Distribution characteristics and risk assessment of heavy metals in sediments of the East China Sea bridge nearby waters
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摘要:
东海大桥附近海域位于长江口和杭州湾的交汇地带，是长江三角洲南翼组成部分，在渔业上是一个重要的生态经济水域。本文以其为研究区域，2014年9月至2016年5月期间，采样4次，采集样品35个。分析了沉积物中Cu、Pb、Cd、Cr、Hg和As 6种重金属的时空含量变化特征，并采用地累积指数法、潜在生态危害指数法对不同时空条件下重金属的污染程度、潜在生态风险进行了评价。结果表明：东海大桥附近海域沉积物重金属空间时间分布上有一定的差异。整体来看，东海大桥附近海域沉积物基本未受重金属的污染，属于清洁状态，沉积物中重金属的含量Cr＞Pb＞Cu＞As＞Hg＞Cd。沉积物的潜在生态风险评价表明主要风险因子为Hg，应成为下一步关注重点。
Abstract:Research area located in the intersection area of Yangtze RiverEstuary and Hangzhou bay waters, is part of the south of the Yangtze River Delta, which is an important ecological economic zone in the fishery.A total of 35 representative sediments were collected by four times during the period from September 2014 to May 2016.Based on the monitoring of six heavy metal elements (Cu, Pb, Cd, Cr, Hg and As) in the 35 sediments from nine samples sites, temporal and spatial variation characteristics was discussed.The pollution degrees and potential ecological risks of the heavy metals in the sediments were assessed by using geo-accumulation index (Igeo) and Hakanson potential ecological risk index.There existed obvious temporal and spatial differences in the total concentrations of the heavy metals in the marine sediments near the East China Sea bridge.In general, Marine sediments near the East China Sea bridge basic was not contaminated by heavy metals, was in relatively clean state.The result also showed that the main factors influencing potential ecological risk in sediments was Hg, which should be of great concern.
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Keywords:
- the East China Sea bridge /
- marine /
- sediments /
- heavymetals /
- risk assessment
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重金属作为主要环境污染物之一，具有难降解、生物富集和放大的特点，且能通过食物链富集危害人类健康，一直是科学研究关注的重点[1-2]。沉积物既是水体污染的汇，又是水体污染的源[3-4]。沉积物污染是水环境体系最严重的环境问题之一，沉积物是水环境重金属污染的程度的指示剂[5-6]。
东海大桥附近海域位于长江口和杭州湾的交汇地带，是长江三角洲南翼组成部分。随着社会经济发展的需求，东海大桥沿线海域已成为高强度开发地区，研究东海大桥附近海域环境状况尤为必要[7]。并且长江口是世界最大的河口之一，水域以鱼类资源丰富，产量高而闻名，不仅是降海溯河性鱼类的重要通道，还是大量沿岸与河口性重要经济鱼类的栖息场所，在渔业上是一个重要的生态经济水域。
在重金属污染的水体中，水相重金属含量很低，随机性很大，而沉积物则相对稳定，对水环境有持久影响[8-9]。本文从2014年9月至2016年5月期间，采样4次，采集样品35个，分析了沉积物中Cu、Pb、Cd、Cr、Hg和As 6种重金属的时空含量变化特征，并采用地累积指数法[10]、潜在生态危害指数法[11]对不同时空条件下重金属的污染程度、潜在生态风险进行了评价。
1 材料与方法
1.1 采样点的布设与样品采集
