太湖竺山湾湖滨带沉积物中多环芳烃分布、来源及风险评价

陈明华，李春华，叶春*，许士洪

1．东华大学环境科学与工程学院，上海 201620

2．中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京 100012

3．中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

太湖竺山湾湖滨带沉积物中多环芳烃分布、来源及风险评价

陈明华1，2，3，李春华2，3，叶春2，3*，许士洪1

1．东华大学环境科学与工程学院，上海 201620

2．中国环境科学研究院湖泊工程技术中心，北京 100012

3．中国环境科学研究院，环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

采用GC－MS联用技术分析了太湖竺山湾湖滨带10个点位和湖中心1个点位沉积物中16种USEPA优控多环芳烃(PAHs)的浓度。结果表明，16种多环芳烃的浓度为61．2～2 032．3 ng/g，平均浓度为1 131．5 ng/g。湖滨带点位以4环和5～6环多环芳烃为主，所占比例分别为28．6%和60．9%;湖中心点位以2～3环多环芳烃为主，所占比例为88．1%以上。湖滨带沉积物中多环芳烃主要来源为煤、石油等化石燃料的高温燃烧，而湖中心沉积物中多环芳烃主要来自油类泄漏污染。生态风险评价表明，湖滨带表层沉积物并不存在严重的多环芳烃生态风险，但是部分区域的某些多环芳烃浓度超过多效应区间低值(ERL)，可能存在对生物的潜在危害，需加强生态风险防范。

竺山湾;湖滨带;沉积物;多环芳烃;生态风险评价;太湖

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

多环芳烃(PAHs)是由2个或2个以上苯环以线状、角状或簇状排列的稠环化合物，是广泛存在于环境中的持久性有机污染物。多环芳烃具有极强的“三致”效应(致癌性、致突变性及致畸性)和生物累积效应，难降解且分布广泛，对人类健康和生态环境具有很大的潜在危害［1|2］。多环芳烃除自然成因(如火山爆发、森林火灾、生物合成等)外，主要来源于化石燃料使用过程中的泄漏以及化石燃料和生物质不完全燃烧产物的排放等［3|4］。多环芳烃具有强烈的憎水性和低溶解性，很容易被吸附在颗粒物上而沉积于水体底部，因此沉积物被认为是其主要环境归宿［5|6］。但是沉积物中的多环芳烃还可通过再悬浮而进入水体中，成为“二次污染”源［7］，研究表明，多环芳烃可通过食物链进入生态系统对人类健康和生态系统的安全构成很大的危害［8］。所以研究沉积物中多环芳烃的浓度、分布及来源对评价该区域有机污染风险水平具有重要意义。

湖滨带是湖泊流域水生态系统与陆地生态系统间一种非常重要的生态过渡带，具有拦截径流污染物，维持湖泊生物多样性等功能［9］。太湖竺山湾位于太湖西北部，是太湖上游主要的来水湖区。竺山湾是太湖污染最为严重的区域之一，该区域工业发达，煤、石油等化石燃料消耗巨大，大量未经处理或未完全处理的电镀、造纸、印染、黑色金属冶炼等工业废水及生活污水通过河道进入湖滨带，使湖滨带的有机污染日益严重［10|11］。已有的对竺山湾多环芳烃监测工作主要是针对湖中心区域的水体、沉积物［12|13］，对湖滨带范围内环境样品中的多环芳烃浓度还鲜有研究。因此笔者采集了太湖竺山湾湖滨带沉积物，分析了沉积物中多环芳烃的浓度、来源及组成特征，并对竺山湾湖滨带沉积物的多环芳烃生态风险进行了评价。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

2012年11月对竺山湾沉积物进行了采集，共设11个采样点，其中10个采样点位于距西岸100 m的内湖滨带区域，1个采样点位于湖中心(图1)。用抓泥斗采集0～20 cm表层沉积物，将采集到的泥样篦去湖水，装入不锈钢饭盒中，再装入大号自封袋中，放入冰箱冷藏运回实验室。沉积物经冷冻干燥，研磨过80目(0．2 mm)筛，于冰箱4℃下保存。

