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茅尾海海洋公园沉积物持久性毒害污染物生态风险分析

刘保良 陈旭阳 李武全 青尚敏 邢素坤

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茅尾海海洋公园沉积物持久性毒害污染物生态风险分析

    作者简介: 刘保良(1983-), 男, 山东菏泽人, 工程师, 硕士, 主要研究方向为海洋环境监测与评价, E-mail:Liubaoliang1983@126.com;
  • 基金项目: 国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金研究项目(1358)
  • 中图分类号: X820.4

Assessment on the pollution and potential ecological risk of persistent toxic substances in the surface sediments at Maowei National Marine Park

  • 摘要: 对广西茅尾海国家海洋公园海域13个站位表层沉积物进行采集,测定了沉积物中重金属Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd及DDTs、PCBs含量,分析了各持久性毒害污染物的分布特征,并进行了综合生态风险评价。计算结果表明:茅尾海国家海洋公园沉积物中重金属平均含量(×10-6,干重)顺序为Zn(56.9)> Pb(19.0)> Cu(12.6)> As(10.7)> Cd(0.14)> Hg(0.075),持久性有机污染物平均含量(×10-9,干重)为PCBs(1.08)> DDTs(0.70),均低于国家海洋沉积物一类标准;沉积物重金属潜在生态风险排序为Cd > Hg > As > Cu > Pb > Zn,所有站位潜在生态风险指数RI平均值为98.39,潜在生态风险总体处于较低水平,茅尾海东北部海域为潜在风险高值区,主要由于Cd的潜在风险水平较高所致;沉积物中DDTs、PCBs的含量均低于ERL值,因此DDTs和PCBs生态风险较低。
  • 图 1  采样站位

    Figure 1.  Location of sampling sites

    图 2  表层沉积物中重金属、DDTs、PCBs的空间分布

    Figure 2.  The spatial distribution of heavy metals, DDTs and PCBs in surface sediments

    表 1  重金属污染指数的分级

    Table 1.  Grades of pollution index of heavy metals

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    表 2  重金属潜在生态风险指数的分级

    Table 2.  Grades of potential ecological risk of heavy metals

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    表 3  沉积物中各重金属含量(×10-6,干重)及DDTs、PCBs含量(×10-9,干重)

    Table 3.  Heavy metal contents(×10-6, dry wt) and DDTs、PCBs contents(×10-9, dry wt) in surface sediments

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    表 4  茅尾海表层沉积物重金属含量与国内典型海湾比较(×10-6,干重)

    Table 4.  Comparison of heavy metal concentrations in surface sediments in Maowei sea with other regions of China (×10-6, dry wt)

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    表 5  沉积物中重金属单因子污染系数评价结果

    Table 5.  The results of single factor evaluation on heavy metal pollution

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    表 6  沉积物潜在生态风险评价结果

    Table 6.  Potential ecological risk factors ( RI) of heavy metals

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-06
  • 录用日期:  2018-09-21
  • 刊出日期:  2019-12-20

茅尾海海洋公园沉积物持久性毒害污染物生态风险分析

    作者简介:刘保良(1983-), 男, 山东菏泽人, 工程师, 硕士, 主要研究方向为海洋环境监测与评价, E-mail:Liubaoliang1983@126.com
  • 国家海洋局北海海洋环境监测中心站, 广西 北海 536000
基金项目: 国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金研究项目(1358)

摘要: 对广西茅尾海国家海洋公园海域13个站位表层沉积物进行采集,测定了沉积物中重金属Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd及DDTs、PCBs含量,分析了各持久性毒害污染物的分布特征,并进行了综合生态风险评价。计算结果表明:茅尾海国家海洋公园沉积物中重金属平均含量(×10-6,干重)顺序为Zn(56.9)> Pb(19.0)> Cu(12.6)> As(10.7)> Cd(0.14)> Hg(0.075),持久性有机污染物平均含量(×10-9,干重)为PCBs(1.08)> DDTs(0.70),均低于国家海洋沉积物一类标准;沉积物重金属潜在生态风险排序为Cd > Hg > As > Cu > Pb > Zn,所有站位潜在生态风险指数RI平均值为98.39,潜在生态风险总体处于较低水平,茅尾海东北部海域为潜在风险高值区,主要由于Cd的潜在风险水平较高所致;沉积物中DDTs、PCBs的含量均低于ERL值,因此DDTs和PCBs生态风险较低。