东海大桥附近海域已建成我国第一个海上风电场，以东海大桥为界，分别已建成海上风电场的一期二期工程。综合考虑风电场、东海大桥以及人类活动的影响，本研究采样点布设覆盖海上风电场的一期二期工程，采用网格布点法进行布点，共设采样点9个，采样4次，采样时间分别为2014年9月，2015年5月，2015年9月，2016年5月，总计采集沉积物样品35个，其中2015年9月S3样品没有采集到。用抓泥斗采集表层沉积物样品(0~10 cm)，将泥样混合均匀后，装入自封袋带回实验室冷冻保存处理进行分析。
1.2 样品前处理及分析测定
沉积物样品使用真空冷冻干燥机干燥，剔除杂质石块后，经玛瑙球磨罐研磨处理后过100目尼龙筛。干燥过筛后的沉积物样品置于干燥器中待测，沉积物样品Hg、As测定方法参照海洋监测规范沉积物分析中总汞、砷的测定(GB17378.5-2007)，采用王水沸水浴消解。消解液定容后，Hg测定前加高锰酸钾溶液氧化，再加稀草酸溶液定容，同时制作分析空白。As测定前取消化液加盐酸溶液，经硫脲和抗坏血酸溶液还原后定容，同时制作分析空白。Hg、As定容液以硼氢化钾为还原剂，氩气为载气，使用北京海光AF-7000原子荧光分光光度计测定。
沉积物中Cu、Pb、Cr、Cd的测定采用硝酸、双氧水、氢氟酸体系微波消解[12]。200℃消解30 min，消解液赶酸近干后，用2%的稀硝酸定容，同时做空白对照。Cu、Pb、Cd、Cr含量测定采用PE700原子吸收分光光度计测定。本研究所用试剂均为优级纯，水为去离子水；所用器皿使用前均用10%HNO3浸泡24h以上，并使用去离子水清洗干净。分析过程使用标准沉积物GBW 07359(GSD-16))进行质量控制，测定结果均在误差允许范围以内。标准沉积物GBW07359(GSD-16)标准值(×10-6)，Cu:7.2±0.5；Pb：31±2；Cd：0.093±0.009；Cr：21±3；Hg：0.007；As：3.6±0.4。实验过程中平行3次测得值，Cu:7.4×10-6，Pb：30.1×10-6，Cd：0.098×10-6，Cr：23.7×10-6，Hg：0.007×10-6，As：3.7×10-6。
1.3 评价方法
1.3.1 地积累指数法(index of geoaccumulation，Igeo)
地积累指数法(index of geoaccumulation)是德国学者Müller于1979年提出的一种评价沉积物重金属污染状况的指标。计算公式为：
式中：Cn是沉积物中实测金属n的含量；Bn是重金属n的背景浓度；K为考虑到成岩作用可能引起的背景值波动而设定的常数(一般K=1.5)。根据地累积指数将沉积物重金属的污染程度划分为7个等级[13]，具体见表 1。
表 1 地累积指数及污染程度分级Tab. 1 The index of geoaccumulation and the classification of pollution degree
1.3.2 潜在生态风险指数法
潜在生态风险指数法是瑞典学者Hakanson于1980年提出的，用来评价沉积物中重金属的潜在生态风险，本研究根据此方法，评价第i种重金属的潜在生态风险。其潜在生态风险指数计算公式如下：
式中：Csi为表层沉积物重金属i的实测浓度；Cni为沉积物中重金属i的背景参考值；Tri因子为重金属i的毒性响应系数(As：10，Cr：2，Cu：5，Mn：1，Ni：5，Pb：5，Zn：1)。根据沉积物潜在生态风险评价标准，Eri＜40，具有低潜在生态风险; 40≤Eri＜80，具有中度潜在生态风险；80≤Eri＜160，具有强潜在生态风险；160＜320，具有很强的潜在生态风险[14]。
2 结果与讨论
2.1 表层沉积物空间时间分布特征
沉积物中Cu、Pb、Cr、Cd、Hg、As测定结果见图 2。东海大桥附近海域沉积物重金属空间时间上分布上有一定的差异。从4次沉积物重金属的测定结果平均值来看，整体来看沉积物中重金属的含量Cr＞Pb＞Cu＞As＞Hg＞Cd。从采样时间来看，2015年9月沉积物Cu、Pb、Cr重金属含量明显低于2014年，而Hg的含量有明显上升。2015年9月与2014年9月相比，其中沉积物Cd、As的含量相当，然而2015年5月Cd、Cr含量明显高于其他3次采样。表明沉积物中重金属的含量变化跟季节变化有一定的关系，也可能与重金属自身的沉积规律有关，同时也可能是受到人类活动的影响。沉积物Cu含量范围为5.09×10-6~30.9×10-6，Pb含量范围为6.5×10-6~24.5×10-6，Cd含量范围为0.02×10-6~0.12×10-6，Cr含量范围为15.6×10-6~100.7×10-6，Hg含量范围为0.02×10-6~0.35×10-6，As含量范围为3.8×10-6~13.6×10-6。
从空间分布来看，S9处沉积物中Cu含量明显高于其他点，而沉积物中Pb、Cr、Cd、Hg、As含量各采样点无明显差异。S9采样点距东海大桥较远，相对其他8个采样点也是离陆地较远的区域，其Cu含量相对较高，可能是由于船只活动造成的。
2.2 重金属污染程度及潜在生态风险评价分析
2.2.1 地积累指数法
东海大桥附近海域地处长江口和杭州湾的交汇地带，其环境特征与海洋环境有一定差别，由于靠近陆地，沉积物受到的人类活动影响要高于海洋沉积物。因此本研究选取内地及沿海中低山丘陵区水系沉积物重金属的平均值作为背景值[15]。Cu：22×10-6，Pb：27.2×10-6，Cr：60×10-6，Hg：0.054×10-6，As:9×10-6。
利用地累积指数法Igeo=log2 Cn/KBn对4次采样的沉积物重金属结果进行污染程度评价，计算所得的结果除2015年9月采集的沉积物S1和S2点的As地累积指数大于0小于1，其他采样时间的重金属地累积指数均小于0。这表明杭州湾东海大桥附近海域沉积物基本不受重金属的污染，属于清洁水平。S1和S2采样点的沉积物中的As只有2015年9月采集的有轻度污染，其他采样时间采集的为清洁状态，这并不能表明S1和S2沉积物受到砷的污染。
