环境科学  2022, Vol. 43 Issue (2): 859-866   PDF    
汤逊湖表层沉积物重金属污染与潜在生态风险评价
李星谕1, 李朋1,2, 苏业旺1, 石明明1, 胡天鹏1, 毛瑶1, 刘力2, 张雅2, 邢新丽1, 祁士华1     
1. 中国地质大学(武汉)环境学院, 武汉 430074;
2. 古生物与地质环境演化湖北省重点实验室, 武汉 430205
摘要: 为了解汤逊湖沉积物重金属的污染特征、空间分布、潜在来源和生态风险,对汤逊湖表层沉积物重金属(As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni)含量进行分析,采用地累积指数法和潜在生态风险指数法对沉积物重金属污染现状和潜在生态风险程度进行评价,并利用相关性和主成分分析法解析重金属主要污染物的潜在来源.结果表明,除Cr外,其余重金属含量均高于其背景值.重金属含量存在显著性地域差异,湖泊西南角、东北角Hg、Cd、Zn和Cu元素含量较高,可能来自排污口废水排放、渔业和周围工农业活动等复合污染.地累积指数和潜在生态风险表明Hg和Cd处于偏中度污染,Cu、Pb和Zn处于无-轻度污染,As、Cr和Ni处于无污染状态;除Hg和Cd分别存在较重和重度的潜在生态风险外,其余元素均处于低风险水平.汤逊湖表层沉积物重金属整体表现为较重生态风险水平.
关键词: 汤逊湖      表层沉积物      重金属      污染      生态风险     
Pollution and Potential Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Surface Sediments of Tangxun Lake
LI Xing-yu1 , LI Peng1,2 , SU Ye-wang1 , SHI Ming-ming1 , HU Tian-peng1 , MAO Yao1 , LIU Li2 , ZHANG Ya2 , XING Xin-li1 , QI Shi-hua1     
1. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
2. Hubei Key Laboratory of Paleontology and Geological Environment Evolution, Wuhan 430205, China
Abstract: In order to understand the pollution characteristics, spatial distribution, potential sources, and ecological risk of heavy metals in the sediments of Tangxun Lake, the contents of heavy metals (As, Hg, Cd, Cr, Cu, Pb, Zn, and Ni) in the surface sediments of Tangxun Lake were analyzed, and the pollution status and potential ecological risk degree of heavy metals in the sediments were evaluated using the geo-accumulation index and potential ecological risk index. The potential sources of heavy metal pollutants were analyzed by correlation and principal component analysis. The results showed that except for Cr, the contents of other heavy metals were higher than their background values. The contents of Hg, Cd, Zn, and Cu were higher in the southwest and northeast corners of the lake, which may come from the combined pollution of sewage discharge, fisheries, and surrounding industrial and agricultural activities. The geo-accumulation index and potential ecological risk showed that Hg and Cd were in moderate pollution; Cu, Pb, and Zn were in non-light pollution; and As, Cr, and Ni were in non-pollution. Except for Hg and Cd, there were serious and serious potential ecological risks, and the other elements were at a low risk level. The heavy metals in the surface sediments of Tangxun Lake showed a high ecological risk level.
Key words: Tangxun Lake      surface sediments      heavy metals      pollution      ecological risk     

湖泊在涵养水源、为人类提供饮用水、为多种生态系统提供和管理水资源方面发挥着重要作用[1].随着工业化和城市化进程的加快, 电镀、金属冶炼、化石燃料燃烧和化学工业废水排放等工业活动会释放As、Cu和Pb等重金属[2, 3], 大量重金属和污染物通过降雨、径流和其他渠道进入河流, 最终进入湖泊[4, 5], 这些污染物通过物理和化学作用可以降解水质和重构生物群落, 降低水生生态系统中无脊椎动物和鱼类的多样性和生产力[6].重金属作为一类不易降解的污染物, 进入湖泊后通过絮凝或沉淀作用, 多数将富集在沉积物中, 当环境条件发生变化时, 重金属会再次从沉积物中释放到水中, 对水生生物和人类健康构成潜在威胁[7].Waajen等[8]的研究认为湖泊水体富营养化与湖泊沉积物存在显著的相关关系, 沉积物中污染物的释放是城市湖泊水质恶化的根本原因.有研究表明, 城市湖泊沉积物中重金属富集显著[9].沉积物中重金属由于其毒性、在环境中的持久性和进入食物链后的生物积累性从而引起了世界范围内的关注.其中Cd、Cr、As、Hg、Pb、Cu、Zn和Ni等重金属已被美国环保署列为优先控制污染物[10].因此, 对城市湖泊沉积物重金属进行调查分析, 评价其污染程度和潜在的生态风险, 对改善城市水环境具有重要意义.

