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编译服务: 水体污染治理 编译者: 王阳 编译时间: Apr 10, 2019 浏 览 量: 5

摘要:人工甜味剂——三氯蔗糖(sucralose,SUC)是一种应用广泛的食品添加剂,因其在水环境中被广泛检出,且具有高极性、持久性等特点,被US EPA(美国环境保护局)列为新兴污染物(emerging contaminant,EC),相关检测、降解及毒理学研究逐渐增多.在比较了水环境中微量三氯蔗糖检测方法,总结了其在各地水环境中检出情况的基础上,重点阐述水处理工艺中三氯蔗糖的控制及转化.研究表明:固相萃取-液质联用(SPE-LC/MS)是检测水环境中人工甜味剂最常用的方法,可实现痕量三氯蔗糖的准确定性和定量,检测限低至几ng/L.以生物处理为主的污水处理工艺对三氯蔗糖降解效果甚微,大部分三氯蔗糖随排放进入水环境,继而进入饮用水处理及供水系统.欧美地区污水及地表水环境中三氯蔗糖检出浓度约为几至几十μg/L,饮用水中约为几百ng/L,国内水环境中检出水平与之相当,但资料数据相对匮乏。饮用水常规处理工艺对三氯蔗糖几乎没有控制效果,实际处理系统中氯和臭氧等氧化工艺控制效果甚微。试验研究中以产生羟基自由基、硫酸自由基等为主的高级氧化工艺可有效降解三氯蔗糖,但由于成本高,操作条件限制等难以大规模应用,此外三氯蔗糖降解过程中可能产生有害副产物。我国已经成为三氯蔗糖的第二大产地,人工甜味剂生产及使用规模大,理论上国内存在水环境污染范围广、污染水平高的分布特征,是水源中不容忽视的一类微量有机污染物。目前国内净水厂推广应用以臭氧为主的深度处理工艺,但三氯蔗糖在该工艺中因不完全降解可能导致多种含氯或脱氯产物的产生,对饮用水供水安全具有潜在威胁。

人工甜味剂(artificial sweeteners, ASs)也称为人工代糖、低卡路里甜味剂(non-caloric artificial sweeteners, NAS),为人工合成或半合成物质,广泛地应用于食品、饮料、药物、个人护理产品及动物饲料中。各类甜味剂的甜味强度和稳定性差异较大,主要归因于不同的化学结构。依据化学结构,人工甜味剂可分为卤代衍生类三氯蔗糖(sucralose, SUC);二肽类阿斯巴甜(aspartame, ASP)、纽甜(neotame, NEO)和阿力甜(alitame, ALI);磺胺类安赛蜜(acesulfame-K, ACE)、甜蜜素(cyclamate, CYC)和糖精(sacin, SAC)等。其中,三氯蔗糖是蔗糖分子中3个羟基被氯原子选择性取代而生成的氯化二糖,结构与蔗糖类似,比糖甜600~800倍,且非常稳定。三氯蔗糖是目前消耗量最多、最流行的人工甜味剂之一,自1998年通过US FDA (美国食品和药物管理局)许可以来,美国每年消耗量超过1 500 t,欧洲约为400 t。我国于1999年批准了三氯蔗糖的使用,2012年估算消耗量为400 t左右.近年来,由于三氯蔗糖在水环境中的普遍检出及显著的持久性[2-6],被US EPA(美国环境保护局)宣布为污水中的新兴污染物(emerging contaminant, EC)。

针对水环境中人工甜味剂类新兴污染物的研究起步相对较晚,有关其污染现状、转移及生态毒理等方面的报道相对较少,2009年之后呈迅速增加趋势.利用其持久性及人工合成特征,将三氯蔗糖作为示踪物质判断地下水是否受到污染的研究较多。实际上,三氯蔗糖在水环境中普遍存在且检出浓度较高.目前我国为三氯蔗糖的第二大产地,人工甜味剂使用规模大,理论上该物质在国内水环境中的分布可能具有污染范围广、污染水平高的特征。三氯蔗糖在以生物处理为主的污水处理系统中去除效果甚微,大部分随排放进入地表水等环境中。饮用水中常规工艺对三氯蔗糖几乎没有去除能力,深度处理工艺,如氧化或高级氧化等,可部分或有效降解三氯蔗糖,但三氯蔗糖降解后脱氯或部分脱氯衍生产物的潜在的环境及健康危害仍处于未知和探索阶段。

该研究结合课题组在污染物检测方面的工作及国内外相关研究成果,综述了水环境中三氯蔗糖的检测、分布及毒理等方面的最新研究进展,探讨了三氯蔗糖在水处理工艺中的降解情况,以期为环境领域、饮用水处理领域三氯蔗糖的相关研究提供基础数据资料。

