, 金衍健2 , 严忠雍2 , 胡红美2 , 郝青2 , 郭远明2 2. 浙江省海洋水产研究所, 浙江海洋大学 海洋与渔业研究所, 浙江省海洋渔业资源可持续利用技术研究重点实验室, 浙江 舟山 316021
2. Marine Fisheries Research Institute of Zhejiang Province, Key Laboratory of Sustainable Utilization of Technology Research for Fishery Resource of Zhejiang Province, Institute of Marine and Fisheries of Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316021, Zhejiang Province, China
溴代阻燃剂使用广泛，因多溴联苯醚的多种产品于2006年在各国陆续被禁止使用，六溴环十二烷(HBCDs)作为一种替代品，使用量不断增加.六溴环十二烷是一种典型的疏水性脂肪族溴代阻燃剂[1-2]，因其具有阻燃效率高、热稳定性较好、用量少、对材料性能影响小等优点而被广泛应用于针织物、聚苯乙烯泡沫材料、聚丙烯塑料：丁苯胶、黏合剂、涂料及不饱和聚酯树脂等工业生产中[3].环境调查表明，可在沉积物、水体、土壤和尘埃以及生物体内广泛检出HBCDs[4].斯德哥尔摩公约将其列入持久性有机化合物(POPs)的候选名单，自此引起了世界范围内的广泛关注[5-6].
HBCD具有高生物累积性、生物毒性和长距离迁移等特性，通过废弃的工业用品等途径进入环境，进而通过物质循环，对生物圈甚至人类造成危害[7-9].近年来，六溴环十二烷于各种环境介质和生物体内被广泛检出，对环境和生物的影响越来越明显，已被欧盟的REACH指令和挪威的POHS指令列入限用物质名单[10].持久性有机污染物(POPs)公约审查委员会(POPRC)建议逐步淘汰六溴环十二烷，但一些建筑行业目前仍在使用.回收和处置含有HBCD的废弃物是环境中六溴环十二烷的另一来源，其对人类健康的危害将是持续的[11].
我国是六溴环十二烷的主要生产国和消费国，HBCD的主要生产区域为山东莱州湾、江苏和浙江等地[12].文献[13]对我国7大主要河流流域(包括长江、黄河、珠江、辽河、海河、塔里木河和额尔齐斯河)的37个复合表层沉积物中六溴环十二烷的浓度和地理分布进行了研究，总体上看，从上游到下游，从华北到东南，六溴环十二烷的浓度分布呈上升趋势.尽管长江流域沉积物中六溴环十二烷的检出率最低(22%)，但长江三角洲地区的河流流域中六溴环十二烷的浓度却高达206 ng·g-1.
六溴环十二烷容易吸附在有机物质上，通过大气颗粒物沉积、水土流失、地表径流和市政排水等进入水生环境和工业废水中.因此，土壤很容易富集憎水性有机污染物.目前对土壤中六溴环十二烷的分布及浓度的研究主要集中在电子废弃物拆解地(1.57~3.76 ng·g-1·dw)等典型高浓度地，而对工业区、养殖区的研究相对较少.浙江省作为长江流域的主要省份，选取其养殖区和工业园区不同类型土壤样进行六溴环十二烷的分布差异研究和实验比较，具有代表性和重要意义.
1 材料与方法 1.1 样品采集与制备采样时间分别为2016年9月和2017年3月，2016年采样地点为养殖区，即三门增养殖区和乐清湾养殖区. 2017年采样区域为杭州湾和台州湾的工业园区.
所有样品均为沉积物样.杭州湾的1号采样点为江南、新民、柴桥3个电镀厂，2号采样点为北仑岩东排水公司小港分厂排放口，3号采样点为宁波北区污水处理有限公司，4号采样点为宁波石化经济技术开发区排污口.具体位置如图 1所示：
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图 1 杭州湾采样点分布 Fig. 1 Sampling point distribution of Hangzhou bay |
杭州湾15个采样点分别为4号采样点、3号采样点、距3号采样点500，1 000，2 000 m的3个点、1号采样点、距1号采样点500，1 000，1 500，2 500 m的4个点、2号采样点及距2号采样点500，1 000，1 500，2 500 m的4个点.
