太湖竺山灣湖濱帶沉積物中多環芳烴分布、來源及風險評價

陳明華，李春華，葉春*，許士洪

1．東華大學環境科學與工程學院，上海 201620

2．中國環境科學研究院湖泊工程技術中心，北京 100012

3．中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

太湖竺山灣湖濱帶沉積物中多環芳烴分布、來源及風險評價

陳明華1，2，3，李春華2，3，葉春2，3*，許士洪1

1．東華大學環境科學與工程學院，上海 201620

2．中國環境科學研究院湖泊工程技術中心，北京 100012

3．中國環境科學研究院，環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012

采用GC－MS聯用技術分析了太湖竺山灣湖濱帶10個點位和湖中心1個點位沉積物中16種USEPA優控多環芳烴(PAHs)的濃度。結果表明，16種多環芳烴的濃度為61．2～2 032．3 ng/g，平均濃度為1 131．5 ng/g。湖濱帶點位以4環和5～6環多環芳烴為主，所占比例分別為28．6%和60．9%;湖中心點位以2～3環多環芳烴為主，所占比例為88．1%以上。湖濱帶沉積物中多環芳烴主要來源為煤、石油等化石燃料的高溫燃燒，而湖中心沉積物中多環芳烴主要來自油類泄漏污染。生態風險評價表明，湖濱帶表層沉積物并不存在嚴重的多環芳烴生態風險，但是部分區域的某些多環芳烴濃度超過多效應區間低值(ERL)，可能存在對生物的潛在危害，需加強生態風險防范。

竺山灣;湖濱帶;沉積物;多環芳烴;生態風險評價;太湖

Key words:Zhushan Bay;littoral zone;sediment;polycyclic aromatic hydrocarbons;ecological risk assessment; Lake Taihu

多環芳烴(PAHs)是由2個或2個以上苯環以線狀、角狀或簇狀排列的稠環化合物，是廣泛存在于環境中的持久性有機污染物。多環芳烴具有極強的“三致”效應(致癌性、致突變性及致畸性)和生物累積效應，難降解且分布廣泛，對人類健康和生態環境具有很大的潛在危害［1|2］。多環芳烴除自然成因(如火山爆發、森林火災、生物合成等)外，主要來源于化石燃料使用過程中的泄漏以及化石燃料和生物質不完全燃燒產物的排放等［3|4］。多環芳烴具有強烈的憎水性和低溶解性，很容易被吸附在顆粒物上而沉積于水體底部，因此沉積物被認為是其主要環境歸宿［5|6］。但是沉積物中的多環芳烴還可通過再懸浮而進入水體中，成為“二次污染”源［7］，研究表明，多環芳烴可通過食物鏈進入生態系統對人類健康和生態系統的安全構成很大的危害［8］。所以研究沉積物中多環芳烴的濃度、分布及來源對評價該區域有機污染風險水平具有重要意義。

湖濱帶是湖泊流域水生態系統與陸地生態系統間一種非常重要的生態過渡帶，具有攔截徑流污染物，維持湖泊生物多樣性等功能［9］。太湖竺山灣位于太湖西北部，是太湖上游主要的來水湖區。竺山灣是太湖污染最為嚴重的區域之一，該區域工業發達，煤、石油等化石燃料消耗巨大，大量未經處理或未完全處理的電鍍、造紙、印染、黑色金屬冶煉等工業廢水及生活污水通過河道進入湖濱帶，使湖濱帶的有機污染日益嚴重［10|11］。已有的對竺山灣多環芳烴監測工作主要是針對湖中心區域的水體、沉積物［12|13］，對湖濱帶范圍內環境樣品中的多環芳烴濃度還鮮有研究。因此筆者采集了太湖竺山灣湖濱帶沉積物，分析了沉積物中多環芳烴的濃度、來源及組成特征，并對竺山灣湖濱帶沉積物的多環芳烴生態風險進行了評價。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2012年11月對竺山灣沉積物進行了采集，共設11個采樣點，其中10個采樣點位于距西岸100 m的內湖濱帶區域，1個采樣點位于湖中心(圖1)。用抓泥斗采集0～20 cm表層沉積物，將采集到的泥樣篦去湖水，裝入不銹鋼飯盒中，再裝入大號自封袋中，放入冰箱冷藏運回實驗室。沉積物經冷凍干燥，研磨過80目(0．2 mm)篩，于冰箱4℃下保存。

圖1 太湖竺山灣采樣點位置Fig．1 The locations of sampling points in Zhushan Bay，Lake Taihu

1.2 沉積物中多環芳烴濃度分析

稱取10 g干沉積物于250 mL錐形瓶中，加入1．0μg內標物間三聯苯。加入100 mL二氯甲烷和甲醇混合液(體積比為2∶1)，超聲波提取30 min (50～60 Hz，105W);再加入100 mL二氯甲烷和甲醇混合液(體積比為1∶2)，同樣條件下超聲提取30 min;混合2次提取液，用濾紙(Whatman No．42)過濾。過濾后有機相用旋轉蒸發儀(德國Heidolph集團)濃縮至2．0 mL，水浴溫度30℃。用直徑0．5 cm，長30 cm硅膠柱進行凈化，硅膠柱從上到下依次填充3 g無水硫酸鈉，1 g中性氧化鋁，3 g活化硅膠;用10mL正己烷活化硅膠柱，將濃縮后的有機相過柱，再用10 mL正己烷和丙酮混合液(體積比為1∶1)淋洗柱子，洗脫出多環芳烴組分。洗脫液用高純氮氣吹掃，定容至1 mL，裝入樣品瓶(Vials小瓶)，放于冰箱中避光保存，待測。