1 水环境中微量三氯蔗糖的检测

1.1 三氯蔗糖的物理化学特性

三氯蔗糖被发现于1976年,为蔗糖分子中的3个羟基经氯原子取代的氯代有机物,具有最接近蔗糖的甜味.我国GB 2760—2011《食品添加剂使用卫生标准》规定三氯蔗糖作为甜味剂可在调味乳、糖果、果酱和冷冻饮品等食品中限量使用。

1.2 水环境中微量三氯蔗糖的检测方法

三氯蔗糖较为成熟的测试方法包括高效液相色谱法、傅里叶变换拉曼光谱法、气相色谱-质谱法和液相色谱-质谱联用法等.三氯蔗糖在水环境中存在水平低,多为微量乃至痕量,受基体复杂成分干扰较大,因此环境样品分析比食品分析检测难度更大,定量更困难。

水中微量三氯蔗糖可用气相色谱(FID检测器)与气相色谱-质谱联用(GC-MS)测定,但需要对其进行硅烷衍生化,预处理方法繁琐,检测限较高,可通过固相萃取富集降至68 ng/L。薄层色谱-紫外/可见/荧光分光光度法也可分析水中微量三氯蔗糖,样品经色谱分离后,可采用2-萘酚-硫酸、苯胺-二苯胺-邻磷酸或4-氨基苯甲酸-乙酸3种试剂进行柱后衍生,分别通过波长505和400 nm的吸光度及UV366 nm/>400 nm激发的荧光特性对三氯蔗糖进行定量分析,仪器检测限偏高,约为几十μg/L。

离子色谱和液相色谱不需要衍生化即可实现水中三氯蔗糖的快速、高效分离,结合串联质谱可实现水中微量三氯蔗糖的准确定性和定量.离子色谱的优点在于NaOH流动相可促进三氯蔗糖的离子化,提高质谱分析效率。

液相色谱-质谱联用是水环境样品中三氯蔗糖检测最普遍应用的方法,其中电喷雾负离子模式ESI(-)最为常用。三氯蔗糖的三氯结构具有给电子能力,在负离子条件下容易离子化形成[M-H]-,精确质量数为m/z(395.007 3),经MS-MS后产生特征碎片离子m/z(359.030 6),负离子模式多反应监测模式(MRM)灵敏度比较低,三氯蔗糖的最低检测限约为几μg/L。优化MS-MS条件得到m/z(359)和m/z(35)作为多反应检测扫描特征碎片可提高检测限至200 ng/L,但由于m/z(35)碎片离子在环境样品中广泛存在,因此选择性不高,即使考虑同位素A+2,仍存在此缺陷,可能导致定性误差。三氯蔗糖也可以通过钠添加的正离子模式离子化产生[M-Na]+,为少数可通过电子迁移将钠保留在碎片中的物质,质量数为m/z(419.004 0),经MS-MS后产生特征碎片离子分别为m/z(221.018 7)和m/z(238.984 8),MRM模式下检测限可达300 ng/L。但加钠正离子模式中盐的投加会影响到离子化效率,且离子源中Na+浓度不稳定易导致定量信号重复性变差.从液质联用仪器种类来看,飞行时间质谱(TOF)扫描所有的离子碎片,因此正离子模式和负离子模式灵敏度相近。飞行时间质谱与三重四级杆液相色谱质谱系统相比,具有相似的碎片,负电离条件下信号强度类似,但在正离子模式条件下后者的灵敏度比前者高很多,主要原因在于飞行时间质谱进行全谱扫描,降低了灵敏度。建议检测未知环境样品中三氯蔗糖,采用飞行时间液质联用正离子模式获得足够碎片确保三氯蔗糖的定性准确;当需要检测环境中低质量浓度三氯蔗糖时,采用三重四级杆正离子模式保证足够的灵敏度。

在水环境中ρ(三氯蔗糖)大多低于几μg/L,液质联用等仪器检测限不能满足直接定量的需求,通常采用HLB型吸附或交换材料,通过固相萃取对目标物进行预处理,富集倍数为50~1 000。预处理过程导致检测成本增加,且耗时费力,随着分析技术的发展及研究人员的探索,水环境中微量三氯蔗糖的检测正不断地向快速、准确的方向发展. WU等采用大体积直接进样500 μL(通常进样量20 μL)结合甲酸附加的负离子模式将检测限降至5 ng/L,与加氢负离子模式下三氯蔗糖的检测灵敏度相比提高了20倍。

