2018, Vol. 42
文章信息
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- HE Pei, ZHANG Ming-ming, LI Qiang, XU Yang, WANG Zhong, LING Jun-fen, HUANG Jin-tian. 2018.
- 我国海洋滩涂主要污染物的研究概况
- Review on main pollutants in marine tidal flat, China
- 海洋科学, 42(8): 131-138
- Marine Sciences, 42(8): 131-138.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180305001
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文章历史
- 收稿日期：2018-03-05
- 修回日期：2018-07-24
2. 盐城工学院, 江苏 盐城 224051;
3. 建湖县水产技术指导站, 江苏 盐城 224700
2. School of Marine and Biological Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, Province Jiangsu, China;
3. Jianhu County Fisheries Technical Guidance Station, Yancheng 224700, Province Jiangsu, China
海洋滩涂其概念的界定, 目前学术界尚未达成共识, 从不同角度出发, 具有狭义和广义之分。在学术上, 海洋滩涂被称为潮间带(Tidal Zone); 在开发利用上, 不仅包括潮间带, 还包括高潮和低潮区域可开发利用的部分, 也有学者称其为海涂与潮滩(Tidal Flat)或者海滩(Coastal Beach)[1], 是一种广义的理解。本文将从广义上的沿海滩涂进行论述。沿海滩涂按照地质构造的不同, 可分为泥滩、砂滩和岩滩三种。我国滩涂分布十分广泛, 北起鸭绿江口, 南至广西北仑河口, 包括四大海域(渤海、黄海、东海和南海)沿岸的11个省市, 横跨热带、亚热带和温带地区, 共有约21 709 km2的广阔滩涂[2]。滩涂是海洋与陆地的过渡带, 可以为生物提供广泛的栖息地或适宜的生境, 且由于环境复杂多变, 退、涨潮时会带来丰富的有机物质, 为滩涂生物提供了充足的营养物质, 使生物多样性增加。不同类型高生产力的滩涂栖息地也吸引着人们进行滩涂的开发和利用。但是, 滩涂的开放性又对滩涂的生态环境构成了一定的威胁, 如城市化进程与工农业迅速发展、大气沉降、陆地河流径流污染物汇聚、海洋船舶石油运输泄漏等, 导致滩涂中多环芳烃类污染物、持久性有机污染物、重金属和新型污染物等引起的污染问题日益突出。
海洋滩涂沉积物是各种污染物在潮间带的汇和源, 污染物质沉积又通过地球化学循环进入水体, 形成二次污染。点源与非点源污染物及无机盐、矿物质的长期输入, 经过沉降和富集, 累积到一定程度, 就会对底栖动物、植物产生相应的毒害效应, 影响动植物群落的组成及丰度, 甚至间接危害人类的健康安全。我国滩涂大部分位于海湾、河口、长江口和黄河口等地区, 这些地区由于城市化进程及人类活动影响, 污染物累积要高于其它滩涂区域。研究一些特殊位置的滩涂沉积物污染特征可为了解掌握滩涂生态环境提供重要的参考信息。因此, 研究各地区污染状况及程度将为滩涂环境污染的预防和治理提供一定的科学依据, 也为海洋生态修复奠定前期基础。
1 滩涂污染物类型 1.1 多环芳烃多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是一类疏水性有机污染物, 具有两个或两个以上的苯环以稠环形式相连接, 广泛分布在沉积物、土壤、空气和水生态系统中[3]。化石燃料的不完全燃烧和其它烃类化合物的燃烧、石油泄漏、工业废弃物、大气沉降和地表径流等是其主要污染来源[4]。滩涂沉积物被认为是PAHs的主要储层, 生活在潮间带区的动植物群落长期暴露于PAHs, 将会给滩涂生态环境带来一系列威胁, 同时, PAHs也被认为是石油中最为剧毒的组分, 通过干扰生物膜流动性发挥其毒性[5]。