用Agilent 6890N/5975C GC－MS(安捷倫科技有限公司)測定樣品瓶中16種優控多環芳烴濃度。GC/MS測定條件:不分流進樣;HP－5ms毛細管柱(30 m×0．25 mm×0．25μm);載氣為氦氣(1．0 mL/min);進樣器和檢測器溫度為280和300℃;升溫程序為70℃保持1 min，以20℃/min升溫至150℃，再以4℃/min升溫至300℃，保持6 min;質譜EI源為70 eV，離子源溫度為280℃。以各PAH單標的出峰時間和特征離子碎片對沉積物中的多環芳烴類化合物進行定性分析，以間三聯苯為內標，通過校準曲線對多環芳烴進行定量分析，以標準沉積物(CRM，Sigma－Aldrich公司)多環芳烴回收率、基質加標回收率驗證萃取方法準確性。

1.3 數據處理與分析

樣品的質譜數據由安捷倫工作站(Agilent Chemstation)處理獲得，數據使用 Excel 2010及Origin 8．0等軟件進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 多環芳烴濃度與組成特征

2.1.1 多環芳烴濃度

16種優控多環芳烴在湖濱帶沉積物中全部檢出，總濃度為 61．2～2 032．3 ng/g，平均濃度為1 131．5 ng/g(表1)。根據國外學者［14］對沉積物多環芳烴濃度劃分，竺山灣湖濱帶60%采樣點多環芳烴濃度大于1 000 ng/g，屬于高度污染。其中，位于殷村港入湖口的 Z4點多環芳烴濃度最高，為2 032．3 ng/g，是由于殷村港是周鐵鎮工業廢水和生活污水主要排放口，且該點周圍是漁船的停泊點，也是漁民進湖作業的必經之路;而位于湖中心的Z11點多環芳烴濃度最低，為61．2 ng/g，說明湖中心距污染源區較遠，有機污染還未擴散至湖中心。

根據陳明華等［14］對國內外河流、濕地、河口多環芳烴污染現狀的調查發現，與國內水體沉積物多環芳烴濃度相比，竺山灣湖濱帶處于中等水平，低于遼河(3 281．0 ng/g)［15］、海河(27 074 ng/g)［16］、巢湖(1 670 ng/g)［17］、滇池(2 249．2 ng/g)［18］等高污染地區，但高于通惠河(540．1 ng/g)［19］、白洋淀(353．0 ng/g)［20］、扎龍濕地(130．0 ng/g)［21］、黃河三角洲濕地(71．0 ng/g)［22］等低污染地區;與國外一些地區歷史上的多環芳烴污染相比，處于低水平，遠低于 Mill River(10 590 ng/g)［23］、San Francisco Bay(7 457 ng/g)［24］，Naples Harbor(5 425 ng/g)［25］，Tokyo Bay(9 546 ng/g)［26］。總體來看，竺山灣湖濱帶沉積物多環芳烴污染處于中等偏低水平，但其濃度遠大于自然環境的本底值［27］，應引起足夠的重視。

表1 竺山灣湖濱帶表層沉積物中多環芳烴的濃度Table 1 The concentration of PAHs in surface sediments from littoral zone of Zhushan Bay ng/g

2.1.2 多環芳烴組成特征

竺山灣沉積物中多環芳烴組成特征如圖2所示。由圖2可以看出，湖中心Z11點位以低環多環芳烴(2～3環)為主，占沉積物多環芳烴的88．1%以上，原因是由于該采樣點遠離污染源，多環芳烴濃度較低，石油污染是多環芳烴的主要來源。湖濱帶Z1～Z10點位中以4環和5～6環多環芳烴為主，分別占沉積物多環芳烴的28%～46%和30%～60%;而低環多環芳烴只占10%～20%，可能是由于低環多環芳烴易揮發，容易被微生物分解。分析表明，在湖濱帶內沉積物主要受到高環(4環以上)多環芳烴的污染，反映了該區域多環芳烴主要以燃料的高溫燃燒源輸入為主。

圖2 竺山灣沉積物中多環芳烴組成特征Fig．2 PAHs composition characteristics in sediments from Zhushan Bay

