华北四城市生活污水中农药残留及健康风险

白 雅,李 壮,黄红梅,黄健文,梁志豪,范桂恒,刘天佑,李喜青 ,张 巍* (.北京大学城市与环境学院,地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京 0087；
.中国人民大学环境学院,北京 0087；
.未名环境分子诊断技术研究中心,广东 佛山 58000；
.广西壮族自治区公安厅,广西 南宁 50000)

污染物暴露引发的城市居民健康风险日益成为城市治理中的突出问题,也成为衡量一座城市管理水平的标尺[1-4].农产品农药残留是公众非常关注的健康问题.常规通过市场抽样检测的方法获得农药残留数据,这种检测受到抽样频率、样本量和覆盖范围、检测能力等条件的限制,具有一定的随机性和偶然性[5].

进入城市菜篮子的蔬果上残留的农药,会随着清洗过程进入生活污水,再经污水管网进入污水处理厂,城市生活污水中的农药,绝大部分来自于居民清洗水果蔬菜的排放[6].因此在污水厂进水口采集污水样品,分析其中农药类物质的浓度,结合参数模型计算,就能反推这些农药的残留量[6-7].这种方法称为污水流行病学,用于实际监测城市农药残留,具有快速、客观、成本低等突出优点.其创新性主要体现在以污水中的残留水平反推消费端的暴露,是评估居民潜在暴露风险的最直接数据来源.与其他研究方法相比,不仅能更准确客观评价城市整体农药残留水平,还可以确定农药残留突出的区域,对城市居民农药暴露的健康风险评价具有重要意义[8-9].

本研究对中国华北地区4个城市的19家生活污水厂进水中的21种农药进行了监测分析,应用污水流行病学方法计算城市生活污水中的农药残留量,评价城市农药残留特征和潜在健康风险,可以为城市精细化管理和公共健康风险评估提供方法和数据支撑.

1.1 样品采集

本研究以中国华北地区的 4个省会城市和直辖市:北京、太原、呼和浩特和石家庄作为目标研究区域.在每个城市选取代表性的主要生活污水处理厂,共选择 19家生活污水厂,这些污水厂均只收纳主城区生活污水,没有工业废水、农业面源污水、以及城市郊区的农家小院污水排入.污水厂收纳区内管网雨污分流,城市绿地的排水进入雨水管道,不进入污水厂.确保所采集的样品能充分代表所在城市居民生活污水的情况,不受工业排放、农业面源污染、城市绿化农药、城市郊区农家小院和降雨等的影响.

2017年4和11月,在所选生活污水处理厂进水口(细格栅后)采集进水水样,各污水厂的采样时间一致,均连续采集 7d,采样期间避开降雨影响.使用Sigma-SD900自动水质采样器(HACH公司,美国),每2h采集一次(每次不少于100mL),每天24h采集12个样品,将其等体积混合得当日混合样.将当日混合样分装在专用样品瓶中,转移至-20℃冰箱冷冻保存.采样结束后,采用冷链运输,使样品在冷冻条件下运送到实验室进行检测分析.

1.2 实验方法

实验方法为固相萃取(SPE)-液相色谱串联质谱分析(HPLC-MS/MS).采用固相萃取法对污水样品进行前处理.取200mL样品,用0.45μm玻璃纤维滤膜过滤,滤液以2mL/min的流速加载到固相萃取柱(Oasis-HLB,Waters公司,美国).在样品加载前,固相萃取柱依次用3mL甲醇和3mL超纯水活化.样品加载完成后,用 3mL超纯水淋洗萃取柱,然后以缓和的空气流持续抽气10min直至萃取柱干燥.干燥后的萃取柱用 5mL甲醇洗脱,在室温下用缓和的高纯氮气将洗脱液吹干,然后用 500μL20%的甲醇水溶液对氮吹的残留物进行复溶.复溶后的溶液用 0.22μm有机相过滤离心管(VWR公司,美国)过滤,滤液转移入 UPLC-MS/MS专用的200μL内插管,放入1.5mL螺纹口进样瓶中,4℃下保存,以备上机测定.

前处理后的样品用高效液相色谱串联质谱进行测定.使用岛津高效液相色谱(20AD-XR,Shimadzu,日本)进行分离,所用液相色谱柱为菲罗门Gemini C18柱(100mm×2.00mm,3μm) (Phenomenex,美国),进样量为5μL.液相色谱的流动相由含0.1%甲酸的水溶液(A 相)和甲醇(B相)组成.洗脱梯度为:0～1.5min:20% B;1.5～2.25min:80% B;2.25～3.1min:95% B;3.1～5.0min:20% B.流动相流速为0.3mL/min.使用API 4000三级四重杆串联质谱仪(AB Sciex,美国),在多反应监测模式(MRM)下对浓度进行定量测定.使用电喷雾离子源(ESI),电喷雾电压为正离子5500V,离子源温度(TEM)为350℃,雾化气和辅助气压力为0.345MPa.每种农药选择两个子离子,母离子、子离子的荷质比、去簇电压(DP)、碰撞电压(CE)和保留时间(RT)等质谱参数见表1.

