珠江三角洲土壤中氯丹和反式氯丹的gc-ms分析

珠江三角洲土壤中氯丹和反式氯丹的gc-ms分析

氯丹最初由eld大鼠合成。這是1945年開始使用的一種廣泛的有機(jī)氯農(nóng)藥，具有觸殺和胃毒的作用。工業(yè)氯丹是由140多種化合物組成的混合物,主要成分有cis-chlordane(α-)8%～13%,trans-chlordane(γ-)8%～15%,trans-nonachlor6%～7%,以及heptachlor,cis-nonachlor等等。此類化合物具有很強(qiáng)的親脂憎水性,傾向于在土壤和沉積物中富集,可以沿食物鏈逐級(jí)放大,降解速度緩慢,在土壤中持留期達(dá)20a以上,也是首批被《斯德哥爾摩公約》予以限制或禁止生產(chǎn)和使用的12種持久性有機(jī)污染物(POPs)之一。在我國(guó)已有大量的文獻(xiàn)探討了環(huán)境中有機(jī)氯農(nóng)藥的殘留及其對(duì)生態(tài)的影響,但主要集中在DDT和六六六上,對(duì)氯丹的報(bào)道較少,而鮮有涉及到土壤中氯丹污染狀況的相關(guān)文獻(xiàn)。氯丹是我國(guó)現(xiàn)在仍然在使用的一種有機(jī)氯殺蟲劑,主要是用來(lái)防治白蟻之患。珠江三角洲地處亞熱帶,白蟻之害歷來(lái)嚴(yán)峻,有必要對(duì)該地區(qū)典型土壤中氯丹的污染狀況進(jìn)行調(diào)查研究。在對(duì)珠江三角洲地區(qū)典型土壤中順式氯丹(CC)和反式氯丹(TC)的含量測(cè)定的基礎(chǔ)上,用手性色譜柱分析此兩種化合物在樣品中的對(duì)映體比值,從而可以深入地了解氯丹在珠江三角洲土壤中的污染特征及其殘留特點(diǎn)。這將對(duì)全面地認(rèn)識(shí)此類化合物在環(huán)境中的行為有重要的參考價(jià)值。1材料和方法1.1水稻的土壤條件為保證樣品的代表性,在空間上盡量均勻布點(diǎn)(圖1)。于2000年7月采集表層土壤樣品,共采集了74個(gè)樣品,其中包括37個(gè)菜園土、14個(gè)水稻土和23個(gè)非耕作土壤(包括南方山地草甸土、紅壤、黃壤等)。菜園土主要用來(lái)種植水果和蔬菜,以及其他經(jīng)濟(jì)作物。由于經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使作用,珠江三角洲的水稻種植在逐年減少,此次所采的水稻土為仍然種植水稻的表層土壤。非耕作土壤主要采自從未種植過(guò)任何農(nóng)作物的自然土或比較荒涼的地方,如森林和山頂,這些地方的土壤層都比較薄,含沙質(zhì)較多。樣品采集工具為英國(guó)ELE公司的標(biāo)準(zhǔn)螺旋鉆,在2m×2m范圍內(nèi)以1m為間距,進(jìn)行九點(diǎn)網(wǎng)格法取樣,樣品采集深度為0～15cm。將9個(gè)點(diǎn)的土壤樣品在現(xiàn)場(chǎng)混勻縮分,用聚乙烯袋冷凍(-20℃)保存。土壤樣品通過(guò)冷凍干燥去除水分,粉碎、過(guò)80目篩,放入冰柜待進(jìn)一步分析。1.2浸泡時(shí)間,整平酸液有機(jī)碳測(cè)定方法采用常見的酸洗去除碳酸鹽再上元素分析儀的方法。具體步驟如下:稱取樣品約1g左右,用10%的鹽酸10ml浸泡3次,每次約8h,離心棄去酸液,水洗至中性,然后60℃下烘干,放入干燥器中平衡至恒重。取1～10mg樣品用元素分析儀CHNSVarioE1Ⅲ測(cè)定碳的百分含量,用測(cè)得碳的百分含量計(jì)算出有機(jī)碳的含量。1.3gc-msd-sim分析稱取干燥土壤樣品80g左右用濾紙包裹,加入回收率指示物(TCmX+PCB209),經(jīng)250ml的二氯甲烷索氏抽提48h,抽提前在底瓶中加入2g左右的銅片脫硫。抽提液濃縮,凈化(選內(nèi)徑為8mm、長(zhǎng)30～35cm的堿式滴定管作為層析柱。使用時(shí)下端充填少許抽提過(guò)的脫脂綿,依次加入6cm去活化氧化鋁(3%)、12cm去活化后的硅膠(3%)、5cm硫酸硅膠和1cm無(wú)水硫酸鈉,濕法裝柱)、定容。氯丹的定性定量分析采用HP6890氣相色譜儀(GC),配以HP5975質(zhì)譜儀(MSD),在SIM模式下進(jìn)行。