上海濱岸潮灘汞污染特征及其生態(tài)風險

趙 健

（華東師范大學 地理科學學院, 上海 200241）

上海濱岸潮灘汞污染特征及其生態(tài)風險

趙 健

（華東師范大學 地理科學學院, 上海 200241）

濱岸潮灘中Hg的污染特征對潮灘生物乃至人類健康的潛在危害較大。上海濱岸潮灘沉積物中Hg含量在0159～0．541 μg/g之間變化，位于加拿大環(huán)保部制定的TEL和PEL之間，對當?shù)厮锱紶枙胸撁嫘?，含量高值主要出現(xiàn)在LH、GL和LCG岸段，柱樣沉積物中Hg的含量高值出現(xiàn)在5 cm深度左右，粘粒和有機質(zhì)含量是影響沉積物中Hg空間分布的主要因子。Hg-e和Hg-s是沉積物中Hg的主要賦存形態(tài)，分別占到總Hg含量的9．0%～50．3%和37．7%～85．3%。由生物可利用態(tài)Hg帶來的生態(tài)風險不同于沉積物中總Hg的生態(tài)風險，根據(jù)沉積物中生物可利用態(tài)Hg進行生態(tài)風險評價更具有實際意義。

潮灘；汞；生態(tài)風險；污染特征；沉積物

一、引言

近年來，河口生態(tài)系統(tǒng)中汞的地球化學行為受到了全球范圍的廣泛關(guān)注，水體中的汞不僅對水生生物具有毒性作用，而且在還原條件下可以轉(zhuǎn)化為生物累積性較高的形態(tài)-甲基汞[1]，對整個河口生態(tài)系統(tǒng)甚至人類健康帶來較大危害。沉積物是河口和近岸生態(tài)系統(tǒng)中汞的主要儲存庫[2][3]。受潮汐、風暴潮等自然過程以及疏浚、養(yǎng)殖拖網(wǎng)等人類活動影響，累積在沉積物中的汞又可以通過再懸浮等過程釋放到上覆水中，成為上覆水中汞污染的重要來源[4][5]。

在我國沿海和河口地區(qū)的一些研究表明，長江河口、錦州灣和五里河口水體中溶解態(tài)汞含量相對較高[6][7]。其他研究揭示了汞在我國東海沉積物和我國東南部紅樹林濕地沉積物中的分布和賦存形態(tài)[8][9]。然而，到目前為止，有關(guān)長江口潮灘汞的研究還較為薄弱。本文主要分析了上海濱岸潮灘沉積物中汞的含量、分布及其賦存形態(tài)，利用潛在生態(tài)風險評價方法評價了潮灘沉積物中汞的潛在生態(tài)風險危害。

二、材料與方法

1.研究區(qū)概況

長江口濱岸潮灘發(fā)育廣闊，主要分布在河口南北兩岸、及崇明島、長興島等島嶼和陰沙周邊。本研究區(qū)域主要包括位于上海區(qū)域內(nèi)的長江口南岸潮灘和崇明島東部潮灘。長江口潮灘根據(jù)其地貌形態(tài)可分為河口邊灘和河口心灘兩種形式，南匯東灘、崇明東灘和橫沙東灘等均為河口邊灘，在微風天氣條件下，河口潮灘成為泥沙的堆積場所[10]。灘地根據(jù)自然地貌沉積分帶性特征自陸向海依次可劃分為高、中、低潮灘，其中，高潮灘沉積物最細，灘面上蘆葦和海三棱藨草發(fā)育茂盛；中潮灘沉積物由青灰色的粘土質(zhì)粉砂和粉砂組成，灘地植被以斑狀分布的海三棱藨草為主；低潮灘沉積物最粗，多為粉砂和細砂質(zhì)粉砂，局部為細砂，灘面上無大型植被發(fā)育。由于受圍墾和海浪侵蝕等因素的影響，目前許多岸段實際上已無高、中潮灘出露。

2.樣品采集與預處理

在整個長江口南岸滸浦至蘆潮港岸段以及崇明東灘選取了9個采樣斷面進行樣品采集，包括崇明東灘（CM）、滸浦（XP）、浮橋（FQ）、瀏河（LH）、寶鋼水庫（BG）、羅涇（LJ）、顧路（GL）、浦東機場（PJ）和蘆潮港（LCG）。其中，CM和LH高、中、低潮灘發(fā)育完整，各設3個采樣點，F(xiàn)Q中潮灘發(fā)育不完整，在高潮灘互花米草帶和低潮灘設了2個采樣點，其它采樣斷面發(fā)育較窄，只保留了低潮灘，因此各設1個采樣點。研究區(qū)域與采樣斷面分布如圖1所示。

圖1 長江口采樣斷面分布示意圖

于2010年10月在XP至LCG岸段和CM采集了潮灘表層0-5cm的沉積物樣品，帶回實驗室后立即冷凍保存。此外，在2008年10月還在BG外側(cè)低潮灘采集了2根30cm長的沉積物柱樣，帶回實驗室后在氮氣分樣箱中分割樣品，按0．5-5cm間距不等距取樣，分層樣品冷凍保存待測。

