM2.5中PCDD/Fs的毒性当量分布。同样为了解杭州市近年来PM2.5中PCDD/Fs的变化趋势,选用2004年1月2个相同检测点位数据进行比较。2014年1月杭州大气PM2.5中PCDD/Fs毒性当量(TEQ)范围为0.277~0.488 pg I-TEQ/m3,浓度低于日本大气二恶英环境质量控制标准值0.6 pg I-TEQ/m3[13]。与国内外其他文献报道相比,杭州市大气颗粒物中PCDD/Fs浓度水平略低于广州地区(56.7~1279.6 fg I-TEQ/m3)[14],高于休斯顿(40~55 fg I-TEQ/m3)[15]和雅典(42.1 fg I-TEQ/m3)[16]大气中PCDD/Fs的浓度,与中国大连(5~462 fg I-TEQ/m3)[17]和北京(18~644 fg I-TEQ/m3)[18]浓度水平相当。
由图3可知,C点和E点2004年1月份采集的PM2.5样品中PCDD/Fs的毒性当量浓度分别为0.175 pg I-TEQ/m3和0.109 pg I-TEQ/m3。将2014年1月数据与2004年同期相比,相同检测点位采集的细颗粒物中PCDD/Fs浓度水平增加了3倍左右。虽然大气细粒子得到有效控制,呈一定程度的降低趋势,但细颗粒物中一些致毒物质如POPs类物质却呈上升趋势,需要政府部门密切注意。
与PM2.5浓度空间分布不同,5个监测点位的PCDD/Fs浓度总体上呈现为C(0.488 pg I-TEQ/m3)>B(0.386 pg I-TEQ/m3)≈E(0.377 pg I-TEQ/m3)≈A(0.376 pg I-TEQ/m3)>D(0.277 pg I-TEQ/m3)。C点位于杭州市南部,临近钱塘江,属于人流、车流、餐饮等相对高度集中区域,且可能受上风向工业园区影响,浓度相对A、B、E 3个点位较高;D点处于风景区内,远离交通要道,PCDD/Fs污染相对较轻。
为了解二恶英在环境空气中的气-固分配规律,在A点和E点同时采集了颗粒态PM2.5和气态PUF,分别分析颗粒态和气态中的二恶英类化合物含量。图4为A点和E点四~八氯代二恶英各同类物在气相和颗粒物相上的相对分布(四~八氯代二恶英分别表示为:四氯代二苯并-对-二恶英(TCDD)、五氯代二苯并-对-二恶英(PeCDD)、六氯代二苯并-对-二恶英(HxCDD)、七氯代二苯并-对-二恶英(HpCDD)和八氯代二苯并-对-二恶英(OCDD);四~八氯代呋喃分别表示为:四氯代二苯并呋喃(TCDF)、五氯代二苯并呋喃(PeCDF)、六氯代二苯并呋喃(HxCDF)、七氯代二苯并呋喃(HpCDF)和八氯代二苯并呋喃(OCDF))。结果表明,杭州冬季大气中PCDD/Fs主要分布于颗粒物中,PCDD/Fs在颗粒物相中的质量浓度占总质量浓度的80% 。由于PCDD/Fs同类物的挥发性不同,在气-固相上的分配形态也有所不同,高氯代的同类物主要分布于颗粒物相,而低氯代同类物则更多地分布于气相中,与其他研究报道[19, 20]中二恶英类化合物的分布模式一致。
不同采样点PM2.5中多氯代二苯并-对-二恶英(PCDDs)与多氯代二苯并呋喃(PCDFs)的比值范围为0.6~0.7,均小于1,表明环境空气中二恶英类物质有相似的人为“热”源特征[21]。
不同采样点二恶英同类物分布规律与文献[22]研究结果类似,PCDD/Fs各同类物所占比例不同,总体表现为高氯代的同类物丰度较大,八氯代二苯并-对-二恶英(OCDD)、八氯代二苯并呋喃(OCDF)、1,2,3,4,6,7,8-七氯代二苯并呋喃(1,2,3,4,6,7,8-HpCDF)为主要物质,其中OCDD所占浓度比例最高。随着氯原子取代个数的增加,PCDDs各单体的浓度逐渐增大,而PCDFs的分布特征没有明显规律。在17种同类物中,对毒性当量贡献最大的均为2,3,4,7,8-五氯代二苯并呋喃(2,3,4,7,8-PeCDF),其对总毒性当量的贡献率范围为33% ~42% ,其他贡献值较大的同类物依次为2,3,4,6,7,8-六氯代二苯并呋喃(2,3,4,6,7,8-HxCDF)(贡献率范围为9% ~12% )、1,2,3,6,7,8-六氯代二苯并呋喃(1,2,3,6,7,8-HxCDF)(贡献率范围为9% ~11% )和1,2,3,7,8-五氯代二苯并-对-二恶英(1,2,3,7,8-PeCDD)(贡献率范围为7% ~8% )。
