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微波辅助提取GC-MS/MS测定复杂基质底泥中德克隆类化合物及处理效果初探

朱帅, 沈亚婷, 潘萌, 贾静, 杨志鹏, 曹建华, 王玉

朱帅,沈亚婷,潘萌,等. 微波辅助提取GC-MS/MS测定复杂基质底泥中德克隆类化合物及处理效果初探[J]. 岩矿测试,2025,44(2):288−302. DOI: 10.15898/j.ykcs.202409190197
引用本文: 朱帅,沈亚婷,潘萌,等. 微波辅助提取GC-MS/MS测定复杂基质底泥中德克隆类化合物及处理效果初探[J]. 岩矿测试,2025,44(2):288−302. DOI: 10.15898/j.ykcs.202409190197
ZHU Shuai,SHEN Yating,PAN Meng,et al. Investigation on the Determination of Dechlorane Plus Compounds in Complex Matrix Sludge Using Microwave-Assisted Extraction Coupled with GC-MS/MS and Evaluation of Treatment Efficiency[J]. Rock and Mineral Analysis,2025,44(2):288−302. DOI: 10.15898/j.ykcs.202409190197
Citation: ZHU Shuai,SHEN Yating,PAN Meng,et al. Investigation on the Determination of Dechlorane Plus Compounds in Complex Matrix Sludge Using Microwave-Assisted Extraction Coupled with GC-MS/MS and Evaluation of Treatment Efficiency[J]. Rock and Mineral Analysis,2025,44(2):288−302. DOI: 10.15898/j.ykcs.202409190197

微波辅助提取GC-MS/MS测定复杂基质底泥中德克隆类化合物及处理效果初探

基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFC3700803);中国地质科学院基本科研业务费项目(CSJ-2023-03);中国地质调查局地质调查项目(DD20230454)
详细信息
    作者简介:

    朱帅,硕士,副研究员,主要从事有机污染物分析方法与环境行为研究。E-mail:zhu15131215153@126.com

  • 中图分类号: O657.63;X832

Investigation on the Determination of Dechlorane Plus Compounds in Complex Matrix Sludge Using Microwave-Assisted Extraction Coupled with GC-MS/MS and Evaluation of Treatment Efficiency

  • 摘要:

    德克隆类物质在污泥样品中以痕量水平(ng/g级)存在,加之污泥基质复杂,对污泥中德克隆类化合物的分析带来极大挑战。鉴于此,本文建立了微波辅助提取与气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC-MS/MS)相结合,测定污水处理厂底泥中德克隆类化合物的分析方法。底泥样品采用微波辅助提取在线净化的方法,以丙酮-正己烷(1∶1,V/V)作为提取溶剂,在120℃温度和1500W功率条件下,该方法能够高效地从基质复杂的底泥样品中提取出德克隆类化合物,提取回收率超过80%。样品提取后,利用石墨化碳黑(GCB)和乙二胺基-N-丙基(PSA)固相萃取柱进一步净化,可有效地去除色素、脂类和非极性干扰物,减少基质干扰。借助质谱多反应监测(MRM)模式,针对目标化合物的特定离子对进行选择性监测,排除其他干扰离子的影响,从而实现了对德克隆类化合物的准确定量。该方法在5~400ng/mL浓度范围内线性关系良好,相关系数(r)不小于0.998,检出限为0.017~0.040ng/g。在低、中、高三个浓度水平底泥基质中,德克隆类化合物的平均回收率分别为79.8%~99.5%、86.2%~104.8%、91.2%~106.1%,相对标准偏差(RSD)<7%。将该方法应用于实际底泥样品的检测,在11个污水处理厂底泥中均检出德克隆类化合物,且含量较高(31.4~195.6ng/g)。底泥中顺式德克隆(syn-DP)异构体比例的平均值fsyn=0.27,低于德克隆(DP)产品的fsyn值,这是由于底泥对反式德克隆(anti-DP)的吸附性更强,或底泥中的顺式德克隆(syn-DP)优先发生了生物降解。初步比较了11个污水处理厂采用不同的污水处理工艺处理底泥中德克隆化合物的效果,与活性污泥法水处理相比,采用A2/O工艺处理的德克隆类化合物的浓度显著降低,fsyn值显著增高,但其影响机制仍待深入探究。

     

    要点

    (1)通过新鲜底泥直接提取、GCB/PSA固相萃取柱净化与质谱多反应监测(MRM)模式相结合,降低基质干扰,实现德克隆类化合物准确定量。

    (2)污水处理厂底泥中的德克隆类化合物以anti-DP为主要贡献单体,fsyn值为0.27,低于商业DP产品fsyn值,底泥对anti-DP具有更强的吸附能力,或syn-DP更容易发生降解。

    (3)不同的污水处理工艺对德克隆类化合物在底泥中的累积有显著影响,与活性污泥法水处理工艺相比,采用A2/O工艺处理的德克隆类化合物的浓度显著降低(p<0.05),fsyn值显著增高(p<0.05),具有更好的处理效果。

    HIGHLIGHTS

    (1) By combining direct extraction from fresh sludge, purification using GCB/PSA solid-phase extraction columns, and the multiple reaction monitoring (MRM) mode of mass spectrometry, matrix interference is minimized, and accurate quantification of dechlorane compounds is achieved.

    (2) In the sludge of the wastewater treatment plant, anti-DP is the main contributing monomer among the dechlorane plus compounds. The fsyn value is 0.27, which is lower than that of commercial DP products. This indicates that the sludge in the wastewater treatment plant has a stronger adsorption capacity for anti-DP or that syn-DP is more prone to degradation.

