Distribution and risk assessment of mercury in surface sediments from central and southern part of Bohai Sea
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摘要:
本文以渤海中南部表层沉积物为研究对象，采用DMA-80测汞仪测定表层沉积物中Hg的含量，并对其空间分布状况以及生态风险进行论述。结果表明，渤海中南部表层沉积物Hg含量范围为19.5×10-9~106.8×10-9，均值为41.5×10-9，除一个沉积物站位外，其余均高于渤海沉积物Hg的背景含量。Hg含量高值区主要分布在黄河口、渤海中部泥质区和辽东浅滩局部海域，低值区位于渤中浅滩和渤海海峡南部海域，这与河流输入、沉积物粒度以及区域矿物背景有关。应用潜在生态危害指数法对渤海中南部表层沉积物Hg的生态风险进行评价，发现72.7%的站位处于中等风险水平，13.6%的站位处于重度风险水平。
Abstract:Mercury contents in surface sediments from central and southern part of Bohai Sea were measured using DMA-80 mercury analyzer and then distributions and ecological risk were evaluated further. The results indicated that concentrations of mercury were between 19.5×10-9 and 106.8×10-9 and average value was 41.5×10-9. Hg contents were all over background level of Bohai Sea except one station. The higher concentration stations were mainly distributed in the Yellow River estuary, muddy areas in the central Bohai Sea, and part of Liaodong shallow shoals, While the lower contents area were mainly in the Southern of Bohai Strait and Bozhong shallow shoal. The potential ecological risk index method was used to evaluate the ecological risk of total mercury in surface sediment. The results showed that 72.7 percent of the samples could be rated moderate potential risk grade and 13.6 percent of the samples were rated serious potential ecological risk grade.
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Keywords:
- central and southern part of Bohai Sea /
- surface sediment /
- mercury /
- distribution /
- risk assessment
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随着水俣病事件和杀虫剂污染稻米中毒事件的发生，汞(Hg)这一全球性的污染物受到越来越多的关注。2013年包括中国在内的多个国家和地区共同签署了旨在控制和减少全球Hg排放的《水俣公约》，标志着全球携手减少Hg污染迈出了新的一步。Hg是一种具有严重生理毒性的化学物质，其毒性具有持久性、高度积累性和易迁移性，能通过物理、化学或生物途径在水相、气相和固相中相互运移，并通过食物链的富集作用危害人类健康[1-2]。沉积物常被看作是海洋环境中Hg的主要储库[3]，全球范围内超过98%的Hg存在于海洋沉积物中，沉积物也是Hg甲基化过程发生的主要场所。甲基汞(MeHg)是所有Hg形态中毒性最大的一种，食用被MeHg污染的海产品，是人类暴露于MeHg的主要途径，MeHg侵害神经系统，尤其是中枢神经，且该伤害不可逆转[4]。沉积物中的Hg一般保持相对稳定状态，但当环境发生变化时，上覆水与沉积物间的平衡被打破，沉积物中的Hg将重新释放到水体，可能引发严重的二次污染[5-6]。因此正确评价沉积物中特别是海洋沉积物中的Hg含量和分布情况尤为重要。
渤海是中国唯一的内海，三面环陆，被辽宁、河北、天津、山东省陆地环抱，通过渤海海峡与黄海相通，渤海是瓶颈性的半封闭海，自身净化能力非常有限。沿岸有辽河、海河、滦河、黄河等重要河流注入，同时近岸亦分布众多的排污口, 包括Hg在内的大量污染物被排放进入渤海。根据中国海洋环境质量公报，2013年排放入海的Hg总量为40 t。根据暨卫东等人的研究，我国浅海沉积物中，渤海海域的Hg含量高于其他三个海域[7]。本文利用经采集获得的渤海中南部表层沉积物的样品，对Hg的分布状况、来源和生态风险进行评估，期待能为有关部门的环境决策提供依据。
1 材料与方法
1.1 样品的采集与处理