表1 目标化合物的质谱参数Table 1 Mass spectrum parameters of target compounds

1.3 质量控制

样品的采集和检测分析过程均采取严格的质量控制措施.样品过滤后加入50µL浓度为500 µg/L的混标和50 µL浓度为500 µg/L的氘代内标.每批次实验设置一组流程空白,与样品同时进行前处理和测定.本研究共检测了21种农药,分为杀虫剂、杀菌剂和除草剂3类.其中杀虫剂9种,杀菌剂6种,除草剂6种,涵盖了我国当前使用的主要农药种类.这21种农药的方法检出限在 0.01～0.25ng/L,定量限在0.02～0.82ng/L.根据流程空白和加标浓度计算方法回收率,(75.3±3.5)%～ (112.6±4.8)%.

1.4 数据计算

农药残留量用千人均残留量(RW)来表征.千人均残留量是指污水处理厂进水中农药的日总负荷量与污水厂服务人口的比值,通常以每1000人为一个人口单位,单位为“mg/(千人·d)”,计算公式:

式中:C为污水中的浓度,是仪器直接测定所得,ng/L;Q为污水厂的进水流量,是流量计直接计量所得,m3/d.这两个变量的测定均较为准确、客观.P为污水厂服务人口,由污水厂提供,千人,该变量是根据污水厂的设计处理量和人均日污水排放量计算得到,为经验估计值,虽然相对于仪器测定的数据来说,这种估算具有较大的不确定性,但因为人口统计本身就具有不确定性,而污水厂要根据服务的人口进行处理设施的设计和运行,因此污水厂提供的服务人口数是相对最优的人口估算.

健康风险分析中会使用城市在一段时间内(日、周、月或年)农药残留的总量,以便与蔬果产地的农药使用量数据形成直观对照,分析城、乡的农药物质流,评价农药相关政策的实施效果.本文中总残留量(RT)的计算公式如式(2):

式中:RT为总残留量,g/d;RP为城市常住人口,采用统计局统计年鉴数据,千人.

根据污水中农药残留量,可以近似推算进入城市的生鲜蔬果清洗前的农药残留量,其主要前提假设是城市生活污水中残留的农药主要来自于家庭和商超对蔬菜水果等生鲜农产品的清洗[7-9].计算公式:

式中:RL为清洗前蔬果农药残留量,mg/kg;RW为污水中农药千人均残留量,mg/(千人·d);PF水洗为蔬果水洗过程的加工因子;FI为每日蔬果摄入量,g/(人·d).

根据城市生活污水中的农药残留量,计算城市居民农药的日均潜在摄入量(EDI,mg/kg bw),计算公式:

式中:RL为清洗前蔬果的农药残留量,mg/kg;PF加工为蔬果综合加工因子;FI为每日蔬果摄入量,g/(人·d);BW为人体体重,kg.

2.1 城市生活污水中农药残留浓度

在4个城市的生活污水样品中共检出18种农药,其中北京市、太原市、呼和浩特市、石家庄市污水样品中分别检出17、16、15、15种农药.根据污水厂的流量,计算每个城市污水中农药的流量加权平均浓度,如表2所示.

表2 华北四城市生活污水中残留农药的浓度Table 2 Concentration of pesticides in wastewater samples from four cities in North China

4个城市中,检出浓度较高的 3种农药是多菌灵、吡虫啉和氯虫苯甲酰胺,其中多菌灵的浓度最高,说明其残留量较大.石家庄多菌灵的浓度为1328.07ng/L,在 4个城市中最高.多菌灵是一种苯并咪唑类杀菌剂,广泛应用于蔬果生产的真菌病害防治中,易造成蔬果中多菌灵残留超标,构成食品安全风险.多菌灵对人和动物的毒性属于低毒,但长期暴露于含多菌灵的食物,经过消化道的吸收,可积累在体内尤其是脏器组织中,从而影响人体健康.田丽等[10]报道了 2015～2017年陕西省市售水果中杀菌剂残留状况,发现多菌灵的检出率和超标率最高,分别为48.2%和 2.1%.文献研究显示,多菌灵在蔬果中的残留具有普遍性[11-13].本研究的数据也表明,多菌灵在城市污水中的残留具有普遍性.

2.2 城市生活污水中农药残留量结构

由表3可见.在4个城市中,石家庄21种农药的综合千人均残留量最高,为454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,为63.69mg/(千人·d),这主要是因为石家庄的多菌灵残留量较高,为424.98mg/(千人·d).从总残留量来看,北京的数值最高,21种农药的综合总残留量为4348.1g/d,这是因为北京的常住人口远大于其他 3个城市.除了多菌灵之外,北京市吡虫啉、氯虫苯甲酰胺和甲霜灵的千人均残留量和总残留量也比较突出.

