珠江河水中N-亞硝胺生成潛能及其前體物來源解析

劉德財， 陳英杰， 曾鴻鵠*， 陳文文， 侯英卓， 梁 義， 梁延鵬

1.桂林理工大學環境科學與工程學院， 廣西 桂林 541006

2.中國地質大學(武漢)環境學院， 湖北 武漢 430074

消毒是減少飲用水中病原體的關鍵過程，但消毒劑與水中無機物和有機物之間的反應可能會產生大量消毒副產物(DBPs)，諸如三鹵甲烷(THMs)、鹵乙酸(HAAs)等含碳消毒副產物(C-DBPs)和鹵乙酰胺(HAcAms)、N-亞硝胺(NAs)等含氮消毒副產物(N-DBPs)[1-3]. 由于NAs具有高毒性和強致癌性等特性，該類化合物已引起廣泛關注[4-6]. 人類在日常生活中主要通過食物和飲用水攝入NAs[7-8]. 一般來說，水中常見的NAs主要有9種，分別為N-亞硝基二甲胺(NDMA)、N-亞硝基甲胺二乙胺(NMEA)、N-亞硝基二乙胺(NDEA)、N-亞硝基甲胺二丙胺(NDPA)、N-亞硝基吡咯烷(NPYR)、N-亞硝基嗎啉(NMOR)、N-亞硝基哌啶(NPIP)、N-亞硝基二丁胺(NDBA)和N-亞硝基二苯胺(NDPhA)，其中NDMA和NDEA被國際癌癥研究署(IARC)歸類為2A類致癌物，而NMEA、NDBA、NDPA、NMOR、NPIP和NPYR則被歸類為2B類致癌物[9].

近年來，自來水廠及管網、污水處理廠、地表水和游泳池等各類水體中均檢出了NAs的存在[6,10-12]. NAs可由其前體物在氯胺或氯化消毒過程中生成，特別是當采用氯胺消毒時，NAs的含量會大量增加[13-14]. 因此，關于NAs生成潛能(NAs FP)的研究，引起廣泛關注. 其中，董倩倩等[15]的研究發現，黃浦江中NDMA生成潛能(NDMA FP)會隨著溶解有機質含量的增加而增加；尚曉玲等[16]發現污水廠二沉池出水中的NDMA濃度隨著氯胺投加量的增加而增加. 已有研究[17-18]顯示，中國自來水廠原水中的NDMA FP(157.4 ng/L)要高于美國愛荷華河河水中的NDMA FP(25.0 ng/L)，表明我國飲用水中存在更高含量的NAs前體物. 此外，由于水體中的NAs及其前體物可隨水流遷移至飲用水源處，因此對我國水體中NAs FP進行研究，有助于從源頭阻斷該類化合物的產生.

目前，珠江干流河水中關于NAs前體物的研究尚較少. 鑒于此，該研究以西江、北江和東江等珠江干流河水為研究對象，對NAs的氯胺生成潛能進行研究，闡明NAs前體物的分布及其來源，以期為后期珠江河水中NAs及其前體物的治理與控制提供參考.

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

主要儀器：YSI-PRO 2030多參數水質分析儀(YSI，美國)；AQUATrace ASPE 799全自動固相萃取儀(島津，日本)；N-EVAP-24氮吹濃縮儀(Agilent，美國)；7890B氣相色譜-三重四極桿串聯質譜聯用儀(Agilent，美國)；DB-35MS毛細管色譜柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)和HP-5MS毛細管色譜柱(15 m×0.25 mm×0.25 μm)(Agilent，美國).

主要試劑：9種亞硝胺標準混合物(包括NDMA、NMEA、NDEA、NDPA、NPYR、NMOR、NPIP、NDBA和NDPhA，2 000 mg/L，溶劑為二氯甲烷)購自美國O2si公司；氘代NDMA-d6(1 000 mg/L，溶劑為二氯甲烷)和氘代NDPA-d14標準溶液(1 000 mg/L，溶劑為二氯甲烷)購自美國AccuStandard Inc. 公司；甲醇和二氯甲烷購自美國Merck公司，純度均為色譜純；椰殼活性炭SPE小柱(規格2 g/6 mL)購自上海安譜實驗科技股份有限公司.

1.2 樣品采集

2018年1月于西江(X1～X13)、北江(B1～B12)和東江(D1～D13)3條珠江干流共采集水樣38個，采樣點布設如圖1所示. 現場監測pH、溫度、電導率和ρ(DO)等基本水質參數. 降雨對目標物含量具有稀釋作用，因此要保證采樣前后一周內無降雨. 采用 1 L 棕色玻璃瓶收集樣品，隨后加入100 mg硫代硫酸鈉和2 g碳酸氫鈉. 所有樣品在取樣當天低溫避光運回實驗室，并在0～4 ℃的避光條件中儲存.

