趙 浩,章 杰
(1.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測(cè)咨詢有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.皖江工學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000)
持久性有機(jī)污染物簡(jiǎn)稱POPs,是一類在環(huán)境中不易分解,能長(zhǎng)時(shí)間保持其化學(xué)活性的有機(jī)化合物。由于高度的穩(wěn)定性,POPs在環(huán)境中的半衰期通常很長(zhǎng),這意味著其在環(huán)境中的停留時(shí)間非常漫長(zhǎng)。由于持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的高穩(wěn)定性和生物富集性,對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)具有長(zhǎng)期和深遠(yuǎn)的影響。鑒于持久性有機(jī)污染物對(duì)水環(huán)境和生態(tài)的影響,開(kāi)展其檢測(cè)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
水環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物(POPs)如多氯聯(lián)苯(PCBs)、有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)和多環(huán)芳烴(PAHs)對(duì)人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。長(zhǎng)期暴露于PCBs條件下可能導(dǎo)致人類出現(xiàn)多種健康問(wèn)題,其被認(rèn)為是潛在的內(nèi)分泌干擾物,可能影響人的生殖系統(tǒng),與肝臟問(wèn)題、免疫系統(tǒng)功能降低和神經(jīng)系統(tǒng)損傷有關(guān),某些PCBs異構(gòu)體還被認(rèn)為是致癌物質(zhì)。OCPs如滴滴涕(DDT)可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體,暴露于OCPs條件下可能導(dǎo)致人體生殖障礙、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、肝臟疾病和增加患癌風(fēng)險(xiǎn)。
在生態(tài)系統(tǒng)中,PCBs和OCPs可以通過(guò)食物鏈生物放大,對(duì)水生生物特別是魚(yú)類的生長(zhǎng)、繁殖和免疫功能產(chǎn)生影響。多環(huán)芳烴PAHs被認(rèn)為是人類的致癌物,長(zhǎng)期暴露可能增加罹患肺癌、皮膚癌和其他癌癥的風(fēng)險(xiǎn),還可能影響人類的呼吸系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)。對(duì)于水生生物,PAHs可能導(dǎo)致其生長(zhǎng)抑制、繁殖障礙和行為變化,還可能影響水生植物的生長(zhǎng)和光合作用,從而對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響。這些持久性有機(jī)污染物對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的健康具有廣泛而嚴(yán)重的影響[1]。
首先是工業(yè)排放,工業(yè)活動(dòng)是持久性有機(jī)污染物進(jìn)入水環(huán)境的主要來(lái)源之一。在許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,如化工生產(chǎn)、電子制造和石油精煉過(guò)程,都會(huì)產(chǎn)生多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等持久性有機(jī)污染物。這些化學(xué)物質(zhì)可能通過(guò)工廠的廢水排放或泄漏進(jìn)入周圍水體。其次是農(nóng)業(yè)活動(dòng),在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,為了控制病蟲(chóng)害,經(jīng)常會(huì)使用各種農(nóng)藥,如有機(jī)氯農(nóng)藥(OCPs)曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。雖然現(xiàn)在許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始限制或禁止使用某些OCPs,但由于其存在具有持久性,在環(huán)境中仍然能夠檢測(cè)到一些OCPs。此外,農(nóng)業(yè)灌溉和雨水徑流也可能將這些化學(xué)物質(zhì)從土壤中沖入河流和湖泊。再次是交通排放、交通運(yùn)輸,特別是使用化石燃料的車輛,是多環(huán)芳烴(PAHs)的重要來(lái)源。汽車尾氣、非完全燃燒的燃料和路面磨損產(chǎn)生的顆粒物中都含有PAHs,這些物質(zhì)可能通過(guò)大氣沉降和雨水徑流進(jìn)入水體。最后是廢棄物處理和填埋,廢棄物,特別是危險(xiǎn)廢物和電子廢物的處理和填埋,可能導(dǎo)致持久性有機(jī)污染物進(jìn)入水環(huán)境。例如,不當(dāng)處理的廢棄電子產(chǎn)品可能釋放多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)等化學(xué)物質(zhì),這些物質(zhì)可能通過(guò)滲濾液進(jìn)入地下水和地表水。