表3 华北四城市污水中农药千人均残留量和总残留量Table 3 Mass of pesticide residues in wastewater from four cities in North China

以总残留量为指标,绘制 4个城市的污水中残留农药的成分结构,如图1所示,在所检测的21种农药中,多菌灵在4个城市的农药残留中占比均最高,为51.35%(北京)～93.43%(石家庄).这体现出华北地区蔬果农药使用具有相同特征,多菌灵是本地区主要农药,其中石家庄的多菌灵残留最为突出.北京市的农药残留量中,除多菌灵外,其它占比较高的农药还包括吡虫啉(21.97%)和氯虫苯甲酰胺(6.34%),这3种农药的累计占比达到 80%.太原市的农药残留结构与北京类似,多菌灵之外占比较高的农药同样为吡虫啉(8.91%)和氯虫苯甲酰胺(4.65%),累计占比为83%.呼和浩特市残留农药中比例较高的是多菌灵(78.49%)、氯虫苯甲酰胺(5.25%)和吡虫啉(4.04%)这3种农药的占比为88%.石家庄市污水农药残留量中,多菌灵所占比例为93.43%,远高于其它农药.

图1 城市污水中残留农药成分结构Fig.1 Structure diagram of pesticide residues in urban wastewater

由此可见,4个城市的农药残留结构相近,多菌灵的残留量均最高,其余比例较高的农药包括吡虫啉和氯虫苯甲酰胺.吡虫啉是一类新烟碱类的杀虫剂,有研究表明,吡虫啉可能对昆虫和脊椎动物产生毒性作用,对生态系统和人类健康造成潜在的不利影响[14].氯虫苯甲酰胺是新型邻甲酰氨基苯甲酰胺类的广谱型杀虫剂,具有广谱、活性高、速效性好等优点,在我国广泛用于蔬菜、水果和粮食作物.出于对水生生物的风险考虑,2016年9月,农业部正式撤销氟苯虫酰胺在水稻作物上的登记.美国 EPA同样也关注到该产品对水生无脊椎动物存在风险,于2016年7月取消了相关的登记[15].

2.3 推算蔬果农药残留量

根据公式(3),在计算过程中需要确定蔬果清洗的农药去除率,引入蔬果加工因子(PF)的概念.研究表明,加工过程可以影响蔬菜和水果中的农药残留[16],加工效果可以由加工因子表示.加工因子是加工前后蔬果的农药残留量比值,是评价蔬果加工过程中农药残留量变化的主要参数.蔬果加工对农药残留量的影响取决于多种因素,农药的化学结构和理化性质决定了加工过程中化学物质的变化,例如水洗过程中,农药的溶解度很大程度上影响了农药的去除率;蔬果的种类、形态等的差异会影响农药在蔬果上的分布[17];清洗的时间长短也会对蔬果农药残留量产生影响[18].不同蔬果、不同农药的加工(清洗)因子不同,而实际中可获得的数据有限.因此,根据文献研究[17],本文取较为保守的通用加工因子0.75作为蔬果水洗过程的加工因子PF水洗.根据何宇纳等[19]研究,我国大城市成年居民人均每日蔬果平均摄入量为337g/(人·d).需要指出,居民蔬果摄入量与城市经济水平、居民收入和生活习惯密切相关,本文中4个城市的人均每日蔬果摄入量选用同一数值,没有考虑城市差异,进一步的研究中,在各城市针对性的膳食结构调查数据基础上,估算会更准确.

选取每个城市残留量最高的3种农药多菌灵、吡虫啉和氯虫苯甲酰胺,根据公式(3)计算相应的蔬果农药残留量,结果如表4所示.

表4 推算的3种农药蔬果残留量(mg/kg)Table 4 Three pesticide residues from fruits and vegetables(mg/kg)

通过生活污水中的农药残留推算蔬果表面农残,结果显示,在4个城市中,多菌灵的蔬果残留量均高于其他农药.表4中,石家庄多菌灵的蔬果残留量高于其他城市,为5.04mg/kg,北京的吡虫啉和氯虫苯甲酰胺的蔬果残留量高于其他城市.

2.4 健康风险分析

蔬果中残留农药的潜在健康风险可以用每日允许摄入量(ADI)来评价.ADI是人体每日摄入而不产生可检测到的危害健康的估计量,以每千克体重可摄入的量表示.根据公式(4),由蔬果农药残留量计算EDI.由EDI与ADI的比较来分析残留农药的潜在健康风险.计算过程中应考虑包括清洗、去皮、烹饪等在内的一种或多种加工过程,由于实际中可获得的不同蔬果食品加工因子数据有限,因此采用通用的综合加工因子 PF加工替代,本研究中取PF加工为0.65[17](该值与 PF水洗不同,较为保守,包括清洗、去皮和烹饪等在内的加工过程往往可以更大程度上减少农药残留).FI根据文献研究取337g/(人·d)[19];BW取成年人平均体重为60kg.根据图1中每个城市农药总残留量占比,选取累计占比在 90%以上的农药种类,依据公式(4)计算日均潜在摄入量EDI,如表5.