地累积指数法评价表明，整体来看，连续监测3 a，杭州湾东海大桥附近海域沉积物基本未受重金属的污染，属于清洁状态。9个采样点，差异不大，无明显区域差别。
2.2.2 潜在生态风险评价法
由于长江口特殊的地理位置，其与海洋环境特点有较大的差别，受到人类活动影响较大。故选取内地及沿海中低山丘陵区水系沉积物重金属的平均值作为沉积物的背景参考值[15]。Cu：22×10-6，Pb：27.2×10-6，Cr：60×10-6，Hg：0.054×10-6，As:9×10-6，Cd：0.14×10-6。重金属的毒性响应系数以Cu：5，Pb：5，Cr：2，Hg：40，As：10，Cd：30来计算[16]。计算得出每次采样采样点各重金属的Eri。
Hakanson的潜在生态风险评价结果发现，杭州湾东海大桥附近海域沉积物单一污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As的Eri值均小于40，具有低的潜在生态风险。2014年9月和2015年5月采集的沉积物Hg的Eri值均小于40，具有低的潜在生态风险；2015年9月和2016年5月沉积物Hg的Eri值见下表 2。表 2中数据表明2015年9月沉积物中的Hg S2、S7、S8点具有很强的潜在生态风险；S1、S5、S6具有强潜在生态风险；S4具有中度潜在生态风险。2016年5月沉积物中的Hg S1、S2具有低的潜在生态风险，S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9具有中度潜在生态风险。而2014年9月和2015年5月沉积物的Hg均是具有较低的潜在生态风险。这表明整体来看重金属Hg由于具有较高的生物毒性，具有一定的潜在生态风险，并且在时间和空间的分布上具有一定的差异性。而Cu、Pb、Cd、Cr、As则相对稳定，在时间和空间分布上潜在生态风险无较大差异。沉积物中的Hg的迁移转化过程复杂，应得以进一步研究并持续关注。1976年吴瑜端等对长江口海域22个站位点沉积物总汞测定结果是0.022×10-6~0.210×10-6；1984年东海环境监测调查长江口沉积物总汞的测定结果为0.016×10-6~0.201×10-6。而本研究沉积物中总汞的测定范围0.02×10-6~0.35×10-6，最高值有所升高，这也说明Hg的风险性较大。至于其来源复杂，则有待于进一步研究。
表 2 沉积物重金属Hg的潜在生态风险指数Tab. 2 The potential ecological risk index of Hg in sediments
3 结论
(1) 对东海大桥附近海域沉积物进行为期3 a四次的重金属监测表明，沉积物重金属的分布有一定的时间和空间差异。从4次沉积物重金属的测定结果平均值来看，沉积物中重金属的含量Cr＞Pb＞Cu＞As＞Hg＞Cd。
(2) 沉积物Cu含量范围为5.09×10-6~30.9×10-6，Pb含量范围为6.5×10-6~24.5×10-6，Cd含量范围为0.02×10-6~0.12×10-6，Cr含量范围为15.6×10-6~100.7×10-6，Hg含量范围为0.02×10-6~0.35×10-6，As含量范围为3.8×10-6~13.6×10-6。
(3) 对沉积物重金属的地累积指数法评价表明，除2015年9月采集的采样点S1和S2积物中的As有轻度污染，其他采样时间各采样点的沉积物属于清洁状态，不受Cu、Pb、Cd、Cr、Hg、As的污染。
(4) Hakanson的潜在生态风险评价结果表明，杭州湾东海大桥附近海域沉积物单一污染物Cu、Pb、Cd、Cr、As的Eri值均小于40，具有低的潜在生态风险。而沉积物中Hg的潜在生态风险Eri值为2~258，具有较高的潜在生态风险。
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表 1 地累积指数及污染程度分级
Tab. 1 The index of geoaccumulation and the classification of pollution degree
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[1] CHEN C Y, STEMBERGER R S, KLAUE B, et al.Accumulation of heavy metals in food web components across a gradient of lakes[J].Limnology and Oceanography, 2000, 45(7):1525-1536. doi: 10.4319/lo.2000.45.7.1525
[2] 黄亮, 李伟, 吴莹, 等.长江中游若干湖泊中水生植物体内重金属分布[J].环境科学研究, 2002, 15(6):1-4. doi: 10.3321/j.issn:1001-6929.2002.06.001 [3] CALMANO W, HONG J H, FÖRSTNER U.Binding and mobilization of heavy metals in contaminated sediments affected by pH and redox potential[J].Water Science and Technology, 1993, 28(8/9):223-235.
