衡水湖湖濱帶底泥重金屬檢測及污染分析與評價(jià)

王 悅，孫金旭，盧艷敏

(衡水學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 衡水 053000)

衡水湖總面積有268 km2，在華北地區(qū)的單位水地區(qū)排名第一，是華北平原地區(qū)的第二大淡水湖。衡水湖物種多樣性極其復(fù)雜，北溫帶很多動(dòng)植物在此處聚集，野生植物種類有383種，鳥類有310種，昆蟲有416種，魚類有34種，兩棲爬行類動(dòng)物有17種，哺乳類動(dòng)物有20種。在此之中，國家一級保護(hù)鳥類有7種，國家二級保護(hù)鳥類高達(dá)46種。衡水湖作為國家級自然保護(hù)區(qū)，具有防洪、淹沒、節(jié)水抗旱、防空調(diào)氣候、控制水土流失、降解環(huán)境污染等功能。這不僅是為了衡水市人民的利益，它還起著重要的作用，還可以調(diào)解周圍城市的氣候和環(huán)境，改善北京、天津地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，為衡水城市及周邊地市提供大部分飲用水和工農(nóng)業(yè)各種用水，對衡水市經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著巨大的作用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑：鹽酸(分析純)；硝酸(分析純)；氫氟酸(分析純)；高氯酸(分析純)；蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)所用器材：篩子(100目)；燒杯；移液槍；分析天平(FA2004N，上海菁還儀器有限公司)；石墨消解儀(CD20N，成都奧普樂儀器有限公司)；聚氯乙烯消解罐；原子吸收光譜儀(AFG型，北京普析通用儀器有限公司)。

1.2 底泥樣品的采集與處理

衡水湖位于華北平原衡水市，總面積268 km2，湖面面積也有75 km2，單位水面積在華北地區(qū)排名第一，是華北平原的第二大淡水湖泊。衡水湖物種多樣性極其復(fù)雜，北溫帶很多動(dòng)植物在此處聚集，野生植物種類有383種，鳥類有310種，昆蟲有416種，魚類有34種，兩棲爬行類動(dòng)物有17種，哺乳類動(dòng)物有20種。在此之中，國家一級保護(hù)鳥類有7種，國家二級保護(hù)鳥類高達(dá)46種。為探究衡水湖湖濱帶底泥重金屬污染程度，我們沿著衡水湖湖濱帶，設(shè)置了7個(gè)采樣點(diǎn)，具體采樣點(diǎn)見圖1。在這七個(gè)采樣點(diǎn)分別采集底泥樣品、附近土壤樣品、上覆水樣品，將采集好的泥樣和土樣放入密封袋中保存，水樣放入干凈的瓶子中保存，并做好記錄，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，水樣放入冰箱中冷藏，泥樣和土樣及時(shí)自然風(fēng)干。風(fēng)干后，去除掉樣品中的異物，并用木棒碾壓，過100目的篩子得到較為細(xì)致的樣品。

圖1 衡水湖湖濱帶采樣點(diǎn)

1.3 重金屬檢測

1.3.1 底泥樣品消解原理與方法

重金屬在土壤、底泥中主要是以有機(jī)結(jié)合態(tài)或其他結(jié)合態(tài)等方式存在，樣品的消解就是通過往樣品中加入多種強(qiáng)氧化性酸，結(jié)合高溫加熱的方法使土壤底泥樣品中以多種形式存在的重金屬脫離出來，以無機(jī)鹽的形式存在于待測溶液中，方便進(jìn)行重金屬含量的測定。

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，水樣放入冰箱中冷藏，泥樣和土樣及時(shí)自然風(fēng)干。風(fēng)干后，去除掉樣品中的異物，并用木棒碾壓，過100目的篩子得到較為細(xì)致的樣品。每個(gè)底泥樣品、土壤樣品設(shè)置兩個(gè)平行樣，一個(gè)空白對照。稱取0.2 g左右樣品至消解罐中，精確到四位小數(shù)，加入5 mL鹽酸，在80℃的加熱器中加熱20 min，然后升溫至100℃加熱20 min，加熱完成后，加入5 mL硝酸、5 mL氫氟酸、3 mL高氯酸，升溫至150℃，每隔一段時(shí)間就觀察消解罐中是否消解完成，若還有土壤樣品還有殘存，按照5∶5∶3的比例加入硝酸、氫氟酸和高氯酸，直至溶液成無色透明狀，升溫至180℃進(jìn)行趕酸，直到剩下2～3 mL液體，消解結(jié)束，加蒸餾水定容至50 mL，待測。

1.3.2 重金屬檢測原理與方法

原子吸收光譜法依照原子吸收定律，通過對樣品溶液和標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度進(jìn)行比較，計(jì)算出樣品中待測重金屬元素的含量。其中應(yīng)用較為廣泛的是火焰原子化器、石墨爐原子化器，在此我們來介紹這兩種原子化器的原理。