English Abstract

  • 持久性毒害污染物包括有毒重金属(Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd等)及持久性有机污染物如多氯联苯(PCBs)、滴滴涕(DDTs),是一类具有环境难降解性、强毒性、并可通过食物链在生物体内累积放大的污染物,其危害性要比常规污染物更加严重[1]。当前国际社会共同关注的持久性有机污染物(POPs)具有对生物体造成致癌、致畸、致突变“三致效应”的严重危害;2001年签署的《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》首批控制的12种POPs中,PCBs、DDTs均名列其中[2]。而持久性毒害污染物中的重金属污染同样具有易蓄积、危害持久、食物链富集放大效应和较强的生物毒性等特征[3-4]。在水-沉积物体系中,沉积物是疏水性毒害有机污染物和重金属污染物的重要储集场所[5];持久性毒害污染物一方面直接影响水生生物,通过食物链富集进入水生生物和陆生生物体体内,另一方面又可以通过再悬浮、氧化还原反应、有机质降解等过程重新进入水环境中,造成二次污染危害水生生态系统[6-7]。因此研究沉积物中持久性毒害污染物的含量、分布,可以分析研究海域环境质量状况和进行生态效应评价[8]。国家海洋局于2011年5月19日公布的“新建国家级海洋特别保护区暨首批国家海洋公园”名单中(国海环字[2011]297号),广西钦州茅尾海国家海洋公园是首批7处国家海洋公园之一。茅尾海国家海洋公园拥有原生红树林和盐沼等典型海洋生态系统,是我国近江牡蛎重要种质资源保留地和重要养殖区和采苗区;该国家海洋公园所在海域茅尾海位于北部湾北部,钦江、茅岭江为其主要入湾径流;属半封闭式内湾,海湾呈椭圆形,内宽口窄,湾口狭窄,水深较浅,水体交换能力差[9],持久性毒害污染物易在该海域产生蓄积。通过对茅尾海国家海洋公园所在海域表层沉积物中持久性毒害污染物的分布特征研究和生态风险分析,可为茅尾海国家海洋公园海域的持久性毒害污染物生态风险控制、海洋环境保护与治理、典型海洋生态系统的可持续利用提供重要科学依据。

    • 在茅尾海国家海洋公园海域共布设13个站位(见图 1)。于2014年6月进行走航式调查,采用抓斗式采泥器,共采集到13个表层沉积物样品(0~5 cm)。

      图  1  采样站位

      Figure 1.  Location of sampling sites

      样品经过低温冷冻干燥、研磨、过80目筛,充分混匀后置于磨口玻璃瓶中以备监测。使用HClO4-HNO3消解后采用原子吸收分光光度法测定了沉积物样品中Cu、Pb、Zn、Cd的含量,使用HCl-HNO3消解后采用原子荧光法测定了样品中Hg、As的含量。DDTs、PCBs测定过程为经称取10 g沉积物,与无水硫酸钠混匀,使用150 mL正己烷—丙酮(1+1)索氏提取8 h,萃取液经活性炭层析柱净化及铜粉超声提取除硫后,用氮吹仪浓缩定容至1 mL,采用岛津2010的GC-ECD色谱分析测得DDTs(pp′-DDE、op′-DDT、pp′-DDD、pp′-DDT)和PCBs(PCB28、52、101、112、118、153、138、180、152、198)含量。具体操作严格按照《海洋监测规范》第5部分(GB17378.5-2007)要求进行。

    • 采用单因子污染系数Cfi来反映单因子重金属i的污染程度,Cfi为重金属i含量与背景值的比值;采用综合污染指数Cd来表示多种重金属综合污染程度,Cd为各重金属单因子污染系数之和;具体分级见表 1[10]。由于背景值选定无统一标准,为更好地反映重金属污染物地球化学背景值,参考该海域背景值研究现状,选定1983-1984调查值[9]作为茅尾海表层沉积物中Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd的背景值,分别为0.090、12.15、17.2、27.5、66.6、0.09(×10-6)。

      表 1  重金属污染指数的分级

      Table 1.  Grades of pollution index of heavy metals

    • 本研究采纳Hakanson提出的潜在生态风险指数法[11]对评价茅尾海沉积物重金属生态风险;该方法综合考虑了重金属的毒性、在沉积物中迁移转化规律和研究区域对重金属污染的敏感性,可以综合反映研究区域沉积物中重金属对生态环境影响潜力[12],是国内外沉积物质量与生态风险评价中应用较广泛的方法之一。采用潜在生态风险指数RI来反映研究区域重金属潜在生态风险程度,计算公式为:

