水环境中PPCPs的识别·风险评价与控制技术综述_任丙南.pdf

水环境中 PPCPs 的识别风险评价与控制技术综述任丙南1，2(1三亚学院翟明国院士工作站，海南三亚 572000;2三亚学院健康产业管理学院，海南三亚 572000)摘要药物和个人护理用品(pharmaceutical and personal care products，PPCPs)作为一类新兴的污染物，在环境中的存在、迁移已引起特别关注，成为环境领域热点研究方向。综述液相色谱质谱联用、气相色谱质谱联用两类分析检测技术的选择、应用和发展，风险评价重难点和风险评价方法的选择，活性污泥法、膜处理工艺、碳吸附法等常用控制技术的研究进展。指出水环境中 PPCPs 污染物识别的标准体系不完善、方法不统一，风险评价无法全面、客观与准确地反映 PPCPs 的生态影响，控制技术还需进一步加强和提升。关键词PPCPs;污染物识别;风险评价;控制技术中图分类号X824文献标识码A文章编号05176611(2023)07001003doi:103969/jissn05176611202307003开放科学(资源服务)标识码(OSID):Overview of PPCPs Identification，isk Assessment and Control Technology in Water EnvironmentEN Bing-nan1，2(1ZHAI Mingguo Academician Workstation，University of Sanya，Sanya，Hainan 572000;2School of Health IndustryManagement，University of Sanya，Sanya，Hainan 572000)AbstractPharmaceuticals and personal care products(PPCPs)are receiving public concerns and scientific interest since they were as theemerging pollutants This paper reviews the selection，application and development of liquid chromatography-mass spectrometry and gaschromatography-mass spectrometry，key and difficult points of risk assessment and selection of risk assessment methods，research progress ofcommon control technologies such as activated sludge process，membrane treatment process and carbon adsorption processIt is pointed out thatthe standard system of PPCPs pollutant identification in water environment is not perfect and the methods are not unifiedThe risk assessmentcannot comprehensively，objectively and accurately reflect the ecological impact of PPCPsAnd the control technology needs to be furtherstrengthened and improvedKey wordsPharmaceuticals and personal care products(PPCPs);Pollutant identification;isk assessment;Control technology基金项目海南省自然科学基金项目(420C673)。作者简介任丙南(1978)，男，山西太原人，教授，博士，从事污染物的污染行为与环境效应研究。收稿日期20220908人类活动引起的水环境问题一直是全球变化研究的热点和学术前沿。当前，研究者对人类活动产生的水体污染物的关注不再局限于传统的污染物，而是延伸到与人类日常生产生活密切相关的新兴污染物，如药品及个人护理用品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)。大多数PPCPs 具有易溶于水、弱挥发性、难降解和生物累积性的特点，在低剂量长期暴露下对生物将产生内分泌干扰效应、发育毒性和生殖毒性，对生态系统和人类健康形成威胁1。PPCPs 在环境中主要通过水相传递，虽然半衰期较持久性有机污染物短，但由于人类活动中大量频繁使用，使水环境中PPCPs 呈现出“持续存在”的状态，在水环境中的生态毒性仍然不容小觑23。农作物的生长发育离不开水体灌溉，灌溉用水中残留的 PPCPs 会导致农作物生长受影响，并伴随着农作物的食物链传递，进而影响人类健康。因此，该研究对水环境中 PPCPs 污染物的识别、风险评价与控制技术的研究进展进行了综述，分析研究现状，指出存在的问题和研究展望，为该领域学术研究提供参考。1水环境中 PPCPs 污染物的识别先进的分析检测技术，是有效识别与去除 PPCPs 污染物的前提和基础，有利于增强 PPCPs 处理效率，实现目标污染物的精准去除。现阶段水环境 PPCPs 污染物识别技术主要采用质谱联用分析技术(HPLC/MS)、气相色谱与质谱技术(GC/MS)两大类。其中，HPLC/MS 技术一般适用于如阿司匹林、咖啡因、双氯芬酸等具有亲水性、挥发性差与极性强的物质检测;GS/MS 技术一般适用于如多环芳香族碳氢化合物等挥发性强、极性弱的物质检测4。