滴水湖水體及沉積物中重金屬和多環(huán)芳烴的污染分析與評價

李娟英,石文瑄,崔　昱,李潤奇

(上海海洋大學水產(chǎn)動物遺傳育種中心/ 上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海　201306)

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滴水湖水體及沉積物中重金屬和多環(huán)芳烴的污染分析與評價

李娟英①,石文瑄,崔昱,李潤奇

(上海海洋大學水產(chǎn)動物遺傳育種中心/ 上海市協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201306)

摘要：為探明臨港地區(qū)開發(fā)對滴水湖水環(huán)境的影響，利用原子吸收分光光度計(TAS990)、順序注射雙道原子熒光光度計(AFS-9130)和高效液相色譜儀(HPLC)等儀器檢測了滴水湖湖區(qū)表層湖水及沉積物中重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)含量，并采用單因子分析、Hakanson潛在風險評價和主成分分析等方法對其污染狀況進行風險評價和來源分析。結果表明，Hg是表層湖水中污染最為嚴重的重金屬，Cd和Hg在沉積物中污染最嚴重；表層湖水中ρ(PAHs)為66~269 ng·L-1，主要以低分子量PAHs(2~3環(huán))為主；而沉積物(以干重計)中w(PAHs)為46~54 ng·g-1，主要以高分子量PAHs(4~6環(huán))為主。重金屬總體呈高生態(tài)風險，沉積物中Cu、Pb和Hg主要來自于潮灘底質(zhì)，Cd可能來自滴水湖上游的工業(yè)活動與生活污水等人為源；PAHs污染輕微，但致癌性PAHs所占比例較高，沉積物中的污染主要來自燃燒源。

關鍵詞：重金屬；多環(huán)芳烴；滴水湖；風險評價

滴水湖是在尚未成陸的海灘上填海開挖的人工湖，毗鄰東海，位于上海市浦東新區(qū)東南角的臨港新城和上海(洋山)自貿(mào)區(qū)，竣工已有10 a，平均水深3.7 m，最深處6.2 m，總面積達5.56 km2[1]。近年來，滴水湖逐漸成為臨港新城重要的旅游景區(qū)以及水產(chǎn)品生產(chǎn)基地。隨著上海自貿(mào)區(qū)及洋山港航運中心的建設，臨港新城的開發(fā)日益加劇，人流和車流等人類活動密度急劇增加增大，周邊企業(yè)的工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)居民的農(nóng)業(yè)、生活廢水大多經(jīng)簡單處理后直接排入滴水湖的引水河道[2]，造成重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)通過引水、降雨和地表徑流等方式大量排入湖區(qū)，對滴水湖的生態(tài)環(huán)境造成破壞，從而影響滴水湖水體和其中經(jīng)濟水產(chǎn)品的質(zhì)量。如江敏等[3]和梅衛(wèi)平等[4]對滴水湖及其引水河道表層沉積物中重金屬及PAHs含量進行檢測，發(fā)現(xiàn)上述污染物有潛在的生態(tài)風險，尤以引水河道較為嚴重，但對滴水湖水體中重金屬及PAHs的研究鮮有報道。筆者以滴水湖湖區(qū)為研究對象，檢測了7種重金屬(Cu、Pb、Cd、Zn、As、Hg和Cr)和16種美國環(huán)境保護局(USEPA)優(yōu)先選定的PAHs在水體及表層沉積物中的含量，結合滴水湖周邊環(huán)境特征對污染來源進行了初步研究，以期為未來滴水湖水體及其周邊環(huán)境管理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1樣品采集與分析方法

于2013年8月—2014年8月，每個季度在滴水湖4個采樣點(圖1)采集表層水體和沉積物，每個采樣點采集4 L水樣，置于干凈的玻璃瓶中。用抓斗式采泥器采集表層0.5 m處沉積物。將采集的表層沉積物迅速收集于干凈的玻璃瓶中密封，并注明采樣時間、地點和標號，運回實驗室，在0~4 ℃條件下保存至分析。采樣方法參照GB/T 14581—94《湖泊和水庫采樣技術指導》。