汤逊湖(N30°22′~30°30′、E114°15′~114°27′)位于武汉市东南部, 横跨江夏区、洪山区和东湖新技术开发区, 水域面积为47.62 km2.文献[11]显示, 汤逊湖已经成为中国乃至亚洲最大的城中湖.近年来, 大量未经处理的生活污水和工业废水直接排入湖中, 导致湖中重金属含量不断升高[12]. Zhao等[13]采集汤逊湖4个采样点的沉积柱并对其营养盐和重金属(Cd、As、Zn、Cu、Cr和Pb)含量进行了研究, 发现汤逊湖存在较重的Cd污染. Zhou等[14]的研究表明东北角排污口工业废水的排放是汤逊湖全氟烃基酸(PFAAs)污染水平高的主要原因, 在整个湖泊中呈现由东北向西南方向逐渐递减的趋势.目前尚未见到有关汤逊湖表层沉积物中重金属的相关报道.本研究通过采集汤逊湖全水域表层沉积物样品, 对其重金属的含量和空间分布特征进行分析, 采用地累积指数法(Igeo)和Hakanson潜在生态风险指数法(RI)评价其污染和生态风险水平, 以期为今后湖泊的污染治理提供参考.

1 材料与方法 1.1 样点设置与采集

2020年8月, 根据汤逊湖排污口分布、距离污染源位置和实际采样的难易程度, 在汤逊湖全水域布设采集23个表层沉积物样品, 其中外湖布设13个点, 内湖布设10个点, 具体采样点分布如图 1所示.使用重力抓斗式采泥器采集表层(0~10 cm)的沉积物样品(剔除沉积物中植物和贝类等残体), 装入干净的聚乙烯自封袋, 所有样品采集完后, 立即运回实验室, 低温保存.

图 1 汤逊湖表层沉积物采样点位示意 Fig. 1 Sampling sites of surface sediments in Tangxun Lake

汤逊湖主要功能为饮用水源地、农田灌溉、渔业养殖和景观等, 流域内排口点源污染主要以生活污水为主, 东北角汤逊湖污水处理厂和西南角纸坊污水处理厂尾水是汤逊湖入湖污染来源之一.汤逊湖流域内主要排口和污水处理厂信息如表 1所示.

表 1 汤逊湖流域内主要排口和污水处理厂概况 Table 1 Overview of sewage treatment plants and main outlets in Tangxun Lake

1.2 样品处理与分析

沉积物样品自然风干, 研磨、过200目筛, 保存于阴凉干燥处备用.采用HCl-HNO3-HF-HClO4法进行完全消解.采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES, Agilent 5110)测定Cr、Cu、Pb、Zn和Ni, 电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS, Agilent 8900)测定Cd.Hg和As采用王水沸水浴消解, 采用原子荧光仪测定.利用SPSS 22.0软件进行主成分分析和Pearson相关性分析; ArcGIS 10.2绘制重金属含量的空间分布图; Origin、Excel绘制统计图表.

1.3 质量保证与控制

本实验中所用试剂均为优级纯, 试剂溶液均用二次去离子水配制.实验前后将消解罐于硝酸中浸泡24 h.整个实验操作过程中, 避免接触金属物品.采用国家标准土壤样品(GSS- 1、GSS- 2、GSS- 5和GSS- 7)进行实验过程质量控制, 各元素回收率在92% ~106%之间; 同时每10个样品做1个样品平行和1个分析空白, 平行样重复率在90% ~110%之间, 空白样中目标重金属均远低于样品浓度.