圖1 珠江干流采樣點的布設

1.3 NAs FP

1.3.1NAs FP試驗

試驗中所用的玻璃器皿使用前用超純水清洗，非容量型玻璃器皿經高溫400 ℃灼燒4.5 h處理. 在連續攪拌條件下，將NaClO溶液(5%)緩慢加入到氯化銨溶液(Cl與N摩爾比為1∶1.2)中，制備摩爾濃度為20 mmol/L一氯胺(NH2Cl)溶液(1 400 mg/L，以Cl2計)[19-20]. 將制備的NH2Cl溶液在避光中陳化1 h，并在1 d內使用完畢[21]. 于900 mL樣品中加入100 mL的NH2Cl溶液，共 1 000 mL水樣(最終NH2Cl摩爾濃度為2 mmol/L)在20 ℃避光條件下進行氯胺化反應[22]. 待反應10 d后，添加過量的硫代硫酸鈉(1 g/L)停止反應. 最后檢測NAs含量，即為NAs FP.

1.3.2NAs分析

采用SPE-GC-MS/MS進行NAs檢測分析. 簡言之，先將SPE小柱分別用二氯甲烷(3 mL)、甲醇(6 mL)和超純水(15 mL)進行活化. 在樣品中加入25 ng NDMA-d6，并以20 mL/min的流速過柱. 待富集完成，用二氯甲烷(12 mL)洗脫目標物，并在超高純度N2氮吹濃縮至500 μL. 在進行GC-MS/MS分析之前，加入25 ng內標物(NDPA-d14).

1.4 質量控制與質量保證

樣品在上機分析前先用10 μg/L NAs混標進行儀器校正. 此外，試驗中每10個樣品分析一個平行樣品和一個空白樣品，用于重現性檢測和交叉污染等不利條件的監控. 采用NDMA-d6計算回收率，該研究回收率范圍為51%～70%，方法檢出限(MDLs)范圍為0.50～1.6 ng/L.

1.5 數據分析和處理

該研究使用Microsoft Excel 2019軟件計算平均數和標準偏差，采用IBM SPSS 26軟件進行相關性分析和主成分-多元線性回歸分析(PCA-MLRA).

2 結果與討論

2.1 氯胺化后NAs FP

NAs FP的含量及檢出率如表1所示. 在珠江河水中，共檢測到6種NAs FP，分別是NDMA FP、NMEA FP、NDEA FP、NPYR FP、NMOR FP和NDBA FP. 總的來說，NDMA FP、NPYR FP和NDEA FP含量相對較高，平均值分別為19.4、5.3和3.2 ng/L，檢出率分別為100%、84%、90%；NMOR FP的含量最低，平均值為2.6 ng/L，檢出率為53%. 這表明珠江干流河水中主要存在NDMA、NDEA和NPYR的前體物. 對于飲用水中NDMA的含量閾值，一些歐美國家已制定了相關標準，其中美國加利福尼亞州規定NDMA的含量不得超過10 ng/L，加拿大安大略省規定其閾值為9.0 ng/L，德國規定其閾值為10.0 ng/L[23-24]. 該研究中NDMA FP的平均含量已超過上述限值. WANG等[25]對中國56個飲用水廠進行調查，發現以珠江河水為水源的2座飲用水廠出水中的NDMA含量分別為13.1和40.7 ng/L. BEI等[26]對中國23個省(自治區、直轄市)的飲用水廠和自來水進行了研究，發現以珠江河水為水源的1座飲用水廠出水和自來水中NDMA的含量分別為38.3和98.5 ng/L. 該研究中的NDMA FP略低于上述結果. 以上結果表明與實驗室內進行的NDMA FP結果相比，以珠江河水為水源的實際自來水中NDMA的含量相對較高，且波動范圍較大. 因此，應對珠江干流河水的NDMA FP及其自來水中NDMA含量進行定期監測.

表2為不同國家各類水體中NDMA FP的含量. 該研究中，各個干流上游和中下游河水中NDMA FP含量差距較大，其中上游NDMA FP含量(平均值為11.5 ng/L)相對較低，這可能與上游工業發展較為落后有關. 而中下游流域工業活動活躍，導致NDMA FP含量(23.6 ng/L)與美國加利福尼亞州(23.7 ng/L)相當，但略低于松花江流域(24.5 ng/L)，且比日本東京河水(63.4 ng/L)和西班牙水廠原水(29.3 ng/L)分別低2.6倍和1.2倍. 總體來說，珠江中NDMA FP的含量相對較低，這可能與當地的水環境保護政策，以及珠江水系較大的年徑流量所帶來的稀釋作用有關. 研究[17,20,38]表明，我國松花江流域、日本和西班牙等地區受到了嚴重的工業廢水污染. 該結果也進一步證明工業廢水排放是NDMA前體物的一個重要來源.