圖1采樣點區(qū)域分布

Fig.1Distribution map of sampling sites

1.2樣品的預處理及測定方法

表層湖水的預處理參照GB 17378.4—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》和HJ/T 91—2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》，沉積物參照GB 17378.5—2007《海洋監(jiān)測規(guī)范》和趙健等[5]的方法。Cu、Pb和Cd含量采用TAS 990原子吸收分光光度計測定；Cr含量采用GBC932plus原子吸收光譜儀測定；As和Hg含量采用AFS-9130順序注射雙道原子熒光光度計[6]測定；Zn含量采用火焰原子吸收分光光度法[7]測定。

表層湖水中PAHs含量的測定采用固相萃取法，1 L湖水中加入5 g NaCl和10 mL甲醇后經(jīng)0.45 μm孔徑微孔濾膜過濾，用C18固相萃取小柱萃取過濾后的水樣，萃取后真空抽濾小柱至干。采用15 mL二氯甲烷洗脫，氮吹濃縮至1 mL，待測[8]；沉積物樣品的提取凈化參照課題組前期研究方法[9]，稱取2 g冷凍干燥后的沉積物和0.5 g活化后的銅粉，取V(丙酮)∶V(正己烷)=1∶1的溶液150 mL于65 ℃條件下索氏提取24 h并用旋轉蒸發(fā)儀濃縮至10 mL，通過盛有8 g中性硅膠、4 g氧化鋁和4 g無水硫酸鈉的玻璃柱凈化，氮吹濃縮至1 mL待測。處理后的樣品用高效液相色譜儀分析[10]，16種PAHs的加標回收率為60%~110%，湖水和沉積物中PAHs含量的檢出限分別為0.11~1.62 ng·L-1和0.61~2.70 ng·g-1。

1.3評價方法

水體重金屬污染評價方法采用單因子污染指數(shù)法[11]，以地表水Ⅲ類水質(zhì)指標作背景值；沉積物污染生態(tài)風險采用Hakanson潛在生態(tài)風險指數(shù)法進行評價[12]，以上海潮灘沉積物背景值作為基準。采用的幾種重金屬的毒性系數(shù)和背景值見表1。

表1重金屬元素背景參比值和毒性系數(shù)

Table 1Background reference values and toxicity coefficients of heavy metals

重金屬地表Ⅲ類水標準限值/(μg·L-1)上海潮灘沉積物背景值[13]/(mg·kg-1)毒性系數(shù)[10]Cu100017.435Pb5020.145Cd50.0930Zn100048.791As503.1910Hg0.10.0540Cr5028.272

2結果與討論

2.1水體中重金屬與多環(huán)芳烴含量的分析與評價

2.1.1重金屬含量及單因子指數(shù)評價

滴水湖湖區(qū)表層水體各采樣點7種重金屬的單因子分析結果(表2)表明，除Hg之外，滴水湖水體溶解性重金屬平均含量相對較低。由于滴水湖湖區(qū)周邊不存在明確的工業(yè)污染源，且湖區(qū)每年僅開閘1次，外源性污染少，因此重金屬可能主要來自主城區(qū)的地表徑流、湖上旅游等相關活動以及水體交換區(qū)的攜帶。課題組前期對臨港地表徑流污染研究的結果表明，交通區(qū)道路徑流水體中ρ(Hg)高達2.5 μg·L-1[14]，超過地表水Ⅴ類水質(zhì)標準。另外，滴水湖毗鄰東海，通過出海閘與鄰近海域海水進行交換，李娟英等[6]發(fā)現(xiàn)，鄰近的舟山海域海水中的主要污染物是Hg，這也是引起湖水中Hg含量高的原因之一。