      式中:Efi为重金属i的潜在生态风险系数,以表征单因子重金属i的潜在生态风险程度;Tfi为重金属i的毒性响应系数,以反映不同重金属的毒性水平和生物对该重金属污染的敏感程度;Hg、As、Cu、Pb、Zn、Cd的毒性响应系数分别为40、10、5、5、1、30。EfiRI的具体分级见表 2

      表 2  重金属潜在生态风险指数的分级

      Table 2.  Grades of potential ecological risk of heavy metals

    • 本研究采用Long等[13]制定的海洋河口沉积物化学品风险评价标准对沉积物中DDTs和PCBs进行生态风险评价,该方法已被美国EPA采用作为美国国家标准[7],并在国内研究中广泛应用。该评价标准以ERL表示污染物潜在生态风险的效应区间低值,以ERM表示效应区间中值,ERH表示效应区间高值;当沉积物中有机污染物含量低于ERL时,则很少出现生物有害效应,生态风险<10%;当沉积物中有机污染物含量介于ERLERM之间时,则有时出现生物有害效应,生态风险>50%;当沉积物中有机污染物含量高于ERM而低于ERH时,则会频繁发生生物有害效应,生态风险>75%;此标准中沉积物DDTs和PCBs总量的ERL值分别为1.58×10-9和22.7×10-9ERM值分别为46.1×10-9和180×10-9

    • 茅尾海海域13个调查站位采集的沉积物样品中重金属、DDTs、PCBs含量分析结果见表 3。结果表明,研究区域表层沉积物重金属、DDTs、PCBs含量均低于海洋沉积物质量(GB18668-2002)一类标准,总体含量水平较低;重金属平均含量(×10-6,干重)顺序为Zn(56.9)>Pb(19.0)> Cu(12.6)>As(10.7)>Cd(0.14)>Hg(0.075);持久性有机污染物平均含量(×10-9,干重)为PCBs(1.08)> DDTs(0.70);各污染物含量范围(干重)为Zn(19.5~112.2)×10-6、Pb(11.2~34.1)×10-6、Cu(2.1~25.7)×10-6、As(5.2~14.6)×10-6、Cd(0.08~0.32)×10-6、Hg(0.013~0.163)×10-6、DDTs(0.11~1.37)×10-9、PCBs(0.54~2.58)×10-9表 4为茅尾海与国内典型海湾港口、海洋公园海域表层沉积物重金属含量范围、平均值的比较,对比分析发现茅尾海表层沉积物重金属Cu、Pb、Zn、Cd、Hg和As的平均含量均处于相对较低的水平,相对而言,茅尾海表层沉积物重金属污染程度较轻。对茅尾海表层沉积物重金属、DDTs、PCBs含量进行克里格插值得到各污染物等值线分布图(见图 2),分析表明研究区域持久性毒害污染物含量分布具有以下特征:Hg高值区主要出现在茅尾海东部航道海域和南部湾口航道海域;Zn高值区主要出现在茅尾海东北部海域;Cu、Pb含量高值区主要出现在茅尾海东北部钦江入海口区域和东部航道海域;Cd、As、DDTs、PCBs含量高值区主要出现在茅尾海东北部钦江入海口区域及南部湾口航道海域。

      表 3  沉积物中各重金属含量(×10-6,干重)及DDTs、PCBs含量(×10-9,干重)

      Table 3.  Heavy metal contents(×10-6, dry wt) and DDTs、PCBs contents(×10-9, dry wt) in surface sediments

      表 4  茅尾海表层沉积物重金属含量与国内典型海湾比较(×10-6,干重)

      Table 4.  Comparison of heavy metal concentrations in surface sediments in Maowei sea with other regions of China (×10-6, dry wt)

      图  2  表层沉积物中重金属、DDTs、PCBs的空间分布

      Figure 2.  The spatial distribution of heavy metals, DDTs and PCBs in surface sediments