图1 太湖竺山湾采样点位置Fig．1 The locations of sampling points in Zhushan Bay，Lake Taihu

1.2 沉积物中多环芳烃浓度分析

称取10 g干沉积物于250 mL锥形瓶中，加入1．0μg内标物间三联苯。加入100 mL二氯甲烷和甲醇混合液(体积比为2∶1)，超声波提取30 min (50～60 Hz，105W);再加入100 mL二氯甲烷和甲醇混合液(体积比为1∶2)，同样条件下超声提取30 min;混合2次提取液，用滤纸(Whatman No．42)过滤。过滤后有机相用旋转蒸发仪(德国Heidolph集团)浓缩至2．0 mL，水浴温度30℃。用直径0．5 cm，长30 cm硅胶柱进行净化，硅胶柱从上到下依次填充3 g无水硫酸钠，1 g中性氧化铝，3 g活化硅胶;用10mL正己烷活化硅胶柱，将浓缩后的有机相过柱，再用10 mL正己烷和丙酮混合液(体积比为1∶1)淋洗柱子，洗脱出多环芳烃组分。洗脱液用高纯氮气吹扫，定容至1 mL，装入样品瓶(Vials小瓶)，放于冰箱中避光保存，待测。

用Agilent 6890N/5975C GC－MS(安捷伦科技有限公司)测定样品瓶中16种优控多环芳烃浓度。GC/MS测定条件:不分流进样;HP－5ms毛细管柱(30 m×0．25 mm×0．25μm);载气为氦气(1．0 mL/min);进样器和检测器温度为280和300℃;升温程序为70℃保持1 min，以20℃/min升温至150℃，再以4℃/min升温至300℃，保持6 min;质谱EI源为70 eV，离子源温度为280℃。以各PAH单标的出峰时间和特征离子碎片对沉积物中的多环芳烃类化合物进行定性分析，以间三联苯为内标，通过校准曲线对多环芳烃进行定量分析，以标准沉积物(CRM，Sigma－Aldrich公司)多环芳烃回收率、基质加标回收率验证萃取方法准确性。

1.3 数据处理与分析

样品的质谱数据由安捷伦工作站(Agilent Chemstation)处理获得，数据使用 Excel 2010及Origin 8．0等软件进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 多环芳烃浓度与组成特征

2.1.1 多环芳烃浓度

16种优控多环芳烃在湖滨带沉积物中全部检出，总浓度为 61．2～2 032．3 ng/g，平均浓度为1 131．5 ng/g(表1)。根据国外学者［14］对沉积物多环芳烃浓度划分，竺山湾湖滨带60%采样点多环芳烃浓度大于1 000 ng/g，属于高度污染。其中，位于殷村港入湖口的 Z4点多环芳烃浓度最高，为2 032．3 ng/g，是由于殷村港是周铁镇工业废水和生活污水主要排放口，且该点周围是渔船的停泊点，也是渔民进湖作业的必经之路;而位于湖中心的Z11点多环芳烃浓度最低，为61．2 ng/g，说明湖中心距污染源区较远，有机污染还未扩散至湖中心。

根据陈明华等［14］对国内外河流、湿地、河口多环芳烃污染现状的调查发现，与国内水体沉积物多环芳烃浓度相比，竺山湾湖滨带处于中等水平，低于辽河(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］等高污染地区，但高于通惠河(540．1 ng/g)［19］、白洋淀(353．0 ng/g)［20］、扎龙湿地(130．0 ng/g)［21］、黄河三角洲湿地(71．0 ng/g)［22］等低污染地区;与国外一些地区历史上的多环芳烃污染相比，处于低水平，远低于 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］。总体来看，竺山湾湖滨带沉积物多环芳烃污染处于中等偏低水平，但其浓度远大于自然环境的本底值［27］，应引起足够的重视。

表1 竺山湾湖滨带表层沉积物中多环芳烃的浓度Table 1 The concentration of PAHs in surface sediments from littoral zone of Zhushan Bay ng/g

2.1.2 多环芳烃组成特征

竺山湾沉积物中多环芳烃组成特征如图2所示。由图2可以看出，湖中心Z11点位以低环多环芳烃(2～3环)为主，占沉积物多环芳烃的88．1%以上，原因是由于该采样点远离污染源，多环芳烃浓度较低，石油污染是多环芳烃的主要来源。湖滨带Z1～Z10点位中以4环和5～6环多环芳烃为主，分别占沉积物多环芳烃的28%～46%和30%～60%;而低环多环芳烃只占10%～20%，可能是由于低环多环芳烃易挥发，容易被微生物分解。分析表明，在湖滨带内沉积物主要受到高环(4环以上)多环芳烃的污染，反映了该区域多环芳烃主要以燃料的高温燃烧源输入为主。