特征粒子為373和375。色譜柱為CP-Sil8CB毛細(xì)管柱(柱長(zhǎng)50m,內(nèi)徑0.25mm,內(nèi)膜厚度0.17μm。載氣為高純He,柱流量1.0mlmin-1,進(jìn)樣量為1μl。不分流進(jìn)樣,檢測(cè)器溫度為250℃;初始溫度為100℃,保持1min,再升溫至290℃,升溫速率為4℃min-1,最后在290℃保留15min。手性化合物分析采用GC-MSD-SIM分析,質(zhì)譜條件同上。色譜柱為BGB-171毛細(xì)管柱(20%tert-butyldimenthylsilylatedβ-cyclodextrininOV-1701,柱長(zhǎng)30m,內(nèi)徑0.25mm,內(nèi)膜厚度0.25μm;BGBAnalytikAG,Switzerland)。色譜條件如下:初始溫度為80℃,保持1min,以6℃min-1升溫至180℃,保持2min,以1℃min-1升溫至210℃,再以8℃min-1升至230℃,保留40min。色譜柱分離手性化合物的出峰順序?yàn)?(+)TC、(+)CC、(-)CC和(-)TC(圖2)。2結(jié)果與討論2.1氯丹的分布特征土壤中TC和CC的檢出率皆為100%,其濃度范圍分別為<0.01～13.7ngg-1和<0.01～15.7ngg-1。算術(shù)平均值為0.87和0.92ngg-1。與世界其他地區(qū)相比,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加拿大FraserValley的土壤;較美國(guó)中部地區(qū)的農(nóng)業(yè)土壤殘留量略高。珠江三角洲土壤中TC和CC的殘留值在不同濃度段的頻數(shù)分布如圖3所示,其濃度頻數(shù)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布,與世界其他地區(qū)土壤中該化合物的分布特點(diǎn)相似,略有不同之處在于本地區(qū)多數(shù)土壤中氯丹的殘留量差別不大,如:有超過(guò)80%的土壤樣品中氯丹的殘留量在0.1～1.0ngg-1之間(圖3),而個(gè)別高值土壤都采集于那些地處偏遠(yuǎn)且在附近有人類設(shè)施(如電視臺(tái)中轉(zhuǎn)站、移動(dòng)通訊發(fā)射臺(tái)等)的林區(qū),特別是廣州市區(qū)的一座小山,濃度達(dá)到了最高值,TC和CC分別達(dá)到了13.7和15.7ngg-1。表1列出了不同利用類型土壤中氯丹的平均值、范圍和中值,結(jié)果顯示三種主要利用類型土壤中氯丹的中值無(wú)差別,即多數(shù)土壤中氯丹的殘留量在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)。這種分布特點(diǎn)與氯丹在該地區(qū)的使用特點(diǎn)有關(guān),在具亞熱帶氣候的珠江三角洲地區(qū),白蟻之害歷來(lái)嚴(yán)峻,而氯丹則是一種價(jià)廉、有效的防蟻藥,在房屋建筑時(shí),大量的氯丹用來(lái)處理房基。因此,在附近有人類建筑,特別是在城市,其土壤中氯丹的殘留受到了使用量的影響,往往濃度值較高。而耕作土和不受人類活動(dòng)直接影響的土壤,雖然不是氯丹的直接施用地,但極易揮發(fā)的氯丹可以通過(guò)大氣和土壤之間的相互作用,從源區(qū)逐漸向整個(gè)珠江三角洲各處擴(kuò)散,從而形成了土壤中氯丹含量比較均勻的特點(diǎn)。2.2對(duì)本次研究工作中兩類因素的預(yù)測(cè)在眾多影響因素中,土壤中有機(jī)碳的含量是影響土壤中持久性有機(jī)污染物高低的主要因素之一。然而,在本次研究工作中,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二者之間有顯著相關(guān)性。究其原因,可能是氯丹在土壤和大氣之間還沒(méi)有達(dá)到交換平衡,而是處在一個(gè)動(dòng)態(tài)交換過(guò)程中,土壤中氯丹含量的高低主要受到周圍地區(qū)使用量和距施用地點(diǎn)距離遠(yuǎn)近的影響。2.3工業(yè)氯丹與tc、cc的相互作用如前所述,工業(yè)氯丹是多種化合物的混合體,主要化合物為順式氯丹(CC)和反式氯丹(TC)。