...系列讲座之二 生态风险评价
李琼+张海欧+和利钊+董小龙+郑子健+王学东
摘要：以吉林市排污河中底泥为主要研究对象，布置12个监测断面35个代表性采样点，采集并分析了河道内底泥样品中8种重金属及16种USEPA优先控制的多环芳烃的含量，并分别采用地质累积指数法（Igeo）、潜在生态风险评价法（PERI）、沉积物质量基准法（SQGs）对排污河底泥中污染物进行了生态风险评价。结果表明，该排污河底泥中重金属及多环芳烃均不同程度超过松花江水系沉积物背景值，其中Hg、Pb、Cu、As、NAP、ANT超标倍数分别为87.5、10.2、6.18、5.90、115.6和228.5；Igeo显示Hg的生态风险最大，Igeo达到了5.82，而Cd和Ni的风险较小，这与PERI中Hg风险最大的结果一致；SQGs评价结果表明由重金属及多环芳烃引起的污染会产生生物毒性，且不利生物毒性将频繁发生；（3）以上结果说明，该排污河呈现以Hg为主要风险因子的重金属与多环芳烃复合污染现象，在今后应加强底泥监测和定期清淤，从而推動区域生态环境的治理与恢复。
关键词：底泥；重金属；多环芳烃；生态风险评价；汞
中图分类号：X522 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0079-08
Abstract：[HJ1.7mm]Jilin is one of the most important chemical industry cities located in China's northeastern old industrial base.Heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） have been detected in the sediments of different regions in China，but little is known about the sewage-received river of Jilin，whose pollution was very severe owing to long-time discharge of industrial and municipal wastewater.The aim of this study was to investigate the pollution of heavy metals and PAHs in sediments and to assess their ecological risks.A total of 35 sediment samples from 12 monitoring sections along this sewage-received river were collected for determination of the concentrations of 8 heavy metals （Hg，Pb，As，Cu，Zn，Cr，Cd，Ni） and 16 USEPA priority pollutant PAHs.Geoaccumulation index，Hkanson potential ecological risk index，and sediment quality guidelines （SQGs） were respectively used to assess the pollution and potential ecological risks of these pollutants in the sediments.The concentrations of heavy metals and PAHs were higher than the background values，especially those of Hg，Pb，Cu，As，NAP，and ANT.The geoaccumulation index indicated that the ecological risks of heavy metals in the sediments from high to low were as follows： Hg>Pb>As>Cu>Zn>Cr>Cd>Ni.The Hkanson potential ecological risk indexes of heavy metals were ranked as follows： Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr.SQGs indicated that adverse benthic impacts would occur frequently.The sediments were polluted by PAHs and heavy metals，especially Hg.