滩涂PAHs的浓度分布取决于时空变化、地理形态、水流动力学以及溢油事故的严重程度等因素。据报道, 在高度发达的工业区域, 沿海河口滩涂具有较高的PAHs浓度[6]。在中国, 沿海河口滩涂地区PAHs浓度要高于其他地区, 这是因为河流可将河岸地区的PAHs输送到河口地区。其中, 珠江口的PAHs平均高达1863.0 ng/g[7], 这里是中国农业、经济发达区域最多的地区, 地表径流经河流汇聚此地。大辽河口、长江河口以及岷江河口等地也都具有较高的含量[8]。黄国培[9]对渤海沿岸天津段滩涂沉积物多环芳烃含量分布采用GC/MS进行了分析, 发现渤海湾滩涂PAHs含量呈北高南低的趋势。
我国受石油污染严重, 由于是石油需求大国, 因此造成的石油泄漏事故频频发生。如2010年大连新港输油管道发生爆炸, 污染400 km2的海域[10], 2011年蓬莱19-3海上油田发生溢油500 t的事故, 2016年陕西长庆油田连续发生3次严重石油泄漏事故[11]以及2018年1月14日东海“桑吉”油轮发生爆炸, 形成了10km2的油污带。大量的石油泄露造成海洋生态的污染, 石油中的多环芳烃由于其高疏水性、持久性和低挥发性, 经过潮汐、水动力的作用, 大多积聚在沿海滩涂沉积物中, 又通过动植物呼吸、吸收、摄入和其他方法运输到生物圈, 对潮间带生物造成难以弥补的损害。郭玉清等[12]通过研究渤海潮间带小型底栖动物海线虫与底栖桡足类数量之比的变动表明PAHs对底栖生物群落的组成和结构具有显著影响。PAHs的特性导致了其在环境中持久、难降解, 也可导致其具有急性毒性、遗传毒性和免疫毒性[13]。黄逸君等[14]研究发现PAHs对浮游植物群落的毒性效应, PAHs通过摄取、呼吸、皮肤接触等途径进入生物体, 可造成细胞水平的活体损伤, 如DNA损伤; 也可导致微生物、动物和植物的突变[15]。Bolognesi等将贻贝暴露在高剂量PAHs下, 发现贻贝(Bathymodiolus platifrons)消化腺DNA断线率增高[16]。
1.2 持久性有机污染物持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)是指具有多种有毒物质合成和高度耐环境降解的有机化合物, 主要包括1种多氯联苯(Polychlorinated biphenyls, PCBs)和9种有机氯农药(Organic chlorinated pesticides, OCPs)以及二
OCPs具有生物分解困难、脂溶性高、中度慢性和急性毒性等一些重要特征。在中国, 二氯二苯三氯乙烷(DDTs)和六氯环己烷(HCHs)是生产和使用最广泛的有机氯农药, DDTs平均浓度范围从2.2~10.5 ng/g, HCHs平均浓度范围从0.1~8.6 ng/g[17], 东北部辽河三角洲和珠江三角洲HCHs含量相似, 但均高于比莱州湾、渤海湾等海岸带含量; 而DDTs含量在辽河三角洲、乐清湾、珠三角河口、渤海湾等地区含量相似[18]。PCBs也成为世界关注的一类重要的毒性环境POPs, 长江口(最高148.2 ng/g)和珠江口(最高338.5 ng/g)的PCB浓度明显高于其他区域如厦门湾(最高9.3 ng/g)[17]。这一结果归因于长江口和珠江口分别位于长江三角洲和珠江三角洲经济发达地区, 表明工业发达地区的PCBs污染更为严重。
海洋滩涂沉积物中POPs具有稳定性和持久性, 其慢性毒性对环境严重的生态风险, 它能对底栖生物产生麻醉作用, 并且也会影响滩涂水生动物发育, 诱发畸形, 丧失生育能力造成机体免疫缺陷, 而且POPs可进入水生食物网, 通过食物链起点微藻, 在海产品体内富集, 进入人体积蓄, 对人类的健康构成威胁。如Jo等[19]研究发现, 在长牡蛎(Crassostrea gigas)生命早期阶段, 暴露于POPs临界浓度, 牡蛎胚胎发育更容易受到影响。贺心然等[20]对灌河口潮间带大型底栖动物进行调查, 发现潮间带优势种为光滑河篮蛤(Potamocorbula laevis), 总平均丰度为92个/m2, 低于邻近海域, 相关分析表明, POPs对生物量和丰度具有显著或较大影响。POPs中PCBs对微藻中牟氏角毛藻(Chaetoceros muelleri)和亚心形扁藻(Platymonas subcordiformis)超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase, SOD)活性还具有诱导作用[21]。