但不同產(chǎn)地的工業(yè)氯丹在化合物的相對(duì)組分上也略有不同,即TC與CC的比值略有差別。此外,可能由于自然環(huán)境和氣候條件的不同,以及化合物之間物化性能的差異,使得在土壤中觀測(cè)到二者之間的比值差異較大。但總體而言,土壤中TC與CC之間的比值與工業(yè)氯丹原始含量中的比值越接近,表明該地區(qū)為氯丹的直接施用地或施用時(shí)間較短。依據(jù)地球化學(xué)異常值確定方式,根據(jù)土壤中氯丹的濃度高低,將總體土壤樣品分為兩部分作圖,結(jié)果如圖4所示,含氯丹殘留較高的土壤中(圖4a),TC與CC具顯著的線性相關(guān),依據(jù)回歸方程可得TC/CC=0.83;而含量較低的土壤中(圖4b),二者之間的比值為1.45。同時(shí),對(duì)廣州市場(chǎng)上工業(yè)氯丹的成分進(jìn)行了定量分析,結(jié)果顯示,TC與CC的比值為0.78±0.03(n=6)。可見,土壤中高濃度的氯丹(TC和CC分別大于1.5ngg-1)應(yīng)該來(lái)源于氯丹的直接施用;而土壤中低含量的氯丹(TC和CC分別小于0.8ngg-1)則可能來(lái)源于大氣和土壤之間的相互作用。在污染物從源區(qū)向周圍擴(kuò)散、遷移過(guò)程中,會(huì)伴隨有各種化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,如光化學(xué)降解、生物降解等。由于化合物性質(zhì)的差異,使得在遷移過(guò)程中化合物組成發(fā)生分異。2.4實(shí)際補(bǔ)充劑—手性化合物對(duì)應(yīng)體比值與濃度的關(guān)系TC和CC皆為手性化合物,其對(duì)映體比值也反映了高含量土壤中氯丹較新的特點(diǎn)。有機(jī)化合物的手性異構(gòu)體具有相同的沸點(diǎn)、蒸氣壓、溶解度,因此,除工業(yè)上的人為手性合成外,溶解、蒸發(fā)等非生物作用過(guò)程不會(huì)導(dǎo)致手性化合物的組份分餾。然而,生物體主要通過(guò)具有立體選擇性的酶過(guò)程合成或者降解手性化合物,因此,生物過(guò)程可以造成POPs手性異構(gòu)體的分餾。手性POPs的對(duì)映體組成可用EF值(對(duì)應(yīng)體比值EnantiomericFraction)表示,其表達(dá)公式如下:EF=(+)/[(+)+(-)](1)式中,EF為手性化合物對(duì)應(yīng)體比值(EnantiomericFraction),無(wú)量綱單位;(+)為右旋對(duì)應(yīng)體(right-handedenantiomer)含量;(-)為左旋對(duì)應(yīng)體(left-handedenantiomer)含量。EF值可作為其環(huán)境地球化學(xué)過(guò)程的重要示蹤劑。例如,環(huán)境中“新的”有機(jī)氯農(nóng)藥由于所經(jīng)歷的生物作用過(guò)程較少或時(shí)間較短,其手性化合物分餾不明顯,往往具有近于0.5的EF值,相反,“老的”有機(jī)氯農(nóng)藥經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜生物作用,其EF值將偏離0.5。分別將順式氯丹和反式氯丹的濃度值與該化合物對(duì)映體比值進(jìn)行對(duì)比(圖5),無(wú)論TC還是CC,幾個(gè)高值樣品中對(duì)映體的比值都接近0.5,而其他點(diǎn)的比值逐漸偏離0.5。這個(gè)結(jié)果也印證了上述觀點(diǎn)。即土壤中含量高、且其對(duì)映體比值約為0.5的氯丹是來(lái)源于周圍該殺蟲劑的直接施用,而那些含量低且手性化合物對(duì)映體比值偏離原始值0.5的土壤樣品,正在不斷受周圍大氣污染狀況的影響,其中的氯丹不但源自于周邊地區(qū)的使用,而且也不能排除隨大氣長(zhǎng)距離遷移而來(lái)的外部源。3氯丹的濃度綜上所述,雖然氯丹不像HCH和DDT在農(nóng)田中大量使用,但由于遷移、擴(kuò)散以及在大氣-土壤間的相互作用,使得氯丹在珠江三角洲土壤中普遍存在,檢出率達(dá)到100%。土壤中反式氯丹