不同使用类型红壤中DEHP的降解研究

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：邻苯二甲酸酯类塑化剂是全球用量最大的塑化剂，同时也是常见的一类环境内分泌干扰物，其对生态环境和人体健康的影响得到了广泛的关注与研究。邻苯二甲酸（2-乙基已基）酯（Di-（2-ethylhexyl） phthalate，DEHP）作为邻苯二甲酸酯中用量最大的一种，在环境中被普遍检出，其在环境中的降解过程受到了广泛关注，但在不同使用类型红壤中的降解情况还未见报道。本研究以DEHP为材料，研究其在不同使用类型红壤中的降解情况，建立了土壤中DEHP的萃取方法及气相色谱检测方法;对不同使用类型红壤进行了理化特征分析，并人为添加DEHP至50mg/kg后分别在不同时间取样，测定DEHP含量，从而评估不同使用类型红壤对DEHP的降解能力。结果表明，林地与果园土壤中DEHP基本无降解，菜地与稻田土壤中DEHP存在缓慢降解，其中稻田土壤中50mg/kg的DEHP在30d内的降解率最高为11.3%。本研究结果为研究邻苯二甲酸酯类在红壤中的降解及毒性评估提供了理论参考。
　　关键词：邻苯二甲酸酯;邻苯二甲酸（2-乙基已基）酯;红壤;降解
　　中图分类号：S-3       文献标识码：A
　　DOI：10.19754/j.nyyjs.20200515002
　　 邻苯二甲酸酯（Phthalic acid esters， PAEs）是一类人工合成的化合物，通常作为塑化剂被广泛用于塑料制品中，以提高相关产品的柔韧性与可塑性，如医疗产品、食品包装、个人护理产品、塑料薄膜等[1]。邻苯二甲酸酯作为目前全世界范围内使用量最大的塑化剂种类，占据了全世界约65%的塑化剂市场份额，而其中的邻苯二甲酸（2-乙基已基）酯（Di（2-ethylhexyl） phthalate，DEHP）为全球用量最大的塑化剂，占据全球市场约37%的份额[2]。由于邻苯二甲酸酯类塑化剂与塑料聚合物骨架间主要通过氢键与范德华力等作用力结合，而并非共价结合，导致邻苯二甲酸酯类塑化剂在塑料产品使用、处理的过程中很容易释放到环境中，这也使得邻苯二甲酸酯类塑化剂成为广泛存在于环境中的典型污染物之一[3]。因此，邻苯二甲酸酯类塑化剂对环境及人体健康的影响受到了广泛的关注，并得到了广泛的研究。由于邻苯二甲酸酯类化合物具有雌激素效应和内分泌干扰效应，其已被列为典型的环境内分泌干扰物，已有研究表明，邻苯二甲酸酯类塑化剂可能导致肥胖、呼吸道疾病、孕妇流产等[4]。环境检测表明，在不同地域的水体、土壤以及动植物体内均有邻苯二甲酸酯类塑化剂的检出。因此，已有6种邻苯二甲酸酯类塑化剂（包括邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛脂、邻苯二甲酸丁苄酯和邻苯二甲酸（2-乙基已基）酯）被美国环保署、欧洲以及中国环境监测中心列为优先控制的环境污染物[5]。
　　随着塑料制品如地膜等在农业中的大量使用，邻苯二甲酸酯类塑化剂在农业生态系统中也被普遍检测到。李米等对广州地区蔬菜种植土壤中邻苯二甲酸酯含量进行检测分析，发现其中邻苯二甲酸酯类总含量在9.7～58.9mg/kg，且其中丰度最高的为DEHP（8.0～57.4mg/kg）[6]。同时，土壤中的邻苯二甲酸酯可通过植物吸收进入食物链。Sun等发现生菜、草莓以及胡萝卜可以从土壤中吸收邻苯二甲酸二正丁酯和DEHP[7]。而目前对于邻苯二甲酸酯类塑化剂在环境中的降解与转化研究相对较少，对红壤中邻苯二甲酸酯类的降解与转化研究则更少。基于此，本研究以典型的邻苯二甲酸酯类塑化剂DEHP为研究对象，采集不同使用类型的红壤，人为添加DEHP并在不同时期检测DEHP在土壤中的含量，以确定DEHP在不同使用类型红壤中的降解情况。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料与试剂
　　土壤采自广东海洋大学周边的林地、果园、菜地及稻田，土壤的理化指标分析参考鲍士旦的《土壤农化分析》完成[8]。DEHP购自国药集团化学试剂北京有限公司（分析纯，纯度99.2%），气相色谱用高纯氮气（99.999%）购自湛江市瑞盟气体有限公司。正己烷、甲醇及各种化学药品均购自国药集团化学试剂北京有限公司（均为分析纯）。
　　1.2 仪器设备
　　岛津气相色谱仪（GC-2010pro，SHIMADZU，Japan），旋转蒸发仪（RE-2000B，上海亚荣），恒温恒湿培养箱（BSC-250，上海博讯）。
　　1.3 实验方法
　　1.3.1 DEHP检测方法与标准曲线
　　称取DEHP标准品1g溶于40mL色谱纯甲醇中，于容量瓶中定容至50mL，经0.22μm孔径滤膜过滤后得浓度为2×104mg/L的储存液于4℃避光保存备用。根据已有报道的DEHP气相色谱检测方法设定检测方法为：使用WondaCap1色谱柱（GL Sciences Inc，Japan，2340.25mm×30m×0.25μm），检测器为电子捕获检测器（Electron capture detector， ECD），进样量为2μL，进样室温度为300℃，柱温恒定为280℃，檢测器温度为300℃，高纯氮气（99.999%）为载气（2mL/min），通过软件LabSolutions （Version 5.90，SHIMADZU，Japan）获取并分析数据。