2012年秋季，在渤海中南部(118.19°~120.99°E, 37.68°~39.33°N)按照网格均匀布点的方式选取22个沉积物采样站位，采样点布设如图 1所示。按照GB17378.5海洋监测规范进行样品的采集与前处理。采用抓泥斗式采集器采集沉积物表层0~5 cm的样品，将采集后的样品装入经过酸处理的自封袋中，放置于冰箱冷冻层保存，并当天运回实验室。采用真空冷冻干燥机将表层沉积物样品进行干燥。用玛瑙研钵将干燥好的沉积物样品进行研磨，最后过100目筛，装入棕色瓶保存。
1.2 样品分析测定
按照海洋监测技术规程(HY/T 147.2)的方法进行沉积物样品中Hg含量的分析。采用的实验仪器是DMA-80测汞仪。DMA-80测汞仪是意大利Milestone公司生产的一种基于高温氧化分解—催化—汞齐化—冷原子吸收测定的分析仪器。称取0.2 g冷冻干燥并且研磨好的沉积物样品，直接称重置于样品舟推入仪器，样品中的Hg全部转化为HgO蒸气，之后被还原为元素Hg并以金汞齐形式被捕，加热释放后在波长253.7 nm下进行原子吸收测量。不需要对样品进行消解等前处理，在5~6 min内就可以完成测定[8]。方法的检出限是0.010 ng。在本次实验中，选用MESS-3作为标准参照物，所测结果均在标称值范围内。对标准参照物进行的5次平行测定的RSD < 1.5%。
1.3 统计分析
采用超图软件(SuperMap Drekpro6)，绘制采样站位的空间分布图，按照Kristin插值方法完成沉积物含量的空间分析。采用Hakanson生态风险指数法评价沉积物中汞的生态风险[9]，公式如下：
式中：Eri为污染物潜在生态危害系数；Tri为污染物毒性响应系数，Hg取值40；Ci为沉积物中污染物的实测浓度；cni为沉积物中相应污染物的背景值。潜在生态危害系数的评价标准为：Eri < 40为轻；40 ≤Eri < 80为中；80 ≤Eri < 160为重；160≤Eri＜320为很重；Eri≥320为极重。
2 结果与讨论
2.1 渤海中南部表层沉积物Hg含量
本研究区域涵盖渤海湾、莱州湾、中部泥质区和渤海海峡，主要为近岸以外海域。渤海中南部22个表层沉积物样品中的Hg含量及数据分布特征见图 2。Hg含量范围为19.5×10-9~106.8×10-9 ，平均值为41.5×10-9，Hg含量最高的站位是B66，其含量为106.8×10-9，含量最低的站位为Q20，其含量为19.5×10-9。所有站位的Hg含量数据标准偏差为17.41，变异系数为42.6%。所有采样站位的数据均远远低于第一类海洋沉积物质量标准(GB 18668-2002)，表明渤海中南部表层沉积物中的Hg均符合第一类标准值。根据暨卫东等人的研究，渤海海域表层沉积物中Hg的本底值为25.5×10-9[7]，本研究中仅有一个站位Q20的Hg含量低于背景值，其余站位Hg含量均在背景之上。
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图 2 渤海中南部表层沉积物Hg含量Fig. 2 total mercury contents in surface sediments from the central and southern part of the Bohai Sea近年来，一些研究者对渤海表层沉积物Hg的含量进行了相关报道，本研究中收集了不同年代研究人员给出的渤海相关海域表层沉积物Hg的含量，与本研究的结果进行对比(表 1)。经过对比发现，本研究的结果与暨卫东等人2009年的结果接近，均值和最大值略低于暨卫东等人的研究[7]。莱州湾的含量与罗先香等人在2008年的研究结果也非常接近[10]。但是从表中可以看出，在渤海湾、海河海域，Hg的含量范围非常宽，这可能与在比较接近近岸处采样，受到人类干扰显著有关。本研究则选择近岸以外的海域进行研究，更真实的反映了渤海的基本水平。
表 1 渤海相关海域表层沉积物Hg含量(单位:×10-9)Tab. 1 Total mercury contents in surface sediments in related area of Bohai Sea from other report (Unit:×10-9)
2.2 渤海中南部表层沉积物Hg空间分布
根据渤海中南部表层沉积物Hg含量绘制了Hg含量空间分布图(如图 3)。从图可以看出最显著的Hg含量高值区集中在黄河口区域，黄河口附近B66和B45站位的Hg含量最高。黄河每年向渤海输入十几亿吨泥沙，重金属Hg随泥沙沉积到渤海，而近岸河口海域又是咸水与淡水交汇混合的区域，吸附了Hg的泥沙容易在河口处凝聚和沉降[16]，这就使得河口处Hg含量较高，由河口向外Hg含量逐渐降低。另外一个比较显著的高值区位于渤海中部泥质区，Q08和B62位于该区域。根据袁萍等人的研究，渤海海域的细颗粒泥质和粉砂质区域自渤海湾呈带状向东北延伸到辽东湾大片海域，自莱州湾靠近黄河三角洲区域向东北延伸到辽东湾海域。渤海中部泥质区沉积物具有细颗粒分布特征，位于该区域的沉积物颜色较浅，呈淤积状，粒度细，Hg含量相对较高，这与该区域的粒度因素密切相关[17]。另外在辽东浅滩局部海域，也存在Hg含量比较高的区域，该区域对应的站位是A25和A26。有研究表明，当沉积物粒度小于16 μm时，沉积物中的重金属含量与沉积物的细颗粒物质百分含量呈显著相关，而在较粗的沉积物中，由于重矿物的存在，沉积物本身就富含一定量的重金属Hg[18]。位于该区域的站位沉积物颜色较深，粒度较粗，含砂量高，沉积物本身富含的重金属Hg相对较高，这可能是研究区域中部偏东的A25站位附近出现高值区的重要原因。而赵一阳等人的研究结果也证实了这一推论[19]，根据其对中国近海沉积Hg的含量分析，发现Hg的高背景区域主要分布在与山东半岛北侧相连的渤海东部和中部，背景含量达到40×10-9~70×10-9，该文中给出的区域与本研究中Hg高值区域能够对应。在图 3中我们也可以观察到Hg含量的低值区主要位于渤海湾大清河口附近、渤中浅滩以及渤海海峡南部海域。同样的对照该区域的粒度分布特征发现[17]，大清河河口区域、渤中浅滩以及渤海海峡的沉积物砂含量较高，并且含有砾石，泥质含量低。由上述分析可以看出，沉积物粒径、河流输入、矿物背景含量等因素均为控制渤海环境中Hg含量的重要因素。