    (3) Different wastewater treatment processes have a significant impact on the accumulation of dechlorane compounds in sludge. Compared with the activated sludge process, the concentration of dechlorane plus compounds in the A2/O process is significantly reduced (p<0.05), and the fsyn value is significantly increased (p<0.05), indicating that the A2/O process is more effective in treating dechlorane plus compounds.

  • 德克隆(Dechlorane Plus,简称DP,化学式C18H12Cl12),通过Diels-Alder加成反应合成,在十九世纪五十年代由美国OxyChem公司生产,其产品不仅包括顺式德克隆(syn-DP)和反式德克隆(anti-DP),还包括德克隆602(Dec602)、德克隆603(Dec603)和德克隆604(Dec604)等产物。这些高氯代添加型阻燃剂被广泛应用于各种行业的材料制造中1-2,在工业生产、使用和处置时易渗入环境,最早由Hoh等3于大湖地区环境空气、沉积物和鱼类中发现,现在世界各地环境样本中频繁检出,在青藏高原4、北极地等地偏远环境亦有发现5,已成为严峻环境问题。德克隆类化合物具持久性有机污染物特征,如低光降解性(>24年)6、高亲脂性、可生物积累7,其生物毒性受关注,德克隆暴露影响动物8和人体健康9。德克隆已被列入中国的《重点管控新污染物清单》,在环境中的分布与归趋引起了科学界的高度关注。污水处理厂作为城市污水的集中处理场所,是持久性有机污染物的重要来源10,同时也是环境中新兴污染物的来源11。污泥是污水处理厂的副产物,德克隆类化合物具有亲脂性,易在污水及污泥中富集。虽然污泥有焚烧、填埋、堆肥等几种处置方式,但多数处置方式会使处理或未经处理的污泥沉积到环境中,从而引发潜在的生态毒理学风险12。目前,针对污水厂处理污泥中德克隆类化合物的研究较少,准确测定污水厂底泥中德克隆的含量,对于评估环境风险、掌握迁移转化规律及制定污染控制策略意义重大。

    德克隆类物质在环境介质中以痕量水平(ng/g级)存在13,并且污泥基质的复杂性对污泥中德克隆类化合物的分析非常具有挑战性,且目前针对污水处理厂底泥中德克隆的检测方法报道极少。现有方法适用于土壤和沉积物中德克隆化合物的分析测定,在样品前处理中索氏提取被用于固体样品中有机污染物的分离富集,虽对固体基质中化合物提取效率高,但存在耗时长、溶剂用量大等缺点14。快速溶剂萃取(ASE)在高压高温下用常规溶剂提取,能提高溶解度和传质速率,减少溶剂用量和提取时间,自动化程度高,在污泥中有机物提取上应用较多15。快速、简单、有效、坚固和安全(QuEChERS)方法可以与在线SPE相结合,用于测定污泥中的药物化合物16,但存在回收率变化大(59.6%~115.9%)、分析效率较低等问题17。与其他提取方法相比,微波辅助提取法(MAE)具有样品量小、溶剂消耗低、提取时间短且可同时处理多个样品的优点,已成功应用于从各种环境样品中提取药品、个人护理品以及工业污染物等新污染物18

    鉴于德克隆类化合物大多具有一定挥发性,当前主要运用气相色谱法(GC)进行分离,常见的检测手段包括气相色谱-质谱法(GC-MS)19以及气相色谱-高分辨质谱法(GC-HRMS)20。但GC-HRMS存在操作要求高、普及率低、价格昂贵等弊端;GC-MS易受基质干扰,特别是在分析底泥样品时,基质干扰情况十分严重,进而致使浓度测定结果不准确21。气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC-MS/MS)以其高灵敏度和特异性定量分析在有机污染物检测领域的应用越来越多22。GC-MS/MS在多组分分析方面优势显著,Maguire等23利用GC-MS/MS对大麻花基质进行全面的多残留农药分析,一次即可同时测定多达367种农药。并且,GC-MS/MS在基质复杂程度高且对分析灵敏度要求极高的超痕量分析领域,同样得到了良好的应用。Lyu等24通过对比GC-MS/MS和GC-HRMS在动物食品样品中多氯二苯并二恶英和呋喃(PCDD/Fs)的测定,证实GC-MS/MS与GC-HRMS 具有相似的灵敏度、选择性和稳定性,可作为动物食品中痕量 PCDD/Fs分析的确认方法。

    污水处理厂底泥的基质特性与土壤、沉积物差异显著,成分复杂多样,并且底泥中干扰物种类繁多、浓度高,还含多种特异性污染物,这些因素极大地影响了检测结果的准确性与可靠性。目前,大部分检测方法是依据土壤和沉积物的特性进行设计与开发的,难以满足污水处理厂底泥检测工作的专业需求,无法直接应用于该类底泥的检测。因此,亟需建立适配底泥样品的分析方法。本文拟采用微波辅助提取法,并在提取进程中添加吸附剂以实现初步净化,再与固相萃取柱相结合,进一步强化净化效果,随后运用GC-MS/MS进行测定,以此克服底泥样品成分复杂和基质干扰严重的难题,建立一种可操作性强、精密度高、适合大批量底泥中德克隆类化合物的分析方法。并将该方法应用于分析城市污水处理厂的污泥样品,获得污泥中德克隆类化合物的污染特征,为进一步研究德克隆类化合物的环境归趋提供依据。

    气相色谱-三重四极杆串联质谱联用仪(TQ8040,日本岛津公司);微波消解萃取仪(ETHOS UP,Milestone公司);全自动浓缩仪 (AutoVap S8 Plus,美国ATR公司)。