Key words：sediment；heavy metal；PAHs；ecological risk assessment；Hg
底泥一般指河流、湖泊、水库和海湾等水体底部长期存积的沉积物，是水环境的重要组成部分。它不仅是水体中各种污染物（营养盐、重金属、难降解有机污染物等）的主要蓄积场所，也是对水质有潜在影响的次生污染源[1-3]，因此，底泥的污染状况不仅可以反映水体的污染程度，也可对水体产生重要影响。底泥的污染状况和底栖生物的分布、生长和种群组成也有密切关系[4]，基于此，开展底泥污染状况调查及生态风险评价研究具有十分重要意义[5-6]。
作为一个城市重要的排洪泄污通道，城市排污河在城市发展过程中发挥着重要作用，然而随着城市化进程不断加快，城市居住人口的逐步增多，城市排污河在长期的生活污水和工业废水排放的影响下，水环境质量已不断下降，严重影响到周围居民的生活质量[7]。同时，排污河底泥中的污染物含量通常较高，当外界环境条件发生变化时，污染物极有可能重新释放回水体，对当地水质甚至下游受纳水体水质产生威胁[8]。因此探明城市排污河底泥的污染状况，明确污染特征及污染物分布，划定底泥生态风险等级，对城市水环境保护有着重要意义。
目前许多国家和地区已出台水体沉积物相关标准和评价方法，如沉积物环境质量标准[1，9-10]、地质累积指数法[11]、沉积物质量基准法[12]、潜在生态风险评价法[13]、污染负荷指数法[14]、次生相与原生相分布比值法[15]、脸谱图法[16]、回归过量分析法[17]等。许多学者利用这些方法进行了底泥沉积物等的深入研究[18-19]，但很少同时涉及重金属和有机污染物的评价分析。基于此，本研究选取东北老化工城市吉林省吉林市某排污河为研究对象，分析检测其底泥中重金属和多环芳烃质量分数，在此基础上采用Igeo、PERI、SQGs对污染物生态风险进行评价，以探明该排污河污染物的空间分布特征和污染物生态风险水平，为后续综合治理和生态功能恢复提供理论依据和数据支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
该城市排污河位于东北老工业城市吉林省吉林市龙潭区，自东向西汇入松花江，流域面积13.5 km2，河道长6.65 km（图1）。该河流经龙潭区城乡结合部，河道两岸多为居民区及化工厂，自二十世纪五十年代始，作为城市主要纳污水体，该河接收了大量生活污水和工业污水。长期的污水排放已导致污染物沉积、水质下降，不断威胁着河道水生态环境及周边居民的生活环境质量。
1.2 样品采集及地理位置
在龙潭区排污河各重点路桥设置监测断面12个，位置见图1。利用土钻每50 cm深度采集一个底泥混合样品，直至河道底部，通常采集深度在50～200 cm。12个监测断面共计采集35个底泥样品（表 1）。样品采集后装入玻璃材质的土壤瓶中密封，低温运至实验室用于重金属和多环芳烃分析检测。
1.3 样品处理与分析
底泥样品经冷冻干燥后剔除砾石及动植物残体，用玛瑙研钵研磨后过100 目尼龙筛，以备分析测试用。样品检测指标包括8种常见重金属（Cu、Cr、Ni、Zn、Pb、Cd、As、Hg）和USEPA规定的16种多环芳烃，即萘（NAP）、苊烯（ANY）、苊（ANA）、芴（FLU）、菲（PHE）、蒽（ANT）、荧蒽（ALT）、芘（PYR）、苯并（a）蒽（BaA）*、世（CHR）*、苯并（b）荧蒽（BbF）*、苯并（k）荧蒽（BkF）*、苯并（a）芘（BaP）*、茚并（1，2，3-cd）芘（IPY）*、二苯并（a，h）蒽（DBA）*、苯并（g，h，i）苝（BPE），其中*号物质具有致癌性。
重金属的消解及测定：Cu、Zn、Cr、Ni、Pb、Cd的消解采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全分解法，As、Hg采用王水消解，Cu、Zn、Cr、Ni、Pb和Cd采用火焰原子吸收分光光度法，As、Hg采用原子荧光法。
多环芳烃的提取及测定：准确称取10 g沉积物样品加5 g无水硫酸钠，用二氯甲烷/丙酮溶液提取24 h，并脱硫。萃取液干燥后继续淋洗萃取后浓缩定容，冷藏待测。采用的仪器为Agilent7890A-5795C气相色谱-质谱联用仪，色谱柱为HP-5MS 30×0.25 mm×0.25 μm。
