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河流重点江段水体中 PPCPs 的分布特征分析论文

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2025-04-02 16:58:02    来源:    作者:xuling

摘要:PPCPs浓度在下游区域及春秋季显著升高,主要污染源为生活污水和农业排放。生态风险评价表明,下游部分采样点存在较高生态风险。研究提出了基于污染来源和区域分布特征的治理建议,为中小型河流水体污染控制提供了科学依据。

  摘要:针对YZ河流重点江段水体中药物及个人护理品(PPCPs)的污染特征,开展了分布规律、来源解析及生态风险评价研究。通过多点位采样及气相色谱-质谱联用技术,分析了PPCPs的空间分布与季节性变化特征。结果显示,PPCPs浓度在下游区域及春秋季显著升高,主要污染源为生活污水和农业排放。生态风险评价表明,下游部分采样点存在较高生态风险。研究提出了基于污染来源和区域分布特征的治理建议,为中小型河流水体污染控制提供了科学依据。


  关键词:药物及个人护理品(PPCPs);水体检测;分布特征


  0引言


  药物及个人护理品(PPCPs)作为新兴污染物,因其难降解性和潜在生态风险,引发全球广泛关注。PPCPs主要排放源为生活污水、农业废水和工业废水,且其在水体中的迁移与转化受到复杂水文条件的影响。樊月婷等[1]研究了长江中游地区饮用水源中的PPCPs分布及风险特征,发现其具有显著的时空异质性。胡烨等[2]分析了长江重点江段枯水期PPCPs的空间分布及来源,指出居民生活和农业排放是主要污染源。上述研究为大型河流的PPCPs污染特征及风险评价提供一定的依据,但中小型河流的污染特性及季节性变化仍缺乏系统研究。本研究以YZ河流为对象,通过多点位采样和GC-MS分析,揭示其重点江段PPCPs的空间分布、时间变化及生态风险特征。以区域性中小河流为重点,结合污染来源解析与定量生态风险评估,弥补相关研究空白,为水体污染治理和管理政策提供科学依据。


  1材料与方法


  1.1实验材料


  1.1.1材料与试剂


  使用的所有试剂和材料均为高纯度产品,以确保分析结果的准确性与可靠性。溶剂乙腈(Acetonitrile,ACN)和超纯水(Milli-Q水)均为HPLC级,保证实验中不引入杂质[3]。目标PPCPs(药物与个人护理品)的标准品包括对乙酰氨基酚(paracetamol)、洛伐他汀(lovastatin)、芬普尼尔(fenpropathrin)等,均来自Sigma-Aldrich,且纯度不低于98%。此外,使用二甲基亚硫酰胺(DMSO)和氯甲基硅烷(CMS)进行气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析前的衍生化反应。这些试剂均经过严格验证,确保无污染,符合实验要求。


  1.1.2实验设备


  使用的设备气相色谱-质谱联用仪(GC-MS,Agilent 7890A-5975C)结合电子捕获检测器(ECD)及质谱检测器(MSD),适用于PPCPs的定性与定量分析,能够高效分离并检测水样中的微量污染物[4];超声波提取仪(JY92-2D,Jiangsu Province Instrument Company)被用于样品提取;固相萃取(SPE)柱(Thermo ScientificTM HyperSepTM)用于从水样中富集目标化合物;高速离心机(SIGMA 3-18,Sigma公司)则用于样品的分离处理。所有设备在使用前均进行了详细的校准,确保其性能稳定,分析数据具备高度的精确性与重现性。


  1.2实验方法


  1.2.1样品前处理方法


  为提高PPCPs回收率和分析灵敏度,采用固相萃取(SPE)技术进行水样前处理。水样经0.45μm PTFE膜过滤器过滤,去除悬浮颗粒后,使用Thermo ScientificTM HyperSepTM SPE柱分离富集目标PPCPs。柱前预洗用甲醇去除极性杂质,水冲洗后以乙腈洗脱目标物。洗脱液浓缩至1 mL,并存储于-20℃。浓缩过程中采用氮气吹干法,减少溶剂体积,提高检测灵敏度,降低基线噪声。


  1.2.2 PPCPs的分析方法


  水样中的PPCPs通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)进行分析,采用HP-5MS色谱柱(30 m×0.25 mm×0.25μm)分离,温控程序为初温100℃,升温速率10℃/min,最终温度280℃,保持3 min,载气为氮气,流速1.0 mL/min。分离后化合物经电子捕获检测器(ECD)定性,质谱检测器(MSD)定量,质量范围50~500 m/z,使用内标法建立标准曲线计算浓度。每样品重复分析三次,以确保结果准确性与重现性。高分辨率质谱有效区分相似化合物,实现高精度定性与定量分析。


  1.3实验设计与过程


  1.3.1研究区域设计与采样方案


  本研究选择YZ河流作为研究区域,YZ河流作为典型河流系统,因工业、农业及居民活动频繁,被选为研究区域。根据水流方向、流速变化及污染源分布,设置5个采样点,覆盖上游、中游及下游区域,确保采样具有代表性。采用季节性采样策略,分别于春、夏、秋、冬采集水样,每次采集量为500 mL。采样同时记录水温、pH值、溶解氧等环境参数,揭示不同季节PPCPs的变化规律,并确保数据完整性与可靠性。