    目标物:灭蚁灵(Mirex,100μg/mL,甲苯溶液);顺式-德克隆(syn-DP,100μg/mL,甲苯溶液);反式-德克隆(anti-DP,100μg/mL,甲苯溶液);德克隆602(Dec602,100μg/mL,甲苯溶液);德克隆603(Dec603,100μg/mL,甲苯溶液);德克隆604(Dec604,100μg/mL,甲苯溶液);反式-十氯德克隆(anti-Cl10DP,50μg/mL,甲苯溶液);反式-十一氯德克隆(ant-Cl11DP,50μg/mL,甲苯溶液)。

    净化内标:顺式-德克隆-13C10(syn-DP-13C10,100μg/mL,壬烷溶液);反式-德克隆-13C10(anti-DP-13C10,50μg/mL,甲苯溶液);13C12 标记的多氯联苯 209(13C12PCB209,40μg/mL,壬烷溶液)。

    进样内标:13C12标记的多氯联苯198(13C12PCB198,40μg/mL,壬烷溶液)。

    以上标准物质均购自阿尔塔科技有限公司。

    铜粉(分析纯,纯度99.9%)、无水Na2SO4(分析纯,纯度≥99.0%)、C18层析填料(粒径:40-63um)、石墨化碳黑(GCB,粒径:100-300目)、乙二胺-N-丙基硅烷(PSA, 粒度:45µm)、硅胶固相萃取柱(规格500mg/3mL)、C18/PSA固相萃取柱(规格50mg PSA/50mg C18, 3mL)、GCB/PSA固相萃取柱(规格250mg GCB/250mg PSA, 3mL)和弗罗里硅土(Florisil)固相萃取柱(规格500mg/3mL),均购自安谱公司。

    2024年4月和6月,项目组在北京、河北、河南、天津、山东等城市11个污水处理厂采集底泥样本和未受德克隆类化合物污染的底泥样品(德克隆化合物未检出),其中的1~5号污水处理厂采用活性污泥法,6~11号污水处理厂采用A2/O工艺(即厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺)。所有样品均收集在用丙酮-正己烷混合溶剂(1∶1,V/V)预清洗棕色玻璃容器中,每个样品采集三个平行样,同时采集空白样品。采集的样品在4℃左右冷藏保存直至运回实验室。根据《土壤和沉积物 半挥发性有机物的测定 气相色谱-质谱法》(HJ 834—2017),从样品采集到完成样品提取的时间不超过14天。

    准确称取10.00g新鲜底泥样品,置于洁净的研磨钵中。首先,向其中加入3.00g铜粉,充分研磨混合。之后加入适量无水硫酸钠继续研磨,再依次加入0.50g石墨化碳黑(GBC)、0.50g乙二胺-N-丙基硅烷(PSA),并确保每加入一种物质后都研磨均匀。将经过预处理的底泥样品加入到100mL改性聚四氟乙烯材质的微波消解管内。加入10μL浓度为10μg/mL的净化内标混合溶液(13C10-syn-DP、13C10-anti-DP和13C12-PCB209)。设置微波萃取参数为:微波萃取功率1500W,萃取温度120℃,升温程序为:初始温度20℃,以10℃/min升温至120℃,保持20min。以30mL丙酮-正己烷(1∶1,V/V)为萃取溶剂,萃取完成后转移至含有5g无水硫酸钠砂芯漏斗上将底泥和萃取溶剂分离,浓缩至1mL。用GCB/PSA固相萃取进一步净化,净化液氮吹浓缩后,加入10μL浓度为10μg/mL的13C12 PCB198进样内标溶液,并用正己烷定容至1.0mL后进气相色谱-三重四极杆串联质谱分析。

    气相色谱参数:进样口温度260℃,不分流进样;进样量1.0μL,色谱柱DB-5(15m×0.25mm,0.1μm),柱流量1.0mL/min。升温程序:初温120℃,保持2min;以20℃/min升温至220℃保持1min,以10℃/min升温至310℃保持2min。