3.分析測試

沉積物樣品經(jīng)冷凍干燥后研磨均勻，取部分樣品用激光粒度儀（Counter LS13 320）測試沉積物粒徑，剩余樣品過240目尼龍篩待測。沉積物有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定（LY/T1237-1999）。沉積物樣品中的總Hg使用王水進行消解。Hg的賦存形態(tài)按照Bloom等的五步連續(xù)提取方法進行分步提取，依次為水溶態(tài)（Hg-w）、“人類胃酸”酸溶態(tài)（Hg-h）、有機螯合態(tài)（Hg-o）、元素Hg（Hg-e）和硫化汞（Hg-s）[11]，用AFS 9230型雙道原子熒光光度計（北京吉天公司）進行Hg含量的測定，測定時用5%的HCl（V/V）作載流液，1%KBH4+ 0．5%的KOH（m/V）作還原劑。

為了保證分析結(jié)果的準確性和可靠性，實驗分析時均同步分析試劑空白樣品、平行樣品和長江水系沉積物標準物質(zhì)（GBW07309），所有標準物質(zhì)中Hg的回收率都控制在90%以上。

三、結(jié)果與討論

1.潮灘沉積物中汞的含量水平

長江口潮灘沉積物中Hg含量平均值為0．297±0．126 μg/g，變異系數(shù)為42．4%。與國內(nèi)外已有的研究數(shù)據(jù)相比（表1），長江口潮灘沉積物中Hg的含量大多落于我國東南部紅樹林濕地[8]、英國Mersey河口[12]、法國Seine河口[13]、巴西Rio de Janeiro瀉湖[4]、美國Chesapeake灣[2]沉積物中Hg的含量范圍之內(nèi)。但沉積物中Hg的最高含量比我國東北部五里河口和錦州灣[7]以及葡萄牙Tagus河口[14]沉積物中的最高含量低2個數(shù)量級，其原因主要是后者歷史上曾受到來自工業(yè)源Hg的污染。目前，世界上很多國家部門已經(jīng)建立了有關(guān)沉積物中Hg的質(zhì)量標準，其中加拿大環(huán)保部制定的標準值最嚴格，根據(jù)這一標準，所有樣點沉積物中Hg的含量都在TEL和PEL之間（表1），說明長江口潮灘沉積物中的Hg對當?shù)厮锱紶枙胸撁嫘?/p>

表1 長江口潮灘與國內(nèi)外其他河口沉積物中Hg含量對比

2.潮灘沉積物中汞的空間分布特征

由于受圍墾、大型鋼鐵廠和港口建設等人類活動的影響，目前上海濱岸地區(qū)大多數(shù)岸段僅保留了較為狹窄的低潮灘，因此下面將以低潮灘沉積物中Hg的含量來探討其沿程分布特征（圖2）。LH低潮灘沉積物中Hg含量最高，達到0．437 μg/g，其次依次是GL、FQ和LCG，都超過了0．3 μg/g，其余各點Hg含量相對較低。從XP到LH岸段，沉積物中Hg含量逐漸增加，這是因為Hg污染可能通過滸浦河與瀏河輸入，使近岸水體中溶解態(tài)Hg含量較高，由于長江沖淡水的作用，進入河口水體中的溶解態(tài)Hg一般會在河口下游地區(qū)發(fā)生吸附與沉降，因此導致LH岸段沉積物中出現(xiàn)較多Hg的累積。LJ-GL岸段由于較寬，中間排污口、港口、煤碼頭等分散分布，污染物進入河口水體以后，經(jīng)稀釋、混合以及顆粒吸附、絮凝沉降等過程，又被漲潮流帶入附近岸段發(fā)生了沉降累積，使GL岸段沉積物中出現(xiàn)Hg的富集。

圖2 長江口低潮灘沉積物中Hg的沿程分布

2008年冬季 BG低潮灘柱樣沉積物中Hg含量、沉積物粒徑和有機質(zhì)含量如表2所示。柱樣沉積物中Hg含量在0．094～0．266 μg/g之間變化，在表層5 cm的柱樣中，沉積物中的Hg含量從表層向下含量大量增加，之后，向下隨深度增加含量逐漸降低。在低潮灘沉積物-水界面，沉積物中結(jié)合的部分Hg可以轉(zhuǎn)化遷移到水相中，孔隙水中較高含量的溶解態(tài)Hg會通過擴散等遷移過程進而增加上覆水中Hg的負荷。Mason等認為在氧化條件下沉積物中的Hg會發(fā)生釋放，其釋放通量與沉積物中的Fe、Mn、硫化物或DOC的含量關(guān)系較小[16]。

通過對沉積物粘粒含量與沉積物中Hg含量的線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，BG柱樣沉積物中的Hg含量與沉積物粘粒含量之間存在較好的相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)可達到0．63。由于受局地Hg污染排放的影響，使部分岸段表層沉積物中的Hg含量出現(xiàn)富集，導致沉積物中的Hg與粘粒含量之間沒有顯著的相關(guān)性。此外，BG柱樣沉積物中的Hg含量與沉積物有機質(zhì)含量之間也存在較好的相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)可達到0．45。排除幾個污染較重的站點以后，表層沉積物中的Hg與有機質(zhì)含量之間也表現(xiàn)出較強的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0．53。這說明沉積物的粘粒和有機質(zhì)含量是影響長江口潮灘沉積物對Hg吸附量的兩個控制因子。