火焰原子化器是將待測樣品溶液霧化成氣態(tài)溶膠物質(zhì)后，然后與乙炔氣體混合進(jìn)入火焰，使待測樣品溶液可以干燥、蒸發(fā)和離解，將被測重金屬轉(zhuǎn)化為基態(tài)型原子。石墨爐原子化器的原理是將待測樣品溶液干燥、燃燒灰化后，然后加熱至高溫，直到待測重金屬元素形成基態(tài)型原子。

1.4 重金屬污染評價(jià)方法

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 重金屬分布情況分析

通過對土樣和泥樣消解，并用原子吸收光譜儀檢測其重金屬含量，得到每個(gè)點(diǎn)的不同重金屬元素的準(zhǔn)確數(shù)值，數(shù)值如表1。

表1 樣品重金屬含量

(1)鍶元素是一種核裂變產(chǎn)生的物質(zhì)，對人體有著非常大的危害。土壤中的鍶元素容易進(jìn)入水體中，通過植物的作用或者動(dòng)物的食物鏈作用，也會(huì)很容易進(jìn)入到人體內(nèi)造成傷害。樣品鍶元素含量數(shù)據(jù)如圖2。

圖2 鍶元素含量對比

從圖2可以看出鍶元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

2號采樣點(diǎn)與3號采樣點(diǎn)土樣和泥樣的鍶元素含量高，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)相差不大；

土樣中鍶元素的最大值為2號采樣點(diǎn)0.55 mg/kg，最小值為7號采樣點(diǎn)0.254 mg/kg；

泥樣中鍶元素的最大值為3號采樣點(diǎn)0.491 mg/kg，最小值為7號采樣點(diǎn)0.313 mg/kg。

(2)重金屬鎳元素造成環(huán)境污染的主要來源是礦業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、金屬加工業(yè)、合金業(yè)等，同時(shí)煤炭、石油等燃料在燃燒時(shí)也會(huì)造成重金屬鎳元素對環(huán)境的污染。樣品鎳元素含量數(shù)據(jù)如圖3。

圖3 鎳元素含量對比

從圖3可以看出鎳元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

7號采樣點(diǎn)中土樣和泥樣的鎳元素含量最高，明顯超過其余幾個(gè)采樣點(diǎn)；

7號采樣點(diǎn)的土樣鎳元素含量為2.442 mg/kg，泥樣鎳元素含量為0.807 mg/kg；

土樣中鎳元素含量最小值為5號，泥樣中鎳元素含量的最小值為1號。

(3)銅元素雖然是人體內(nèi)不可缺少的必需元素，但銅元素的過度攝入也會(huì)引起中毒現(xiàn)象，如人體行動(dòng)障礙、導(dǎo)致人體溶血以致貧血等，對人體造成的危害也不小。銅元素的主要污染源是煉銅廠、開采銅礦等和銅有關(guān)的工業(yè)，同時(shí)銅肥和含銅農(nóng)藥的過度使用也會(huì)導(dǎo)致銅元素的污染。樣品銅元素含量數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 銅元素含量對比

從圖4可以看出銅元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

土樣6號的銅元素含量明顯低于其他點(diǎn)，泥樣1號的銅元素含量明顯低于其他點(diǎn)；

土樣中的銅元素含量最大值為7號0.154 mg/kg，泥樣中的銅元素含量最大值為5號和7號0.165 mg/kg；

除了土樣6號和泥樣7號，其余幾個(gè)點(diǎn)的銅元素含量都相差不大。

(4)砷元素是非金屬，但由于砷元素的各種性質(zhì)和金屬都很相似，所以在一般的重金屬研究中也包括了對砷元素含量的測定。砷元素的主要來源是化工業(yè)、火力發(fā)電業(yè)、電子工業(yè)、玻璃制造業(yè)、皮革制造業(yè)、造紙業(yè)等工業(yè)，還有一部分來源于農(nóng)業(yè)中的含砷農(nóng)藥。砷元素會(huì)導(dǎo)致人體砷中毒，損害人體胃粘膜、腸道系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)等，中毒嚴(yán)重者會(huì)因呼吸困難、神經(jīng)異常等死亡，由此看來，砷元素對人體的危害相當(dāng)大。樣品砷元素含量數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 砷元素含量對比

從圖5可以看出砷元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

土樣4號和泥樣7號的砷元素含量明顯低于其他采樣點(diǎn)，含量分別為1.786 mg/kg和2.024 mg/kg；

土樣中的最大值為2號采樣點(diǎn)13.214 mg/kg，泥樣中的最大值為1號采樣點(diǎn)16.041 mg/kg；

土樣中的砷元素含量最大值低于泥樣中的砷元素含量。

(5)鋅元素是生命活動(dòng)體所必需的元素，為了維持正常的生理機(jī)能，人體每天必須消耗一定量的鋅，但這個(gè)量是很小的，如果人體攝入鋅元素的量超過了一定值，就會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生嘔吐、惡心等不良反應(yīng)。因?yàn)殇\元素的毒性沒有那么大，所以即使我國很多地區(qū)的土壤鋅元素含量已經(jīng)超過了正常標(biāo)準(zhǔn)，但仍然沒有引起人們足夠的重視。樣品鋅元素含量數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 鋅元素含量對比