台州湾的11个采样点的具体位置如图 2所示.
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图 2 台州湾采样点分布 Fig. 2 Sampling point distribution of Taizhou bay |
1号采样点为台州市水处理发展有限公司一期污水排放口，37号采样点为台州市水处理发展有限公司二期污水排放口，7号采样点为台州凯迪污水处理有限公司.
11个采样点的具体位置分别为：1号采样点、2号采样点、距2号采样点500，1 000，1 500，2 500 m的4个点，39号采样点，以及距39号采样点500，1 000，1 500，2 500 m的4个点.
乐清湾养殖区11个采样点的具体位置如图 3所示.
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图 3 乐清湾养殖区采样点分布 Fig. 3 Distribution of sampling points in Yueqing bay aquaculture area |
三门增养殖区13个采样点的具体位置如图 4所示.
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图 4 三门增养殖区采样点分布 Fig. 4 Distribution of sampling points in Sanmen aquaculture area |
所有样品均为沉积物样，各采样点的坐标位置见表 1.
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表 1 采样点站位坐标 Table 1 Sampling point specific coordinates |
α-六溴环十二烷、β-六溴环十二烷、γ-六溴环十二烷标准溶液(100 μg·mL-1溶于甲苯，美国，Accustandard公司)；正己烷(HPLC级，上海安谱实验科技股份有限公司)；甲醇(色谱纯，GC，默克股份有限公司，达姆斯塔特布，德国)；二氯甲烷(HPLC级，美国J.T.Baker公司)；铜粉(纯度99%，上海安谱实验科技股份有限公司)；浓硫酸(优级纯GR，国药集团化学试剂有限公司)；高纯度水；硅胶固相萃取柱(500 mg，3 mL)，土壤泥样样品.
1.3 仪器和设备R-215旋转蒸发仪，配制V-700真空泵，V-855真空控制器，冷却循环水系统(瑞士Buchi公司)；5810高速离心机(美国Eppendorf公司)；硅胶固相萃取柱(500 mg，3 mL)；德国IKA MS3涡旋振荡器(IKA集团，德国)；超声波清洗器JL-120DTH(上海吉理超声仪器有限公司).Micromass-QuattroPrelnier三重四极杆串联质谱仪；AcQurrYTM超高效液相色谱仪(美国Waters公司)；ACQUTTY UPLC BEH C18色谱柱(规格100 mm×2.1 mm，填料粒径1.7 μm，美国Waters公司).
1.4 实验过程准确称量5 g土壤样品于50 mL具塞离心管中，加入正己烷、二氯甲烷(v:v=1:1)(15 mL:15 mL)作为提取溶剂.振荡提取2 min，超声提取5 min, 于5 000 r·min-1离心5 min，取上层清液于100 mL旋蒸瓶中.再加入v:v=1:1的正己烷和二氯甲烷，重复以上提取步骤，2次的提取液用同一旋蒸瓶蒸干.
用10 mL正己烷溶解旋蒸瓶中的残渣，并加入适当铜粉，超声2 min，将溶液转移到50 mL具塞离心管中，加入10 mL浓硫酸，静置2 h，再加入5 mL正己烷5 000 r·min-1离心5 min.取上清液转移于100 mL旋蒸瓶中，在离心管中继续加入10 mL正己烷，5 000 r·min-1离心5 min，将2次上清液合并旋蒸干.用1 mL正己烷溶解旋蒸瓶中的残渣，过硅胶固相萃取小柱萃取净化.先用1 mL正己烷活化硅胶固相萃取小柱(3 mg/500 mL-1)，然后用1 mL正己烷淋洗萃取小柱，上样，待正己烷流尽，连接旋蒸瓶，用5 mL正己烷、二氯甲烷(v:v=1:3)混合液洗脱，将收集到的洗脱液旋蒸干后用1 mL甲醇定容，经0.22 μm微孔滤膜过滤，收集到液相小瓶供UPLC-MS/MS分析.
1.5 标准曲线的配置用移液枪准确量取浓度为100 μg·L-1的HBCD标准溶液10，50，100，200，500 μL分别置于1 mL液相小瓶中，分别加入100 μg·L-1的内标溶液0.1 mL，用甲醇定容至1 mL，作为标准溶液进行检测，并绘制标准曲线.