    质谱参数:离子源为EI源;离子源温度240℃;离子化能量70eV;接口温度280℃;溶剂延迟时间4.5min。数据采集方式:质谱多反应监测(MRM)模式。

    数据采集的德克隆类化合物色谱图见图1,质谱条件参数列于表1

    图  1  德克隆类化合物的色谱图
    1. Mirex;2. Dec602;3. 13C12-PCB198;4. 13C12-PCB209;5. Dec603;6. Dec604;7. a-Cl10-DP;8. syn-DP;9. 13C10-syn-DP;10. anti-Cl11-DP;11. anti-DP;12. 13C10-anti-DP。
    Figure  1.  Chromatograms of dechlorane plus and related compounds
    表  1  德克隆类化合物的质谱分析参数
    Table  1.  Mass spectrometric analysis parameters of dechlorane plus and related compounds
    序号
    No.
    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and
    related compounds
    保留时间
    Retention time
    (min)
    定量离子对
    Quantitative ion pair
    定性离子对
    Qualitative ion pair
    m/zCE(eV)m/zCE(eV)
    1Mirex8.753272.00>236.8015274.00>238.8015
    2Dec60210.028272.00>236.8018274.00>238.9018
    313C12-PCB19810.217476.00>405.7039474.00>403.7024
    413C12-PCB20910.678510.00>439.6027512.00>439.9033
    5Dec60312.9263.00>192.9030261.00>191.0033
    6Dec60413.258420.00>259.8030441.00>281.0036
    7anti-Cl10-DP13.796204.00>168.9018202.00>166.9021
    8syn-DP14.775272.00>236.8015274.00>238.9015
    913C10-syn-DP14.77277.00>241.8018278.85>244.0015
    10anti-Cl11-DP15.027238.00>202.9018240.00>204.9018
    11anti-DP15.262272.00>236.9015274.00>238.8015
    1213C10-anti-DP15.259277.00>241.9018278.85>243.9015
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    针对同一含水分的新鲜样品,开展直接提取与干燥后提取的实验对照研究。各称取10.0g空白底泥制备新鲜样品和干样,新鲜样是与无水硫酸钠搅拌研磨后加标至浓度 10ng/g,干样是经阴干、研磨后加标至同浓度,再按照步骤提取底泥样品。结果如图2所示,各化合物在干样和湿样中的回收率相近,经双样本t检验,在假定方差齐性以及假定方差不齐(采用Welch校正)的两种情况下,所得到的概率值均大于0.05,表明“湿样”与“干样”并无显著差异。但多数化合物在湿样条件下所呈现的回收率较干样略高,这可能是因为在微波提取中湿样中含有一定水分,水是一种能够高效地吸收微波能的极性分子,有助于目标化合物从基质中解吸和溶解到提取溶剂中。此外,提取溶剂为丙酮-正己烷(1∶1,V/V),样品中存在少量水分时能够促进丙酮更好地与土壤颗粒接触,提高提取效率。因此,本研究采取新鲜底泥样品直接提取测定,省却干燥步骤的操作与时间成本,提高分析效率。

    图  2  不同样品制备方法条件下德克隆类化合物提取回收率
    Figure  2.  Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted by different sample preparation methods

    微波辅助萃取(MAE)是利用微波能量加热样品-溶剂混合物,该技术减少了从固体基质中提取有机化合物的萃取次数和萃取剂用量。它被用于从污水处理厂的污泥中提取目标分析物25-27。MAE提取溶剂的选择、微波功率、萃取时间等因素对萃取物提取效率有很大影响28。为了研究最佳条件,对最相关的变量进行了实验设计(n=7)。

    根据目标物的理化性质与微波辅助提取对溶剂的要求,选用二氯甲烷、丙酮、正己烷、二氯甲烷-丙酮(1∶1,V/V)、二氯甲烷-正己烷(1∶1,V/V)、丙酮-正己烷(1∶1,V/V)共6种常用有机试剂进行提取,不同提取溶剂条件下德克隆类化合物提取回收率如图3所示。实验发现,以正己烷、二氯甲烷、二氯甲烷-丙酮(1∶1,V/V)和二氯甲烷-正己烷(1∶1,V/V)作为提取剂时,目标物在土壤中的回收率均不理想。当丙酮作为提取溶剂时,回收率可达 98.6%~108.7%。但因丙酮的极性较大,提取液中干扰物增多,影响定性、定量的准确性。综合考量回收率与干扰因素,最终确定选择丙酮-正己烷(1∶1,V/V)作为提取溶剂。

    图  3  不同提取溶剂条件下德克隆类化合物提取回收率
    Figure  3.  Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted by different solvents.

    以丙酮-正己烷(1∶1,V/V)为提取溶剂,提取温度温分别选择50℃、80℃、100℃、120℃和150℃。如图4所示,温度对提取效率有明显的影响,当提取温度≤80℃时,大多数德克隆类化合物回收率不足80%;随着提取温度的升高,目标物回收率有所提升;当温度为120℃时,大部分化合物的回收率达到峰值(92.1%~110.4%)并趋于稳定;但在150℃时出现了基质效应。考虑到土壤基质的复杂性,较高提取温度会使共提干扰物增多,影响后续净化效果和仪器分析准确性,综合考虑实验最终选择提取温度为120℃。

    图  4  不同提取温度条件下德克隆类化合物提取回收率
    Figure  4.  Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted at different extraction temperatures.

    以丙酮-正己烷(1∶1,V/V)为提取溶剂,提取温度设定120℃后考察微波提取功率对提取效率的影响。如图5显示,从1000~1500W随着提取功率的提高,各目标物回收率逐渐增加。以Mirex为例,提取功率为1000W时,回收率约为63.2%;随着功率增加,回收率逐渐上升;在1500W时,回收率达到峰值,约为107.3%。然而,当微波辅助提取功率升至1700W时回收率反而降低,Mirex、Dec602、Dec603 等低分子量化合物回收率分别降至约53.4%、66.4%和66.5%。这可能是因为功率的增加使得提取温度升高,造成德克隆类化合物发生分解或者基质效应增强,故最终选择提取功率为1500W。

    图  5  不同提取功率条件下德克隆类化合物提取回收率
    Figure  5.  Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted under different extraction power.

    由于污泥样品基质复杂,富含脂类(磷脂、脂肪酸等),色素(如胡萝卜素、叶绿素)和其他干扰物质(如腐殖酸、黄腐酸)等,因此样品提取后不能直接上机测定。本研究采用样品提取时加入吸附剂进行初步净化,再结合固相萃取柱进一步净化的方式来提高净化效果。选择实验室常用的铜粉除硫29,并考察了不同用量的净化效果,实验表明10.00g底泥样品加入2.50g铜粉即可达到除硫的效果。为了确保除硫的最佳效果,选择加入3.00g铜粉。有文献证实C18通常用于去除有机溶剂中提取物中的干扰性脂类和亲脂性化合物。乙二胺基-N-丙基(PSA)也被证明能有效地去除酸性干扰物,如腐殖酸和黄腐酸,石墨化碳黑(GBC)可去除色素等干扰物质30。实验考察了C18、PSA和GBC三种吸附剂对净化效果的影响,结果表明10.00g污泥中加入0.50g的GBC和0.50g的PSA净化效果最好,提取液在外观上颜色较浅,表明色素类杂质得到了有效去除;在仪器检测时,背景噪音最低,回收率较高,平均回收率可达95.2%。

