Research Progress in the Emerging Contaminants in Groundwater in China
With the progress in industrial and technological development, the number of emerging contaminants has increased, affecting the groundwater environment and human health. This paper focused on the emerging contaminants in groundwater in China, and discussed their classification, characteristics, and potential health risks. It specifically emphasized the distribution of typical emerging contaminants in groundwater in China. It was found that the detection rate of emerging contaminants in the groundwater of Southeast China and developed cities is relatively high, with a positive correlation observed between economic development levels and contaminant concentrations. It also summarized the current system and detection technologies for emerging contaminants in China, and emphasized the urgent need to enhance the control of groundwater pollution and the capability of monitoring and research. This paper offered a scientific basis and strategies for monitoring, managing, and controlling emerging contaminants in groundwater to tackle associated challenges.
Emerging Contaminants
目前,全球还没有对新型污染物达成一致的分类,但有四类污染物引起了极大的关注:持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,简称POPs)、内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,简称EDCs)、药品及个人护理用品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,简称PPCPs)和微塑料(Microplastics,简称MPs)
名称 |
定义 |
危害特征 |
代表物 |
持久性有机污染物 |
人类产生的化学物质,可以在环境中持续存在,具有长期的生物积累性,可以通过食物链在生物体内积,对人类健康产生有害影响 |
① 高毒性,扰乱生物体内分泌系统进而对人体健康和生态环境产生有害影响;② 持久性,在环境中存在时间长,不易分解,影响生态系统和人类健康;③ 生物累积性,在生物体内积累,导致慢性毒性效应,影响生物多样性和生态系统功能;④ 远距离迁移性,能够在大气环境中远距离迁移 |
|
内分泌干扰物 |
一些人工合成的会破坏生物体内内分泌系统的发育和生理功能,导致激素失衡和随后的内分泌相关疾病的化学物质 |
① 能够模仿内源性激素,干扰内分泌系统的正常功能,影响生殖、发育、免疫系统和代谢过程;② 影响后代健康,通过干扰胎儿发育或影响生殖能力,产生长期的影响 |