各采样点PM2.5中19种PCBs(包括12种二恶英类多氯联苯(DL-PCB),DL-PCB-77、81、105、114、118、123、126、156、157、167、169和189,7种指示性PCB,PCB-28、52、101、118、138、153、180和209,其中118相同,数字编号为国际IUPAC编号)质量浓度范围为2.9~8.1 pg/m3,平均质量浓度为4.9 pg/m3。根据毒性当量因子(WHO-TEQ)计算12种DL-PCBs的毒性当量浓度,PM2.5中DL-PCBs的毒性当量浓度范围为2.6~6.1 fg WHO-TEQ/m3,与中国台湾大气中DL-PCBs的毒性当量浓度4.66~8.81 fg WHO-TEQ/m3相当[23]。7种指示性PCBs的质量浓度范围为2.1~6.3 pg/m3,平均质量浓度为3.7 pg/m3,与意大利Sub-alpine大气中7种指示性PCBs的总含量31~76 pg/m3相比略低,和中国青岛7种指示性PCBs的总含量5.22~8.58 pg/m3相当[24, 25]。
从空间分布上看,同一时期PCBs总体质量浓度表现为C(8.1 pg/m3)>E(5.8 pg/m3)>A(4.1 pg/m3)>B(3.5 pg/m3)>D(2.9 pg/m3),与颗粒物质量浓度和二恶英质量浓度分布略有不同,说明多氯联苯污染来源有其特异性,但处于风景区的D点质量浓度明显低于其他地区,说明人为因素对空气中的PCBs污染有很大影响。
如图5所示,与PCDD/Fs分布不同,PCBs主要分布于气相中,其在气相中的浓度约占总浓度的92% ,A点、E点两个采样点的气相中PCBs的质量浓度分别为48.5和71.1 pg/m3,而在颗粒物相中的质量浓度分别为4.1和5.8 pg/m3,平均质量浓度为4.9 pg/m3,PCBs的气-固分配行为与文献[26]报道相同。随着PCBs同类物相对分子质量和蒸汽压的不同,其在气-固中的分配行为也发生改变,高氯代PCBs主要分布在颗粒物相上,低氯代PCBs则更多地分布于气相中,例如PCB-28,其在气相中的丰度为94% ,而PCB-189在颗粒物相中的丰度为78% 。
5个采样点PM2.5样品中PCBs同系物的分布模式基本相似,7种指示性PCBs占总浓度的绝大部分,其中以PCB-28浓度最高。由于12种DL-PCBs同类物浓度较低,其毒性当量水平也较低,但PCBs浓度分布与毒性当量的分布趋势不同,浓度水平以PCB-118最高,而PCB-126对总毒性当量浓度贡献最大,其平均贡献率为94% ,其次为PCB-169,其平均贡献率为3% 。由于工业PCB已经禁止使用多年,多氯联苯的工业来源污染影响可以忽略,但有研究表明PCB-180为燃煤电厂、汽车尾气以及化石燃料燃烧所排放的污染物中主要成分,垃圾焚烧会产生PCB-77、126、169,说明杭州市PCBs来源可能和燃烧等污染源有关[27]。
杭州市5个检测点位冬季细颗粒物PM2.5的质量浓度范围为85~168 μ g/m3,平均质量浓度为119 μ g/m3,年质量浓度均值为80 μ g/m3,污染较重,但污染状况与2004年同期相比有所好转。
杭州市冬季大气PM2.5中PCDD/Fs毒性当量浓度范围为0.277~0.488 pg I-TEQ/m3,与PM2.5降低的变化趋势相反,浓度明显高于2004年同期。二恶英类同类物分布在颗粒物中表现为OCDD浓度最高,其次为OCDF、1,2,3,4,6,7,8-HpCDF;毒性当量浓度的主要贡献者为2,3,4,7,8-PeCDF。
杭州市大气PM2.5中PCBs质量浓度范围为2.9~8.1 pg/m3,平均质量浓度为4.9 pg/m3,12种二恶英类PCBs的毒性当量浓度范围为2.6~6.1 fg WHO-TEQ/m3,污染处于较低水平。PM2.5中以PCB-28的浓度最高,对毒性当量浓度贡献最大的为PCB-126,平均贡献率为94% ,PCB-169的平均贡献率为3% 。