厦门湾海水-沉积物系统PCDD/Fs的多相分配及颗粒垂直通量研究

【作者】 蔡明刚； 洪清泉； 纪凯献； 何建华； 高树基； 梁俊华； 林静；

【机构】 厦门大学海洋与地球学院； 近海海洋环境科学国家重点实验室； 台湾阳明大学环境与职业健康科学研究所； 国家海洋局第三海洋研究所；

【摘要】 于2011年12月采集厦门湾海水、沉积物样品,开展海水-沉积物系统多氯代二苯并二噁英/呋喃(Polychlorinated dibenzo-p-dioxins and diben zofurans,PCDD/Fs)的多相分配及颗粒垂直通量研究。首次获得PCDD/Fs在厦门湾海水中悬浮颗粒态、胶体态和自由溶解态的含量、水平与垂直分布,沉积物中PCDD/Fs的时空分布,PCDD/Fs的来源和海水-沉积物系统颗粒态PCDD/Fs的垂直通量等特征,提升了对海洋环境中PCDD/Fs的多相分配和颗粒垂直通量过程的认识。取得了以下成果:厦门湾水体17种2,3,7,8-PCDD/Fs总含量(ΣPCDD/Fs)为35.389-283.933pg/L,平均为145.156pg/L,其中PCDDs含量为34.929-282.554pg/L,占ΣPCDD/Fs的98.6%-99.6%。总体上,厦门湾水体PCDD/Fs含量处于较高水平。水体中PCDD/Fs的毒性当量(采用WHO 2005年的毒性当量因子计算)为0.084-0.422pgTEQ/L(平均为0.250pgTEQ/L),超过美国EPA规定的水质标准(0.14pgTEQ/L)。其中,对毒性当量贡献最大的为1,2,3,7,8-P5CDD,其次为O8CDD和1,2,3,4,6,7,8-H7CDD。表层水体中PCDD/Fs浓度随离九龙江口距离的增大而减小,表明九龙江水体输入是研究区域PCDD/Fs的输入途径。垂直水体中PCDD/Fs呈现上层水体和底层水体含量较高而中层水体含量较低的分布,主要与载带PCDD/Fs的悬浮颗粒物在水体中的迁移有关。上层水体由于载带大量颗粒物的九龙江水体输入而有较高的PCDD/Fs含量,底层水体则主要由于沉积物的再悬浮作用从沉积物释放颗粒态PCDD/Fs。水体中PCDD/Fs在悬浮颗粒态-胶体态-自由溶解态的三相间主要以悬浮颗粒态存在,占98.4%-99.7%,PCDD/Fs在颗粒物与表观溶解态间的分配接近平衡。PCDD/Fs在三相间的分配是温度、盐度、pH、Chl-a、DOC、SPM、POC/SPM等因素共同作用的结果。其中,POC/SPM、Chl-a、pH和DOC主要控制胶体态和自由溶解态间的分配,SPM主要控制颗粒态的含量与分配。厦门湾沉积物PCDD/Fs的含量为1129.656-3806.936pg/gd.w.,平均含量为1809.188pg/gd.w.,总毒性当量为1.60-6.65pg TEQ/g,平均为2.49pg TEQ/g,其毒性当量主要由五至八氯代的PCDDs贡献。根据Hemming等(2003)提出的风险评价标准,厦门湾表层沉积物的PCDD/Fs含量对生物没有毒性风险。沉积物中PCDD/Fs含量与沉积物中的细颗粒(粘土、粉砂)和TOC含量存在正相关关系,说明沉积物中PCDD/Fs主要受细颗粒和TOC吸附作用控制。表层沉积物中PCDD/Fs的分布与水体中颗粒态PCDD/Fs的分布相似,从河端至海端逐渐降低,说明九龙江水体载带的颗粒态PCDD/Fs往外海迁移过程中的沉降和埋藏是沉积物中PCDD/Fs的主要来源。对柱状沉积物的研究表明,在百年时间尺度上,PCDD/Fs呈现波动变化,其中最大值出现在1970年代。海水和沉积物中PCDD/Fs的同系物组成相似,均以O8CDD为主,其次为H7CDD,另有少量O8CDF和H7CDF。结合1,2,3,6,7,8-H6CDD与1,2,3,4,7,8-H6CDD的比值,判断厦门湾PCDD/F的主要来源是污水污泥的输入,PCP(五氯酚)杂质的输入有限。百年时间尺度上,PCDD/Fs的同系物组成几乎不变,说明近100年内,PCDD/Fs几乎不发生降解。对海水-沉积物界面颗粒PCDD/Fs的垂直通量估算结果为,表层水体颗粒PCDD/Fs垂直沉降通量为9878.86-65148.84ng/m2a,平均32625.96ng/m2a。水柱的PCDD/Fs垂直沉降通量为4002.80-12962.85ng/m2a。沉积物对PCDD/Fs的埋藏通量为2057.17-157176.23ng/m2a,沉积物再悬浮作用向水体释放的PCDD/Fs通量为3026.29-8375.26ng/m2a。在扩散作用和降解作用可以忽略的条件下,九龙江河口沉积区和外海区水体中颗粒PCDD/Fs在下沉过程中大部分通过水平输送输入到邻近海域,而在西港与九龙江水体交汇的快速沉积区,周围海域水体中PCDD/Fs在此快速沉积并发生埋藏。在河口区,尤其是沉积速率较慢的区域,沉积物再悬浮通量不能忽略,证明了河口区沉积物为PCDD/Fs的"二次污染源"。更多还原