1.4 沉积物中重金属评价方法 1.4.1 地累积指数法

地累积指数(index of geo-accumulation, Igeo)法[15]是对土壤和沉积物重金属污染程度进行定量评价常用方法之一.计算公式为:

(1)

式中, Cn为沉积物中重金属含量实测值, Bn为沉积物中重金属的背景值, mg·kg-1; 元素背景值来自于武汉市土壤背景值[16]. k值是考虑到各地岩石差异可能会引起背景值的变动而设定的系数(一般设定为1.5)[17].在地累积指数的研究与应用中, 一般采用的是Muller的分级标准, 将污染程度从无污染到极强污染分为7个污染等级[15], 分级标准见表 2.

表 2 地累积指数分级 Table 2 Geo-accumulation index grading

1.4.2 潜在生态风险指数法

潜在生态风险指数法用以评价重金属对生态环境的潜在危害.该方法从重金属的生物毒性角度出发, 定量划分出潜在生态风险等级.该方法由瑞典学者Hakanson[18]提出, 计算公式为:

(2)

式中, RI为多种重金属的综合潜在生态风险指数, 无量纲; Ei, r为重金属元素i的潜在生态风险指数, 无量纲; Ti, r是重金属元素i的毒性系数, 无量纲; Ci, f为重金属元素i的实测含量, mg·kg-1; Ci, n为重金属元素i的土壤背景值, 选取武汉市土壤背景值[14].根据RI和Ei, r值的大小, 潜在生态风险指数划分标准见表 3[19].

表 3 潜在生态风险指数划分标准 Table 3 Classification standards of potential ecological risk assessment

2 结果与讨论 2.1 表层沉积物重金属含量及空间分布特征

汤逊湖表层沉积物中重金属含量特征见表 4.各元素含量平均值由大到小排序为: Zn>Cr>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Hg, 其含量平均值(范围)分别为145.01(90.09~310.94)、85.28(63.59~110.13)、51.28(32.24~94.97)、41.60(23.61~55.85)、40.49(27.53~56.17)、12.88(7.17~20.29)、0.66(0.30~1.08)和0.17(0.07~0.55)mg·kg-1.各重金属的含量范围变化较大, 其中Hg的变异系数为72%, 表明人类活动对沉积物中重金属的含量有直接影响[20].与武汉市土壤背景值相比[16], 除Cr外, 其余重金属平均含量均超过其背景值, Hg和Cd分别是背景值的6.85和5.65倍, 与Zhao等[13]于2016年对汤逊湖的研究结果相一致, 但Cd的含量是2016年的2.35倍, 表明近年来汤逊湖Cd含量呈现逐渐增加的趋势.与中国湖泊沉积物[21]平均值相比, Hg、Cd、Ni、Pb、Cu和Zn含量偏高, As和Cr含量相近; 与中国南方水系沉积物平均值相比[22], Hg、Cd、Ni、Pb、Cu、Cr和Zn含量偏高, As含量相近. 如表 5所示, 将汤逊湖与典型受污染城市湖泊[23~27]沉积物中重金属平均含量进行对比, 分析得Hg和Cd的含量均高于其他湖泊; Cu的含量高于东湖、洪泽湖、鄱阳湖和太湖, 低于阳澄湖; Pb的含量高于洪泽湖、阳澄湖和太湖; Ni、Cr、Zn和As含量相对较低.

表 4 各金属含量描述性统计 Table 4 Descriptive statistics of each metal content

表 5 典型污染城市湖泊表层沉积物重金属平均含量1) Table 5 Average content of heavy metals in surface sediments of typical polluted urban lakes

综上所述, 汤逊湖表层沉积物中重金属含量相对较高, 特别是Hg和Cd含量显著高于其他城市湖泊.研究表明湖泊重金属污染情况随当地经济发展、污染排放源和地理条件以及元素之间理化性质和含量的不同而存在差异, 除此之外还可能受到湖泊的背景值和周围人类活动的影响[28].汤逊湖作为国内最大城中湖, 长期接纳沿湖污水的直接排放, 再加上渔业养殖对汤逊湖水质产生的影响, 导致汤逊湖重金属处在一个高值水平.