從圖6可以看出鋅元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

7號采樣點(diǎn)的土樣和泥樣中的鋅元素明顯高于其他幾個(gè)采樣點(diǎn)，含量分別為1.054 mg/kg和0.872 mg/kg；

除了7號采樣點(diǎn)，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)的鋅元素含量相差不大；

土樣中6號采樣點(diǎn)的鋅元素含量最小為0.294 mg/kg，泥樣中1號采樣點(diǎn)的鋅元素含量最小為0.367 mg/kg。

圖7 鉻元素含量對比

(6)鉻元素主要來源于耐火材料、鋼鐵工業(yè)、皮革制造業(yè)、煤炭的燃燒等，還有垃圾焚燒、農(nóng)業(yè)過度使用化肥農(nóng)藥等，這些都會(huì)造成鉻元素的污染。樣品鉻元素含量數(shù)據(jù)如圖7。

從圖7可以看出鉻元素在七個(gè)采樣點(diǎn)的含量分布情況為：

7號采樣點(diǎn)的土樣和泥樣中的鉻元素明顯高于其他幾個(gè)采樣點(diǎn)，含量分別為16.637 mg/kg和4.575 mg/kg；

只有7號采樣點(diǎn)的鉻元素含量超過了2 mg/kg；

除了7號采樣點(diǎn)，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)的鉻元素含量都相差不大。

2.2 重金屬污染分析與評價(jià)

以《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB15618-1995中的一級標(biāo)準(zhǔn)為參考標(biāo)準(zhǔn)，一級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，使用單因子指數(shù)評價(jià)法的計(jì)算公式計(jì)算得出的單因子指數(shù)Pi如表3所示。從圖中可以看出，只有泥樣1號的砷元素的單因子指數(shù)超過了1，造成了環(huán)境污染，其余樣點(diǎn)的單因子指數(shù)均沒有超過1，沒有造成環(huán)境污染。

表2 土壤一級標(biāo)準(zhǔn)

表3 重金屬單因子指數(shù)

由尼梅羅綜合指數(shù)評價(jià)法計(jì)算公式，計(jì)算得出的尼梅羅綜合指數(shù)P綜合如表4所示，土壤分級標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。由圖中可以看出，只有砷元素的尼梅羅綜合指數(shù)為0.8712，超過了0.7，對環(huán)境造成了污染，其余幾種重金屬元素均沒有超過0.7，污染水平為清潔。砷元素的指數(shù)沒有超過1，還在警戒級內(nèi)，整體來說，衡水湖湖濱帶底泥重金屬污染程度并不高。

表4 重金屬尼梅羅綜合指數(shù)

表 5 土壤分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

湖濱帶底泥中的重金屬因?yàn)槠潆y分解、毒性持久、容易在動(dòng)植物體內(nèi)放大并累積等特點(diǎn)，已成為影響整體水環(huán)境質(zhì)量的重要污染源。本文通過使用原子分光光度計(jì)對衡水湖湖濱帶底泥重金屬含量進(jìn)行了測量，并對其重金屬的分布情況做出了分析，對重金屬污染程度做出了評價(jià)，主要結(jié)論為：

(1)文章采用傳統(tǒng)的鹽酸、硝酸、氫氟酸和高氯酸四種強(qiáng)氧化性酸對湖濱帶底泥樣品進(jìn)行了消解，用原子吸收光譜儀測定了鍶、砷、鉻、鋅、鎳、銅六種重金屬的含量，得到了每個(gè)樣品中幾種重金屬的準(zhǔn)確含量。通過對比七個(gè)采樣點(diǎn)的每種重金屬含量，得到以下結(jié)論：2號采樣點(diǎn)與3號采樣點(diǎn)土樣和泥樣的鍶元素含量高，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)相差不大；7號采樣點(diǎn)中土樣和泥樣的鎳元素含量最高，明顯超過其余幾個(gè)采樣點(diǎn)；土樣6號的銅元素含量明顯低于其他點(diǎn)，泥樣1號的銅元素含量明顯低于其他點(diǎn)，泥樣中的銅元素含量最大值為5號和7號0.165 mg/kg；土樣4號和泥樣7號的砷元素含量明顯低于其他采樣點(diǎn)；7號采樣點(diǎn)的土樣和泥樣中的鋅元素明顯高于其他幾個(gè)采樣點(diǎn)，除了7號采樣點(diǎn)，其余幾個(gè)采樣點(diǎn)的鋅元素含量相差不大；7號采樣點(diǎn)的土樣和泥樣中的鉻元素明顯高于其他幾個(gè)采樣點(diǎn)，并且只有7號采樣點(diǎn)的鉻元素含量超過了2 mg/kg。

(2)通過對衡水湖湖濱帶底泥重金屬含量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重金屬的污染程度排序由大到小依次為砷、鉻、鎳、鋅、銅，其中砷元素的污染程度相對來說最為嚴(yán)重，對環(huán)境造成了污染，但還在警戒級內(nèi)，污染程度并不高，而其余幾種重金屬都沒有超過環(huán)境土壤污染值，沒有對環(huán)境造成污染。