2.2.1 吸附于懸浮顆粒和沉積物上
由于持久性有機(jī)污染物(POPs)通常具有較高的脂溶性和較低的水溶性,在水體中往往被吸附到懸浮顆粒和沉積物上,這導(dǎo)致POPs在沉積物中的濃度通常高于水柱,而且在沉積層中可能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。
2.2.2 生物蓄積和生物放大
持久性有機(jī)污染物在水生生物體內(nèi)有生物蓄積的現(xiàn)象,即通過(guò)攝取含有這些化學(xué)物質(zhì)的食物或直接從水中吸收,導(dǎo)致它們?cè)谏矬w內(nèi)積累。此外,隨著食物鏈的上升,這些物質(zhì)的濃度會(huì)不斷增加,這一過(guò)程被稱為生物放大。
2.2.3 空間分布的不均勻性
持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的分布通常是不均勻的。工業(yè)區(qū)和高度人口聚集的地區(qū)通常是POPs的熱點(diǎn),而偏遠(yuǎn)地區(qū)的水體中這些化學(xué)物質(zhì)的濃度可能較低。然而,由于大氣輸送和水流的影響,即使在沒(méi)有明顯污染源的地區(qū)也可能發(fā)現(xiàn)POPs。
2.2.4 受季節(jié)因素的影響
在某些地區(qū),持久性有機(jī)污染物的分布可能受季節(jié)性因素的影響。例如,在雨季,雨水沖刷和徑流可能會(huì)將更多的POPs從土壤和表面輸送到水體中。而在干旱季節(jié),由于水體的蒸發(fā),水中的POPs濃度可能會(huì)增加[2]。
首先是水流搬運(yùn),持久性有機(jī)污染物(POPs)可以通過(guò)河流和洋流的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行遷移。在河流中,強(qiáng)水流可以將POPs吸附的懸浮顆粒和沉積物上并搬運(yùn)到下游。在海洋環(huán)境中,洋流可以將POPs輸送到遠(yuǎn)離其來(lái)源的地區(qū),甚至是其他大洋。其次是吸附與解吸,持久性有機(jī)污染物在水環(huán)境中的遷移很大程度上取決于其與懸浮顆粒和沉積物的相互作用。一方面,由于POPs的脂溶性往往會(huì)吸附到顆粒上;另一方面,環(huán)境條件的變化如pH值、溫度變化可能導(dǎo)致POPs從顆粒表面解吸,并重新進(jìn)入水體中。第三是生物傳遞,生物傳遞是指持久性有機(jī)污染物通過(guò)食物鏈在生物體內(nèi)的遷移。當(dāng)?shù)讓由飻z取含有POPs的食物或水時(shí),會(huì)在體內(nèi)積累這些化學(xué)物質(zhì)。然后,當(dāng)這些底層生物被更高級(jí)別的生物捕食時(shí),POPs會(huì)隨著食物鏈向上傳遞并在生物體內(nèi)放大。第四是揮發(fā)和大氣輸送,持久性有機(jī)污染物在水體表面與空氣的交界面上可能會(huì)揮發(fā),隨后通過(guò)大氣輸送進(jìn)行長(zhǎng)距離遷移。大氣輸送使POPs可以跨越國(guó)界和地理障礙,最終通過(guò)大氣沉降再次進(jìn)入其他地區(qū)的水體。最后是拓展分布與沉降,持久性有機(jī)污染物也可以通過(guò)水體的擴(kuò)散過(guò)程在水柱內(nèi)部進(jìn)行垂直和水平遷移,這通常是一個(gè)相對(duì)較慢的過(guò)程。在擴(kuò)散過(guò)程中,POPs也可能與其他溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)或被微生物分解。此外,POPs吸附的顆??赡茉谒谐练e,使其在底部沉積物中積累。
3.1.1 氣相色譜法(GC)
氣相色譜法是一種廣泛用于分析持久性有機(jī)污染物的技術(shù)。在這個(gè)方法中,樣品被加熱并轉(zhuǎn)化為氣態(tài),然后通過(guò)色譜柱進(jìn)行分離。持久性有機(jī)污染物在色譜柱中的保留時(shí)間與其化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。檢測(cè)器可用于量化通過(guò)色譜柱的化合物數(shù)量。對(duì)于脂溶性高和揮發(fā)性有機(jī)污染物,如多氯聯(lián)苯和部分有機(jī)氯農(nóng)藥,GC是一種非常有效的分析方法。
3.1.2 液相色譜法(HPLC)
液相色譜法用于分析不易揮發(fā)或熱敏感的有機(jī)化合物。在HPLC中,樣品以液體形式通過(guò)色譜柱,利用不同化合物與柱填料之間的相互作用進(jìn)行分離。紫外檢測(cè)器或熒光檢測(cè)器常用于檢測(cè)通過(guò)色譜柱的化合物。HPLC特別適用于分析具有極性的持久性有機(jī)污染物,如某些農(nóng)藥。