表2 BG柱樣沉積物中Hg的含量與沉積物理化參數(shù)

3.沉積物中Hg的賦存形態(tài)

基于沉積物中Hg的遷移能力及其結(jié)合劑不同，Bloom等采用五步連續(xù)提取的方法將沉積物中Hg分為五種賦存形態(tài)，依次為水溶態(tài)（Hg-w）、“人類胃酸”酸溶態(tài)（Hg-h）、有機螯合態(tài)（Hg-o）、元素Hg（Hg-e）和硫化汞（Hg-s）[11]。Hg-e 和Hg-s在沉積物中的遷移能力較弱，因此其生物可利用性較低。Hg-o的遷移能力高于Hg-e 和Hg-s，但低于Hg-w和Hg-h，后兩者很容易進入水相并在生物體內(nèi)發(fā)生累積，因此風險較高。

長江口潮灘沉積物中Hg的賦存形態(tài)如圖3所示。從各形態(tài)Hg的含量來看，Hg-s形態(tài)含量最高，在0．073～0．433 μg/g之間變化，占到總Hg含量的37．7%～85．3%，XP、LH和LCG岸段沉積物中Hg-s形態(tài)所占比例最高，都在72%以上。僅次于Hg-s的是Hg-e形態(tài)，含量在0．021～0．118 μg/g之間，占到總Hg含量的9．0%～50．3%，其中LJ和PJ岸段沉積物中Hg-e形態(tài)所占比例最高，達到46%以上。當沉積物受到物理擾動較少時，Hg-s與Hg-e在沉積物中的遷移能力較弱，對水生生物的生物可利用性較小。長江口潮灘沉積物的Hg主要以這兩種形態(tài)為主，占到THg的84%以上，說明該區(qū)域沉積物中Hg的風險較低。潮灘沉積物中Hg-o含量較低，占到總Hg含量的0．5%～14．5%，Hg-w和Hg-h含量也較低，二者只占到總Hg的5．2%以下，進一步說明該區(qū)域沉積物中Hg的風險較低。

圖3 上海濱岸潮灘沉積物中不同形態(tài)Hg的賦存比例

4.基于潛在生態(tài)危害指數(shù)法的生態(tài)風險評價

根據(jù)Hakanson生態(tài)風險評價方法[17]，某一區(qū)域i重金屬的潛在生態(tài)危害指數(shù)（）計算公式如下：

上海濱岸潮灘沉積物中Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)如表3所示。Hakanson根據(jù)單種污染物Eri值的大小，將沉積物中該污染物的生態(tài)風險依次劃分為低、中等、較高、高和很高水平。本研究中LH沉積物中的Hg已達到高生態(tài)風險等級，LCG、GL和LJ沉積物中的Hg已達到較高生態(tài)風險等級，其余岸段沉積物中的Hg都屬于中等生態(tài)風險等級。由于Hg-w、Hg-h和Hg-o在沉積物中的遷移能力較強，因此將這3種形態(tài)的Hg累加起來可以用來評價Hg的生物可利用性及其潛在生態(tài)風險?？梢钥闯觯睘┏练e物中生物可利用態(tài)Hg的含量都較低（圖3），與總Hg 評價結(jié)果明顯不同，說明由生物可利用態(tài)Hg帶來的生態(tài)風險并不依賴于沉積物中總Hg含量的變化?？紤]到沉積物中Hg的遷移能力及其被生物吸收利用的途徑，根據(jù)沉積物中生物可利用態(tài)Hg進行生態(tài)風險評價更具有實際意義。

表3 長江口潮灘沉積物中Hg的潛在生態(tài)危害指數(shù)

四、結(jié)論

上海濱岸潮灘沉積物中H g含量平均值為0．297±0．126 μg/g，變異系數(shù)為42．4%。根據(jù)加拿大環(huán)保部的標準，表層沉積物中Hg的含量都在TEL和PEL之間，說明長江口潮灘沉積物中的Hg對當?shù)厮锱紶枙胸撁嫘５统睘┏练e物中Hg含量高值主要出現(xiàn)在LH、GL和LCG岸段，柱樣沉積物中的Hg從表層向下直至5 cm深度含量大量增加，再向下隨深度增加含量逐漸降低。沉積物的粘粒和有機質(zhì)含量是影響沉積物中Hg空間分布的兩個控制因子。Hg-e和Hg-s是沉積物中Hg的主要賦存形態(tài)，其中Hg-s形態(tài)含量最高，占到THg含量的37．7%～85．3%。潮灘沉積物中總Hg的潛在生態(tài)風險較高，但其生物可利用態(tài)含量較低，根據(jù)沉積物中生物可利用態(tài)Hg進行生態(tài)風險評價更具有實際意義。

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（責任編校：繆鑫）