2 三氯蔗糖的毒理学研究及其全球水环境中分布特征

2.1 三氯蔗糖的毒理学研究

人工甜味剂的使用已有近百年历史,不可否认,其在替代蔗糖等天然甜味剂的过程中减少了糖尿病患者和过度肥胖人群对糖类等营养物质的摄入,还可预防龋齿.但有关人工甜味剂安全性的探讨和争议从未中断,有观点指出,三氯蔗糖由于糖苷键的结合方向导致其无法被人体代谢,95%以上的三氯蔗糖会随人类排泄物排出体内,因而对人体无不良影响。另有学者指出,尽管三氯蔗糖本身不具有毒性,但它进入人体消化系统后可能干预肠内细菌和消化酶而导致肠炎症(inflammatory bowel disease, IBD).后续又有研究认为,三氯蔗糖可触发肠道接收功能紊乱导致其对葡萄糖吸收的增加,不利于糖尿病等患者的健康。2014年Nature发表了Suez等有关人工甜味剂(包括糖精和三氯蔗糖)小鼠及人体试验研究成果,指出在US FDA规定每日允许摄入量上限条件下,人工甜味剂可通过改变肠道菌群诱导葡萄糖耐受不良,这一发现说明食用人工甜味剂可能存在一定的风险。

2.2 三氯蔗糖的环境影响研究

一些学者展开了三氯蔗糖对甲壳类动物、植物和鲤鱼等环境生物的影响研究,从水生态毒性角度得到结论,认为三氯蔗糖的生物富集作用低,急性/慢性毒性几乎可以忽略。 Soh等发现,浮萍(Lemna gibba)子叶对养分的吸收、湿质量和生长速率没有受到三氯蔗糖的影响,对植物无毒性作用. Lillicrap等[34]从生物富集的角度评价了三氯蔗糖的风险,通过48 h的静态暴露系统试验确定水蚤(Daphnia magna)的生物富集因子(BCF)为1.6~2.2,淡水藻类(Pseudokirchneirella subcapita)和斑马鱼(Damio rerio)均小于1,认为三氯蔗糖在水生生物中基本不存在富集作用. Hjorth等发现随着ρ(三氯蔗糖)(0~50 000 ng/L)升高,北极哲水蚤(Calanus glacialis)的摄食速度提高,但飞马哲水蚤(Calanus finmarchicus)不受影响,2种水蚤的产卵均未受影响,认为这2个物种对三氯蔗糖影响的回应非常微弱。Wiklund等[36]报道了三氯蔗糖(0~5 000 μg/L)对甲壳类动物(Crustaceans)生理运动行为的影响,水蚤的游泳高度明显改变,游泳速度明显提高;钩虾捕食和归巢时间延长了. Huggett等确定了三氯蔗糖对试验生物大型水蚤(Daphnia magna)和糠虾(Mysid shrimp)的生存、生长和繁殖不产生影响的最低质量浓度分别为1 800和93 mg/L,然而在水环境中检出的ρ(三氯蔗糖)远低于该值,因此对水环境的生态影响不大。

然而另有学者发现,微量三氯蔗糖对水环境生态存在影响。 Amy-Sagers等[38]利用浮萍进行生态毒理学试验,发现0~15 μmol/L三氯蔗糖可增加叶片面积及光合能力,与人类不同,浮萍可以利用三氯蔗糖作为碳的供给体. Saucedo-Vence等将鲤鱼暴露于0.05和155 μg/L的三氯蔗糖中,暴露时间为12、24、48、72、96 h,鲤鱼的鳃、脑和肉中脂质过氧化作用(LPX)、氢过氧化物含量(HPC)、蛋白质羰基含量(PCC)均有所增长,鳃和鱼肉中抗氧化物酶活性发生了明显的改变. HU等发现,三氯蔗糖和安赛蜜的存在可降低水环境中的金属污染物镉和铜对斜生栅藻(S.obliquus)的生物毒性.水生生物的反常态行为不论是基于三氯蔗糖的毒性还是应激作用,均说明微量三氯蔗糖对水环境存在一定的影响,但影响趋势和程度有待于进一步考察。