汤逊湖表层沉积物中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni含量空间分布差异明显(图 2).Cr、Pb和Ni在空间分布上具有一致性, 含量高值区主要集中在湖心位置, 且分布相对均匀; Hg和Cd含量高值区位于湖泊的西南角(T6和T7)和东北角(T17和T18).Zn和Cu含量高值区主要位于湖泊东北角T18位置.As的含量空间分布表现出独特性, 含量高值区主要集中在内湖湖心和东南角湖汊位置.

图 2 汤逊湖表层沉积物重金属含量空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of heavy metals in surface sediments of Tangxun Lake

2.2 重金属污染评价与生态风险评估

汤逊湖表层沉积物中重金属地累积指数(Igeo)评价结果见图 3.根据Igeo分级标准, Cr和Ni整体处于清洁状态, 几乎无污染; As处于无-轻度污染状态; Cu、Pb和Zn整体污染程度较低, 为轻度污染, 分别有52%、39%和30%的采样点处于清洁状态, 但在东北角T18采样点处, Zn处于偏中度污染.Hg和Cd整体处于偏中度污染.就Hg而言, 轻度污染的采样点占57%, 偏中度污染的采样点占30%, 西南角T7采样点处于中度污染, 西南角T6和东北角T18采样点处于偏重度污染; 就Cd而言, 偏中度污染的采样点占57%, 中度污染的占35%.综上所述, 汤逊湖表层沉积物存在重金属污染, Hg和Cd是主要污染物, 且受Hg和Cd污染的采样区域在空间上存在显著差异, 污染主要集中在湖泊西南角和东北角.

图 3 汤逊湖表层沉积物重金属地积累指数 Fig. 3 Geo-accumulation index of heavy metals in surface sediments of Tangxun Lake

汤逊湖表层沉积物中As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Zn和Ni的潜在生态风险指数(Ei, r)平均值(范围)分别为: 10.73(5.98~16.91)、153.48(62.53~495.54)、165.83(75.08~269.37)、1.90(1.41~2.45)、8.01(5.04~14.84)、8.32(4.72~11.17)、1.84(1.14~3.94) 和5.06(3.44~7.02)(图 4).Hg有78%以上的采样点具有较重的潜在生态风险; Cd分别有61%和35%的采样点具有重度和较重的潜在生态风险; 其余元素在全部采样点都处于低潜在生态风险水平, 表明Hg和Cd是造成汤逊湖表层沉积物生态危害的主要因素, 与地累积指数分析结论一致.Hg和Cd的潜在生态风险在空间分布上存在差异(图 5), 西南角(T6、T7)和东北角(T17、T18)Hg的潜在生态风险高于其余各点.综合潜在生态风险指数(RI)显示(图 6), 所有采样点的RI值介于175.58~760.71之间, 平均值为365.05, 表现为较重风险水平, 西南角T6和东北角T18采样点综合生态风险等级最高, 表现为重度风险水平.

图 4 汤逊湖表层沉积物单金属潜在生态危害指数 Fig. 4 Potential ecological hazard index of single metals in surface sediments of Tangxun Lake

图 5 基于Ei, r的汤逊湖表层沉积物中Hg和Cd的潜在生态风险分布 Fig. 5 Potential ecological risk distribution of Hg and Cd in surface sediments of Tangxun Lake based on Ei, r

图 6 汤逊湖各采样点综合生态风险指数 Fig. 6 Comprehensive ecological risk index of Tangxun Lake

有研究证实, 人类活动的方式和强度与湖泊重金属生态风险密切相关, 工业化程度与发展水平高的城市湖泊重金属污染程度高于城市工业化程度与发展水平较低的城市湖泊[28].武汉市作为长江经济带的核心城市, 是全国重要的工业基地和交通枢纽[29].汤逊湖沿湖建有商品楼盘、大学城和科技园等, 长期以来的高强度人类活动导致汤逊湖存在严重的重金属污染和生态风险.