1.6 分析条件对分析条件进行优化，最终优化结果为色谱柱类型:Waters公司ACQUTTY UPLC BEH C18柱(规格100 mm×2.1 mm，填料粒径1.7 μm)；柱温:40 ℃; 进样体积:1 μL; 流速:0.3 mL·min-1; 流动相A液：二次水；B液：甲醇-乙腈混合溶液(v:v=4:6)；线性梯度洗脱, 洗脱条件如表 2所示.
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表 2 梯度洗脱条件 Table 2 The condition of gradient elution |
在该条件下，可以无干扰分离六溴环十二烷的3种同分异构体及内标物，以提高分析速率.利用三重四级杆低分辨质谱技术检测HBCDs.在选择反应监测模式下，准分子离子[M-H]-(m/z 640.4)脱溴产生[Br]-(m/z 78.9和80.9).在ESI(-)电离方式下，准分子离子[M-H]-会和氯气发生反应生成[M-H+CL]-，同样为电喷雾质谱中的特征离子.经试验证明，[M-H]-更稳定，故最终选择m/z 640.4~78.9为定量离子对，m/z 640.4~80.9为定性离子对，同位素内标的定量离子对为m/z 652.3~78.9.
2 结果对不同类型土壤：工业区(杭州湾、台州湾)和养殖区(乐清湾养殖区、三门增养殖区)50个采样点的HBCD浓度进行了汇总，结果分别如图 5~图 10所示.杭州湾15个采样点、台州湾11个采样点都集中在工业区，乐清湾11个采样点集中在养殖区，三门13个采样点集中在增养殖区，所用样品均为干样.为比较干样和湿样对六溴环十二烷提取的影响，选取台州湾11个采样点中检出值相对较高的6个点，对其湿样进行相同的实验，结果如图 11和图 12所示.
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图 5 杭州湾、台州湾土壤样品中HBCD的浓度 Fig. 5 Concentrations of HBCD in soil samples collected from Hangzhou bay and Taizhou bay |
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图 6 杭州湾土壤中3种HBCD异构体的丰度关系 Fig. 6 Abundance relationship of three isomers of HBCD in Hangzhou bay soil |
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图 7 台州湾土壤中3种HBCD异构体的丰度关系 Fig. 7 Abundance relationship of three isomers of HBCD in Taizhou bay soil |
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图 8 乐清湾养殖区、三门增养殖区土壤中HBCD的浓度 Fig. 8 Concentrations of HBCD in soil samples collected from Yueqing bay aquaculture area and Sanmen aquaculture area |
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图 9 乐清湾养殖区3种HBCD异构体的丰度关系 Fig. 9 Abundance relationship of three isomers of HBCD in the soil of Yueqing Bay aquaculture |
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图 10 三门增养殖区土壤中3种HBCD异构体的丰度关系 Fig. 10 Abundance relationship of three isomers of HBCD in the soil of Sanmen aquachlture area |
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图 11 湿样中HBCD的浓度 Fig. 11 Concentrations of HBCD in wet soil samples |
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图 12 湿样中3种HBCD异构体的丰度关系 Fig. 12 Abundance relationship of three isomers of HBCD in wet samples |
50个样品中，共检出41个，检出率为82.00%.不同采样区域土壤中，六溴环十二烷的浓度差异较大，可能与污染源的来源及影响有关.
杭州湾15个样品中，α-HBCD的浓度为ND~0.349 8 ng·g-1·dw，占总量的35.08%.β-HBCD的浓度为ND~0.134 2 ng·g-1·dw，占总量的12.02%.γ-HBCD的浓度为0.040 2~1.653 8 ng·g-1·dw，占总量的52.90%.台州湾的11个样品中，α-HBCD的浓度为ND~0.244 0 ng·g-1·dw，占总量的18.37%. β-HBCD的浓度为ND~0.158 0 ng·g-1·dw，占总量的9.45%.γ-HBCD的浓度为ND~2.057 8 ng·g-1·dw，占总量的72.18%.