表2滴水湖水體中重金屬含量

Table 2Concentrations of heavy metals in the water of Lake Dishui

μg·L-1

ND表示未檢出。

2.1.2水體中多環(huán)芳烴的含量和組成

滴水湖表層水體中共檢出10種PAHs(表3)，且以低環(huán)(2~3環(huán))為主，所占比例高達44%~92%(圖2)。水體中低環(huán)PAHs含量較高的原因和PAHs的溶解度及正辛醇-水分配系數(shù)(Kow)有關，由于低分子量的PAHs溶解度較高，Kow值較低，故多以溶解態(tài)形式存在。16種PAHs中的6種致癌性PAHs(BaA、BbF、BkF、BaP、DBahA和IP)[9]在進水口處所占比例大于18%，郭雪等[15]發(fā)現(xiàn)滴水湖C港進口處沉積物中PAHs含量最高，這可能是因為滴水湖的引水河道受周邊人類活動影響較多，污染負荷較高[2]，但因湖區(qū)較為封閉，所以除進水口外，其他點位的致癌性PAHs含量較低。

2.2沉積物中重金屬與多環(huán)芳烴的分析與風險評價

2.2.1沉積物中重金屬含量及風險評價

將滴水湖各采樣點表層沉積物中7種重金屬元素含量(表4)與對應的潛在生態(tài)風險效應低值(effects range low，LRE)[16-17](表5)進行比較，除Hg和湖心處Cr外其余重金屬含量均小于LRE值，表明由重金屬引起的不利生物毒性效應很少發(fā)生， Hg

引起的不利生物毒性效應偶爾發(fā)生。

表3滴水湖水體中PAHs含量

Table 3PAHs contents in the water of Lake Dishui

ng·L-1

ND表示未檢出。

圖2滴水湖水體及沉積物中多環(huán)芳烴組成分布

Fig.2Composition of PAHs in the water and sediment of Lake Dishui

采用瑞典著名地球化學家Hakanson于1980年提出的潛在生態(tài)風險指數(shù)法對滴水湖表層沉積物中重金屬污染程度進行劃分并評價該水域的潛在生態(tài)風險[12]，潛在風險指數(shù)(IR)處于300~600之間，為高生態(tài)風險，這與江敏等[3]報道的結果相吻合。其中，Cd和Hg的潛在風險系數(shù)最高，是滴水湖湖區(qū)表層沉積物中主要的生態(tài)風險因子。滴水湖是于2003年由潮灘圍墾而成的人工湖泊，其底質(zhì)主要來自于上海長江口潮灘。在滴水湖形成之前，上海長江口潮灘是垃圾填埋的主要場所，上海排放的生活、工業(yè)污水直接排入長江口，導致重金屬富集在潮灘沉積物中[18]。2000年余佳等[13]對上海濱岸潮灘沉積物中重金屬含量進行研究，滴水湖所處南匯地區(qū)的生態(tài)危害輕微，筆者研究結果顯示滴水湖沉積物中重金屬呈高生態(tài)危害，其中Cd和Hg污染最嚴重，說明滴水湖及周邊臨港地區(qū)的開發(fā)對湖泊造成了一定程度的污染。

表4滴水湖沉積物中重金屬元素含量

Table 4Concentration of heavy metals in the sediment of Lake Dishui

mg·kg-1

ND表示未檢出。

表5滴水湖沉積物中重金屬元素的潛在生態(tài)風險效應低值(LRE)和潛在風險系數(shù)(IR)

Table 5Effects range low(LRE) and potential ecological risk coefficients(IR)of heavy metals in the sediments of Lake Dishui

重金屬LREIRCu7011Pb352.6Cd5288Zn1200.77As3314Hg0.15169Cr804.5

2.2.2沉積物中重金屬污染的主成分分析

在同一功能區(qū)，若重金屬含量之間存在相關性，則可能存在相似的污染來源[19]。對滴水湖湖區(qū)7種重金屬含量進行相關性分析(表6)可知，Cu、Pb和Hg含量兩兩之間具有極顯著相關性，表明這幾種重金屬的污染具有同源性。

