2022年1月13日,课题组最新研究成果《Legacy halogenated organic contaminants in urban-influenced waters using passive polyethylene samplers: Emerging evidence of anthropogenic land-use-based sources and ecological risks》在期刊Environmental Pollution上发表,研究基于被动采样与地理信息系统(GIS)结合揭示了纳拉甘西特湾(Narragansett Bay,NB)流域水体中卤代持久性有机污染物的赋存、来源和迁移规律。
一、研究背景
有机氯农药(Organochlorine Pesticides,OCPs)和多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls,PCBs)系两类卤代持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,POPs),具有高亲脂性、生物富集效应、生物毒性与环境持久性等特征。尽管在20世纪70年代后各国颁布禁令并积极加入《斯德哥尔摩公约》,共同对POPs的使用进行管控,前者主要留存在历史大量使用农药的土壤中,土地的开发利用会加速农药的二次释放;后者不仅来自本来含有PCBs的旧设备或是处置不当的有害垃圾,也源于垃圾焚烧、废水和城市地区颜料制造过程中所形成的副产品。因此,OCPs和PCBs在环境中仍无处不在,同时其环境持久性与潜在的生物毒性受到国际社会的广泛关注。
NB是美国罗德岛的一个城市化河口地区,该地区水体、鱼类生物体中均检出较高的OCPs和PCBs。工业活动(比如纺织品、珠宝和金属的加工)产生的PCBs,以及日常生活、农业生产过程中产生的滴滴涕和氯丹,最终均会进入海湾。此外,人为活动与土地利用的变化会影响河流输入、污水排放,进而改变污染物的水-空气交换通量。因此,了解溶解态OCPs和PCBs的空间分布特征,研究其受人口压力和土地利用变化的影响,对于评估NB的环境生态风险至关重要。
二、研究结果
本研究依托罗德岛大学流域观测计划(University of Rhode Island Watershed Watch program),利用被动采用手段对NB流域卤代持久性有机污染物开展了观测,并结合主成分分析法(PCA)与正定矩阵受体模型(PMF)分别进行了污染物潜在来源的分析,具体结果如下。
1. OCPs和PCBs的分布及其来源解析
(1)完整阐明了NB流域的OCPs和PCBs分布特征。对于OCPs而言,北部城市地区>南部大部分农村地区;对于PCBs而言,上游、城市/建成区较多的流域和北部沿海区域浓度较高;波杜克赛特河(Pawtuxet River)>沃纳斯夸塔克特河(Woonasquatucket River)>GB13站位>布里斯托尔港>南部农村地区。
(2)解答了NB流域中OCPs的源汇过程。首先,指出研究区域所残留的氯丹源于历史遗留,其从风化的土壤中挥发后,沉降至地表水中;其次,历史所产生的滴滴涕在有氧条件下的生物降解过程中被去除;最后,北部城市地区的六氯苯主要来源于人为排放和大气输入。
(3)明晰了NB流域中PCBs的来源及其贡献。首先,指出径流影响是PCBs从各流域汇入NB的主要因素;其次,含有低氯化同系物的商业PCB混合物在热处理过程中形成的PCBs经大气长距离传输后,成为进入地表水的主要来源;最后,明确了NB流域中PCB污染的贡献:废水/雨水输入占比44%,挥发性PCBs的排放输入占比32%,Aroclor 1260的污染输入占比24%。
图1. NB流域的∑29PCB和PCB单体含量分布
图2. NB流域∑22OCP和OCP单体含量分布
2. 土地利用模式的改变影响了OCPs和PCBs
本研究进一步借助地理信息系统(GIS),通过分析土地利用模式对流域水体溶解态OCPs和PCBs的影响,分析其与人口压力和土地利用变化的关系,具体如下。
(1)对于OCPs而言,城市地区中土壤中历史使用残留的OCPs的挥发可能会排放到NB流域,同时,农业区域面积的变化在一定程度上会影响α-硫丹和六氯环己烷的空间分布格局。
(2)对于PCBs而言,一方面,指出住宅覆盖面积的减少和人口密度的增加可能导致更多的PCBs进入环境,其中,地表水中残留的PCBs浓度水平可能与用于建筑和设备材料(如密封剂、油漆、粘合剂等)中所添加的PCBs有关;另一方面,南北城市地区的PCB同系物之间的相关性不同,北方城市地区无意生产的PCBs,其潜在来源为涂料、着色剂和颜料制造或其他工业活动,而南方城市地区PCBs的潜在源可能是北方城市排放的PCBs向南迁移。
(3)从生态风险而言,北部城市地区的OCPs总风险商(∑RQs)高于南部农村地区,而PCBs浓度远远高于美国环保署推荐的国家水质标准与纽约州环境保护部经济鱼类与饮用水健康标准。
图3. OCPs和PCBs之间的斯皮尔曼相关性结果(实线表示p<0.01,虚线表示p<0.05)
综上而言,本研究进一步证实了低密度聚乙烯膜被动采样技术可以方便、准确地检测痕量污染物(如溶解态OCPs和PCBs),并通过结合PCA分析和PMF模型,获得了流域潜在雨水/废水中PCBs输入地表水的情况。此外,通过被动采样与土地利用回归相结合,研究团队提供了一种可以进一步了解污染物的分布与来源以减少排放的研究手段。
三、研究团队
本研究获得国家自然科学基金青年基金项目(42107268)、国家自然科学基金委促进海峡两岸科技合作联合基金项目(U2005207)、自然资源部第二海洋研究所海洋生态系统动力学重点实验室基金(MED202011)、福建省自然科学重点基金项目(2020J01412103)和国家留学基金委资助项目(No. 201306310080)的资助。课题组2012级毕业生、现任浙江工商大学环境科学与工程学院讲师赵雯璐博士为第一作者,罗德岛大学Rainer Lohmann教授为通讯作者。厦门大学海洋与地球学院蔡明刚教授、罗德岛大学David Adelman、Mohammed Khairy、厦门理工学院林嫣、浙江工商大学环境科学与工程学院李志恒、刘惠君为本文的共同作者。
论文来源:
Zhao W, Cai M, Adelman D, et al. Legacy halogenated organic contaminants in urban-influenced waters using passive polyethylene samplers: Emerging evidence of anthropogenic land-use-based sources and ecological risks[J].Environmental Pollution, 2022: 118854.
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https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.118854
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