3.1.3 質(zhì)譜法(MS)
質(zhì)譜法是一種高度靈敏和精確的檢測(cè)技術(shù),用于鑒定和量化化學(xué)物質(zhì)。在質(zhì)譜分析中,化合物被電離并轉(zhuǎn)化為離子,然后根據(jù)質(zhì)量和電荷進(jìn)行分離。由于每種化合物具有獨(dú)特的質(zhì)譜圖,因此該方法可用于準(zhǔn)確識(shí)別持久性有機(jī)污染物。質(zhì)譜法通常與氣相色譜或液相色譜相結(jié)合(如GC-MS或LC-MS),以提供更全面的分析。
3.1.4 光譜法
光譜法基于化合物對(duì)光的吸收或散射特性進(jìn)行分析。其中,紫外-可見(jiàn)光譜法(UV-Vis)和紅外光譜法(IR)是兩種常用的光譜分析方法。UV-Vis通常用于檢測(cè)具有紫外或可見(jiàn)光吸收特性的化合物,而IR則更適用于分析化合物的功能團(tuán)。光譜法在持久性有機(jī)污染物的初步篩選和定性分析中很有用,但通常不如GC或HPLC靈敏和精確。
3.2.1 生物標(biāo)記法
生物標(biāo)記法是一種利用生物體或生物分子來(lái)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)環(huán)境中持久性有機(jī)污染物的技術(shù)。例如,通過(guò)分析生物體中的某些生物標(biāo)記物,可以間接判斷環(huán)境中持久性有機(jī)污染物的存在和水平。這些標(biāo)記物通常是生物體對(duì)污染物暴露的生物化學(xué)反應(yīng),如DNA損傷、蛋白質(zhì)表達(dá)變化或細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。通過(guò)檢測(cè)這些生物標(biāo)記物的變化,可以評(píng)估環(huán)境污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和潛在的健康影響。
3.2.2 基于酶的檢測(cè)
基于酶的檢測(cè)是利用特定酶與持久性有機(jī)污染物之間的相互作用來(lái)檢測(cè)這些化合物,這些酶通常能夠催化與目標(biāo)污染物相關(guān)的特定化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)目標(biāo)污染物出現(xiàn)時(shí),酶的活性會(huì)發(fā)生變化,通常會(huì)導(dǎo)致顏色、熒光或其他可檢測(cè)的信號(hào)發(fā)生變化。該方法靈敏度高,可用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè),但可能受會(huì)到其他環(huán)境因素的干擾。
3.2.3 生物傳感器
生物傳感器是一種將生物分子或細(xì)胞與物理傳感器相結(jié)合的技術(shù),用于檢測(cè)環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)。生物傳感器通常包括一個(gè)生物識(shí)別元件,如抗體、DNA探針或酶以及一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器,如電化學(xué)或光學(xué)傳感器。當(dāng)生物識(shí)別元件與目標(biāo)污染物結(jié)合時(shí),傳感器會(huì)產(chǎn)生一種可量化的信號(hào),如電流變化或光強(qiáng)度變化。生物傳感器具有高靈敏度和選擇性,可以用于現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
3.3.1 納米材料檢測(cè)技術(shù)
納米材料檢測(cè)技術(shù)是利用納米尺度的材料(如納米粒子或納米管)增強(qiáng)對(duì)持久性有機(jī)污染物的檢測(cè)靈敏度和選擇性。由于納米材料通常具有高表面積與體積比和獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì),可以被用于高效的吸附劑或信號(hào)放大器。例如,金納米粒子和量子點(diǎn)可以被用于增強(qiáng)光譜信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)極低濃度的污染物檢測(cè)。另外,功能化納米材料可以特異性地吸附和富集目標(biāo)污染物,從而提高檢測(cè)效率。
3.3.2 光子晶體光譜法
光子晶體是一種具有周期性介電結(jié)構(gòu)的材料,可以影響通過(guò)其的光的傳播。通過(guò)調(diào)節(jié)光子晶體的結(jié)構(gòu)和組成,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)光的選擇性反射或透射。在光子晶體光譜法中,光子晶體被設(shè)計(jì)為對(duì)特定污染物敏感,當(dāng)這些污染物與光子晶體結(jié)合時(shí),會(huì)引起其光學(xué)性質(zhì)的變化,從而可以通過(guò)監(jiān)測(cè)反射或透射光譜的變化來(lái)檢測(cè)污染物。