另外，主成分分析結果顯示，滴水湖沉積物中重金屬污染受F1和F2這2個主成分支配，2個因子的累積貢獻率達到97%，特征值均大于1，可見這2個主成分可以反映滴水湖沉積物中7種重金屬全部分布情況的大部分信息。F1因子在Cu、Pb和Hg含量上有高正載荷，分別為0.86、0.89和0.94，結合相關性分析結果，Cu、Pb和Hg含量兩兩之間高度關聯(lián)，因此第1主成分同時支配著沉積物中重金屬Cu、Pb和Hg的來源。滴水湖湖區(qū)外源污染少，其底質(zhì)來自上海濱岸潮灘， Cu和Pb污染嚴重，主要受城市垃圾填埋和工業(yè)污水污染[13]，因此可以認為第1主成分污染來源于受污染的潮灘底質(zhì)；F2因子的方差貢獻率為28%，Cd獨立于其他重金屬，在第2主成分有很高的正載荷(0.81)，且與其他重金屬的相關性較低，說明Cd與其他重金屬的來源不同，該地區(qū)潮灘沉積物并不存在明顯的Cd污染[20]，而Cd常見于工業(yè)與生活污水[21]，表明Cd可能來自滴水湖上游的工業(yè)活動和生活污水等人為源。

表6沉積物中重金屬含量間的相關系數(shù)

Table 6Correlations between heavy metals in the sediment

指標w(Cu)w(Pb)w(Cd)w(Zn)w(As)w(Hg)w(Pb)0.997**w(Cd)-0.077-0.157w(Zn)0.2600.336-0.975**w(As)0.4820.537-0.759*0.878**w(Hg)0.983**0.993**-0.2410.4230.632*w(Cr)-0.896**-0.916**0.361-0.554-0.808**-0.956**

*表示在0.05水平上顯著相關(雙側)；**表示在 0.01水平上顯著相關(雙側)。

2.2.3沉積物中 PAHs的含量及來源分析

滴水湖沉積物(以干重計)中PAHs濃度范圍處于46~54 ng·g-1之間(表7)，較鄰近的洋山港、南匯潮灘沉積物和其他發(fā)達國家及地區(qū)的湖泊中PAHs濃度低1~2個數(shù)量級。根據(jù)BAUMARD等[22]提出的污染等級，滴水湖沉積物中PAHs污染輕微。但致癌性PAHs所占比例較高，達18%~64%，且PAHs通過食物鏈傳遞、富集和放大后會對人體產(chǎn)生影響，應引起重視。與滴水湖水體中PAHs的環(huán)數(shù)分布規(guī)律相反，沉積物中PAHs以高環(huán)芳烴(4環(huán)及以上)為主，所占比例處于40%~86%之間，這與高分子量多環(huán)芳烴溶解度低且底泥-水分配系數(shù)(KOC)較高，更容易與沉積物中有機碳(OC)結合有關，這種分布方式與國內(nèi)外許多湖泊和河流底泥中PAHs的分布相似[23](表8)。

表7滴水湖沉積物中PAHs含量

Table 7PAHs contents in sediment from Lake Dishui

ng·g-1

沉積物以干重計。

表8湖泊沉積物PAHs含量全球比較

Table 8Global comparison of PAHs concentrations in lake sediment

湖泊PAHs種數(shù)w(PAHs)/(ng·g-1)污染等級參考文獻滴水湖1648.6~53.5低該研究上海南匯潮灘1957.0~829.0中[24]巢湖14116.0~2832.2中[25]紅楓湖16262.8~944.3中[26]太湖162091.8~4094.4高[27]LakeShihwa,韓國1616.8~30.8低[28]LakeBeira,斯里蘭卡16152.0~569.0中[29]LakeBaikal,俄羅斯16219.8~1255.6中[30]LakeMichigan,美國14212.8~1290.8中[31]