    污泥样品经在线提取净化后的提取液仍然含有干扰物质,需要进一步净化。实验对比了硅胶柱、C18、C18/PSA、GCB/PSA、弗罗里硅土(Florisil)共5种固相萃取小柱的净化效果。图6结果表明,德克隆类化合物在硅胶柱和Florisil柱上的共提取物较多,回收率较低,分别为62.4%~77.3%和75.9%~96.9%。可能是因为底泥样品基质复杂,硅胶柱和Florisil 柱存在非特异性吸附、吸附容量与选择性有限,故在硅胶柱和Florisil柱上共提取物较多,并且德克隆与硅胶、Florisil的吸附作用过强,从而使目标化合物不能充分被洗脱下来,最终造成回收率偏低。C18、C18/PSA和GCB/PSA柱的回收率高于硅胶柱和Florisil柱,在C18/PSA 和 GCB/PSA 柱完成净化之后所得到的浓缩液,相较于C18净化后的浓缩液,其颜色更浅,谱图上杂峰更少,这表明其净化效果更为理想,主要是因为石墨化碳黑GCB可去除色素、甾醇和非极性干扰物31,PSA用于去脂质、碳水化合物和色素等极性干扰物32。在保证各目标物回收率的前提下,考虑到底泥中脂肪含量较高,最终选用GCB/PSA固相萃取柱。

    图  6  不同净化小柱条件下德克隆类化合物提取回收率
    Figure  6.  Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted with different purification column.

    配制标准溶液的浓度为 5、20、50、100、200、400ng/mL,以13C10-syn-DP、13C10-anti-DP和13C12-PCB209作为净化内标(100ng/mL),13C12-PCB198作为进样内标(100ng/mL),将配制好的混合标准工作液在优化好的仪器条件下进行测试。以目标物与内标物仪器响应比率(y)为纵坐标,对应的目标物与内标物的浓度比率(x)为横坐标,绘制标准工作曲线。在MRM模式下,德克隆类化合物在对应的质量浓度范围内线性良好,相关系数(r)不小于0.998。以样品浓度为0.5ng/g的基质加标样,根据1.2和1.3所示做样品前处理并上机分析,根据检出限的计算公式MDL=S×t(n-1,1-a=0.99),计算德克隆类化合物的方法检出限为0.017~0.040ng/g(表2)。

    表  2  德克隆类化合物的线性方程、相关系数、检出限和定量限
    Table  2.  Linear equations, correlation coefficients, detection limits and quantitation limits of dechlorane plus and related compounds
    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and related compounds
    线性方程
    Linear equation
    相关系数
    Correlation coefficient (r)
    检出限
    Detection limit (ng/g)
    Mirex y=0.2137x−2.3210 0.9995 0.024
    Dec602 y=0.1604x−1.8138 0.9998 0.040
    Dec603 y=0.0430x−0.7378 0.9988 0.024
    Dec604 y=0.0024x+0.0073 0.9995 0.038
    anti-Cl10DP y=0.1061x+1.8584 0.9993 0.017
    syn-DP y=0.0190x+0.1920 0.9999 0.018
    anti-Cl11DP y=0.1374x+3.1074 0.9987 0.040
    anti-DP y=0.0491x+0.7488 0.9995 0.039
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    以空白底泥样品为基质进行低、中、高三个浓度水平(分别为2、10、30ng/g)的加标回收实验,每个浓度平行7次,在优化条件下测得各个浓度的德克隆类化合物的平均回收率分别为79.8%~99.5%、86.2%~104.8%、91.2%~106.1%,相对标准偏差(RSD,n=7)分别为2.28%~6.91%、2.24%~5.58%、1.17%~5.87%。同时低、中、高三个浓度水平下净化内标13C12-PCB209、13C10-syn-DP和13C10-anti-DP的回收率分别为88.3%~94.8%、92.2%~102.3%、85.9%~100.8%,相对标准偏差(RSD,n=7)分别为2.89%~4.12%、2.39%~3.28%、2.31%~3.56%(表3)。与EPA测定有机污染物的标准方法指标对比,表明本文方法具有较好的准确性和精密度,可满足水体中痕量德克隆类化合物的分析需求。

    表  3  德克隆类化合物的加标回收率和精密度
    Table  3.  Average recoveries and RSD of dechlorane plus and related compounds
    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and
    related compounds
    添加浓度2ng/g
    Spiked concentration of 2ng/g
    添加浓度10ng/g
    Spiked concentration of 10ng/g
    添加浓度30ng/g
    Spiked concentration of 30ng/g
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    Mirex 89.8 6.29 93.3 5.58 106.0 2.79
    Dec602 79.8 6.60 98.6 5.39 102.4 2.28
    Dec603 92.5 2.28 104.8 3.73 91.2 3.70
    Dec604 83.5 4.60 87.7 4.79 91.3 5.87
    anti-Cl10DP 99.5 6.91 94.2 2.48 106.1 1.17
    syn-DP 82.8 3.16 86.2 3.10 95.7 1.62
    anti-Cl11DP 99.5 3.03 91.9 2.51 103.3 1.95
    anti-DP 91.7 2.39 102.4 2.24 95.8 1.48
    13C12-PCB209 88.3 4.12 102.3 3.28 100.8 2.97
    13C10-syn-DP 94.8 3.56 92.2 3.16 85.9 2.31
    13C10-anti-DP 89.5 2.89 94.9 2.39 91.4 3.56
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    鉴于当前尚无专门针对底泥中德克隆化合物的分析方法,将本文建立的底泥中德克隆类化合物测定方法,与文献中用于测定土壤和沉积物中德克隆类化合物的方法进行对比(表4),本文方法的特性优势主要体现在以下方面。

