上海淀山湖多环芳烃多介质分布与营养级迁移研究

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淀山湖是上海市境内最大的自然淡水湖泊和黄浦江上游重要的水源保护区。环淀山湖区域是太湖流域投资增长和社会发展较具活力的地区之一,随着区域社会经济的发展,污染物排放总量和种类趋于上升,环境污染问题不断凸显。多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是一类可借助大气进行长距离传输、沉降,在陆地和水生生态系统中不断累积,对环境质量和人体健康造成潜在威胁的天然或人类活动产生的有机污染物质。考虑到该类污染物的危害性及环淀山湖区域人为源PAHs环境行为研究的欠缺性,本文针对淀山湖PAHs的多介质环境行为进行了系统研究,以期为浅水湖泊PAHs污染防控治理实践提供科学依据。在淀山湖湖体和湖口设置了14个取样点,采集了大气(含气溶相和颗粒相)、水体(含水溶相和颗粒相)、沉积物5种环境介质相和鱼虾蟹贝等19种水生动物等多种环境与生物样品,利用GC-MS测定了16种优控PAHs的含量。以此为基础,研究了PAHs在浅水湖泊生态系统中的多介质相中分布组成及影响因子,并基于Ⅲ级逸度模型模拟了其多介质迁移与归趋行为;分析了PAHs在水生生物中生物积累、组织分布与食物网传递行为;利用正定矩阵因子模型PMF和终生致癌风险ILCRs评估了PAHs的来源与健康风险,主要取得了以下认识:(1)淀山湖大气PAHs浓度范围为15.43-170.61 ng/m~3,均值为110.12 ng/m~3,平水季>枯水季>丰水季,其中大气PAHs主要分布在大气气相中。淀山湖水体溶解相PAHs为枯水季>平水季>丰水季,入湖点和出湖点的PAHs高于湖体其他位置,3环菲Phe是溶解相浓度最高的单体,低环PAHs(LMW-PAHs)是最主要组分,淀山湖水体颗粒相PAHs浓度为枯水季>丰水季>平水季,其中丰水季与平水季PAHs平均浓度差别较小,PAHs空间浓度差异为出湖河流>湖体>入湖河流,颗粒相PAHs组分特征与溶解相类似,且LMW-PAHs占比有所上升,颗粒物-水分配系数Kp说明了随着PAHs分子量的增加,水体中的PAHs更容易附着在颗粒相中,LMW-PAHs和MMW-PAHs单体在水体颗粒相-溶解相中分配较为平衡,而5、6环PAHs更倾向于分配在颗粒物中。淀山湖沉积物中PAHs浓度的时间变化为枯水季>平水季>丰水季,组分特征与水体两相不一致,沉积物以MMW-PAHs为主要组分,HMW-PAHs占比明显上升,说明沉积物是HMW-PAHs的汇。丰水枯水两季PAHs在最大水深处浓度最高,而平水季是在表层水浓度最高,沉积物孔隙水PAHs浓度显著大于上覆水PAHs浓度,随着水深的增加,溶解相LMW-PAHs组分降低,MMW-PAHs组分上升。利用PCA主成分分析法发现颗粒相PAHs主要受到p H、叶绿素a和溶解氧DO影响。这些环境理化参数与颗粒相PAHs平均浓度显著相关。(2)基于定量水-气-沉积物相互作用(QWASI)模型,系统地研究了浅水湖泊PAHs在相邻介质相间的跨界面迁移(CIT)。模拟值与实测值的对比表明,该模型可以较好地模拟浅水湖泊中PAHs的界面迁移。淀山湖区域气粒分配线性回归斜率mr=-0.804,表明气粒分配仍未达到稳定状态,存在有气相中悬浮颗粒物的液状吸收和表面吸附两种方式混合作用,污染源向该区域扩展正趋于减弱。模拟结果发现大气排放和平流输入是湖泊中PAHs的主要来源,其净损失(NLA)的一部分转化为总界面转移通量(CIT),且HMW-PAHs的转化程度高于LMW-PAHs。16种多环芳烃的逸度分数(ff)范围为0.04-0.86,LMW-PAHs是从沉积物向上层水体释放,MMW-PAHs和HMW-PAHs的平均值均在0.2到0.8之间,说明MMW-PAHs和HMW-PAHs相间分配处于相对平衡状态。在各种跨界面迁移通量中,沉降迁移是大多数PAHs的主要过程。水环境中PAHs在生物体内和环境介质中的组成呈现一定的类似性。HMW-PAHs较高的再悬浮通量可能与水动力扰动频繁有关。(3)19种淀山湖水生生物PAHs浓度范围115.18-1136.04 ng/g dw,其种间浓度均值分布为贝类>虾蟹类>鱼类,贝类以MMW-PAHs和HMW-PAHs占主导,而鱼虾蟹类则以LMW-PAHs占比最高。贝类组织PAHs浓度大小依次为:外套膜>内脏>鳃>闭壳肌。鱼类5种组织中PAHs浓度均值为:肝>肠>鳃>皮肤>肌肉。(4)水生生物肌肉中PAHs含量与脂质含量呈现显著正相关,与生物体长呈现一定程度负相关,脂质均一化PAHs浓度与log KOW呈现显著负相关。6类水生生物的生物富集因子(BAFs)范围在272-960之间,生物-沉积物富集因子(BSAF)范围为0.14-7.20,其中鱼类BSAF最低,虾蟹类最高。16种PAHs单体的营养级放大因子(TMF)值均小于1,说明PAHs在淀山湖水生食物网中经历着营养级稀释作用,随着营养级的增加,水生生物体内PAHs浓度逐渐降低,PAHs的营养稀释归因于水生动物对它们的生物转化能力。(5)利用正定矩阵因子分解法(PMF)对淀山湖水体颗粒物、沉积物和鱼类PAHs来源进行定量解析,结果表明沉积物、水体颗粒物PAHs主要来源于交通尾气排放(包括汽油和柴油),占比43.3%-47.7%,其次是炼焦和石油挥发泄露,煤燃烧源在丰水季和平水季中具有一定占比;而鱼类PAHs以炼焦、煤燃烧和汽油尾气排放为主要来源,存在季节差异。采用终生致癌风险对淀山湖大气和水体PAHs进行健康风险评估,结果表明大气PM2.5的终生致癌风险为枯水季>平水季>丰水季,皮肤接触的风险值>吞食摄入>呼吸摄入,存在潜在健康风险。水体PAHs终生致癌风险为枯水期>平水期>丰水期,儿童健康风险最高,应得到重视。健康风险评价表明淀山湖12种鱼类中PAHs生物有效性的最大允许摄入量CRU范围为74.23-669.32 g/d,所有鱼类的CRU值均大于城市居民人均每天摄入鱼肉量62.3 g/d,说明食用12种鱼类均不会产生PAHs的致癌风险,太湖小银鱼中PAHs浓度较高,需谨慎考虑食用量。淀山湖表层沉积物中PAHs浓度低于生态效应低值,生态风险较低。
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