1.3 重金属重金属被认为是全球沿海和海洋环境中的主要人为污染物, 重金属元素密度一般大于4.5 g/cm3, 主要包括Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Hg、As、Sn、Ni、Co等。国际上沿海海域重金属污染的研究始于20世纪60年代, 国内大量开展滩涂重金属研究是始于20世纪80年代[22-24]。滩涂重金属污染来源比较广泛, 包括大气的沉降、工业污染、海洋来源和生活污水[25]等。
目前, 在滩涂环境污染研究中受到广泛关注的重金属是Hg、Cd、Pb、As、Cu、Cr和Zn等, 在渤海、黄海和东海海岸带的含量较多, 而在南海及北部湾等潮间带污染程度较轻[26], 这可能由渤海、黄海和东海分别位于大辽河口、黄河口以及长江口的地表径流导致的。锦州湾是中国渤海西北岸辽东湾西北部重要的港湾之一, 据报道, Cd、Zn、Cu、Pb、Hg、As、Cr和Ni在沉积物中的含量分别为488、13933、1227、1828、41、820、72和96 mg/kg[26], 重金属Zn污染较明显, 天津沿海潮间带重金属分布趋势从北到南逐渐降低, 可能是由于北段沿海厂矿污水排放高于南部[27]。在中国东部黄海胶州湾重金属Hg和Cu污染也较为突出[28]。崇明东滩是长江口最重要的滩涂之一, 李雅娟等[29]利用ArcGIS地理信息系统空间插值法研究了重金属的空间分布, 结果表明, Cu、Pb、Zn、Cd含量分别为42、27、69、71和0.23 μg/g, 均超过当地背景值, Cd、Pb、Cu污染程度较高。在中国南方, 广西北海潮间带沉积物中重金属含量一般比中国其他地区较低, 生态风险系数(PER)分别为Zn(69.81)、Pb(16.58)、Cu(12.76)、As(9.08)、Cd(0.22)和Hg(0.07), 生态风险都相对轻微[30]。这与中国北方工业的大力发展有关, 相对而言, 北海岸线比南部地区重金属污染更为严重, 而中国南部沿海地区重金属污染程度较轻。
重金属在水体中能形成螯合物和金属络合物, 易吸附在潮间带沉积物中, 经物理化学作用, 最终在沉积物中蓄积; 也能充当重金属源, 影响物种多样性和丰度, 致使海洋滩涂生态系统恶化[31], 并沿水生食物链进行生物放大, 威胁到上层营养级甚至是人类的健康。Al-Sayed等从巴林沿海两个牡蛎养殖场测定牡蛎重金属蓄积程度, Pb和Cd的浓度分别为1.8~14.0 μg/g和0.4~3.8 μg/g, 均高于世界卫生组织推荐的标准值[32]。张莹[33]等研究了莱州湾多毛类底栖动物群落生态特征, 绝对优势种为小头虫, 多样性指数与重金属Pb、Cu、Zn、Cd的含量呈负相关。
1.4 新型污染物新型污染物与传统污染物不同, 它们是新近出现或是一直存在, 但是认识有限的化合物。新型污染物仅在过去的20多年间才被发现并广泛研究, 由于检测到环境中含量水平相对较低, 所以缺乏敏感准确的分析方法, 并与其对应的政策法律法规尚不完善, 评价的污染指标缺乏统一的标准。但这些污染物普遍存在于水生和陆地环境中, 包括人为和天然存在的化学品、药物和个人护理产品、非法药物、工程纳米材料和抗生素抗性基因的代谢产物和转化产物等[34], 故新型污染物主要来自人类相关活动、市政污水处理厂排放、以及动物、农业和水产养殖, 还有在治疗上施用的抗生素和用于调节生殖系统、动物生长的合成激素。这些化合物均可在污水处理厂中的废水、地表水、饮用水和地下水中检测到[35]。