乐清湾11个样品中，只有一个样品检出了α-HBCD，浓度为1.121 0 ng·g-1·dw，占总量的11.09%.2个样品检出了β-HBCD，浓度分别为0.084 2和0.113 4 ng·g-1·dw，占总量的1.96%.2个样品检出了γ-HBCD，浓度分别为1.859 4和6.925 8 ng·g-1·dw，占总量的86.95%.三门增养殖区13个样品中，只有2个样品检出了α-HBCD，浓度分别为0.235 2和0.358 4 ng·g-1·dw，占总量的10.59%.β-HBCD的浓度为ND~0.770 4 ng·g-1·dw，占总量的39.16%.γ-HBCD的浓度为ND~1.412 2 ng·g-1·dw，占总量的50.25%.从台州湾11个样品中，选出6个检出值较高的进行湿样实验，结果只有1个样品检出了α-HBCD，浓度为0.370 1 ng·g-1·dw，占总量的9.38%. 1个样品检出了β-HBCD，浓度为0.109 3 ng·g-1·dw，占总量的2.77%.γ-HBCD的浓度为ND~1.924 7 ng·g-1·dw，占总量的87.85%.
3 讨论 3.1 不同类型土壤中HBCDs的浓度在工业生产类土壤的HBCDs中，α-HBCD的浓度占总量的10.00%~13.00%，β-HBCD的浓度占1%~12%，γ-HBCD的浓度占75.00%~89.00%，3种异构体的浓度之和接近100%[14-16].环境介质中的六溴环十二烷，污染源一般为工业生产，通过源-大气-土壤的方式影响环境，所以其组成应与工业产品相似.
如实验数据所示，工业区土壤和养殖区土壤中HBCDs(α-, β-, γ-HBCD之和)的浓度分别为ND~2.057 8和ND~6.925 8 ng·g-1·dw. HBCDs浓度为6.925 8 ng·g-1·dw的采样点是其他养殖区土壤HBCDs浓度的3.7~106.6倍，不具代表性，故除去此点.养殖区土壤中HBCDs(α-, β-, γ-HBCD之和)的浓度为ND~1.859 4 ng·g-1·dw，低于工业区.工业区土壤和养殖区土壤中HBCDs浓度的均值分别为0.684 6和0.644 8 ng·g-1·dw，说明HBCDs已成为各类型土壤中普遍存在的环境污染物质.杭州湾和台州湾的采样点集中在工业区，样品检出率(96.15%)较高，乐清湾养殖区和三门增养殖区远离工业区，检出率(62.50%)较低，但在检出的样品中，HBCDs的浓度较高.由于HBCDs主要添加于EPS和XPS等建筑装修材料和家纺产品中，本研究中涉及的工业区土壤主要为市政排污、金属园区排污和石化工业排污，虽然工业区浓度的平均水平较高，但与养殖区土壤差异不明显.
3.2 与其他地区、国家的对比如表 3所示，杭州湾、台州湾的工业区土壤和乐清湾养殖区、三门增养殖区土壤HBCDs的浓度明显低于山东HBCDs工厂附近、天津和崇明岛郊区，农业土壤中HBCDs的浓度高于成都郊区的农业土壤，与印度尼西亚、比利时的农业土壤处于同一污染水平.
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表 3 世界各地土壤中HBCDs浓度 Table 3 Concentrations of HBCDs in soils around the world |
山东省为我国HBCDs的主要生产地，土壤中HBCDs残留量大，但工厂与郊区对照点的HBCDs浓度有明显差异，表明工业和城市活动明显影响六溴环十二烷的分布.天津、上海农业土壤中HBCDs浓度较高(ND~21.00 ng·g-1·dw)，可能与较发达的建筑业与电子业有关.
与印度尼西亚(ND~1.70 ng·g-1·dw)和比利时(0.32~1.67 ng·g-1·dw)相比，长江流域沉积物中六溴环十二烷的平均浓度(206 ng·g-1·dw)处于较高水平.但本实验所研究的区域，与环境中PBDEs相比，HBCDs浓度仍低2~3个数量级.说明HBCDs虽然已在环境中蓄积，但相较在电子产品和建筑业中大量使用的PBDEs，其环境浓度仍处于较低水平，需及时管控.