2.3 三氯蔗糖的水环境分布特征

作为食品添加剂,三氯蔗糖对人体健康危害的评估和研究未充分考量其对环境的不利影响,忽视了三氯蔗糖的大量消耗可能导致的环境问题,忽略了其直接或间接对人类健康形成的危害.作为食物添加剂,三氯蔗糖不为人体代谢所吸收,绝大部分通过人类排泄进入到生活污水系统中。粗略估计全球每年约有10 000 t三氯蔗糖排放进入环境中,大部分通过污水收集及处理系统后进入水环境中。 2008年Brorström-Lundèn等受瑞典EPA委托展开了污水厂及相关联水体中三氯蔗糖的污染筛查,首次报道了污水厂和水环境中检出微量三氯蔗糖.瑞典25个污水处理厂出水中ρ(三氯蔗糖)检出范围为1.8~10.8 μg/L (检出率为100%),出水与未处理原水ρ(三氯蔗糖)差距小于10%,主要原因在于污水处理工艺对三氯蔗糖几乎没有降解作用,生物污泥对三氯蔗糖的吸附积累作用也不明显;污水厂受纳地表水中检出ρ(三氯蔗糖)均低于3.6 μg/L,与污水厂出水相比有大幅度降低,主要是稀释、扩散等作用减缓了其对水体的污染。

自2008年至今,世界各地纷纷报道了人工甜味剂排入污水处理系统及其在相关水环境中的污染情况。Loos等分析了欧洲27个国家120个以河流为主的地表水体,发现ρ(三氯蔗糖)高达1 μg/L,总检出率为50%;相较之下美国在其淡水及海岸水环境中检出三氯蔗糖的情况更为普遍,检出值高达10 μg/L,高检出率及高质量浓度水平与其使用时间长、每年使用量巨大直接相关.我国于1999年通过三氯蔗糖的使用,尽管市场开放比欧盟(2005年)早6 a,但源头污水厂及相关受纳水体中ρ(三氯蔗糖)均低于欧盟各国检出值.主要原因在于国内对人工甜味剂这类新兴污染物的关注度不高,有关三氯蔗糖的污染数据相对匮乏. GAN等于2011年在天津区域展开了系列研究,发现该市市政污水厂中ρ(三氯蔗糖)约为1.5~2.1 μg/L,接纳水体中为0.18~0.35 μg/L,自来水厂出水中为0.12 μg/L.由于我国已经成为三氯蔗糖的第二大生产基地,加之人口众多,消耗及排放量大,理论上应存在一定水平的环境污染,因此在国内开展相对广泛的流域调查对于准确了解污染情况、应对潜在危害具有重要意义。

3 水处理过程中三氯蔗糖降解及转化

三氯蔗糖在以生物处理为主的污水系统中的去除率仅为5%~20%,大部分随出水排入接纳水体中。三氯蔗糖在水环境中的代谢非常缓慢,半衰期长达数年,生物积累指数相对较低。由于三氯蔗糖溶解度较高,在持续排放导致入流浓度增长指数高于其环境降解速率的条件下,污染物不可避免地在水相中产生浓度累积效应。随着时间的延长,在无人为干涉的条件下,水相浓度递增的累积速度将导致三氯蔗糖污染水平的持续增长。在相当长的时间后,人们可能面临饮用甜味水或者混合甜味水的问题.水处理过程中三氯蔗糖的存在水平及转化过程决定了其在制水终端饮用水中的浓度水平,也是减少三氯蔗糖环境污染的关键步骤。

3.1 三氯蔗糖在水社会循环中的迁移及转化行为

除生产企业排放外,三氯蔗糖经城市污水处理厂出水进入地表水体,穿透给水处理工艺,最终可能出现在配水系统中。三氯蔗糖在经历涵盖污水和给水处理,以及水环境容纳的整治(制)水循环过程中,会发生生物降解、水解、氧化还原降解、吸附等环境及转化行为.在自然水体中,三氯蔗糖的水解行为主要发生在温度升高、酸碱性改变的条件下,糖苷键断裂产生2种氯化糖(1, 6-dichloro-1, 6-dideoxy-D-fructose和4-chloro-4-deoxy-D-galactose)。环境中存在三氯蔗糖的生物降解过程,但在河流和湖水等环境中,生物降解速率非常慢,也许可通过一定共降解过程提高其生物降解效果及速率。污水处理工艺中,具备后臭氧及砂滤等深度处理的市政污水厂对初始ρ(三氯蔗糖)为3 μg/L去除率仅为31%。在不具备高级处理工艺的污水处理过程中,三氯蔗糖的转化率更低,通常不超过20%[58,62,64].在净水过程中,三氯蔗糖的降解效果与处理工艺组成相关。Scheurer等选取了具备多重处理工艺的饮用水厂对三氯蔗糖的减量效果进行了模拟和现场考察,模拟试验中三氯蔗糖经河床滤层或人工地下回灌后无明显变化,未发生生物降解作用;混凝及絮凝过程对其无明显作用,臭氧氧化过程对其去除率小于20%;活性炭滤层吸附可去除部分三氯蔗糖; 氯对三氯蔗糖无作用。