    表  4  本文分析方法与相关文献分析方法的比较
    Table  4.  Comparison of the analytical methods in this paper and those in related literatures
    目标物
    Target compounds
    样品基质
    Sample matrix
    样品前处理方法
    Sample pretreatment method
    分析仪器Analytical instrument 方法回收率
    Recovery of method
    方法检出限
    Detection limit of method
    参考文献
    Reference
    syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,
    Dec604
    干燥沉积物
    Dry sediment
    索氏提取,多层硅胶柱净化
    Soxhlet extraction,multi-layer silica
    gel column purification
    GC-HRMS 61%~106% 0.5~1pg/g 33
    Mirex,syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,Dec604
    干燥沉积物和土壤
    Dry sediment and soil
    加压液相萃取,镁铝层状双金属
    氢氧化物净化
    Pressure liquid phase extraction,Mg-Al
    layered double oxides purification
    GC-MS 90.3%~99.8% 0.01~0.67ng/g 34
    Mirex,syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,
    Dec604,anti-Cl10DP,
    anti-Cl11DP
    新鲜底泥
    Fresh sludge
    微波辅助提取,GCB/PSA固相萃取柱净化
    Microwave assisted extraction,
    GCB/PSA solid phase extraction
    column purification
    GC-MS/MS 79.8%~106.0% 0.017~0.040ng/g 本文研究
    This study
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    (1)在测定基质方面存在显著差异,这使得本方法的测定难度较大。相较于沉积物和土壤,本文所采用的基质为底泥样品,其成分更为复杂,可能含有大量的微生物、有机物以及各种矿物质等,这些因素相互交织,极大地增加了德克隆类化合物的测定难度。

    (2)本文方法的综合性能具有优势。本文方法采用微波辅助提取与GC-MS/MS联用技术,能够测定的化合物种类更多(8种);回收率(79.8%~106.1%)与加压液相萃取技术相当,且优于传统的索氏提取法;在检出限方面,虽然本文方法(GC-MS/MS)不及GC-HRMS的灵敏度高,但相较于GC-MS仍具有明显优势。索氏提取法在文献中报道的提取时间长达24h35或36h36,而本文采用微波辅助提取,仅需 45min即可同时处理44个样品。这一显著的时间优势提高了分析效率,使本文方法更适用于大规模样品的快速检测。

    (3)采用新鲜底泥样品直接进行提取,省却了干燥步骤的操作与时间成本。若进行干燥处理,易使样品受环境干扰、改变特性从而会影响结果。直接提取则保持了原始状态,避免以上这些问题,从而提高了德克隆类化合物检测结果的准确性,为研究提供可靠数据。

    (4)与单级质谱(MS)相比,本文方法采用的GC-MS/MS技术能够有效地减少共萃取化合物干扰,为污水处理厂底泥相关领域的样品分析提供了一种高效、准确且具有实际应用价值的检测方法。

    DP的同分异构体有顺、反两种构象。DP的同分异构体比值可以用分数丰度来描述,syn-DP的异构体比例(fsyn)用顺式DP浓度除以总DP浓度来计算,即fsyn=syn-DP/(anti-DP+syn-DP)。按照1.2节和1.3节的方法参数测定污水处理厂底泥中的德克隆含量,并根据测定结果,绘制德克隆类单体在不同污水处理厂底泥中的分布特征图(图7)。可以看出,在11个污水处理厂底泥中均检测到德克隆类化合物,总量为31.4~195.6ng/g,与文献报道的加拿大多伦多某一污水处理厂底泥中的德克隆含量相近(34~120ng/g)37。可见,污水处理厂由于其去除工艺存在一定的局限性,致使有机污染物无法完全被清除38。为确保数据的精确性与可靠性,本文实施了严格的质量控制措施,空白样德克隆类化合物的浓度均小于检出限(LOD),同时进行了加标回收实验,其回收率为80.6%~117%,平行样的相对偏差为0.14%~8.45%,质控结果显示实验过程没有出现明显的失误或偏差,测试结果可靠。

    图  7  德克隆类化合物在不同污水处理厂底泥中的分布特征
    Figure  7.  Distribution characteristics of dechlorane plus compounds in the sludge of wastewater treatment plant

    图7可见,不同污水处理厂底泥中德克隆类化合物中分布不相同,推测污水处理厂底泥中的德克隆化合物浓度可能与当地生活和工业使用德克隆类化合物有关。底泥样品中的德克隆类化合物均以anti-DP是主要的贡献单体,占比23.4%~53.0%,Mirex含量最低,占比0.4%~4.0%,这可能与其自2009年起被禁用多年有关。同时发现DP的脱氯产物在测定的8种德克隆化合物中浓度较高,anti-Cl10-DP和anti-Cl11-DP的浓度加和仅次于anti-DP与syn-DP之和,DP的脱氯产物需要引起足够的重视。污水处理厂1底泥中,德克隆类化合物的浓度最高,可能是该污水处理厂处于潮白河附近,潮白河上游有电子垃圾拆解基地,电子垃圾的拆解回收可能会将高浓度的德克隆类物质释放到邻近环境中,已有研究证实潮白河受到城市污水和工业废水的污染,河水和沉积物中检测到较高浓度的DP33。Jia等39报告了中国生产的DP产品的fsyn值在0.20~0.36之间,商业DP产品的fsyn值为0.41。本研究计算获得的平均fsyn=0.27,要低于DP产品的fsyn值,可归因于底泥中对anti-DP的更高吸附或底泥中syn-DP的优先生物降解。