3.3 不同类型土壤中HBCD异构体的组成特征样品中的γ-HBCD是主要的异构体，乐清湾样品的实验数据和台州湾湿样数据与工业品比例接近.而杭州湾和台州湾的实验数据，虽然γ-HBCD仍占主导地位，但α-HBCD浓度明显较工业产品中高，这可能与HBCD异构体之间的转化和分子间重排有关，温度高于160℃时，γ-HBCD有转化为α-HBCD的可能.3种异构体的半衰期不同，土壤中的微生物降解作用也是异构体组成与工业品组成有差异的原因之一.三门增养殖区的β-HBCD浓度较工业品高，可能与周围有新的污染源有关，需要进一步研究.
台州湾干样中检出浓度较高的6个样品对应的湿样中，只检出1个有α-HBCD、1个有β-HBCD、3个有γ-HBCD，其余均无检出.其中检出有γ-HBCD的3个样品中，2个样品较相应的干样浓度低，这符合实验预估，因为六溴环十二烷是脂溶性有机物，在水中的溶解性很低.其余样品的浓度较相应干样中的浓度高，这可能是实验重复性差之故.上述研究结果表明，土壤中HBCDs的提取，干样方式效率更高.
4 结论对杭州湾、台州湾工业区，乐清湾养殖区和三门增养殖区土壤中HBCDs的研究表明，无论是工业区还是养殖区，普遍有HBCDs检出，工业区的检出率(96.15%)明显高于养殖区(62.50%)，平均浓度无明显差别.但相对于HBCDs污染较为严重的电子拆解厂等地以及大量使用PBDEs的区域，其环境污染浓度处于较低水平.污染物的分布特征表明，土壤中的HBCDs以γ-HBCD为主，且组成与工业品相近，部分实验结果与工业品组成比例有差别，其原因可能是异构体之间的重排与转化、微生物的降解作用以及存在新的污染源等.
| [1] | REMBERGER M, JOHN S, PALM A, et al. The environmental occurrence of hexabromocyclododecane in Sweden[J]. Chemosphere, 2004, 54(1): 9–21. DOI:10.1016/S0045-6535(03)00758-6 |
| [2] | MINH N H, ISOBE T, UENO D, et al. Spatial distribution and vertical profile of polybrominated diphenyl ethers and hexabromocyclododecanes in sediment core from Tokyo bay, Japan[J]. Environmental Pollution, 2007, 148(2): 409–17. DOI:10.1016/j.envpol.2006.12.011 |
| [3] |
杜海鹰. 阻燃剂国际管控现状及其可持续发展[J].
建设科技, 2015(11): 21–23.
DU H Y. Status and sustainable development of flame retardant international control[J]. Construction Science and Technology, 2015(11): 21–23. |
| [4] | COVACI A, GERECKE, A C, LAW R J, et al. Hexabromocyclododecanes (HBCDs) in the environment and humans:A review[J]. Environmental Science & Technology, 2006, 40(12): 3679–3688. |
| [5] | MARVIN C H, TOMY G T, ARMITAGE J M, et al. Hexabromocyclododecane:Current understanding of chemistry, environmental fate and toxicology and implications for global management[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(20): 8613–8623. |
| [6] | COVACI A, GERECKE A C, LAW R J, et al. Hexabromocyclododecanes (HBCDs) in the environment and humans:A review[J]. Environmental Science & Technology, 2006, 40(12): 3679–3688. |
| [7] | DAVIS J W, GONSIOR S, MARTY G, et al. The transformation of hexabromo-cyclododecane in aerobic and anaerobic soils and aquatic sediments[J]. Water Research, 2005, 39(6): 1075–1084. DOI:10.1016/j.watres.2004.11.024 |
| [8] | MORRIS S, BERSUDER P, ALLCHIN C, et al. Determination of the brominated flame retardant, hexabromocyclodocane, in sediments and biota by liquid chromatography-electrospray ionisation mass spectrometry[J]. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2006, 25(4): 343–349. DOI:10.1016/j.trac.2005.11.006 |
| [9] | FERY Y, BUSCHAUER I, SALZIG C, et al. Technical pentabromodiphenyl ether and hexabromocyclododecane as activators of the pregnane-X-re-ceptor(PXR)[J]. Toxicology, 2009, 264(1/2): 45–51. |
| [10] |
郭桦. 六溴环十二烷列入POPs黑名单[N]. 中国化工报, 2013-05-24(1).