3.2 三氯蔗糖有效控制技术

饮用水深度处理技术,如臭氧、UV/H2O2和UV/过硫酸盐(PDS)等,均可有效降解三氯蔗糖.臭氧对三氯蔗糖的降解效果与投加量有关,投加量较小的模拟试验中三氯蔗糖去除率<31%,降解速率常数为(4.5±1)×10-3mol-1min-1;过量臭氧在1 min之内即可将三氯蔗糖(10 mg/L)完全去除,降解速率常数为1.2×10-2~7.5 min-1(pH为4~10);臭氧化系统中可产生羟基自由基,与臭氧共同作用降解三氯蔗糖,碳酸盐和腐殖酸可明显影响降解速率和去除效果,这2类物质也是导致饮用水处理系统臭氧段对三氯蔗糖降解效果不佳的主要原因。产生羟基自由基和硫酸根自由基的高级氧化工艺可快速降解三氯蔗糖,降解速率常数分别为(1.5±0.01)×109和(1.7±0.1)×108s-1[47]。与臭氧化过程不同,羟基自由基和硫酸根自由基可实现三氯蔗糖的完全矿化,在UV/H2O2和UV/PDS系统中,矿化速率可达0.018~0.029(pH为3~7)和0.024~0.033 min-1(pH为11~3);硝酸盐和亚硝酸盐对以上2个系统降解三氯蔗糖具有很强的抑制效果,当亚硝酸根离子超过46 mg/L时,矿化速率迅速降至0.000 5 min-1.与UV/ H2O2相比,相同条件下UV/PDS降解效率高约20%。

充足的臭氧可将三氯蔗糖彻底分解为小分子醛、羧酸,臭氧不足条件下可产生各种含氯有机物,其中C6H11O5Cl是主要产物,为臭氧和羟基自由基的共同作用的结果。以产生羟基自由基为主的高级氧化工艺中,三氯蔗糖的降解过程主要为糖苷键的断裂和羟基自由基的取代,三氯蔗糖经过脱氯作用后生成与蔗糖类似的碳水化合物。Sang等采用UV/TiO2光降解三氯蔗糖,初步分析主要产物为1, 6-dichloro-1, 6-dideoxyfructose〔C6H10O4Cl2,m/z(216)〕另有3种具有比源物质分子量更高的特征质荷比〔m/z(411)、m/z(447)和m/z(457)〕,说明可能存在分子的氧化及重组,形成了分子质量更高的新物质.此外,通过生物毒性试验发现降解产物的急毒性明显升高. XU等[46]对UV/PDS工艺中三氯蔗糖的降解产物进行了分析,三氯蔗糖的裂解为基于果糖(Fructose)和糖苷(Glycoside)结构的两部分,液质分析碎片为C6H10O4Cl2Na〔m/z(239.2)〕, 为果糖结构部分,C5H11O4ClNa〔m/z(192.9)〕为糖苷的脱羟甲基产物, 进一步的降解产物还有C3H6O4Na〔m/z(129.2)〕,为三氯蔗糖的脱氯产物.三氯蔗糖断裂位置与氧化反应机理和状态有关,氧化产物的定性及生成途径仍需进一步研究。

总之,污水及给水处理中以自由基为主要功能因子的高级氧化处理工艺,为水中三氯蔗糖的降解提供了相对有效的控制途径,但此类工艺的应用受到诸多因素的制约,另外水中共存有机物对自由基的优势竞争也将削弱目标污染物的针对性控制。此外,三氯蔗糖在高级氧化工艺中的降解产物及其毒性仍不明确,降解产物本身及在消毒过程中的转化可能对供水安全性造成一定的影响,水环境中三氯蔗糖的控制及转化等问题仍需进一步的研究。

4 结论

a) 有关新兴污染物人工甜味剂三氯蔗糖的污染及控制研究仍处于初步探索阶段,以水环境污染调查为主,少数课题组探讨了典型污水、给水处理系统以及高级氧化工艺对三氯蔗糖的控制效果和降解机理,涵盖工艺有限,数据资料仍显匮乏。

b) 三氯蔗糖在水环境中普遍检出,并以相对较高的浓度进入饮水处理系统,其可能引发的安全风险不容忽视。

c) 后续研究可关注以下三方面:①三氯蔗糖的高甜特征及其在水环境中的累积是否会导致饮用水的不良口感,如何确定感官指标不适度转变的阈值。 ②在具有预氧化或氧化深度处理的净水工艺中,揭示三氯蔗糖不同程度的脱氯产物及其毒理学信息。 ③三氯蔗糖不与氯等反应,但其氧化产物可能与氯反应产生各类消毒副产物,探索转化产物及其产生路径等关键性问题。

  
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