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图 3 渤海中南部表层沉积物Hg含量分布Fig. 3 Distribution of total mercury in surface sediments in the central and southern part of the Bohai Sea2.3 渤海中南部表层沉积物Hg风险评估
尽管渤海海域沉积物中Hg的含量未超过第一类海洋沉积物质量标准，但由于其毒性因子较大，较低的Hg含量可能具有较高的生态风险。因此采用潜在生态危害指数法对渤海中南部表层沉积物中的Hg进行生态风险评价。在该方法中，选取怎样的背景值对评价结果非常重要，因此搜集了目前已有的相关海域Hg背景含量值进行比较，以确定最合适的背景值进行生态风险评估(表 2)。通过对比，908调查(我国近海海洋综合调查与评价)结果相比于其它调查结果比较接近中间值，因此本论文采用908调查结果作为Hg背景值，来反映渤海中南部表层沉积物Hg风险情况。结果如表 3所示，渤海中南部表层沉积物中Hg生态危害程度比例见图 4。位于黄河口附近的B66站位潜在风险系数最大达170，位于研究区域西南部的Q20站位潜在生态风险系数最低为31，生态风险水平为轻。约有72.7%的站位处在中度风险水平；约有13.6%的站位处在重度风险水平；而潜在生态风险为轻和很重的站位比例较少，分别约占9%和4.5%。从总体上看，渤海中南部表层沉积物中的Hg对水域环境的潜在生态风险处在中等水平，应该引起人们的重视。也应该进一步加强对海洋环境中Hg的监测与管理，这是降低Hg潜在生态风险的有效方法。
表 2 相关海域Hg背景值Tab. 2 Mercury background values in related areas
表 3 渤海中南部表层沉积物Hg生态危害系数(Eri)Tab. 3 Total Hg ecological hazard coefficients of surface sediments in central and southern part of Bohai Sea (Eri)
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图 4 渤海中南部表层沉积物Hg生态风险等级比例Fig. 4 Proportion of total mercury ecological risk of surfacesediments in the central and southern part of the Bohai Sea3 结论
(1) 渤海中南部表层沉积物Hg含量范围为19.5×10-9~106.8×10-9，平均值为41.5×10-9。
(2) 渤海中南部表层沉积物Hg在黄河口、渤海中部泥质区、辽东浅滩存在高值区，这分别与河流输入、沉积物粒度、矿物背景含量有关。
(3) 渤海中南部表层沉积物Hg生态风险评估显示有72.7%的站位处于中等风险水平，13.6%的站位处于重度风险水平，总体上该区域的潜在生态风险处在中等水平，需要给予关注。
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图 2 渤海中南部表层沉积物Hg含量
Fig. 2. total mercury contents in surface sediments from the central and southern part of the Bohai Sea
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图 3 渤海中南部表层沉积物Hg含量分布
Fig. 3. Distribution of total mercury in surface sediments in the central and southern part of the Bohai Sea
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图 4 渤海中南部表层沉积物Hg生态风险等级比例
Fig. 4. Proportion of total mercury ecological risk of surfacesediments in the central and southern part of the Bohai Sea
表 1 渤海相关海域表层沉积物Hg含量(单位:×10-9)
Tab. 1 Total mercury contents in surface sediments in related area of Bohai Sea from other report (Unit:×10-9)
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表 3 渤海中南部表层沉积物Hg生态危害系数(Eri)
Tab. 3 Total Hg ecological hazard coefficients of surface sediments in central and southern part of Bohai Sea (Eri)
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百度学术
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