[4] ROWLATT S M, LOVELL D R.Lead, zinc and chromium in sediments aroundEngland and Wales[J].Marine Pollution Bulletin, 1994, 28(5):324-329. doi: 10.1016/0025-326X(94)90159-7
[5] PEKEY H.Heavy metal pollution assessment in sediments of the Izmit Bay, Turkey[J].Environmental Monitoring and Assessment, 2006, 123(1/2/3):219-231. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=63174ac61007cb4faa9102b35900be66
[6] MUCHA A P, VASCONCELOS M T S D, BORDALO A A.Macrobenthic community in theDouro estuary:relations with trace metals and natural sediment characteristics[J].Environmental Pollution, 2003, 121(2):169-180. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12521105
[7] 刘玮祎.东海大桥沿线及邻近海域海床冲淤分析[D].上海: 华东师范大学, 2007. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y1073219 [8] 范文宏, 张博, 陈静生, 等.锦州湾沉积物中重金属污染的潜在生物毒性风险评价[J].环境科学学报, 2006, 26(6):1000-1005. doi: 10.3321/j.issn:0253-2468.2006.06.021 [9] 石志芳, 姜霞, 杨苏文, 等.巢湖表层沉积物中重金属污染的时空变化特征及潜在生态风险评价[J].农业环境科学学报, 2010, 29(5):948-954. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/nyhjbh201005022 [10] 祝云龙, 姜加虎, 孙占东, 等.洞庭湖沉积物中重金属污染特征与评价[J].湖泊科学, 2008, 20(4):477-485. doi: 10.3321/j.issn:1003-5427.2008.04.011 [11] HAKANSON L.An ecological risk index for aquatic pollution control.a sedimentological approach[J].Water Research, 1980, 14(8):975-1001. doi: 10.1016/0043-1354(80)90143-8
[12] 梁淑轩, 王欣, 吴虹, 等.微波消解/ICP-MS测定水系沉积物中的9种重金属元素[J].光谱学与光谱分析, 2012, 32(3):809-812. doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2012)03-0809-04 [13] 张芬, 杨长明, 潘睿捷.青山水库表层沉积物重金属污染特征及生态风险评价[J].应用生态学报, 2013, 24(9):2625-2630. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yystxb201309031 [14] ZHENG L G, LIU G J, KANG Y, et al.Some potential hazardous trace elements contamination and their ecological risk in sediments of western Chaohu Lake, China[J].Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 166(1/2/3/4):379-386. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=b8551aea894f00e8e07b8a9902bd961f
[15] 伦知颍, 程志中, 严光生, 等.中国不同景观区水系沉积物中39种元素的背景值[J].地学前缘, 2015, 22(5):226-230. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dxqy201505018 [16] 毛志刚, 谷孝鸿, 陆小明, 等.太湖东部不同类型湖区疏浚后沉积物重金属污染及潜在生态风险评价[J].环境科学, 2014, 35(1):186-193. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/hjkx201401027 -
期刊类型引用(1)
1. 张芬. 原位固化技术在高有机质底泥资源化利用中的试验. 净水技术. 2023(S1): 253-257+317 . 
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