雄激素干扰物、双酚A、甲状腺素干扰物、邻苯二甲酸盐、非基因型雄激素、雌激素干扰物、鱼类性激素干扰物等 |
药品及个人护理品 |
人类和兽用药物,以及个人护理品中的消毒剂或芳香剂等 |
① 人体内分泌紊乱、破坏体内激素平衡;② 影响水中微生物种类和数量,使抗药病原菌产生耐药性;③ 动物携带的耐药菌接触到人增加人畜共患病的几率 |
抗生素、消炎药、止痛药、镇静剂、避孕药、遮光剂、麝香、β-受体阻滞剂、血脂调节剂、细胞抑制剂、化妆品、洗涤用品等 |
微塑料 |
直径小于5 mm的塑料纤维、颗粒或者薄膜 |
① 对生物体产生毒性影响,并通过食物链传播,从而对人体健康构成威胁;② 引起消化道和内脏器官的堵塞,并促使吸收的化学污染物转移到其他部位 |
初生微塑料(产品本身粒径小于5 mm)、次生微塑料(大块塑料经物理、化学、生物作用破碎而成)等 |
塑化剂 |
在工业生产上被广泛使用的高分子材料助剂,又称增塑剂,添加到聚合物材料中能使聚合物塑性增加的物质 |
① 可通过呼吸道、消化道和皮肤吸收进入人体,少量在人体内积累;② 类雌激素作用带来的生殖毒性,会引起男性内分泌紊乱,促使女性性早熟 |
苯多酸酯、邻苯二甲酸酯、环氧烃类、脂肪酸酯、多元醇酯、脂肪族二元酸酯、烷基磺酸酯等 |
阻燃剂 |
赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂,主要是针对高分子材料的阻燃设计 |
① 发育毒性,引起胎儿和婴儿持久性的行为改变;② 干扰内分泌功能,破坏成年和发育中哺乳动物的甲状腺系统,使代谢紊乱;③ 生殖毒性,使精子和精原细胞数量下降;④ 可能致癌 |
磷系阻燃剂、溴化阻燃剂、无机阻燃剂、卤系阻燃剂、硅系阻燃剂、膨胀型阻燃剂、氮系阻燃剂等 |
甜味剂 |
能赋予软饮料甜味的食品添加剂 |
① 不参与人体代谢,超量服用会因摄入过量而对人体造成危害;② 短时间大剂量使用可能导致腹泻;③ 长期食用可能引发糖尿病和肥胖症;④ 改变人体中微生物群落,有可能会导致体内进行有害的新陈代谢 |
甜菊糖苷、甘草、环己基氨基黄酸钙(甜蜜素)、天门冬酰苯丙氨酸甲酯、糖精钠、(阿斯巴甜)、木糖醇、乙酰磺氨酸钾(安赛蜜)、麦芽糖醇等 |
杀虫剂 |
杀死害虫的一种药剂,如甲虫、苍蝇、蛴螬、鼻虫、跳虫以及近万种其他害虫 |
① 含有使人致癌、畸形儿或基因突变的成分;② 不仅使用时有害,残余在环境中时间长;③ 长期暴露可能会对人类的肝脏、肾脏和肺部造成潜在损害,并引起免疫系统萎缩、脑淤血、心脏病等 |
有机磷类、氨基甲酸酯类、拟除虫菊酯类、氯化烟碱类、酰胺类、吡唑类、季酮酸类、吡啶类、苯甲酰脲类、吡咯类、保幼激素类、蜕皮激素类、沙蚕毒素类、植物源杀虫剂类、微生物杀虫剂等 |
除草剂 |
用来防除农田作物杂草的化学药剂 |
① 杂草无法除净影响农作物正常生长,或者农作物受到除草剂影响而生长受损,抵抗力降低,生长发育异常,从而农作物减产;② 土壤中微生物数量减少,具有更多耐药性的杂草滋生;③ 干扰神经系统功能,破坏激素平衡,影响男性生育能力,削弱免疫系统,降低体内免疫防御 |
磺酰脲类、酰胺类、二硝基苯胺类、恶二唑酮类、三唑啉酮类、芳氧苯氧基丙酸类、环己烯酮类、二苯醚类、三嗪类、脲类、硫代氨基甲酸酯类、吡啶类、嘧啶氧苯甲酸酯类、四唑啉酮类、吡唑类、卤代乙酸、联吡啶类等 |
消毒副产品 |
饮用水消毒过程中,消毒剂与源水中含有的一些天然有机物和环境有机污染物以及溴或碘化物的化学反应,产生多种消毒副产物 |
① 对人体器官有刺激或麻醉作用;② 长期饮用氯化消毒水可能造成早期流产等生殖系统副作用;③ 具有潜在致癌、致畸、致突变性 |
卤甲烷、溴酸盐、亚氯酸盐、卤代乙腈、卤代硝基甲烷、卤代酮、卤代酚、碘代酸、卤化氰、卤代呋喃(3-氯-4-二氯甲基-5-羟基-2(5)氢-呋喃酮)、以及卤代对苯醌、N-亚硝胺等 |
纳米颗粒物 |
至少在一个维度上小于100纳米的颗粒 |
