PFAS,全稱“多氟烷基及全氟烷基化合物”,近年來PFAS因其ji高的持久性、遷移性以及潛在毒性而備受關(guān)注,被稱為“yong久化學(xué)品”。越來越多的研究表明,長期暴露于PFAS可能會對人體健康造成一系列風(fēng)險(xiǎn)。
自20世紀(jì)50年代以來,PFAS在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。在長達(dá)70余年的生產(chǎn)和使用中,其種類不斷增加,如今市面上應(yīng)用的PFAS已超過5000種。盡管包括中國在內(nèi)的部分國家已逐漸替代或淘汰全氟辛酸(PFOA)和全氟烷基磺酸(PFOS)。但越來越多的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),在空氣、飲用水、海水、食品,甚至在人體中均能檢測出PFAS。它無處不在,海拔五千米的雪山、北極熊和黃花魚,三者聽起來全無關(guān)聯(lián),但同樣被檢測出含有PFAS。目前正在成為全球新污染物治理的關(guān)注焦點(diǎn)。
在我國,石油需求的不斷增長對石油開采采收率提出更高要求,PFAS作為趨油劑等助劑可幫助提高原油回收率,使得陸地油田成為PFAS典型的釋放源。然而,PFAS在油田中的暴露行為卻鮮有報(bào)道,且由于大量新型PFAS的合成與使用,靶向分析難以反映環(huán)境中PFAS的污染特征全貌。
近日,南開大學(xué)孫紅文教授和姚義鳴副教授在《Journal of Hazardous Materials》(影響因子:14.2235)上發(fā)表了文章“Non-target discovery of emerging PFAS homologues in Dagang Oilfield: Multimedia distribution and profiles in crude oil”,通過使用UHPLC/Orbitrap HRMS對天津大港油田的地表水樣品進(jìn)行非靶向分析, 以鑒定大港油田環(huán)境中未知PFAS,同時(shí),基于鑒定到的油田地表水、沉積物、原油和污泥中PFAS同系物的半定量分析,進(jìn)一步研究油田環(huán)境中 PFAS 環(huán)境行為和風(fēng)險(xiǎn)。
研究詳情
大港油田地表水非靶向篩查
作者使用Compound Discoverer軟件的自動峰提取、保留時(shí)間對齊和鑒定功能,對PFAS進(jìn)行非靶向篩查,并建立了PFAS同系物列表,如表1。在大港油田地表水樣品中共發(fā)現(xiàn)了9個(gè)類別(53個(gè)同系物)的PFAS同系物,類別1-8具有CF2的重復(fù)結(jié)構(gòu) ,類別9具有C2F4的重復(fù)結(jié)構(gòu),沒有具有CF2O重復(fù)結(jié)構(gòu)的同系物,其中7種同系物為shou次報(bào)道。研究發(fā)現(xiàn)多種短鏈PFAS,包括HOPFLSA(n=1)和C1-C3全氟磺酸(PFSA),是shou次在大港油田地表水中檢出;shou次發(fā)現(xiàn)HPFLCA(n=1),該化合物可能是全氟丙酸(PFPrA)的氫取代產(chǎn)物或來自其他前體物的降解。
表1 PFAS同系物的結(jié)構(gòu)和質(zhì)譜信息及其保留時(shí)間(RT)和預(yù)測的log Kow值(點(diǎn)擊查看大圖)
地表水中出現(xiàn)的PFAS同系物的分布和水平
對油田地表水中已鑒定的PFAS同系物進(jìn)行半定量,選取十個(gè)地表水樣品進(jìn)行分析,與TOP(總可氧化前體物)分析結(jié)果比較,總的來說,外圍地區(qū)(PA)區(qū)域的特點(diǎn)是△PFPrA及其潛在前體占主導(dǎo)位置,可能由于石油工業(yè)活動,核心地區(qū)(CR)區(qū)域主要以長鏈PFAS占主導(dǎo)。
圖1 在核心區(qū)域(CR)和外圍區(qū)域(PA)地表水樣品中,TOP分析中△PFCA摩爾濃度與目標(biāo)PFAS前體物(T-C)的定量結(jié)果以及在TOP分析中鑒定出的可能轉(zhuǎn)化為C3-C12 PFCA的前體物(I-C)的半定量結(jié)果的比較。(點(diǎn)擊查看大圖)
沉積物中已鑒定PFAS同系物的分布和水平
在地表水中已鑒定的PFAS同系物中,在采集的沉積物樣品中檢測到29種PFAS。對沉積物中PFAS同系物進(jìn)行半定量計(jì)算,計(jì)算PFAS的沉積物-水分配系數(shù)Log Kd,其與辛醇-水系數(shù)Log Kow的相關(guān)性可以揭示碳鏈長度和基團(tuán)類型的關(guān)系。如圖2.A所示,這些經(jīng)鑒定得到的PFAS的Log Kd值(C≥4)與Log Kow值總體呈正相關(guān)(r=0.630,p<0.001),含羧酸或磺酸的PFAS同系物的Log Kd值也分別與Log Kow值有很強(qiáng)的相關(guān)性(圖2.B和2.C),這為確定相似結(jié)構(gòu)的同系物特征提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)。
根據(jù)數(shù)據(jù)也可以表明,大多數(shù)已確定的全PFAS從地表水到沉積物的分配潛力相當(dāng)于或高于PFOS和PFOA。此外,17種鑒定得到的PFAS具有比PFOA(4.77,表1)更高的Log Kow預(yù)測值,這也可能表明它們具有更強(qiáng)的生物累積能力。
圖2辛醇-水分配系數(shù)(Log Kow)的預(yù)測值與在地表水和沉積物樣品中檢測到的2-9類同系物的沉積物-水分配系數(shù)(Log Kd)平均值之間的相關(guān)性(A);羧酸同系物(C≥4)(B);磺酸同系物(C≥4)(C)。(點(diǎn)擊查看大圖)