PAHs 來源廣泛，但熱解(煤、石油等礦物的燃燒)和成巖化(石油及其產(chǎn)品)是主要的2個來源[32]。環(huán)境介質(zhì)中母體PAHs濃度的比值常被用于初步判斷PAHs的來源，常用的有An/(An+PhA)系列和FlA/(FlA+Py)系列[33]。滴水湖各采樣點An/(An+PhA)比值均大于0.1(分別為0.39、0.30、0.41和0.59)，F(xiàn)lA/(FlA+Py)比值均大于0.5(分別為0.66、0.62、0.64和0.57)，根據(jù)YUNKER等[34]的結果，滴水湖沉積物中PAHs污染來自熱解過程，如草、木和煤的燃燒，即周邊居民和企業(yè)燃燒產(chǎn)生的PAHs隨雨水沖刷、大氣沉降等方式進入水體。

3結論

(1)滴水湖水體中主要的重金屬污染物為Hg，沉積物中為Cd和Hg，以上海潮灘沉積物背景值為參比進行潛在生態(tài)風險評價的結果表明，沉積物中重金屬總體生態(tài)風險較高。

(2)滴水湖沉積物中重金屬污染可由2個主成分反映，第1主成分支配著重金屬Cu、Pb和Hg，它們主要來源于受污染的潮灘底質(zhì)；第2主成分支配Cd，Cd可能來自于滴水湖上游的工業(yè)活動與生活污水等人為源。

(3)水體和沉積物(以干重計)中PAHs含量分別處于46~331 ng·L-1和36~71 ng·g-1之間，屬于輕微污染。但沉積物中致癌性PAHs比例較高，需引起重視。源解析結果表明，沉積物中PAHs主要來自于燃燒源。

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(責任編輯： 陳昕)

Analysis and Evaluation of Heavy Metal and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Water and Sediment of Lake Dishui.

LIJuan-ying,SHIWen-xuan,CUIYu,LIRun-qi

(Aquatic Animal Genetics and Breeding Center of Shanghai Ocean University/ Shanghai Synergetic Innovation Center, Shanghai 201306, China)

Abstract:In order to assess environmental impacts of the development of the Lingang area on water environment of Lake Dishui, samples were collected from the surface water layer and sediment of the lake for analysis of contents of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with atomic absorption spectrophotometers(TAS990), flow injection two-channel atomic fluorescence spectrophotometers(AFS-9130) and high performance liquid chromatography (HPLC). Single factor analysis, Hakanson potential risk assessment and principal component analysis were performed to assess pollution risks and analyze sources of the pollutants. Results show that Hg were the predominant pollutant in the surface water layer, while Cd and Hg were in the sediment; and a total of 16 species of PAHs were found, varying in the range from 66 to 269 ng·L-1in content and dominated with lower molecular weight PAHs(2- and 3-ring PAHs) in the water of the surface water layer, and varying in the range from 46 to 54 ng·g-1(dry weight) and dominated with high molecular weight PAHs (4- and 6-ring PAHs) in the sediment. On the whole, heavy metals posed a very high ecological risk. Cu, Pb and Hg in the sediment came mainly from the tidal flat matrix and Cd possibly came from industrial activities and domestic sewage in the upper streams. The pollution of PAHs was very low, but carcinogenic PAHs made up a quite big proportion. And the pollutants in the sediment came mainly from the nature.

Key words:heavy metal;PAHs;Lake Dishui;risk assessment

作者簡介：李娟英(1978—),女,河北邯鄲人，副教授，博士,主要從事底泥中有機污染物生物有效性方面的研究。E-mail: jyli@shou.edu.cn.

通信作者①E-mail: jyli@shou.edu.cn

基金項目：上海市科委項目(12231201900);上海海洋大學水產(chǎn)動物遺傳育種協(xié)同創(chuàng)新中心項目(A1-2035-15-000122)

收稿日期：2015-05-14

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.016

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)01-0096-06