某典型焦化企业废气中PAHs排放对周边土壤—小麦籽实的影响

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焦炭及其副产品在生产过程中产生大量含有毒有害污染物的工业“三废”,而多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)是焦化生产过程中排放的特征污染物。我国具有世界上最大的焦炭生产能力。近年来,快速发展的焦化工业使我国多环芳烃污染比其他国家更严重。随着人们对粮食安全和自身健康的日益关注,系统研究焦化企业特征污染物排放对周边农田生态环境的影响以及对人群健康的风险,显得尤为重要。本研究选择危害较大且具有代表性的16种优控PAHs作为观测标志物,在对山西省某典型焦化企业周边开展长期调查监测的基础上,系统研究焦化企业废气中PAHs排放对农田土壤-小麦籽实的影响,旨在为焦化企业周边农田土壤环境保护以及粮食安全生产提供科学依据。本研究获得的主要结论如下:(1)研究区多环芳烃主要通过焦化企业废气排放进入大气环境,再经过大气干湿沉降进入周边农田土壤环境。从焦化企业排放废气中Σ16PAHs的组成来看,2~3环是主要贡献,4环次之,5~6环最低。从模型模拟结果来看,距离焦化厂越近,多环芳烃沉降量越大,对土壤环境的累积效应越强。(2)研究区表层农田土壤Σ16PAHs的含量范围2072.0~8034.5 ng/g,平均值4209.7 ng/g,与国内其他相关研究区相比,处于较高水平。从土壤Σ16PAHs的组成来看,3~4环是主要贡献,5~6环次之,2环最低;这主要是因为2环多环芳烃均为低分子量,易挥发和降解,不易积累。研究区农田表层土壤多环芳烃含量存在随着距焦化企业距离增加而递减、随着时间增加而累积的特征,受焦化企业废气中多环芳烃排放的影响较为明显。土壤环境风险评价结果显示,研究区农田表层土壤已存在多环芳烃污染风险,尤其是距离焦化厂较近的1000 m处其TEQBa P平均浓度已超过1000 ng/g,为重度污染。随着研究区焦化企业运行时间增加,周边农田土壤PAHs毒性逐步累积,污染风险不容忽视。(3)研究区下风向三组农田表层土壤生物化学性质与上风向对照组存在明显差异。其中,下风向三组土壤p H在0.05水平上显著低于上风向对照组,土壤碱解氮、有机质、蔗糖酶和磷酸酶均在0.05水平上显著高于上风向对照组;与上风向对照组相比,下风向三组土壤样本细菌OTUs总量和特有OTUs数量均较少,细菌物种的丰富程度较低,而且与上风向对照组土壤样本菌群结构差异较大。下风向三组间相比,1500 m组土壤p H更偏于中性,土壤碱解氮、有效磷、有机质以及磷酸酶含量均显著高于1000 m组和2000 m组;OTUs总量、特有OTUs数量以及sobs指数也明显高于其他两组,细菌物种的丰富程度更高。综上所述,焦化企业多环芳烃排放对研究区农田表层土壤生物化学性状的影响较为复杂,并不是随着距焦化厂距离增加而发生规律变化,尤其是对土壤细菌丰富程度的影响可能同时存在促进和抑制作用。(4)研究区农田表层土壤多环芳烃含量与土壤有机质在0.05水平上显著正相关,与速效钾在0.05水平上显著负相关,与其他土壤化学性质指标和酶活性不相关;说明研究区农田表层土壤有机质与速效钾可能受到焦化企业排放多环芳烃的影响。土壤细菌群落与土壤4环、5环多环芳烃和Σ16PAHs显著正相关,说明研究区农田土壤多环芳烃对细菌群落有一定影响,且4-5环为主要影响因子。相较于一些土壤化学性质和酶活性指标,土壤PAHs含量对土壤细菌群落的影响较小,但土壤PAHs污染对土壤细菌的影响具有一定的选择性,研究区农田表层土壤多环芳烃含量与优势菌门Proteobacteria(变形菌门)、优势菌属RB41和Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌属)的相对丰度显著正相关;而且RB41和Sphingomonas(鞘氨醇单胞菌属)这两个优势菌属均富集于下风向1000 m组,且有随着距焦化厂距离增加,其丰度随之下降的趋势。(5)研究区2020年小麦籽实样品中Σ16PAHs含量范围55.6~117.8ng/g,平均值83.2 ng/g。从PAHs组成来看,2~4环(中低环)是小麦籽实中Σ16PAHs的主要贡献,单体组成以Nap、Phe、Fla、Pyr和Bb F为主。从空间分布来看,距离焦化厂越近,小麦籽实PAHs污染水平越高。Pearson相关性分析结果表明,农田表层土壤多环芳烃含量与小麦籽实中多环芳烃含量显著正相关,说明研究区范围内小麦已受到焦化企业多环芳烃排放的影响。(6)健康风险评估结果显示:成人和儿童经口摄入研究区小麦籽实存在一定的健康风险,但在可接受范围之内。从空间趋势来看,经口摄入小麦籽实的致癌风险和非致癌风险均为距离焦化厂越近,风险越高;且距焦炉1000m和1500m处小麦籽实的非致癌风险在0.05水平上显著高于2000m处和对照组,说明应重点加强研究区距焦化企业下风向1500m范围内农田环境的风险管控。
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