① 强渗透性:可以穿透细胞膜,沿着神经突触、血管和淋巴管传播,并选择性地积聚在不同的细胞和结构中;② 高活性:一方面易损伤细胞膜,破坏细胞的通透性,阻碍细胞和外界的物质交换,容易造成蛋白质变性等;另一方面纳米颗粒物产生ROS能激发细胞内氧化应激通路从而导致细胞的损伤;③ 对于一些能溶解出金属离子的纳米颗粒物,溶解出来的金属离子也在一定程度上增强了纳米颗粒物的毒性 |
PM10、PM2.5、氮氧化物、总悬浮颗粒物等 |
总的来说,新型污染物可以概括为以下四个特点:
1) 管理复杂性:具有持久性和生物累积性的新型污染物正在生物体内不断积累。即使以低剂量排放到环境中,它们也会沿着食物链逐渐积累,对环境生物和人类健康构成威胁。因此,仅仅依靠符合排放标准的常规污染物控制措施,可能无法完全实现对新型污染物的全面环境风险管理。此外,由于涉及多个行业和长期的产业链,新型污染物的替代产品和技术开发面临诸多挑战,因此需要不同部门之间协同合作进行治理
2) 种类繁多:超过20类新型污染物受到全球关注,每一种都含有许多化学物质,从几十种到几百种不等
3) 生物毒性显著:包括器官毒性、发育毒性、生殖毒性和神经毒性,一旦它们在生物体内积累,无疑会对生态系统和人类健康构成重大危害
4) 潜伏期长:污染具有滞后性,修复具有长期性。由于污染物需要积累到一定的浓度才能引起环境变化
尽管新型污染物在水体、土壤和大气环境中都有所分布,但目前的研究和检测更多地聚焦于地下水中的新型污染物。近20年来,中国关于地下水中新型污染物的研究主要集中在一线城市和人口密集的二线城市,涵盖南部发达的工业和农业地区,以及西南部的喀斯特地区
1) 持久性有机污染物(POPs)
POPs报道最多的地区为发达的东南部工业区和农业区,以及对污染相对脆弱的西南喀斯特地区
2) 内分泌干扰物(EDCs)
3) 药物和个人护理产品(PPCPs)
中国地下水中PPCPs的浓度相对较低
由于之前对新型污染物的关注度不够以及技术发展的不足,我国目前在全面了解和掌握新型污染物方面仍面临一定的困难。一方面,迄今为止,我国尚未启动针对新型污染物的全面摸底调查,因此对新型污染物的排放源、排放量以及具体分布规律都缺乏明确的认识,缺乏全面和系统的数据支持。另一方面,我国尚未开发出针对各类新型污染物的专门监测技术。当前广泛使用的环境监测技术主要是针对传统污染物的,无法有效地监测新型污染物的产生和扩散趋势,这在一定程度上制约了对新型污染物及时有效的监管和防控。地下水的化学成分不仅受岩–水相互作用范围和性质的影响,还受到地质构造和气候条件的多样化制约,导致地下水系统展现出高度复杂且难以预测的特性。
我国近年来在新型污染物的制度建设方面已经做了一些工作:1) 制定了一系列法规、计划、标准和政策,规定了运输、使用、生产、进出口销售等方面的风险防范措施;2) 实施危险化学品、新物质和农药登记制度,严格规范有毒化学品进出口的环境管理和控制措施;3) 建立了《斯德哥尔摩公约》国家协调机制和危险化学品管理协调机制。科学研究方面,主要关注新型污染物的健康和生态影响、毒性机制以及相关的检测和去除技术。随着对新型污染物认知的深入,我国已经开始将新型污染物的治理和监管工作提上日程。2021年1月,全国生态环境保护工作会议中指出“着手开展新污染物监测评估与治理”。2022年5月,《国务院办公厅关于印发新污染物治理行动方案的通知》(国办发[2022] 15号)提到要加强新型污染物治理,并且各个部门联合高校组织的论坛都开始对新型污染物进行交流和讨论。2023年3月1日,我国《重点管控新污染物清单(2023年版)》正式施行,全氟辛酸、抗生素、壬基酚等14种新型污染物被列入重点管控范围,被实施限制、禁止、限排等环境风险管控措施。这些工作表明监测和解决新型污染物的问题是当务之急。
新型污染物检测的主要挑战在于,提取和表征环境基质中浓度极低且物理化学等特性有所不同的化合物
分类 |
检测项目 |
推荐方法 |
持久性有机污染物 |
六六六、有机氯农药、蒽、苯并荧蒽、菲、芴、苊、荧蒽、萘、芘、灭蚊灵、多环芳烃、艾氏剂、二噁英、狄氏剂、多氯联苯、六氯苯、滴滴涕、七氯、毒杀芬 |
紫外–可见分光光度法、生物传感器法、磺化法、酶联免疫吸附分析法、高效液相色谱法、气相色谱法、反相高效液相色谱法、气相色谱–质谱法、液相色谱–荧光检测法 |