也有学者根据 PPCPs 组分 logKow值的不同选择检测方法，如 Singh等5 提出 logKow值在210318 的 PPCPs 污染物适宜采用HPLC/Ms检测，如退热净、双氯芬酸、咖啡因、碘普罗胺、碘氨类药物、立痛定等;logKow值在 318 以上的 PPCPs，适宜采用 GC/MS 检测领域，如加乐麝香、麝香酮等物质。采用logKow进行 PPCPs 检测方法的区分，使得 PPCPs 检测方法的选择更为精准。HPLC/MS 质谱联用分析技术以较强的专属性、极高的灵敏度、高分离能力属性，在水环境 PPCPs 污染物检测中表现出良好的应用前景，其基本原理为选取具有分离功能的仪器为质谱仪的“进样器”，将 PPCPs 分离为纯组分导入质谱仪，利用质谱仪获取 PPCPs 组分的分子量、分子结构特征6。为验证HPLC/MS 技术用于 PPCPs 识别的可行性，国内外学者通过文献研究、量化研究、实验分析、定性阐述等多种手段，进行技术的研究论证。吴刚等7 以污水处理环境为例，采用 HPLC/MS构建了 PPCPs 转化产物识别分析流程框架，主要包含样品获取(实验室小试、污水厂采样)、样品前处理(固相萃取、固相微萃取、液液萃取)、样品检测(DDA、DIA、离子淌度)、数据分析(可疑物筛查、非靶向筛查)，该流程基本体现了污水环境中 PPCPs 的转化特征，明确了 PPCPs 在各个阶段转化产物识别的关键技术。张盼伟等8 采用 HPLC/MS 技术，建立了阿奇霉素、林可霉素、卡马西平等 10 种 PPCPs 化合物的检测方法，该检测方法对于 PPCPs 化合物检测有着较好的适用性，且回收率与检测效率高。Hao 等9 通过总结近 7 年 HPLC/MS 的检测分析方法，认为在常规的 PPCPs安徽农业科学，JAnhui AgricSci 2023，51(7):1012，21组分分析中，样品制备、采样程序是薄弱环节，而在检测过程中，关于样品检测限度相关的数值同样是影响检测精准性的关键，这些是 HPLC/MS 检测分析的一个难点。在 GC/MS 气相色谱质谱技术层面，国内外学者开展了大量的研究工作，研究重点主要涉及 PPCPs 组分检测原理、检测步骤、检测成效等。GC/MS 属于分离科学研究范畴，通过对 PPCPs 污染物中的化学成分分离，测定不同化学成分的含量，在水环境药物检测中表现出较高的灵敏度与可靠性，但 GC/MS 由于自身技术条件的限制，对于检测物质组分的性质也有着一定的要求10。Abdul Mottaleb11 以洗漱用品二甲苯麝香为例，发现 GC/MS 适合易挥发、憎水性的 PPCPs 成分检测，而对于亲水性、极性强的物质则难以保证检测效果。杨林等12 建立了具体的 PPCPs 污染物检测流程，可同时对多个目标污染物成分测定，经实验分析平均回收率达到了 8981%，最低检测限 10 40 ng/L。Usenko 等13 认为 PPCPs 等污染物检测技术的发展离不开检测技术和样品制备技术优化及定量分析技术的支持，来提升 GC/MS 检测分析的效率与精确度。基于 HPLC/MS、GC/MS 两大 PPCPs 技术的研究基础，一些学者对 PPCPs 污染物检测技术进行了改良优化。贺德春等14 提出了一种新的地下水系统 PPCPs 污染源识别方法，解决了传统 PPCPs 污染源识别中存在的计算模型复杂、需大量数据运算、识别范围有限的缺陷。隋倩等15 基于排放源特征指数设计了 PPCPs 污染源溯源识别方法，基本原理为:对不同排放源的 PPCPs 进行筛选，利用数学模型的构建与推导，获得不同污染源占据混合样品总数的百分比，从而对地表水中的 PPCPs 污染物进行定量溯源与快速识别。这些技术的运用，是对常规 PPCPs 污染物识别技术的补充与拓展，为 PPCPs 污染物识别技术的发展与技术创新打下了坚实的基础。2水环境中 PPCPs 的风险评价绝大多数水环境中的 PPCPs 浓度低，急性毒性发生概率低，但由于长期存在产生毒理效应的积累，对微生物、动物及人类存在慢性毒性的可能。以抗生素类药物为例，水中残留会抑制微藻类微生物叶绿体及蛋白质的合成，导致生态湿地、河道生态堤岸两侧的植物发芽率受影响16。PPCPs 对动物及人体都有着不可忽视的生态毒性。Kar等17 以大量水生生态毒理学实验数据为基础，对 226 种抗生素在水环境中的生态毒性进行评价，发现 4400%的抗生素具有危害性，16.00%的抗生素具有剧毒性，5000%的抗生素具有毒害作用，3333%的抗生素有着较强的毒性，多数抗生素类 PPCPs 的生物富集作用强，易深入人体及动物细胞，表现出一定的细胞毒性。对水环境中的 PPCPs 进行科学的风险评价，成为制定有效控制措施的前提。在 PPCPs风险评价方面，研究者致力于构建健全的 PPCPs 风险评价体系，研究主要聚焦风险评价的重难点、风险评价方法等。为了更有效地评价 PPCPs 污染物的生态风险，研究者从 PPCPs 组分类型、迁移转化机制、生态影响的角度，开展了针对性的研究工作。由于 PPCPs 种类繁多，对于 PPCPs污染物的生态风险，不能仅以去除率作为评价的依据，还要综合考虑气候、环境以及 PPCPs 的性质等因素形成的综合影响，这是风险评价的重点和难点。Lin 等18 以饮用水处理厂为例，通过对 39 种 PPCPs 发生、去除过程的系统化监测，选取罗红霉素和磺胺甲恶唑 2 种 PPCPs 为参考性指标，发现不同 PPCPs 的风险有着明显的差异，由于 PPCPs 去除效率无法反映单个 PPCPs 的风险控制，去除率无法表征风险评价的效果。Gopal 等19 发现季风期沉积物稀释和后期沉积物的吸附因素，均会影响目标 PPCPs 的测定结果，在风险评价中要考虑季节、温度、环境等因素。王丽等20 对东江下游 PPCPs 污染物进行风险评估，研究以水杨酸、布洛芬、双氯芬酸、甲芬酸、萘普生等非甾体类抗炎药和氯纤维酸等脂质调节剂为样本，认为 PPCPs 在风险