GUO H. Hexabromocyclododecane included in POPs blacklist[N]. China Chemical Industry News, 2013-05-24(1). |
| [11] |
李红华. 四川省部分地区土壤中六溴环十二烷的分布特征[J].
环境化学, 2014, 33(9): 1439–1444.
LI H H. Distribution characteristics of hexabromocyclododecane in soils in some areas of Sichuan[J]. Environmental Chemistry, 2014, 33(9): 1439–1444. DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2014.09.013 |
| [12] |
王亚韡, 蔡亚岐, 江桂斌. 斯德哥尔摩公约新增持久性有机污染物的一些研究进展[J].
中国科学(化学), 2010, 40(2): 99–123.
WANG Y Z, CAI Y Q, JIANG G B. Some studies on the addition of persistent organic pollutants to the Stockholm Convention[J]. Scientia Sinica Chimica, 2010, 40(2): 99–123. |
| [13] | LI H H, SHANG H T, WANG P, et al. Occurrence and distribution of hexabromocyclododecane in sediments from seven major river drainage basins in China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2013, 25(1): 69–76. DOI:10.1016/S1001-0742(12)60010-2 |
| [14] | JANÁK K, COVACI A, VOORSPOELS S, et al. Hexabromocyclododecane in marine species from the Western Scheldt Estuary:Diastereoisomer and enantiomer-specific accumulation[J]. Environmental Science & Technology, 2005, 39(7): 1987–1994. |
| [15] | HEEB N V, SCHWEIZER W B, KOHLER M, et al. Structure elucidation of hexabromocyclododecanes-A class of compounds with a complex stereochemistry[J]. Chemosphere, 2005, 61(1): 65–73. DOI:10.1016/j.chemosphere.2005.03.015 |
| [16] | HEEB N V, SCHWEIZER W B, MATTREL P, et al. Solid-state conformations and absolute configurations of(+)and(-)alpha-, beta-, and gamma-hexabromocyclododecanes(HBCDs)[J]. Chemosphere, 2007, 68(5): 940–950. DOI:10.1016/j.chemosphere.2007.01.032 |
| [17] |
张艳伟, 阮悦斐, 赵立杰, 等. 六溴环十二烷在不同土壤中的污染特征[J].
农业环境科学学报, 2013, 32(1): 63–68.
ZHANG Y W, RUAN Y F, ZHAO L J, et al. Distribution of hexabromocyclododecanes in soils for different uses:Concentration, diastereomeric and enantiomeric profiles[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(1): 63–68. DOI:10.11654/jaes.2013.01.010 |
| [18] | MENG X, DUAN Y, YANG C, et al. Occurrence, sources, and inventory of Hexabromocyclododecanes (HBCDs) in soils from Chongming Island, the Yangtze River Delta[J]. Chemosphere, 2011, 82(5): 725–731. DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.10.091 |
| [19] | EGUCHI A, ISOBE T, SUBRAMANIAN A, et al. Contamination by brominated flame retardants in soil samples from Asian developing countries[J]. Terrapub, 2009, 71: 143–151. |
| [20] | COVACI A, ROOSENS L, DIRTU A C, et al. Brominated flame retardants in Belgian home-produced eggs:Level and contamination sources[J]. Science of Total Environment, 2009, 407(15): 4387–4396. DOI:10.1016/j.scitotenv.2008.09.057 |
| [21] |
夏炎, 韩伟立, 马安德, 等. 广东省农耕土壤中四溴双酚A与六溴环十二烷的含量调查及其蓄积水平估算[J].
环境化学, 36(6): 1328–1334.
XIA Y, HAN W L, MA A D, et al. Investigation on the content of tetrabromobisphenol A and hexabromocyclododecane in farmland of Guangdong province and its accumulation[J]. Environmental Chemistry, 36(6): 1328–1334. DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2017.06.2016121302 |
| [22] | RAMU K, ISOBE T, TAKAHASHI S, et al. Spatial distribution of polybrominated diphenyl ethers and hexabromocyclododecanes in sediments from coastal waters of Korea[J]. Chemosphere, 2010, 79(7): 713–719. DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.02.048 |