表1 6種NAs FP的平均值及檢出率

表2 不同國家水樣氯胺化NDMA FP的含量

NAs FP含量在空間上存在明顯的差異性. 由圖2可知，NDMA FP和NPYR FP的含量和檢出率均較高，其空間分布趨勢表現為北江>西江>東江，這可能與當地的工業發展存在空間差異相關. 北江主要流經佛山市、廣州市和肇慶市，西江主要流經肇慶市、佛山市、江門市和中山市，而東江主要流經河源市和東莞市. 其中，佛山市的印染廠和電鍍廠數量較多；廣州市和中山市的主要工業類型為印染和制漿；肇慶市和江門市則為金屬表面和印染；東莞市的主要工業類型為金屬表面處理；而河源市工廠數量相對較少. 趙侖山等[39]對四會市和佛山市地表水和地下水中NAs的研究發現，兩地NAs含量和檢出率存在明顯的差異，其中佛山存在流動性差的高銨地下水，這可能在一定程度上增加了NAs的含量. 已有研究[12]表明，印染廢水和電鍍廢水中含有高含量的NAs，且在已處理后的廢水中NDMA含量高達 4 000 ng/L. 這些工業廢水的排放是北江NDMA FP和NPYR FP含量較高的原因之一.

注：北江和東江中未測出NMEA FP.

2.2 NAs FP空間分布

值得注意的是，經過氯胺消毒后，在東江D9采樣點處NDBA FP的含量顯著下降，從原水的 1 090.0 ng/L降至消毒處理后的19.9 ng/L. 可能原因是D9采樣點受上游的造紙廠和印染廠等各類工業廢水的排放影響，污染嚴重. 筆者推測，這些工廠所使用的剩余氧化劑隨廢水排放到河流中，與水體中存在的前體物發生反應生成NDBA，從而導致氯胺化時NDBA FP的含量大量減少. 由于上游河水的稀釋作用對NAs前體物會產生影響，導致下游的D10和D11采樣點(與D9采樣點相距分別約為15和19 km)NDBA FP的含量明顯下降，含量分別為6.3和1.1 ng/L. 該結果表明，在同一河流不同位置處NAs前體物含量存在顯著差異. 此外，在D9采樣點處還檢測到高含量的NMOR FP(9.1 ng/L)，這可能與工業廢水的排放有關. 在西江X13采樣點處，NDMA FP和NMEA FP的含量分別高達90.4和33.3 ng/L. 造成此處NAs FP含量較高的原因可能是X13采樣點位于西江入海處，周圍存在較多養殖場，養殖廢水和河水之間相互連通. 然而養殖過程中使用的飼料小魚干、螃蟹和貝殼等含有大量的伯胺類前體物，以及養殖過程中還會投加植物飼料，植物飼料、水生動物可增加水中氮源和碳源的含量[40]. 該結果也表明，漁業活動會增加NAs前體物的含量. 表3對樣品中NAs FP和NAs的含量進行了比對，結果表明，除NDBA FP外，其余4種NAs FP檢出率和含量均存在顯著增加趨勢. 這與已有的研究結果相似，如WANG等[17]的研究表明，原水經氯胺化反應后NDMA FP和NDEA FP的含量會顯著增加. 這進一步證明珠江河水中存在大量的NAs前體物. 但NDBA FP的檢出率和含量均存在降低趨勢，這可能與水體中NDBA前體物含量較少、其前體物與水中其他氧化劑已發生反應等有關.

2.3 N-亞硝胺前體物的來源

表3 西江、北江和東江NAs FP和NAs的濃度及檢出率

2.3.1Spearman相關性分析

Spearman相關分析主要用于分析呈非正態分布的兩個變量之間的相關性. 由于數據為非正態分布，因此對5種NAs FP與水溫、pH和ORP等參數采用Spearman進行相關性分析，結果如表4所示. 由表4可見，NDMA FP、NMOR FP和NDBA FP三種化合物的含量與水溫、ORP和pH均不顯著相關. NDEA FP含量與水溫、pH均呈顯著正相關(P<0.05)，表明水溫和pH對于NDEA FP存在一定的影響，這可能與適宜的溫度和pH可促進特定的NAs化合物生成有關[33]. Cohen等[40]采用氯胺化對仲胺前體物進行研究，發現在中性(pH為7.0～9.0)條件下，NAs FP比酸性(pH為5.0～7.0)條件較高. 此外，NDMA FP、NDEA FP與NPYR FP以及NMOR FP與NDBA FP均呈顯著相關. 這表明上述化合物在生成過程中，可能存在相似的前體物，并存在相互促進作用. 由于NDEA的致癌性要高于NDMA，因此該結果表明，當自來水水廠采用氯胺消毒時，對NAs的監管不能只是停留在NDMA上，還應對其他NAs化合物(如NPYR FP和NDEA FP等)進行密切監控.