    污水处理过程中,有机污染物的去除程度受多种因素影响,如化合物的物理化学和生物特性、污水处理厂的配置和运行环境、所选用的污水处理技术、周边环境因素等。本文研究在仅考虑底泥浓度的前提下,将不同水处理工艺的德克隆类化合物含量与syn-DP异构体比例绘制箱式图(图8)。如图8a所示,与活性污泥法水处理相比,采用A2/O工艺的德克隆类化合物的浓度显著降低(p<0.05),其平均浓度从活性污泥法的135.7ng/g降至 75.2ng/g。对比不同水处理工艺中获得的fsyn值(图8b),采用A2/O工艺的fsyn值显著增高(p<0.05),由0.26上升至0.29。在采用A2/O工艺处理污水过程中,在厌氧池中需氧的氨氧化细菌(如亚硝化单胞菌属Nitrosomonas europea)在氧气限制条件下,可以将50%的生物可利用氨转化为亚硝酸盐,称为部分亚硝化40,亚硝酸盐再被硝化杆菌氧化成硝酸盐。在缺氧池中,反硝化菌利用污水中的有机物作碳源,将回流混合液中带入大量硝酸盐转化为氮。在好氧池中,有机物被微生物生化降解,而继续下降;磷元素被聚磷菌摄取,也以较快的速度下降。有研究证实,A2/O工艺能够除去城市污水中药物活性化合物41,故推测,在厌氧-缺氧-好氧交替运行下,德克隆类化合物可能会被降解。此外,从结构式上看,与syn-DP相比,anti-DP的环辛烷部分的4个内部碳被氯遮挡的程度较小,这表明anti-DP可能更具活性3,更容易受到生物降解的影响,因此其fsyn值增大。

    图  8  不同水处理工艺处理的德克隆类化合物浓度(a)和syn-dp异构体比例(b)箱式图
    Figure  8.  Box diagrams of dechlorane plus compounds (a) and fsyn values (b) in different water treatment processes

    采用微波辅助提取与气相色谱-三重四极杆串联质谱相结合,建立了一种适合测定污水处理厂底泥等复杂基质中德克隆类化合物的方法。在最优条件下,获得较低的检出限为0.017~0.040ng/g,高、中、低三个水平的加标回收率和重现性均满足EPA测定有机污染物标准方法的要求。对于大批量样品检测工作,该提取技术省时、省力、省溶剂。将建立的方法应用于分析城市污水处理厂水处理过程中产生的底泥样品,在11个污水处理厂底泥中均检测到德克隆类化合物,其中anti-DP含量最高,Mirex含量最低。不同污水处理厂产生的德克隆类化合物的分布特征不相同,可能与当地生活和工业的德克隆类化合物的使用有关。在未考虑进水口德克隆类化合物含量与污水处理厂运行条件,仅考虑底泥浓度的前提下,统计11个污水处理厂底泥的数据,发现不同的污水处理工艺对德克隆类化合物在底泥中的累积有着显著的影响,与活性污泥法水处理相比,采用A2/O工艺的德克隆类化合物的浓度显著降低(p<0.05),其fsyn值显著增高(p<0.05)。

    本研究还有不足之处,需要进一步探索。首先,当前研究主要集中在单一介质(污泥)中的德克隆类化合物分析,未能全面反映污水处理厂整体工艺对德克隆的影响,需要同时采集污水处理厂污水和污泥样品,系统地研究德克隆类化合物在不同介质中的分布特征和迁移规律,深入探讨不同污水处理工艺对德克隆类化合物的去除效率和机制,明确各工艺环节的作用。此外,本文中污泥样品分别采集于4月和6月,这两个月份的环境条件(如温度、湿度、氧气含量等)存在差异,这些环境因素会影响底泥中微生物的种类与活性,进而通过微生物代谢活动影响德克隆类化合物的降解、转化或富集过程,改变其在底泥中的分布与迁移特性。尤为重要的是,环境条件的变化会改变底泥的氧化还原状态,从而影响德克隆类化合物的稳定性和反应活性。然而,本研究尚未充分考虑这些环境条件对德克隆类化合物的影响。

  • 图  1   德克隆类化合物的色谱图

    1. Mirex;2. Dec602;3. 13C12-PCB198;4. 13C12-PCB209;5. Dec603;6. Dec604;7. a-Cl10-DP;8. syn-DP;9. 13C10-syn-DP;10. anti-Cl11-DP;11. anti-DP;12. 13C10-anti-DP。

    Figure  1.   Chromatograms of dechlorane plus and related compounds

    图  2   不同样品制备方法条件下德克隆类化合物提取回收率

    Figure  2.   Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted by different sample preparation methods

    图  3   不同提取溶剂条件下德克隆类化合物提取回收率

    Figure  3.   Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted by different solvents.

    图  4   不同提取温度条件下德克隆类化合物提取回收率

    Figure  4.   Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted at different extraction temperatures.

    图  5   不同提取功率条件下德克隆类化合物提取回收率

    Figure  5.   Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted under different extraction power.

    图  6   不同净化小柱条件下德克隆类化合物提取回收率

    Figure  6.   Recoveries of dechlorane plus and related compounds extracted with different purification column.