3.3.3 微流控芯片技術(shù)
微流控芯片技術(shù)是一種利用微米尺度的通道和腔室來(lái)操縱流體和化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)。由于其微小的尺寸,微流控芯片可以實(shí)現(xiàn)高通量、高靈敏度和低試劑消耗的檢測(cè)。在持久性有機(jī)污染物的檢測(cè)中,微流控芯片可被用于樣品的自動(dòng)化處理、富集、分離和檢測(cè)。例如,通過(guò)結(jié)合微流控芯片和光譜或電化學(xué)檢測(cè),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣中微量污染物的快速和高靈敏度分析。
在選擇適合的持久性有機(jī)污染物(POPs)檢測(cè)方法時(shí),考慮幾種常見(jiàn)和新興檢測(cè)技術(shù)的比較和適用性是至關(guān)重要的。
3.4.1 傳統(tǒng)檢測(cè)方法
優(yōu)點(diǎn):氣相色譜法(GC)、液相色譜法(HPLC)和質(zhì)譜法(MS)在檢測(cè)精度和靈敏度方面具有較高的表現(xiàn),已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)。光譜法簡(jiǎn)便且成本較低。缺點(diǎn):通常需要較多的樣品處理步驟和較長(zhǎng)的分析時(shí)間,可能不適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。適用性:適用于實(shí)驗(yàn)室分析和研究以及對(duì)精度和準(zhǔn)確性要求較高的場(chǎng)合。
3.4.2 生物檢測(cè)方法
優(yōu)點(diǎn):具有較高的靈敏度和特異性,可以提供關(guān)于污染物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康影響的信息。缺點(diǎn):可能受到環(huán)境條件變化的影響,需要適當(dāng)?shù)男?zhǔn)和驗(yàn)證。適用性:適用于環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
3.4.3 先進(jìn)與新興的檢測(cè)技術(shù)
優(yōu)點(diǎn):納米材料檢測(cè)、光子晶體光譜法和微流控芯片技術(shù)通常具有更高的靈敏度和通量,可以實(shí)現(xiàn)快速和微量檢測(cè)。缺點(diǎn):可能面臨成本、可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化等挑戰(zhàn),且在技術(shù)成熟度方面可能不如傳統(tǒng)方法。適用性:適用于研究和開(kāi)發(fā)以及需要快速或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的場(chǎng)合。
在水環(huán)境中對(duì)持久性有機(jī)污染物進(jìn)行檢測(cè)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。雖然目前已經(jīng)有多種檢測(cè)方法,但每種方法都有其局限性,可能會(huì)影響其某些應(yīng)用效果。首先是靈敏度和選擇性問(wèn)題,某些傳統(tǒng)檢測(cè)方法,如光譜法,可能在靈敏度和選擇性方面受限。當(dāng)水樣中的持久性有機(jī)污染物濃度較低時(shí),這些方法可能無(wú)法可靠地進(jìn)行檢測(cè)。此外,如果樣品中含有多種污染物,選擇性也成為一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)橐环N物質(zhì)的信號(hào)可能會(huì)干擾另一種物質(zhì)的檢測(cè)。其次是時(shí)間和成本效益,高精度的檢測(cè)方法,如氣相色譜和質(zhì)譜法,通常需要復(fù)雜的樣品處理步驟以及昂貴的設(shè)備和耗材,這不僅延長(zhǎng)了分析時(shí)間,還提高了成本,因而限制了這些方法在資源有限的環(huán)境中應(yīng)用。第三是環(huán)境變量的干擾,環(huán)境樣品中通常包含復(fù)雜的基質(zhì),可能會(huì)干擾分析結(jié)果。此外,環(huán)境條件(如溫度、pH值和鹽度)的變化可能會(huì)影響生物檢測(cè)方法的可靠性和準(zhǔn)確性。第四是標(biāo)準(zhǔn)化和校準(zhǔn)問(wèn)題,由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)程序,新興和先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)在數(shù)據(jù)質(zhì)量和可比性方面可能面臨挑戰(zhàn),這對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤為重要。最后是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的挑戰(zhàn),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要便攜式和可靠的儀器,然而許多高精度的檢測(cè)技術(shù)需要實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和專業(yè)操作,不適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。此外,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還需要能夠在各種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的方法。