图2 竺山湾沉积物中多环芳烃组成特征Fig．2 PAHs composition characteristics in sediments from Zhushan Bay

2.2 多环芳烃来源分析

人为来源是沉积物中多环芳烃的主要来源，主要有石油及其精炼产品的燃烧和泄漏及煤的燃烧。通常利用多环芳烃异构体对其来源进行判别，包括Flua/Pyr、Phe/Ant、IP/BP 3 个系列［28|29］。根据Yunker等［30］归纳的结果，Ant/(Ant+Phe)小于0．1通常意味着油类排放来源，大于0．1则主要是燃烧来源;Flua/(Flua+Pyr)小于0．4意味着油类排放来源，大于0．5主要是木柴、煤燃烧来源，位于0．4～0．5则意味着石油及其精炼产品的燃烧来源;IP/ (IP+BP)小于0．2表明主要是油类排放来源，大于0．5则主要是木柴、煤燃烧来源，位于0．2～0．5为石油燃烧来源。

以Flua/(Flua+Pyr)为横坐标，Ant/(Ant+ Phe)、IP/(IP+BP)分别做纵坐标，计算3种特征化合物指数，结果如图3所示。从图3可以看出，除Z11外，其他采样点Ant/(Ant+Phe)均大于0．1，表明燃烧源是湖滨带沉积物多环芳烃主要来源，而湖中心沉积物主要受油类泄漏污染;IP/(IP+BP)大部分点位大于0．5，显示木材、煤的燃烧源是湖滨带沉积物多环芳烃主要来源;Flua/(Flua+Pyr)为0．48～0．53，大部分点位大于0．5，显示油类和煤的燃烧来源是湖滨带沉积物多环芳烃主要来源。

图3 竺山湾湖滨带沉积物多环芳烃来源诊断Fig．3 Diagnosis ratios of PAHs in surface sediments in littoral zone of Zhushan Bay

2.3 多环芳烃污染的生态风险评价

由于低环多环芳烃呈显著的急性毒性，一些高环多环芳烃(如 BaP，DBA等)具有潜在的致癌性［28，31］，根据竺山湾湖滨带沉积物多环芳烃的组成特征可以看出，沉积物中高环多环芳烃的致癌性不容忽视。采用Long等［32］提出的沉积物中多环芳烃风险效应区间低值(effects range low，ERL)和效应区间中值(effects rangemedian，ERM)对竺山湾湖滨带表层沉积物进行了生态风险评价，当沉积物中多环芳烃浓度小于ERL，则生态风险小于10%;当沉积物中多环芳烃浓度大于ERM，则生态风险大于75%。评价结果表明，研究区域内多环芳烃浓度远低于ERM，因此在湖滨带区域不存在严重的生态风险，但是Flu、IP及BghiP部分采样点的浓度接近或已超过ERL，生态风险不容忽视(表2)。应加强对区域内生物体内的多环芳烃浓度的研究，评估多环芳烃进入生物体的风险。

表2 竺山湾湖滨带沉积物多环芳烃生态风险评价Table 2 Ecological risk assessment of 16 PAHs in surface sediments in littoral zone of Zhushan Bay

3 结论

(1)竺山湾湖滨带沉积物已受到一定程度的多环芳烃污染，多环芳烃浓度为61．2～2 032．3 ng/g，污染程度呈中等偏下水平，周边城镇的经济发展，尤其是生产活动已对湖滨带造成了一定的有机污染。

(2)竺山湾湖中心主要受油类泄露污染，湖滨带表层沉积物多环芳烃组成则以高环多环芳烃为主，低环多环芳烃浓度较低，表明其主要来自燃料高温燃烧。

(3)生态风险分析表明，湖滨带区域不存在严重的生态风险，但是部分多环芳烃的浓度大于ERL，造成生态风险的可能性依然存在。

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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

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101－009);国家自然科学基金项目(41101487)

陈明华(1989—)，男，硕士研究生，主要从事环境化学研究，wenxu6699@163．com

*责任作者:叶春(1970—)，男，研究员，博士，主要从事水污染控制与水体生态修复研究，yechbj@163．com