    图  7   德克隆类化合物在不同污水处理厂底泥中的分布特征

    Figure  7.   Distribution characteristics of dechlorane plus compounds in the sludge of wastewater treatment plant

    图  8   不同水处理工艺处理的德克隆类化合物浓度(a)和syn-dp异构体比例(b)箱式图

    Figure  8.   Box diagrams of dechlorane plus compounds (a) and fsyn values (b) in different water treatment processes

    表  1   德克隆类化合物的质谱分析参数

    Table  1   Mass spectrometric analysis parameters of dechlorane plus and related compounds

    序号
    No.
    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and
    related compounds
    保留时间
    Retention time
    (min)
    定量离子对
    Quantitative ion pair
    定性离子对
    Qualitative ion pair
    m/zCE(eV)m/zCE(eV)
    1Mirex8.753272.00>236.8015274.00>238.8015
    2Dec60210.028272.00>236.8018274.00>238.9018
    313C12-PCB19810.217476.00>405.7039474.00>403.7024
    413C12-PCB20910.678510.00>439.6027512.00>439.9033
    5Dec60312.9263.00>192.9030261.00>191.0033
    6Dec60413.258420.00>259.8030441.00>281.0036
    7anti-Cl10-DP13.796204.00>168.9018202.00>166.9021
    8syn-DP14.775272.00>236.8015274.00>238.9015
    913C10-syn-DP14.77277.00>241.8018278.85>244.0015
    10anti-Cl11-DP15.027238.00>202.9018240.00>204.9018
    11anti-DP15.262272.00>236.9015274.00>238.8015
    1213C10-anti-DP15.259277.00>241.9018278.85>243.9015
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    表  2   德克隆类化合物的线性方程、相关系数、检出限和定量限

    Table  2   Linear equations, correlation coefficients, detection limits and quantitation limits of dechlorane plus and related compounds

    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and related compounds
    线性方程
    Linear equation
    相关系数
    Correlation coefficient (r)
    检出限
    Detection limit (ng/g)
    Mirex y=0.2137x−2.3210 0.9995 0.024
    Dec602 y=0.1604x−1.8138 0.9998 0.040
    Dec603 y=0.0430x−0.7378 0.9988 0.024
    Dec604 y=0.0024x+0.0073 0.9995 0.038
    anti-Cl10DP y=0.1061x+1.8584 0.9993 0.017
    syn-DP y=0.0190x+0.1920 0.9999 0.018
    anti-Cl11DP y=0.1374x+3.1074 0.9987 0.040
    anti-DP y=0.0491x+0.7488 0.9995 0.039
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    表  3   德克隆类化合物的加标回收率和精密度

    Table  3   Average recoveries and RSD of dechlorane plus and related compounds

    德克隆类化合物
    Dechlorane plus and
    related compounds
    添加浓度2ng/g
    Spiked concentration of 2ng/g
    添加浓度10ng/g
    Spiked concentration of 10ng/g
    添加浓度30ng/g
    Spiked concentration of 30ng/g
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    平均回收率
    Average recovery (%)
    RSD
    (%)
    Mirex 89.8 6.29 93.3 5.58 106.0 2.79
    Dec602 79.8 6.60 98.6 5.39 102.4 2.28
    Dec603 92.5 2.28 104.8 3.73 91.2 3.70
    Dec604 83.5 4.60 87.7 4.79 91.3 5.87
    anti-Cl10DP 99.5 6.91 94.2 2.48 106.1 1.17
    syn-DP 82.8 3.16 86.2 3.10 95.7 1.62
    anti-Cl11DP 99.5 3.03 91.9 2.51 103.3 1.95
    anti-DP 91.7 2.39 102.4 2.24 95.8 1.48
    13C12-PCB209 88.3 4.12 102.3 3.28 100.8 2.97
    13C10-syn-DP 94.8 3.56 92.2 3.16 85.9 2.31
    13C10-anti-DP 89.5 2.89 94.9 2.39 91.4 3.56
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    表  4   本文分析方法与相关文献分析方法的比较

    Table  4   Comparison of the analytical methods in this paper and those in related literatures

    目标物
    Target compounds
    样品基质
    Sample matrix
    样品前处理方法
    Sample pretreatment method
    分析仪器Analytical instrument 方法回收率
    Recovery of method
    方法检出限
    Detection limit of method
    参考文献
    Reference
    syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,
    Dec604
    干燥沉积物
    Dry sediment
    索氏提取,多层硅胶柱净化
    Soxhlet extraction,multi-layer silica
    gel column purification
    GC-HRMS 61%~106% 0.5~1pg/g 33
    Mirex,syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,Dec604
    干燥沉积物和土壤
    Dry sediment and soil
    加压液相萃取,镁铝层状双金属
    氢氧化物净化
    Pressure liquid phase extraction,Mg-Al
    layered double oxides purification
    GC-MS 90.3%~99.8% 0.01~0.67ng/g 34
    Mirex,syn-DP,anti-DP,
    Dec602,Dec603,
    Dec604,anti-Cl10DP,
    anti-Cl11DP
    新鲜底泥
    Fresh sludge
    微波辅助提取,GCB/PSA固相萃取柱净化
    Microwave assisted extraction,
    GCB/PSA solid phase extraction
    column purification
    GC-MS/MS 79.8%~106.0% 0.017~0.040ng/g 本文研究
    This study
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-18
  • 修回日期:  2024-12-30
  • 录用日期:  2025-01-09
  • 网络出版日期:  2025-01-20
  • 发布日期:  2025-01-20
  • 刊出日期:  2025-03-19

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