论文摘要
河口湿地和海湾系统受到各种海陆作用的共同影响,系统内物理化学过程复杂多变,同时由于人类活动在该区域排放大量持久性有机污染物,使得系统生态环境极其脆弱,因此对河口湿地和海湾系统内持久性有机污染物的富集和传输研究十分重要和急迫。本文选取长江口和密西西比河口、Nueces湿地、崇明东滩湿地和Mission-Aransas保护区以及北墨西哥湾作为典型研究区,分析两大河口表层沉积物的PAHs累积机制,揭示水-沉积物界面PAHs的迁移机制,深入探究沉积物-植物系统、沉积物-底栖动物系统和水-生物系统内PAHs传输机制,并对浮游动物富集原油中PAHs的机制进行了分析和讨论。长江口滨岸表层沉积物中PAHs含量在252.2～627.0ng g-1之间,长江口口外表层沉积物中PAHs含量在39.4～177.5ng g-1之间,呈现滨岸带高于口外、南岸高于北岸的规律；而密西西比河口表层沉积物PAHs含量为174.5-990.9ng g-1,湾内沉积物含量类似,高值出现在河流入海口及深海漏油点。两个河口地区表层沉积物PAHs分布特征具有一定的相似性,随采样点远离河口深入海洋,表层沉积物PAHs含量呈递减趋势。在组分组成方面,两个地区表层沉积物的PAHs都以3～4环为主,超过总PAHs含量的60%,并且随着远离河口,5-6环的比例逐渐降低。源解析表明两个河口PAHs都主要来源于热解,但长江口滨岸带和近海地区的PAHs主要来源于煤及生物质的燃烧,而密西西比河河口及墨西哥湾地区的PAHs主要是由石油类产品的消耗产生,这与两个地区的能源消耗类型相吻合。本研究没有发现有机碳与沉积物PAHs含量存在显著相关性,但是PAHs分布特征表明沉积物中的PAHs含量与污染源的距离,水动力以及泥沙沉降等地理要素密切相关。尽管两个地区沉积物中的PAHs含量都低于评价标准的低值,但是仍可能对生态系统造成威胁。由于溶解态的PAHs具有较高的生物可利用性,因此重点开展了沉积物-水界面PAHs迁移与影响机制的研究。研究表明沉积物干湿交替过程能够显著影响PAHs的化学行为,经历干湿交替后,菲,荧蒽和芘较易从沉积物中释放出来。研究认为,干燥过程引起了有机质结构的改变导致了一部分PAHs的快速释放。研究还揭示了不同粒径颗粒物释放PAHs的机制,大粒径颗粒较易释放出PAHs,此外,相对于煤和生物质燃烧源的PAHs,石油源PAHs较易释放。解析吸附试验表明,由于PAHs在基质中存在时间尺度不同,使得干湿轮替对于沉积物中老化时间不同的PAHs产生截然相反的影响。研究认为,当PAHs进入沉积物后经过较长时间的物理化学过程,PAHs能够渗入到有机质内部的疏水集团中存在,干燥过程将这些集团暴露到有机质外部或者降低了这些集团与PAHs之间的分子吸附力,加速了此类PAHs的快速释放。然而对于新加入的PAHs,由于时间较短,这些PAHs分子大多分布在有机质表面或微孔结构中,以物理吸附力为主,当干燥过程导致微孔结构和有机质3维结构的塌陷时,这些PAHs被封闭在有机质中,不能参与沉积物水界面的分配,因此反而抑制了这类PAHs的快速释放。在沉积物-植物系统内PAHs的迁移特征研究中发现,根系沉积物PAHs含量为56.8～102.4ng g-1,低于植物覆盖的表层沉积物PAHs含量（112.4-136.2ngg-1）,但高于光滩表层沉积物PAHs含量（38.7-109.9ng g-’）,表明植物与沉积物间存在PAHs的传输。植物系统各组织PAHs含量为51.9-181.2ng g-1,除互花米草外,植物组织中的PAHs含量呈现从下而上逐渐增加的趋势,且各个组织中PAHs组分分布相似,表明植物组织具有相似的PAHs富集机制。其中叶片组织与表层沉积物,根系组织与根系沉积物具有显著相关性,表明表层沉积物的PAHs可能源于落叶效应,而根系组织的PAHs则源于根系沉积物。中低环PAHs在沉积物和植物中都占主要组分,但是沉积物中的高环PAHs组分要高于植物组织。源解析表明沉积物中PAHs主要来自于煤或生物质的燃烧,而植物组织中的PAHs来自于造岩和热解的混合源,暗示植物能够通过叶片组织和根系组织吸收两种方式富集PAHs。主成分分析指出,沉积物和植物组织中PAHs的组分具有差异性,也表明植物对PAHs组分的吸收具有选择性。通过对根系-沉积物富集因子的计算,发现中低环PAHs相对较易被植物吸收,而高环PAHs的植物可利用性较低。进一步分析发现,生物富集因子与PAHs的Kow存在相关性。不同生境下沉积物-蟹类系统内PAHs勺迁移机制研究表明,蟹类PAHs含量水平较为稳定（37.3-103.4ng g-1）,不随生境条件变化呈现显著差异。然而,不同性别蟹类软组织中PAHs含量随生长周期发生变化,在冬春季节,雄蟹体内PAHs的含量高于雌蟹；而在夏秋季节,雌蟹体内PAHs含量较高。生物富集因子（BAFs）表明,蟹类表现出对低环PAHs较强的富集作用,但对高环PAHs的利用性较差。源解析表明,沉积物中的PAHs主要源于热解,而蟹类体内PAHs主要来自于石油类产品,反映蟹类对PAHs的吸收可能来自于对上覆水PAHs的吸收利用。相比而言,东滩蟹类对PAHs的富集能力强于Mission-Aransas保护区,表明蟹类对PAHs的富集与蟹类的暴露程度和摄食习性密切相关。水-生物系统PAHs富集迁移研究结果表明,水相PAHs含量最低（30.8ngL-1）,悬浮颗粒物中PAHs浓度最高（492.0ng g-1）；水生生物系统中,浮游动物体内PAHs含量最高,达到366.6ng g-1,鱼类体内PAHs含量为100ng g-1左右,未发现营养级放大效应,通过TMF计算发现,在鱼类-浮游动物系统中,PAHs存在随营养级升高递减的趋势,即PAHs存在营养级稀释现象。然而,在生物体PAHs组分研究中发现,在各类生物体内富集的2-3环PAHs占60%以上,4环PAHs能够在所有动物体内检测到,但仅在部分鱼类样品中检测到极少量的5-6环PAHs,暗示多环芳烃仍能够通过营养级进入高等动物体内。浮游动物连接着生产者和高级消费者,因此对浮游动物富集PAHs的机制进行了深入研究。浮游动物体内PAHs平均含量由河口到远海呈现先增加后减少的趋势,远海区浮游动物体内PAHs含量与脂含量相关性较好,但河口浮游动物体内PAHs含量与脂含量没有相关性,表明河口地区浮游动物与PAHs结合方式的多样化。不同粒径大小的浮游动物体内PAHs含量介于200-900ng g-1之间,其中含Tunicata比例较高的500-1000μm部分的PAHs含量最高,表明Copepods虽然所占海洋浮游动物的比例最高,但是其对PAHs的富集能力弱于Tunicata。原油培养结果表明浮游动物对中高环PAHs勺富集作用强于低环PAHs,而其富集PAHs的方式不仅仅是简单的表面吸附作用,还通过摄食在体内富集PAHS。