目前, 研究结果显示, 新型污染物的暴露量并不是特别严重, 而且不同海域的滩涂新型污染物沉积量和种类差异较大, 如渤海半封闭的地理位置更容易使污染物沉积。多溴联苯醚(Polybrominated diphenyl ethers, PBDEs)是一类重要的溴代阻燃剂, 被广泛应用在工业产品中。全氟类化合物(Perfluorinated compounds, PFCs)中, 全氟辛酸(Perfluorooctanoic acid, PFOA)和全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane sulfonate, PFOS)也是应用最广的两种全氟化合物, 同时还有抗生素类在环境中广泛存在。研究表明, 青岛近海岸沉积物污染物中PBDEs含量较高, 以六溴代以下的化合物为主[36]; 莱州湾和渤海湾河口地区沉积物中PBDEs也显著高于长江三角洲河口地区[37]。PFOS在长江口沉积物中含量最高, 显著高于珠江口, 黄浦江沉积物中以PFOA为主[38], 温州近海滩涂沉积物中PFOS和PFOA也明显较高, 相对而言, 南海沿岸和近海珠江三角洲地区含量较低[39]。抗生素污染的检测表明, 发现主要有脱水红霉素、磺胺甲恶唑和甲氧苄氨嘧啶, 史晓东等[40]调查发现崇明东滩新型污染物主要为双氯芬酸钠和红霉素, 这些抗生素都能对沿海滩涂产生不同程度的污染。
各种药物、抗生素及化工制品等新型污染物的出现, 不仅产生生态毒害作用, 还由于其疏水性和亲脂性特征而积聚在生物群中, 通过食物链积累和生物放大, 影响人类的免疫系统、神经系统和生殖系统。美国海鲜抗生素调查报告[41]指出, 滩涂贝类中可检测到5种抗生素, 尽管含量不高, 但长期接触低浓度抗生素会产生耐药性, 进而突变产生抗生素的抗性基因, 诱发超级细菌的产生。Liu在绿色贻贝(Perna viridis)中, 对两个占主要地位的PFOS和PFOA进行了环境毒性检测, 结果表明PFCs能在生物不同水平上诱发一系列不良反应, 包括氧化应激、DNA损伤、膜不稳定、抑制滤过率和体重减轻, 并且相关分析表明, 活性氧的过量产生可能是主要的毒性途径[42]。
2 滩涂沉积物污染生态风险评价生态风险评价(ecological risk assessment, ERA)能够为环境污染的预防和治理提供依据, 主要包括鉴别污染物、检测污染物效应浓度及危害程度, 同时, 人体健康风险也被囊括为生态风险评价。
近几十年来, 各种风险评估指标已被应用于评估滩涂沉积物中污染物的环境风险, 其中, 重金属评估指标主要包括:地理累计指数(geoaccumulation index, Igeo)[43]、富集因子(enrichment factor, EF)[44]、沉积物质量基准法(sediment quality guidelines, SQGs)、Hakanson潜在生态风险指数法[45]、污染负荷指数法、次生相富集系数法和尼梅罗综合指数法等[46]; 其次, 有机污染物在滩涂沉积物生态风险评价中, 常用的方法有沉积物质量基准法(SQGs)[47]、沉积物质量标准法(SQSs)[48]和BaP毒性当量浓度[49]等。由于单一评价方法存在一定的缺陷, 人们通常采用多种评价方法相结合来评价沉积物中重金属污染程度, 如Sun等[50]选取沉积物质量基准法和地理累计指数法评价闽江潮间带沉积物重金属污染水平, 通过SQGs划分阈值效应水平(threshold effects level, TEL)和可能效应水平(probable effects level, PEL), 当某一污染物浓度低于TEL时, 生物毒性作用可能不存在, 而高于TEL时, 经常发生生物毒性作用, 当其浓度范围从TEL到PEL时会偶尔发生毒性作用[51], 得出只有一个站位采集的样品中Pb和Ni超过PEL水平, 其余站位Pb、Cr、Cu、Zn和Ni都在PEL值以下, 属于中度污染; 而基于地理累计指数将污染程度划分为未污染到严重污染六个等级, Ni污染程度表现较为严重, 其余重金属污染水平仍然在中下程度, 这与SQGs法评价结果基本一致; 滩涂沉积物中持久性有机污染物的风险评价通常采用Long等[47]学者提出的沉积物中POPs环境质量标准进行的, 依据SQGs将POPs各类污染物含量划分为生态效应低值(effects range low, ERL)和生态效应中值(effects range mean, ERM)。黄磊等[52]通过效应区间低中值法对三沙湾表层沉积物中POPs风险程度进行评估, 结果表明PAHs、PCBs和OCPs的污染程度及生态风险均处于较低水平。BaP毒性当量浓度是PAHs生态风险评价中的一种致癌毒性评估方法, 选择致癌性强、生理毒性特征研究最清楚的苯并[a]芘(BaP)作为参照物质, Qian等[53]采用BaP毒性当量因子(toxicity equivalence factor, TEF)用于估计渤海湾潮间带表层沉积物中BaP毒性当量(BaPeq)浓度, 潮间带沉积物中7种致癌PAHs当量的浓度为3.84 ~28.78 ng/g, 平均值为15.44 ng/g。7种致癌PAHs的平均BaPeq都大于各自TEF值, 占16种PAHs的98.54%, 说明这七种致癌PAHs在该地区污染较为严重, 由于其对人类潜在的毒性危害, 需要引起重视。