　　采用外标法建立DEHP浓度与检测峰面积之间关系的标准曲线。准确配置浓度为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L和50mg/L的DEHP标准浓度样品，每个浓度各3份，以上述方法对每个浓度样品进行检测，从而建立标准浓度与峰面积之间的标准曲线。
　　1.3.2 土壤中DEHP萃取方法
　　准确称取20g不同使用类型待试土壤，向土壤中添加DEHP储备液至10mg/kg、30mg/kg和50mg/kg，并对样品进行充分混匀。向含DEHP的土壤样品中加入20mL的正己烷，充分震荡后对样品进行过滤，收集过滤液，并用40mL的正己烷对土壤样品进行直接淋洗过滤。将获得的滤液合并后，进行旋转蒸发，最终将获得物质以20mL色谱纯甲醇进行复溶并以0.22μm的滤膜过滤。最终获得的滤液以上述气相色谱法进行检测，并计算萃取率，确定不同使用类型红壤中所有浓度下的萃取率均大于95.0%。 　　1.3.3 不同使用類型土壤中DEHP的降解
　　以林地、果园、菜地和稻田土壤为材料，准确称取每种土壤20g后添加DEHP至50mg/L，充分混匀后于恒温恒湿培养箱中培养，温度为30℃，相对湿度为60%。在培养的第1、3、5、10、20和30天分别取样，进行DEHP的萃取（萃取方法见1.3.2），并利用气相色谱法测定土壤中DEHP的浓度。通过公式：降解率（%）=（样品中起始DEHP浓度-样品中t时刻DEHP浓度）×100/样品中起始DEHP浓度，计算不同样品在不同时期DEHP的降解率。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同使用类型红壤的理化特征
　　土壤来源及土壤特征如表1所示。可以看出，由于红壤自身特性，土壤pH值一般偏酸性，所采集的样品pH值在5.5～6.1，总氮与总磷分别介于0.82～0.93g/kg和0.26～0.42g/kg。同时开展了土壤本底DEHP含量测定，结果显示均未检出DEHP，主要原因在于选择采样地点时，尽量选择了无地膜或其它塑料制品使用记录的地点，以确保本试验主要用于研究未受塑料制品影响土壤对DEHP的转化能力。
　　2.2 气相色谱法对DEHP的检测及标准曲线
　　基于建立的气相色谱法检测50mg/L的DEHP结果如图1所示，其中DEHP在此方法中的保留时间为15.416min，峰面积为1315125。进一步，基于不同浓度DEHP的检测结果，建立了标准浓度与峰面积之间的标准曲线。标准曲线如图1所示，其相关系数R2为0.9951，浓度与峰面积的关系为y=26127x-27832（其中y为峰面积，x为浓度），以上结果表明所建立的标准曲线结果可靠，能很好地反应浓度与峰面积间的关系。
　　
　　2.3 不同使用类型红壤中DEHP的降解
　　根据不同时间采样、萃取、检测后的结果，计算不同时期不同使用类型红壤中DEHP的浓度，结果如图2所示。可以看出，随着时间的推移，林地与果园土壤中的DEHP浓度并未发生改变，一直维持在50mg/kg左右;而菜地与稻田土壤中的DEHP浓度则出现了下降趋势，菜土壤中DEHP由50.9mg/kg降低至48.2mg/kg，稻田土壤中的DEHP由51.5mg/kg降低至45.7mg/kg，30d内菜地与稻田土壤中DEHP的降解率分别为5.3%和11.3%。
　　
　　3 讨论
　　现代农业生产方式快速革新与发展，很大程度上促进了农产品产量与质量的提高，但同时也带来了许多新的问题，如农产品质量安全与农业生态环境污染[9]。其中常见的农业环境污染问题包括农药残留、土壤重金属污染、农业塑料污染等，这些环境污染对生态环境与人体健康都具有潜在的负面效应[10]。随着塑料制品在农业中的大量使用，塑料及其所包含的附属成分，如阻燃剂、塑化剂、色素等，也大量进入农业生态系统中。邻苯二甲酸酯类塑化剂作为使用最广泛的塑化剂，在农业生态系统中被普遍检出，尤以其中的DEHP和邻苯二甲酸二丁酯（DBP）为主。关于DEHP和DBP的毒性及生物降解已得到了广泛而深入的研究，而对于两者在环境中的转化过程的研究相对较少[11]。全国范围内农业生态系统中邻苯二甲酸酯普遍检出，其中广州地区检出PAEs最高总浓度为58.9mg/kg，其中以DEHP含量最高，达到57.4mg/kg[6]。因此，本研究选择了50mg/kg作为目标浓度，研究DEHP在土壤中的降解情况。同时，需要注意的是，目前大量研究集中于已使用过塑料薄膜或已检测到邻苯二甲酸酯类土壤对邻苯二甲酸酯的降解能力，即目标土壤中含已受过环境驯化的微生物，这些土壤通常表现出对DEHP较高的降解能力。如，Song等报道了采自山东省寿光市农田的土壤（有超过10a的PVC塑料薄膜使用）6d内对DEHP的降解率在80%以上[12]。然而，对于未受塑料或塑化剂污染/驯化的土壤对邻苯二甲酸酯类塑化剂降解的报道相对较少。因此，本研究以未受塑料或塑化剂污染/驯化的红壤作为研究材料，研究未经驯化土壤对DEHP的降解能力。由结果可以看出，未经驯化的土壤对DEHP基本无降解，人为活动（耕作/种植）影响的土壤（主要指菜地和稻田土壤）对DEHP降解缓慢，30d的降解率最高可达11.3%。希望本研究的结果能为邻苯二甲酸酯类塑化剂的环境毒性评估与环境转化研究提供理论参考。