2.3 沉积物中重金属的相关性及污染来源分析

表 6可以得出As与其他元素之间没有显著相关性, 表明其来源的特殊性; Hg与Cd、Cu和Zn之间存在极显著的正相关关系(P<0.01), Cu和Zn之间存在极显著的正相关性(r=0.865, P<0.01); Cr与Cu、Pb和Ni之间存在极显著的正相关关系, Pb和Ni之间存在极显著的正相关性(r=0.621, P<0.01), 表明这些元素在汤逊湖沉积物中的地球化学性质相似, 具有相同来源或者产生了复合污染.

表 6 各重金属之间的Pearson相关系数1) Table 6 Pearson correlation coefficients among heavy metals

对汤逊湖表层沉积物重金属进行了Bartlett球形度检验(0.00<0.05)与KMO度量值检验(0.538>0.5), 结果表明各元素间适合进行主成分分析(表 7).结果显示, 8种元素共分为3类.第1主成分(F1)方差贡献率为42.734%, 载荷较高的重金属为Cu、Zn、Hg和Cd; 第2主成分(F2)方差贡献率为28.064%, 载荷较高的重金属为Cr、Ni和Pb; 第3主成分(F3)方差贡献率为12.279%, 载荷较高的重金属为As.

表 7 汤逊湖表层沉积物重金属主成分分析矩阵1) Table 7 Principal component analysis matrix of heavy metals in surface sediments of Tangxun Lake

根据重金属污染评价与生态风险评估结果可以得出, Hg和Cd是汤逊湖表层沉积物中主要污染物.相关性分析和主成分分析结果表明, Hg和Cd可能来自同一污染源.

Hg的主要来源包括含Hg废水的排放、大气中含Hg颗粒物的大气沉降和地表径流, 大部分Hg被保留在沉积物中[30]. 汤逊湖表层沉积物中Hg可能来自污水厂的废水排放, 还可能与工业废气排放后远距离输送所造成的大气污染有关; 武汉市全年降雨丰沛, 含Hg颗粒物的降雨也是重金属入湖的途径之一. 2017年汤逊湖暴发了严重的蓝藻水华, 为控制水体富营养化, 对汤逊湖进行围网拆除, 将集约化渔业养殖转化为生态渔业养殖[31].此前大量的外源性饲料和农药添加导致重金属最终沉积到湖底沉积物中.有研究表明, 水产饲料中的鱼粉含有一定量的Cd元素[24], 农业活动是Cd、Zn和Cr的潜在来源[32, 33].汤逊湖表层沉积物中Cd和Zn等重金属可能来自水产养殖过程中投加的饵料、鱼类的排泄物、农业化肥流失和农药残留等.

综上所述, 汤逊湖表层沉积物重金属可能来自排污口废水排放、渔业和周围工农业活动等复合污染.汤逊湖今后关于重金属Hg和Cd的治理, 应加强流域排污管理, 做好定期清淤等工作.

3 结论

(1) 汤逊湖表层沉积物重金属由大到小排序为: Zn>Cr>Cu>Pb>Ni>As>Cd>Hg, 除Cr外, 其余重金属平均含量均超过其背景值, 重金属含量处于一个高值水平且存在显著性地域差异, Hg、Cd、Zn和Cu元素在湖泊西南角和东北角呈递增趋势, 湖心处Cr、Pb和Ni含量较高.

(2) 地累积指数和潜在生态风险指数分析结果表明Hg和Cd处于偏中度污染, Cu、Pb和Zn处于无-轻度污染, As、Cr和Ni处于无污染状态; Hg和Cd分别存在较重和重度的潜在生态风险, 其余元素均处于低风险水平.整个汤逊湖区的综合潜在生态风险指数在175.58~760.71之间, 平均值为365.05, 整体为较重风险水平, Hg和Cd的风险指数占综合潜在生态风险指数的80%以上, 是汤逊湖重金属污染和生态风险的主要贡献因子.汤逊湖重金属污染治理时需首先关注湖泊沉积物中的Hg和Cd.为减缓汤逊湖沉积物重金属带来的健康和生态危害, 需定期监测重金属特别是Hg和Cd含量超标情况.

(3) 汤逊湖表层沉积物重金属主要污染物Hg和Cd可能来自排污口废水排放、渔业和周围工农业活动等复合污染.

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