表4 亞硝胺化合物與水質指標之間的相關性

2.3.2主成分-多元線性回歸分析(PCA-MLRA)

對NAs和NAs FP通過KMO和Bartlett球體檢驗法進行因子分析檢驗. 由于KMO值為0.592，Bartlett球體的sig值為0.000，說明指標間具有相關性，適用于因子分析.

在西江-北江-東江流域共得到3個主成分，其中主成分1(PC1)方差貢獻率為54%，主控因子為NDEA、NDBA、NPYR FP、NMOR FP和NDBA FP；主成分2(PC2)方差貢獻率為27%，主控因子為NDMA FP和NDEA FP；主成分3(PC3)方差貢獻率為14%，主控因子為NDMA(見表5). 由Spearman相關分析可知，NDEA FP與NPYR FP、NDBA FP均呈顯著相關. 研究[41]表明，水中的二甲胺、二乙胺、嗎啉和二正丁胺分別是氯胺消毒過程中相應NAs化合物的重要前體物，這些仲胺類化合物同時也是化學制藥工業中主要使用的中間物質. 此外，養殖廢水中也含有此類前體物. 由于珠江干流水系發達，內河網之間聯系緊密，這些前體物可隨著工業廢水排放進入臨近的河流中，成為NAs前體物的主要來源. 已有研究[12]表明，珠江干流的電鍍、印染廢水和養殖廢水含有高濃度的NDMA、NDEA、NMOR、NPYR和NDBA. 因此，PC1主要代表工業廢水和養殖廢水來源. 珠江干流河水沿岸有很多工廠，一些工廠產生的廢水未處理直接排進附近河流. 據報道，工業廢水中的二甲胺和二乙胺含量分別高達100.0和30.0 μg/L，而脂肪族胺的二甲胺和二乙胺是化學制藥工業的重要中間物質[42]. 因此，PC2主要反映工業廢水來源. 通常認為NDMA的前體物均含有二甲胺基團，且在環境水體中主要包括染料、農藥和藥物個人護理產品. 珠江干流水系發達，農業在珠江-西江經濟帶發展中同樣占有較大比重. 研究[43]表明，農業活動所使用的除草劑敵草隆可以與氧化劑反應生成高含量的NDMA. 此外，珠江干流中下游是人口和面積比較大的城市群，人類活動可造成河水含有NDMA前體物[44]. 因此，PC3主要代表農業活動和生活污水的排放.

表5 不同亞硝胺化合物的PCA值

選擇3個主成分的因子得分和標準化濃度的NAs與NAs FP含量總和〔∑(NAs+NAs FP)〕分別為自變量和因變量，進行PCA-MLRA分析，得出每個主成分因子對每個樣品中∑(NAs+NAs FP)的百分比貢獻. 結果表明，PCA-MLRA與珠江干流河水中測得的∑(NAs+NAs FP)具有高度一致性(R2=0.90). PC1、PC2和PC3對∑(NAs+NAs FP)的平均貢獻分別為83%、8%和9%(見圖3). 總體來看，珠江干流河水中的NAs與前體物有91%來自工業廢水和養殖廢水，而平均只有9%來自農業活動和生活污水. NDMA FP是珠江河水中檢測到的主要NAs，這與其他地區水體中檢測的結果相一致，然而NAs前體物來源卻存在差異. 已有研究[45]對NAs的前體物來源進行分析，其中長江三角洲河水中NAs前體物主要來源于工業廢水和制藥廢水. 此外，工業廢水、家庭廢水及市政污水中均含有NDMA前體物[46-47]. 以上結果表明，不同類型的污廢水排放會向納污河道貢獻不同含量的NAs前體物. 由于不同類型的廢水中主控污染物不同，這也導致不同地區河水中NAs前體物的來源存在差異，總體來說，珠江三角洲地區工業、大量鄉鎮企業和養殖廢水的排放是造成水環境復雜的可能原因.

圖3 基于PCA-MLRA結果的不同源對珠江干流∑(NAs+NAs FP)的貢獻說明

3 結論

a) 通過SPE-GC-MS/MS檢測發現，珠江干流水體中NDMA FP和NPYR FP為主控化合物，在空間上表現為北江>西江>東江的趨勢. 與上游相比，中下游河水中NAs前體物的含量更高.

b) 原水樣經過氯胺化處理后能夠增加NAs FP (如NDMA FP、NDEA FP、NPYR FP和NMOR FP)的含量和檢出率.

c) 通過PCA-MLRA分析，表明珠江干流河水中的NAs前體物主要來源于工業廢水和養殖廢水的排放，未來珠江干流的管理應重點放在對工業廢水和養殖廢水排放的監管上.