2.2 多環芳烴來源分析

人為來源是沉積物中多環芳烴的主要來源，主要有石油及其精煉產品的燃燒和泄漏及煤的燃燒。通常利用多環芳烴異構體對其來源進行判別，包括Flua/Pyr、Phe/Ant、IP/BP 3 個系列［28|29］。根據Yunker等［30］歸納的結果，Ant/(Ant+Phe)小于0．1通常意味著油類排放來源，大于0．1則主要是燃燒來源;Flua/(Flua+Pyr)小于0．4意味著油類排放來源，大于0．5主要是木柴、煤燃燒來源，位于0．4～0．5則意味著石油及其精煉產品的燃燒來源;IP/ (IP+BP)小于0．2表明主要是油類排放來源，大于0．5則主要是木柴、煤燃燒來源，位于0．2～0．5為石油燃燒來源。

以Flua/(Flua+Pyr)為橫坐標，Ant/(Ant+ Phe)、IP/(IP+BP)分別做縱坐標，計算3種特征化合物指數，結果如圖3所示。從圖3可以看出，除Z11外，其他采樣點Ant/(Ant+Phe)均大于0．1，表明燃燒源是湖濱帶沉積物多環芳烴主要來源，而湖中心沉積物主要受油類泄漏污染;IP/(IP+BP)大部分點位大于0．5，顯示木材、煤的燃燒源是湖濱帶沉積物多環芳烴主要來源;Flua/(Flua+Pyr)為0．48～0．53，大部分點位大于0．5，顯示油類和煤的燃燒來源是湖濱帶沉積物多環芳烴主要來源。

圖3 竺山灣湖濱帶沉積物多環芳烴來源診斷Fig．3 Diagnosis ratios of PAHs in surface sediments in littoral zone of Zhushan Bay

2.3 多環芳烴污染的生態風險評價

由于低環多環芳烴呈顯著的急性毒性，一些高環多環芳烴(如 BaP，DBA等)具有潛在的致癌性［28，31］，根據竺山灣湖濱帶沉積物多環芳烴的組成特征可以看出，沉積物中高環多環芳烴的致癌性不容忽視。采用Long等［32］提出的沉積物中多環芳烴風險效應區間低值(effects range low，ERL)和效應區間中值(effects rangemedian，ERM)對竺山灣湖濱帶表層沉積物進行了生態風險評價，當沉積物中多環芳烴濃度小于ERL，則生態風險小于10%;當沉積物中多環芳烴濃度大于ERM，則生態風險大于75%。評價結果表明，研究區域內多環芳烴濃度遠低于ERM，因此在湖濱帶區域不存在嚴重的生態風險，但是Flu、IP及BghiP部分采樣點的濃度接近或已超過ERL，生態風險不容忽視(表2)。應加強對區域內生物體內的多環芳烴濃度的研究，評估多環芳烴進入生物體的風險。

表2 竺山灣湖濱帶沉積物多環芳烴生態風險評價Table 2 Ecological risk assessment of 16 PAHs in surface sediments in littoral zone of Zhushan Bay

3 結論

(1)竺山灣湖濱帶沉積物已受到一定程度的多環芳烴污染，多環芳烴濃度為61．2～2 032．3 ng/g，污染程度呈中等偏下水平，周邊城鎮的經濟發展，尤其是生產活動已對湖濱帶造成了一定的有機污染。

(2)竺山灣湖中心主要受油類泄露污染，湖濱帶表層沉積物多環芳烴組成則以高環多環芳烴為主，低環多環芳烴濃度較低，表明其主要來自燃料高溫燃燒。

(3)生態風險分析表明，湖濱帶區域不存在嚴重的生態風險，但是部分多環芳烴的濃度大于ERL，造成生態風險的可能性依然存在。

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Distribution，Sources and Risk Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sediments from Zhushan Bay Littoral Zone，Lake Taihu

CHEN Ming|hua1，2，3，LIChun|hua2，3，YE Chun2，3，XU Shi|hong1
1．Environmental Science and Engineering College，Donghua University，Shanghai201620，China
2．Centre of Lake Engineering＆Technology，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
3．State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

Surface sediment sampleswere collected from lakeside zone of Zhushan Bay，Lake Taihu，of which 10 sampleswere collected from the littoral zone and one sample was collected from the center of the lake．The concentrations of 16 USEPA－priority－controlled polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)were analyzed by GCMS．The results showed that PAHs content varied from 61．2 to 2 032．3 ng/g，and themean value was1 131．5 ng/ g．The spectra of PAHs showed that 4 rings and 5－6 rings were predominant ones in littoral zone，accounting for 28．6%and 60．9%，respectively，while 2－3 rings PAHswere predominant in the center of the lake，accounting for 88．1%．The source of PAHs in littoral zone sediments was mainly attributed to high－temperature combustion of coal，oil and other fossil fuels，but that in center of the lake wasmainly attributed to oil spill．No significant PAH ecological risk was found in littoral zone of Lake Taihu according to ecological risk assessment．However，some PAH concentrations exceeded the effects range low(ERL)in some sampling sites．Potential harmful effects on organismsmight exist，and ecological risk should be prevented．

X524

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．033

1674－991X(2014)03－0199－06

2013－11－11

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101－009);國家自然科學基金項目(41101487)

陳明華(1989—)，男，碩士研究生，主要從事環境化學研究，wenxu6699@163．com

*責任作者:葉春(1970—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制與水體生態修復研究，yechbj@163．com