3 滩涂污染物的治理措施目前滩涂沉积物污染治理既是研究的热点, 也是研究的难点。滩涂污染治理的基本策略是运用最有效的技术和方法, 去除或减少滩涂污染环境中污染物, 常用的方法有物理修复、化学修复和生物修复等。
通过人为控制污染源的排放, 使沉积物自然降解或自身净化的方法, 是一种最常用的物理修复手段, 但耗时较长, 且具有一定的局限性。还有如安全填埋, 高温焚烧, 热解析等, 都属于物理修复, 但是这些手段费用较高, 且只能治理污染程度较轻、区域较小的地方。化学修复主要是运用化学试剂进行化学反应, 使沉积物中污染物质降解成无毒或毒性较低的化合物。常用的化学试剂有过氧化氢、氯化铁、铝盐和石灰等。如陈彩成等[54]运用高级氧化修复技术去除滩涂中的石油, 当过氧化氢(H2O2)与滩涂沉积物之比为0.05, Fe2(SO4)3与H2O2摩尔比为0.1时, 去除率达57.4%, FeSO4与Na2S2O2摩尔比为0.05时, 去除率达60.4%。生物修复又包括植物修复和微生物修复, 是指利用生物代谢治理环境污染, 利用植物、动物和微生物等吸收、降解及转化, 使污染物浓度降低。Paquin等[55]利用20种植物降解PAHs, 其中, 矮木槿(Hibiscus tiliaceus)和香根草(Vetiver zizanoides)降解PAHs, 降解率高达90%;吕芳等[56]采用室内培养褐藻海黍子(Sargassum muticum)和红藻脆江蓠(Gracilara chouae), 海黍子对重金属Zn2+和Cd2+的富集能力高于脆江蓠。相对于上述修复技术, 微生物修复效果更为明显, 利用微生物繁殖快、适应性强等特点, 可以将有害有机污染物降解为水和二氧化碳等小分子化合物或是将重金属转化为无毒化合物。Johri等[57]发现鞘胺醇单胞菌3d就能完全降解5 mg/L的α-HCH; Abbondanzi等[58]通过平板菌落划线法从沉积物中直接筛选降解PAHs土著微生物, 并将其应用到沉积物中进行污染治理, 效果较好。Balachandran等[59]使用分离出的土著链霉菌(Streptomyces taceae)对石油和PAHs进行降解, 7 d内对柴油和萘去除率高达98.25%和99.14%。微生物修复能够经济有效地对滩涂沉积物污染进行修复, 且修复损害程度低, 是较理想的滩涂污染修复手段。
4 展望随着滩涂资源开发利用的加强, 沿海滩涂环境受到了一定程度的影响, 随之而来的是滩涂生物和人类食品的安全问题。如何加强滩涂污染监测、如何控制滩涂污染及其修复, 是目前亟待解决的重要问题。在未来, 应加强技术的革新, 需通过互联网平台对滩涂污染状况进行实时更新, 研究污染物快速检测技术, 建立有害污染物预警系统; 加强研究各类型污染物转化迁移规律、富集规律, 追踪污染源, 从不同的海域、不同的范围和不同的视角进行系统性研究, 做到预防、控制和治理相结合。近年来, 国内外对滩涂沉积物污染进行了大量的研究, 但大多数都集中于某一类污染物质, 对某一地区的污染状况调查也并不全面。监测某地区滩涂污染状况, 应综合全面考虑各种类型污染物, 才能真实反应该地区污染程度, 从而进行综合有效治理。通过现场调查监测和历史资料收集分析筛选示范区生态修复的动植物品种, 为了避免生物入侵尽量选用土著种。根据对不同污染物的降解功能和特征来筛选生态修复的微生物品种。在复合污染的滩涂区可以利用动植物与微生物进行联合修复。但是, 这些品种的选择都要符合生态系统的结构理论、生态位和生态适宜性原理等。滩涂污染物的监测和研究, 也是当前海洋生态修复的必需前期基础。
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