环境内分泌干扰物 |
三甲基锡、酞酸二丁脂、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸盐、十溴二苯醚、五溴二苯醚、多溴二苯醚、三溴联苯醚、多溴联苯醚、17β-雌二醇、双酚A、六溴环十二烷、多氯联苯、雌三醇、辛基酚、壬基酚、已烯雌酚、17α-乙炔雌二醇 |
液相色谱法、气相色谱法、质谱分析、红外光谱分析、核磁共振分析、荧光光谱法、时间分辨免疫法、三重四极杆气质联用法、液相色谱–质谱法、高效液相色谱法 |
药品及个人护理 |
氧氟沙星、二乙甲苯酚胺、三氯二苯脲、盐酸甲酯、三氯蔗糖、酚酸美敏酸、酮基布洛芬、水杨酸、甲氧萘丙酸、异丁苯丙酸、磺胺类抗生素、萘啶酸、氯霉素、罗红霉素、四环素、土霉素、恩氟沙星、诺氟沙星、环丙沙星、抗菌增效剂、磺胺嘧啶、磺胺甲恶唑、抗生素、荷尔蒙、消炎止痛药、香料 |
菌丝生长速率法、浸虫法、酶联免疫法、同位素法、红外光谱分析、高效液相色谱法、气相色谱法、液相色谱–质谱法、气相色谱–质谱法、高效液相色谱–紫外检测器法 |
微塑料 |
聚苯乙烯 |
高效体积排阻色谱法、红外光谱分析、高效体积排阻色谱法 |
全氟化合物 |
全氟十二酸、全氟丁酸、全氟戊酸、全氟己烷磺酸、全氟己酸、全氟辛烷磺酸、全氟庚酸、全氟辛酸、全氟十六酸、全氟癸酸、全氟十一酸、全氟十三酸、全氟十四、全氟十八酸、全氟丁烷磺酸、全氟癸烷磺酸、全氟壬 |
气相色谱–质谱法、高效液相色谱法、质谱分析、液相色谱–质谱法 |
塑化剂 |
邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯、邻笨二甲酸二丁酯、苯多酸酯 |
光谱法、电化学法、质谱分析、液相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱–质谱法 |
续表
阻燃剂 |
有机磷阻燃剂 |
垂直燃烧测试法、固相萃取–气相色谱法、液相色谱–质谱法、气相色谱–质谱法 |
甜味剂 |
阿斯巴甜、甜蜜素、糖精钠、异麦芽酮糖醇、安塞蜜、三氯蔗糖、阿力甜、纽甜、甜菊糖苷、甜菊双糖苷、甘草酸、甘草次酸、赤藓糖醇、山梨糖醇、麦芽糖醇、甘露糖醇、乳糖醇、木糖醇、阿斯巴甜 |
毛细管电泳法、气相色谱法、液相色谱法、高效液相色谱法、液相色谱–质谱法 |
杀虫剂 |
环氧七氯、对硫磷、甲基对硫磷、马拉硫磷、敌敌畏、乐果、敌百虫、甲萘威、林丹、溴氯菊酯 |
气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱–质谱法 |
除草剂 |
芳氧苯氧丙酸酯类、环己酮类、杀草强、硫代氨基甲酸酯类、二苯醚类、酰胺类 |
液相色谱法、液相色谱–质谱法、气相色谱–质谱法 |
消毒副产品 |
二氯甲烷、乙醛、三氯乙醛、二氯乙酸、三氯乙酸、2,4,6-三氯酚、亚氯酸盐、溴酸盐 |
气相色谱法、碘量法、离子色谱法、高效液相色谱–质谱法 |
纳米颗粒物 |
PM2.5、PM10、氮氧化物 |
微量振荡天平法、射线法、比色法、盐酸萘乙二胺分光光度法、原电池库仑法 |
地下水资源作为国家经济发展的关键支撑,其受污染会对人类健康以及水生动物造成一定影响。近年来,我国对地下水中新型污染物的关注度显著提升,相关研究论文数量亦呈稳步增长态势,尤其是对POPs、EDCs和PPCPs等新型污染物的探索。为了更全面地应对新型污染物带来的挑战,有必要扩大新型污染物的研究范围,具体包括关注前沿领域和关键问题、强化新型污染物筛选与检测技术的基础研究、制定完善科学的环境标准、深入探究毒性机制等。此外,要提高对地下水中新型污染物的监测和监督能力,包括开发可衡量、可追踪、可验证的评估系统,以确保监测数据的准确性和可靠性。最后,需要建立一个预防新型污染物风险的国家协调机制,并将其纳入流域生态环境监督机构和区域检查机构的职能,多个部门之间的合作将有助于应对新型污染物带来的挑战。
感谢国家自然科学基金青年项目(51802162)和江苏省自然科学基金青年项目(BK20180955)的支持。
*通讯作者。