表5 城市蔬果主要残留农药日均潜在摄入量EDITable 5 Estimated daily intake of pesticides from urban vegetables and fruits

表5中ADI引自《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量 (GB 2763-2019)》[20].虽然ADI的数据是直接检测的蔬果表面农残,EDI的数据是根据生活污水推算的蔬果农残,二者的检测方法不同,但 ADI是一个人每天可接受的不对健康构成风险的最大暴露量,用 ADI与根据污水残留推算的EDI数值比较,可以从宏观上反映蔬果农残的健康风险[21-22].华北 4个城市主要残留农药的日均潜在摄入量 EDI均小于相应的每日允许摄入量 ADI,即RQ值都小于1.其中石家庄市多菌灵的EDI值最高,虽未超过相应的 ADI值,但考虑到日均潜在摄入量由污水中农药的总残留量计算得到,实际中具体到某一特定的蔬果品种上,仍存在一定的健康风险.

针对华北4个城市残留量最高的3种农药多菌灵、吡虫啉和氯虫苯甲酰胺,收集整理了国内外相关研究中蔬果农药残留水平和日均潜在摄入量的数据(表6).虽然不同国家研究中涉及的蔬果种类和人体体重数据不同,但是这一比较可以整体上反映华北4城市的主要农药残留量和日均潜在摄入量与国内外其他区域相比的相对水平.

表6 国内外蔬果农药残留量及EDI比较Table 6 Comparison of pesticide residues and EDI in vegetables and fruits with other studies

由表6可知,相关研究中蔬果上多菌灵残留量范围较大,为0.0004～3.4mg/kg,而本研究中多菌灵的蔬果农药残留量在 0.59～5.04mg/kg之间,高于文献报道的水平.吡虫啉的文献报道残留最高值为0.378mg/kg,本研究的范围为0.04～0.52mg/kg,其中北京较高,为0.52mg/kg,太原、呼和浩特和石家庄的吡虫啉残留浓度分别为0.08,0.04,0.09mg/kg,处于文献报道残留水平范围内.氯虫苯甲酰胺的文献残留水平为0.001～0.399mg/kg,华北4个城市的氯虫苯甲酰胺残留水平与之相当,范围为0.03～0.15mg/kg.就日均潜在摄入量EDI比较,本研究中3种农药 EDI的最大值均低于文献中相应农药的最大值,整体在文献报道的EDI值范围之内.

相关研究中基本未考虑到食品加工过程对蔬果农药残留的影响,因此本文采用清洗前农药残留量与文献研究中的农药残留水平进行比较分析.由于相关蔬果农药残留的研究中,对蔬果残留量的测定前准备工作需要对蔬果进行清洗/破碎等工作,所以文献报道的蔬果农药残留有所低估.与直接抽样蔬果检测获得的农药残留量相比,本研究中根据污水监测计算的农药残留水平受到不同农药的水溶性差异、农药在污水管网中的稳定性等因素影响,具有不确定性,这些因素的贡献需要进一步的研究来定量表征.但与蔬果抽样检测相比,污水监测计算的方法可以避免抽样的偶然性,更能反映一个城市整体的农药残留水平,适用于评估居民潜在暴露风险.

3.1 在4个城市中,石家庄21种农药的综合千人均残留量最高,为454.89mg/(千人·d),呼和浩特最低,为63.69mg/(千人·d).4个城市污水中残留占比较高的3种农药均为多菌灵、吡虫啉和氯虫苯甲酰胺.多菌灵占比最高,为51.35%(北京)～93.43%(石家庄).华北地区蔬果农药使用具有相似特征,多菌灵的使用和残留具有普遍性.

3.2 根据污水残留量推算蔬果农药残留量,石家庄多菌灵的蔬果残留量最高,为5.04mg/kg.北京吡虫啉和氯虫苯甲酰胺的蔬果残留量均高于其他城市.

3.3 华北 4个城市主要残留农药的日均潜在摄入量 EDI均小于相应的每日允许摄入量 ADI,其中石家庄多菌灵的EDI值最高,但未超过相应的ADI值.

3.4 将本研究中多菌灵、吡虫啉和氯虫苯甲酰胺的蔬果农药残留量和EDI与国内外其他文献报道的数值相比较,除了多菌灵相对较高外,吡虫啉和氯虫苯甲酰胺基本在文献数值范围之内.