1.4 质量控制
重金属的测定采用国家标准河流沉积物样品（GBW 08301）进行分析质量控制。平行样相对误差<20%，标准物重金属回收率在95%～120%之间。多环芳烃的平行样相对误差<35%，加标回收率在85%～116%之间。分析中采用3个平行样，试验用水均为超纯水，所用试剂均为优级纯。玻璃及塑料器皿在使用前均采用的HNO3 浸泡24 h以上。
1.5 底泥中污染物的生态风险评价方法
1.5.1 地质累积指数法
1.5.3 沉积物质量基准法
沉积物质量基准法（Sediment Quality Guidelines，SQGs）可快速评价污染沉积物的生物毒性[12]，该方法不仅可用于评价底泥中重金属的污染程度，也可用于评价有机污染物的污染程度。目前影响最大的SQGs是Long等人[22]由北美沉积物生物效应数据库（The Biological Effects Database For Sediments，BEDS）导出的效应范围低值（Effects Range Low，ERL）和效应范围中值（Effects Range Median，ERM），当污染物质量分数低于ERL时，不利生物毒性效应很少发生，当污染物质量分数高于ERM，不利生物毒性效应将频繁发生。此外，纽约环境保护局（NYSDEC）[9]和新泽西环保局（NJDEP）[10]以MacDonald等人[23]和Persaud等人[24]所得出的最低效应阈值（Lowest Effects Levels，LELs）和严重效应阈值（Severe Effects Levels，SELs）为基础，设立沉积物生态筛选标准。当污染物质量分数低于LEL时表示表明污染物对大部分底栖生物没有负效应，高于SEL时则说明底泥沉积物已受到严重污染并且会影响底栖生物的健康。该方法不仅可以评价重金属的生态风险，同样可以评价有机物污染的生态风险。ERL/ERM、LEL/SEL相关数值见表7。
2 结果与讨论
2.1 底泥重金属及PAHs质量分数
表4中列出了该排污河底泥中8 种重金属和16 种多环芳烃的质量分数水平、不同监测断面各污染物质量分数均值。从表4可以看出，底泥样品中重金属和多环芳烃质量分数变化较大，8种重金属变异系数在0.41～1.07之间，其中Cd、Cu质量分数变化最为显著，最大值与最小值之间分别相差69.67、55.30倍，这表明不同点位重金属富集情况不同。有机污染物的变异系数在0.33～2.86之间， NAP、PHE、ANT的质量分数变化最为明显，最大值与最小值相差倍数分别达到2 784.23、1 166.32、1 105.10倍。可能原因是这3种多环芳烃均为低环，易挥发和生物降解[25]，从而导致沉积物中质量分数差别较大。同佘中盛等[26]、聂海峰等[27]对排污河底泥背景值调查结果比较，取样点重金属及多环[HJ2.3mm]芳烃均不同程度超过背景值，8 种重金属平均值超标倍数在0.30～87.47之间，多环芳烃超标倍数在-0.04～228.45之间，其中Hg、Pb、Cu、As、NAP、ANT等平均值已分别超背景值87.47、10.21、6.18、5.90、115.55、228.45倍，这表明多年的污水排放已导致上述物质在沉积物中大量累积。具有致癌效应的BaP在35 个样品中检出率达65.71%，平均值超背景值1.05倍。从污染物的沿程分布来看，8 种重金属在不同位置的富集情况不同，质量分数最高点主要集中在B8、B7和B4，这可能与排污河两侧的化工企业排污历史相关。在20世纪50年代至80年代，该排污河是吉化染料厂和吉化电石厂两个企业的排污渠道，直至20世纪80年代初吉化公司才建成污水处理厂。但20世纪80年代后居民产生的生活污水仍旧直排入该河道，故其接纳污水来源广，污染成分復杂。
2.2 底泥中污染物的生态风险评价
2.2.1 地质累积指数法
为真实反映该排污河底泥重金属的积累及变化，选择佘中盛等[24]测得的松花江水系沉积物地球化学背景值计算了12个监测断面的地质累积指数并分级，结果列于表5。8种重金属中，Hg的Igeo平均值最高（5.82），污染等级在4～6之间，处于偏重-严重污染水平。其次为Pb（2.64），污染等级在1～5之间，B4～B6、B10～B12两段处于偏重污染水平。As的Igeo平均值为1.96，污染等级在1～4之间，处于轻度-偏重污染水平。Cu的Igeo平均值为1.72，污染等级在0～4之间，处于清洁-偏重污染水平，B4、B8位置为偏重污染。Zn、Cr、Cd的大部分点位处于轻度-中度污染水平。Ni的Igeo平均值为-0.31，为清洁状态。8种重金属Igeo的均值排序为Hg（5.82）>Pb（2.64）>As（1.96）>Cu（1.72）>Zn（1.63）>Cr（0.54）>Cd（-0.04）>Ni（-0.31）的特征。这表明，该排污河底泥Hg的生态风险最大，Cd和Ni的风险较小。Hg的严重污染可能与排污河沉积物中有机物累积较多相关，Hg易于富集在有机相以有机结合态沉降滞留在底泥中[28]。