　　参考文献
　　[1] Hahladakis JN， Velis CA， Weber R， Iacovidou E， Purnell P. An overview of chemical additives present in plastics： migration， release， fate and environmental impact during their use， disposal and recycling[J].Journal of Hazardous Materials， 2018（344）： 179-199.
　　[2] Lei R， Zhong L， Hongming L， Hanqiao H. Bacteria-mediated phthalic acid esters degradation and related molecular mechanisms[J]. Applied Microbiology and Biotechnology， 2018（102）：1085-1096.
　　[3] Sayyad G， Price GW， Sharifi M， Khosravi K. Fate and transport modeling of phthalate esters from biosolid amended soil under corn cultivation[J]. Journal of Hazardous Materials， 2017（323）：264-273. 　　[4] Mu D， Gao F， Fan Z， Shen H， Peng H， Hu J. Levels of phthalate metabolites in urine of pregnant women and risk of clinical pregnancy loss[J]. Environmental Science & Technology， 2015（49）：10651-10657.
　　[5] Xu X， Li H， Gu J. Biodegradation of an endocrine-disrupting chemical di-n-butyl phthalate ester by Pseudomonas fluorescens B-1[J]. International Biodeterioration & Biodegradation， 2005 （55）：9-15.
　　[6]李米，蔡全英，曾巧云，吕辉雄. 绿色食品和有机食品蔬菜基地土壤和蔬菜中邻苯二甲酸酯的分布特征[J]. 安徽农业科学， 2010， 38（19）：10189 -10191.
　　[7] Sun J， Wu， X， Gan， J. Uptake and metabolism of phthalate esters by edible plants[J].Environmental Science & Technology， 2015（14）： 8471-8478.
　　[8]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000：1.
　　[9] Fenner K， Canonica S， Wackett LP， Elsner M. Evaluating pesticide degradation in the environment： blind spots and emerging opportunities[J]. Science， 2013（341）： 752-758.
　　[10] Singh BK. Organophosphorus-degrading bacteria： ecology and industrial applications[J]. Nature Reviews Microbiology，2009（7）： 156-164.
　　[11] Wright RJ， Bosch R， Gibson MI， Christie-Oleza JA. Plasticizer degradation by marine bacterial isolates： a proteogenomic and metabolomic characterization[J]. Environmental Science & Technology， 2020（54）： 2244-2256.
　　[12] Song Y， Xu M， Li X， Bian Y， Wang F， Yang X， Gu C， Jiang X. Long-term plastic greenhouse cultivation changes soil microbial community structures： a case study[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry， 2018（66）： 8941-8948.
　　（責任编辑 常阳阳）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15216544.htm