原油和污泥中PFAS同系物的分布和水平
統(tǒng)計(jì)原油和污泥樣品中的PFAS的含量,并比較它們與大港油田外圍區(qū)域(PA)和核心區(qū)域(CR)地表水和沉積物樣品的貢獻(xiàn)。如圖3所示,原油樣品中的PFAS主要以O(shè)BS(31%)和全氟羧酸(PFCA)(27%)為主,此外還含有PFSA(16%)、OPFLSA(10%)、6:2FTAB(7%)和HPFLCA(5%)等;污泥樣品中PFSA占主導(dǎo)地位(78%),其次是HPFLCA(14%)和PFCA(5%)。PFSA對PA和CR沉積物樣品的貢獻(xiàn)最大,分別為80%和59%,而6:2 FTAB在CR沉積物樣品中的貢獻(xiàn)高達(dá)20%。相比之下,地表水樣本中主要以羧酸鹽為主,包括PFCA(40~62%)和HPFLCA(31~54%),其次是PFSA(4~5%)。CR地表水樣中PFCA和6:2 FTAB的含量也高于PA。
圖3 靶向PFAS(1-2類、FOSA、6:2 FTAB、Cl-PFESA、PFECHS和OBS)和鑒定到的PFAS(3-9類、TFMS、PFEtS和PFPrS)在原油和油泥樣品中的貢獻(xiàn),并與大港油田外圍(PA)和核心區(qū)(CR)地表水和沉積物樣品(質(zhì)量濃度中位值)的分布特征進(jìn)行比較。(點(diǎn)擊查看大圖)
這些結(jié)果表明,在石油鉆井過程中,化學(xué)添加劑的使用導(dǎo)致原油中出現(xiàn)了一些新的PFAS。當(dāng)原油被提煉和運(yùn)輸時(shí),這些PFAS可能進(jìn)入石油產(chǎn)品或釋放到環(huán)境中。
大港油田面積1.87×104平方公里,年原油產(chǎn)量430萬噸(50.48億升)。因此,通過原油產(chǎn)生的PFAS總年流量估計(jì)高達(dá)10.4 kg/年。該年流量等于人口標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量負(fù)荷2.05 mg/天/1000人(天津?yàn)?390萬人),與中國特大城市污水處理廠的目標(biāo)PFAS的質(zhì)量負(fù)荷相當(dāng)。這進(jìn)一步表明,石油開采與PFAS的大量排放有關(guān),尤其是那些“未知”結(jié)構(gòu)的PFAS。
結(jié)論
使用Orbitrap HRMS方法進(jìn)行非靶向分析對于識別TOP(總可氧化前體物)分析中顯示的未知PFAA前提至關(guān)重要。針對大港油田環(huán)境中PFAS的檢測,結(jié)果表明,石油開采活動可能是釋放PFAS到環(huán)境中的重要潛在來源。地表水中已鑒定的PFAS對沉積物的分配潛力取決于鏈長,而超短鏈C1~C3 PFSA的分配潛力明顯升高。這些發(fā)現(xiàn)表明需進(jìn)一步研究油田環(huán)境中PFAS的環(huán)境行為和風(fēng)險(xiǎn)。
作者簡介
孫紅文教授為該文章的通訊作者,姚義鳴副教授為第一作者。該研究得到中國國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和教育部的資金資助。
孫紅文教授
教授、博士生導(dǎo)師,現(xiàn)任職于南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家杰出青年基金獲得者(結(jié)題時(shí)獲得優(yōu)秀)、教育部長江學(xué)者特聘教授、國家wan人計(jì)劃科技ling軍人才,百千萬人才工程guo家級人選,國務(wù)院政府特貼、全國三八紅旗手稱號、天津市勞動*稱號、天津市五一勞動獎?wù)芦@得者。主要致力于水和土壤環(huán)境污染化學(xué)與生態(tài)修復(fù)研究。承擔(dān)國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(shou席)、國家基金重點(diǎn)、973 計(jì)劃課題、863 前沿探索等重大項(xiàng)目,共發(fā)表論文440余篇,其中SCI論文340余篇,入選Elsevier中國高被引學(xué)者.以第一完成人獲得省部級一等獎2項(xiàng),二等獎1項(xiàng)。
姚義鳴副教授
副教授、碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)任職于南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院。主要從事新污染物的環(huán)境行為與人體健康效應(yīng)研究。共發(fā)表文章70余篇,其中以第一作者或通訊作者發(fā)表在ES&T、WR、EI、JHM等期刊發(fā)表SCI論文23篇。參編著作1部,主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng),青年項(xiàng)目1項(xiàng),天津市基金青年項(xiàng)目1項(xiàng),作為學(xué)術(shù)骨干承擔(dān)國家基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目等項(xiàng)目10余項(xiàng),是科技部人才推進(jìn)計(jì)劃重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2017)成 員(16/16),天津市“131”創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)(2016)成員(10/10)。
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