  1.3.2实验流程与数据采集


  实验流程包括样品采集、前处理、分析及数据处理。采集水样后记录环境参数,将样品经固相萃取(SPE)去除杂质并浓缩目标PPCPs,随后采用GC-MS进行定性与定量分析。所有操作严格遵循标准操作规程(SOP),以确保数据的可比性与重复性。数据分析使用SPSS统计软件,通过单因素方差分析(ANOVA)比较不同采样点PPCPs浓度,并采用Pearson相关分析评估污染源与PPCPs浓度的关系,揭示潜在污染来源及其对水质的影响。实验数据经过质量控制(QA/QC),确保科学性与可靠性。


  2结果与分析


  2.1目标PPCPs的检出情况


  在YZ河流重点江段水体中,分析了20种常见药物及个人护理品(PPCPs),其中10种在所有采样点检出,另10种仅出现在特定采样点或季节。对乙酰氨基酚(paracetamol)和洛伐他汀(lovastatin)检出率最高,分别为90%和85%。芬普尼尔(fenpropathrin)在下游区域检出率达92%,氯霉素(chloramphenicol)主要出现在上游区域。所有PPCPs浓度均低于环境质量标准,但部分污染物在下游居民区和工业区水段浓度显著升高。检出情况见表1。

  2.2 PPCPs的空间分布特征


  YZ河流水体中PPCPs的空间分布表现出显著差异。上游区域PPCPs质量浓度较低,对乙酰氨基酚和洛伐他汀质量浓度均低于20 ng/L;中游和下游区域质量浓度显著升高,尤其在下游采样点6(工业排放口附近),多种PPCPs质量浓度超过50 ng/L。对乙酰氨基酚在上游质量浓度最低(12.6 ng/L),中游增至25.4 ng/L,下游升至45.3 ng/L;芬普尼尔在下游质量浓度最高(68.4 ng/L),反映出农业污染源的显著影响。不同区域PPCPs质量浓度分布见图1。

  2.3 PPCPs的时间分布特征


  YZ河流水体中PPCPs的时间分布呈现季节性变化。春季和秋季PPCPs浓度较高,春季因农业农药施用增加,平均浓度显著上升;夏季降水稀释使浓度降低,冬季因水温下降和农业活动减少,浓度最低。以芬普尼尔为例,春季平均质量浓度为62.4 ng/L,夏季降至45.1 ng/L,秋季接近春季(59.3 ng/L),冬季降至35.2 ng/L,体现出明显的季节性波动。不同季节PPCPs质量浓度分布见图2。

  2.4 PPCPs的来源解析


  通过PPCPs的空间与时间分布分析,推测其主要来源。上游区域PPCPs浓度较低,可能与农业活动和药物使用较少有关;中游和下游区域浓度显著升高,尤其是下游5和6号采样点,主要污染源为工业排放、农业废水及生活污水。芬普尼尔在下游浓度极高,反映出农业用药是主要来源;对乙酰氨基酚和洛伐他汀浓度较高,则与生活污水和医疗废水排放密切相关。PPCPs潜在污染来源见表2。


  2.5 PPCPs的生态风险评价


  采用生态风险指数(ERI)方法评估YZ河流中PPCPs的生态风险。根据目标PPCPs浓度与环境安全浓度(EQS)的比值,计算各采样点的生态风险指数。结果显示,下游5和6号采样点的ERI均高于1,表明该区域水体污染已对生态系统构成潜在风险。PPCPs生态风险评价见表3。

  3结论


  本研究分析了YZ河流重点江段水体中PPCPs的分布特征、来源及生态风险。结果显示,20种目标PPCPs中有10种被普遍检出,对乙酰氨基酚、洛伐他汀和芬普尼尔检出率较高。PPCPs浓度在空间上表现为下游区域污染严重,尤其工业区和农业区附近;时间上呈季节性波动,春秋季浓度较高,夏季因降水稀释降低,冬季浓度最低。污染源主要来自工业排放、农业废水和生活污水,下游区域污染较为集中。生态风险评估显示,下游部分采样点生态风险指数超过1,对水生态系统构成潜在威胁。建议加强水质监控与污染源治理,严格控制农业、工业及生活污水排放,降低PPCPs污染,支持水体生态修复。

  参考文献


  [1]樊月婷,昌盛,张坤锋,等.疫情背景下长江中游地区典型饮用水源中PPCPs分布特征与风险评[J].环境科学,2022,43(12):5522-5533.


  [2]胡烨,徐辉,王殿常,等.长江重点江段枯水期药物及个人护理品(PPCPs)的空间分布特征及来源[J].环境科学学报,2022(2):42.


  [3]黄季超.太湖流域典型水体微塑料赋存,通量及对PPCPs载带作用研究[D].无锡:江南大学,2023.


  [4]赵雅芳,李*鸿,顾俊鹏,等.长江流域下游水体中药品和个人护理品赋存,分布,溯源及风险评估研究进展[J].环境监控与预警,2022(5):14.