    • 表 5为茅尾海国家海洋公园沉积物中重金属CfiCd计算结果。结果表明茅尾海国家海洋公园所有重金属综合污染指数均值为5.60,为中污染水平;其中Cd污染系数均值大于1,处于中污染水平,而Pb、Zn、Cu、Hg和As污染系数均值都小于1,处于低污染水平;污染系数均值排序为Cd>As>Zn>Hg>Cu>Pb,因此Cd是整个茅尾海国家海洋公园最主要的环境污染因子。其中单因子污染系数大于1的站位主要分布于钦江入海口区域(2、3、4、5、6、9号站)及南部湾口航道海域(13号站);结合相关文献分析[17, 20],钦江作为钦州市市政生活污水排放主要途径,由钦江入海的悬浮泥砂及污染物输入后,受湾内潮流运动的影响在水深较浅的钦江入海口海域和海湾中部沉积,造成钦江入海口区域单因子污染系数大于1;而13号站位位于航道区域,钦州港各类来往作业船舶及临海工业的污染物排放贡献较大。研究区域有7个站位重金属综合污染指数Cd大于5而小于10,处于中等污染水平,主要分布于位于钦江入海口区域的2、3、4、5、6、9号站位及位于南部湾口航道海域的13号站位,并且2号站位的Cd最高为9.47;其它站位重金属综合污染指数均小于5,属低污染水平。

      表 5  沉积物中重金属单因子污染系数评价结果

      Table 5.  The results of single factor evaluation on heavy metal pollution

    • 表 6为茅尾海国家海洋公园各重金属潜在生态风险系数Efi及潜在生态风险指数RI计算结果。结果表明,研究区域Cu、Pb、Zn、As在所有站位的潜在生态风险系数RI均小于40,表明该四种重金属因子潜在生态风险水平均较低;Hg的Efi在2、4、6、9、13站位超过40,达到中潜在生态风险,其余站位的Efi均小于40,总体潜在生态风险水平较低;Cd的Efi在2、3、4、6号站位超过40,达到中潜在生态风险,在2、3、6三个站位超过80,达较高潜在生态风险,其它站位Efi均小于40,总体具有中潜在生态风险水平;重金属Efi均值排序为Cd>Hg>As>Cu>Pb>Zn。研究区域RI计算结果表明,位于茅尾海东北部钦江入海口附近的6号和2号站位潜在生态风险最高,RI分别为175.27和173.04,两个站位均达到中潜在生态风险,结合重金属含量及分布特征分析,主要由Cd的潜在生态风险水平较大引起;茅尾海国家海洋公园所有站位RI平均值为98.39,小于150,表明茅尾海国家海洋公园沉积物中重金属的潜在风险程度总体较轻,属低潜在生态风险。

      表 6  沉积物潜在生态风险评价结果

      Table 6.  Potential ecological risk factors ( RI) of heavy metals

    • 根据Long等[13]提出的海洋河口沉积物化学品风险评价标准对沉积物中DDTs和PCBs进行生态风险评价(见表 6),结果表明,茅尾海国家海洋公园所有站位表层沉积物样品中DDTs、PCBs的含量均低于其相应的ERL值(1.58×10-9和22.7×10-9),因此该海域沉积物中DDTs和PCBs残留水平生态风险<10%,生态风险较低。

    • (1) 茅尾海国家海洋公园表层沉积物中重金属、DDTs、PCBs含量水平较低,均小于海洋沉积物质量一类标准;与国内典型海湾港口海域相比,研究海域沉积物重金属平均含量处于相对较低的水平;持久性毒害污染物含量特征为:Hg高值区主要出现在茅尾海东部航道海域和南部湾口航道海域;Zn高值区主要出现在茅尾海东北部海域;Cu、Pb含量高值区主要出现在茅尾海东北部钦江入海口区域和东部航道海域;Cd、As、DDTs、PCBs含量高值区主要出现在茅尾海东北部钦江入海口区域及南部湾口航道海域。

      (2) 茅尾海国家海洋公园表层沉积物重金属单因子污染程度总体属于中污染水平;单因子污染程度排序为Cd>As>Zn>Hg>Cu>Pb,Cd是整个茅尾海最主要的环境污染因子;潜在生态风险评价结果表明,茅尾海国家海洋公园表层沉积物重金属所有站位RI平均值为98.39,总体潜在风险程度较轻,属低潜在生态风险;重金属潜在生态风险程度排序为Cd>Hg>As>Cu>Pb>Zn;茅尾海东北部的钦江入海口海域综合潜在生态风险指数最高,潜在生态风险最大,主要由于Cd的潜在风险水平较高所致。

      (3) 持久性有机污染物生态风险评价结果表明茅尾海国家海洋公园沉积物中DDTs、PCBs的含量均低于ERL值,DDTs和PCBs残留水平生态风险较低。

参考文献 (20)

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