在水環(huán)境中檢測(cè)持久性有機(jī)污染物時(shí),環(huán)境樣本的復(fù)雜性是主要的挑戰(zhàn),這種復(fù)雜性主要來(lái)自于樣本的多樣性、多相性和各種干擾物質(zhì)的存在。首先是樣本多樣性,水環(huán)境中的樣本來(lái)源多樣,可能包括河流、湖泊、地下水、雨水和廢水等。不同來(lái)源的樣本可能具有不同的化學(xué)組成和物理特性,這對(duì)于檢測(cè)方法的選擇和樣本處理具有重要意義。其次是多相性,環(huán)境樣本中的污染物可能以溶解、顆粒吸附或生物吸附等不同形態(tài)存在。這種多相性使樣本處理和分析更加復(fù)雜,因?yàn)榭赡苄枰~外的步驟來(lái)分離和濃縮不同形態(tài)的污染物。再次是干擾物質(zhì),環(huán)境樣本中通常含有大量有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和生物物質(zhì),這些物質(zhì)可能干擾持久性有機(jī)污染物的檢測(cè)。例如,某些天然有機(jī)物質(zhì)可能會(huì)通過(guò)吸附或絡(luò)合作用影響污染物的檢測(cè)。最后是空間和時(shí)間的變異性,環(huán)境樣本的組成可能隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。季節(jié)性變化、地理位置和水文條件等因素可能導(dǎo)致樣本的化學(xué)和物理特性發(fā)生變化,這對(duì)于污染物的檢測(cè)提出了額外的挑戰(zhàn)。
在水環(huán)境中檢測(cè)持久性有機(jī)污染物時(shí),單一檢測(cè)方法往往無(wú)法滿足需求,因?yàn)檫@些污染物在性質(zhì)、濃度和分布上有很大差異。因此,整合多種檢測(cè)方法以獲得更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)至關(guān)重要,然而這個(gè)過(guò)程也伴隨著一系列挑戰(zhàn)。首先是數(shù)據(jù)的一致性與兼容性,不同檢測(cè)方法可能會(huì)產(chǎn)生不同類型和范圍的數(shù)據(jù),將這些數(shù)據(jù)整合到一個(gè)統(tǒng)一框架中需要解決數(shù)據(jù)一致性和兼容性問(wèn)題。例如,不同方法產(chǎn)生的濃度數(shù)據(jù)可能需要轉(zhuǎn)換和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化比較。其次是方法優(yōu)化與驗(yàn)證,當(dāng)使用多種檢測(cè)方法時(shí),每種方法都需要進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證以確保其準(zhǔn)確性和可靠性,這通常需要大量時(shí)間和資源,并且需要考慮不同方法之間潛在的相互作用和干擾。再次是技術(shù)與資源的限制,整合多種檢測(cè)方法可能需要使用高級(jí)儀器和技術(shù),通常需要高昂的成本。最后是數(shù)據(jù)處理與解釋,處理和解釋來(lái)自多種檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù),這可能涉及使用統(tǒng)計(jì)分析、建模和其他數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)提取有用信息。在此過(guò)程中,理解和解釋數(shù)據(jù)的上下文和限制至關(guān)重要。
綜上所述,本文綜述了水環(huán)境中持久性有機(jī)污染物檢測(cè)研究的進(jìn)展,從分析結(jié)果看,在過(guò)去的幾十年里,POPs檢測(cè)技術(shù)有了顯著進(jìn)步。傳統(tǒng)的氣相色譜和液相色譜法仍然是主要檢測(cè)手段,但新興的生物檢測(cè)方法和先進(jìn)的納米材料檢測(cè)技術(shù)在靈敏度和效率方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而,當(dāng)前的檢測(cè)方法還面臨許多挑戰(zhàn),為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),未來(lái)的研究需要在技術(shù)開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和整合方面作出更多努力。