2.2.2 潜在生态风险评价法
采用佘中盛等[26]人测得的松花江水系沉积物地球化学背景值计算了排污河重金属的生态风险，评价结果见表6。8种重金属Eir均值排序为Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr。研究区域中Hg的Eir平均值最高（4 145.78），范围在575.76～7 016.06之间，均处于极强生态风险级别。其次为As和Cd，其Eir平均值分别为70.28和62.96，生态风险级别在轻微生态风险与很强生态风险之间。Pb和Cu的Eir平均值分别为58.29和37.42，风险级别均在轻微生态风险-强生态风险之间。Ni、Zn、Cr的Eir平均值分别为6.42、5.22、4.64，均属于轻微生态风险级别。从多种重金属综合生态风险（RI）角度来看，RI值范围为634.16～7 523.77，均处于极强生态风险水平，原因是Hg的单因子生态风险极高，對RI值产生显著影响。从空间分布来看，8种重金属的潜在生态风险等级在监测断面B1、B2位置低于其他监测断面，B4、B7、B8、B10则明显高于其他监测断面。
2.2.3 沉积物质量基准法
ERL/ERM、LEL/SEL相关数值及35个底泥样品的SQGs评价结果列于表7。除Cd以外，其余重金属的ERL超标率均高于60%，LEL超标率均高于80%，可能因为重金属质量分数的地区差异导致部分背景值已高于ERL和LEL，且重金属质量分数实测值较高。生物毒性较大的Hg的ERM和SEL超标率已超过60%，说明由Hg引起的不利生物效应将频繁发生，底泥已受到严重污染并且影响底栖生物的健康。16种PAHs也不同程度超ERL、LEL、ERM， ANY和ANA超过SEL，这是因为与ERM相比，SEL标准值过高，两者最大相差已达924倍（BaA）。从空间分布来看，Hg、Zn在B3-B12的平均质量分数均超过ERM，说明在上述断面由Hg、Zn引起的不利生物毒性效应将频繁发生。
As、Hg在B4-B12的平均质量分数超过SEL。NAP、ANA、FLU、PHE、ANT在B4-B12的平均质量分数已超ERM，BaP在B11的平均质量分数超过ERM。SQGs分析结果表明，该排污河底泥的生态风险主要由Hg引起和多环芳烃引起，其不利生物毒性将频繁发生。
2.2.4 评价结果比较
综合比较Igeo、PERI、SQGs三种方法，结果均显示Hg是主要的风险因子，一方面是因为Hg的背景值较低，另一方面是因为其生物毒性系数极高，是Ni的8倍，Cr的20倍。
Igeo和PERI中8种重金属的生态风险级别排序有所不同，这是因为Eif值不仅与背景值有关，还与重金属的种类和生物毒性效应有关，比如Igeo的排序结果中Cd处于第7位，而在Eif结果中Cd处于第3位。PERI考虑了Cd的生物毒性效应，且其生物毒性系数较大，仅次于Hg，致使其排序发生前移。
两套SQGs（ERL/ERM和LEL/SEL）的结果均表明该排污河底泥中多环芳烃质量分数已超ERL和LEL，多环芳烃已经开始对底泥产生不良影响，需要对其生态风险进行关注。
3 结论
（1）该排污河底泥中8种重金属及16种多环芳烃均不同程度超松花江沉积物环境背景值。重金属污染物在监测断面B4、B7、B8、B12的质量分数较高，4环及以上多环芳烃多集中于监测断面B11。
（2）Igeo评价结果显示，不同重金属污染程度按Igeo从大到小排序为Hg>Pb>As>Cu>Zn>Cr>Cd>Ni。PERI结果显示，各重金属生态风险危害依次为Hg>As>Cd>Pb>Cu>Ni>Zn>Cr，两种评价结果均显示Hg的生态风险最高，底泥呈现出以Hg为主的多种重金属复合污染特征。SQGs评价结果显示，重金属及多环芳烃均不同程度超过ERL、LEL，说明污染物已经开始对底泥产生不良影响。
（3）该排污河底泥中Hg的风险水平远高于其它元素，是构成了潜在的生态危害的主要因素。在今后区域生态环境的治理与恢复工程中，应特别关注Hg对生态环境影响。
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