武汉典型湖泊沉积物中重金属累积特征及其环境风险

J.LakeSci.(湖泊科学),2009,21(1):[e-mail]©2009byJournalofLakeSciences武汉典型湖泊沉积物中重金属累积特征及其环境风险*唐阵武1,2,程家丽1,岳勇2,3,陈玉敏2(1:华北电力大学能源与环境研究中心,北京102206)(2:水环境模拟国家重点实验室,北京师范大学环境学院,北京100875)(3:中国石油集团安全环保技术研究院,北京100083)摘要:采集武汉市8个典型湖泊的表层沉积物,分析11种重金属的含量及其不同形态组成,研究了不同湖泊金属元素的富集与污染程度,探讨了沉积物中重金属的污染来源及其潜在生态风险.结果表明,沉积物中重金属Cd累积最严重,Zn和Hg也发生明显累积.龙阳湖污染较重,南太子湖和墨水湖污染中等,其它湖泊污染总体较轻.沉积物性质对重金属累积的影响不显著,城市工业活动强烈影响着重金属的分布.不同重金属的形态分布差异较大,Cd生物可利用态含量最高,其次为Mn、Zn、Co、Cu和Pb;而Sb和Hg以残留态占绝对优势,生态风险较小.相关分析和主成分分析表明,化石燃料燃烧、金属冶炼等是武汉市湖泊沉积物中重金属来源的主要贡献者,同时岩石风化等地球化学过程也影响着重金属的污染.关键词:湖泊沉积物;重金属地累积指数;形态;主成分分析;武汉Accumulationsandrisksofheavymetalsinthesedimentsfrom8typicallakesinWuhan,ChinaTANGZhenwu1,2,CHENGJiali1,YUEYong2,3&CHENYumin2(1:EnergyandEnvironmentalResearchCenter,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,P.R.China)(2:StateKeyLaboratoryofWaterEnvironmentSimulation,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,P.R.China)(3:InstituteofSafetyandEnvironmentProtectionTechnologyofChinaNationalPetroleumCorporation,Beijing100875,P.R.China)Abstract:Thecontentandspeciesof11heavymetalsinsurfacesedimentsfrom8typicallakeslocatedinWuhan,China,wereinvestigated,andtheaccumulation,contamination,potentialecologicalrisksandpossiblesourcesofmetalswerediscussedinthispaper.Accordingtothemetalgeoaccumulationindexes,theresultsshowedthatthelakesedimentshadheavilypollutedbyCdandevidentlybyZnandHg.Onthewhole,heavypollutionsofmetalswereobservedinLakeLongyangandmediumpollutioninLakeNantaiziandLakeMoshui,whereastheslightpollutioninotherlakes.Distributionofmetalsinsedimentswasobservedtobenotsignificantcorrelationwithphysicochemicalpropertiesofsediments,whereasdistinctlyinfluencedbyurbanindustries.11metalsdistributeddifferentlyinlakesediments.ThelargestpercentageoftheformofavailablespeciationwasCdinthelakesediments,withmuchhigherpotentialecologicalhazards,followedbyMn,Zn,Co,CuandPb.Incontrary,As,SbandHgweredominantlyassociatedwiththeresidualfraction,indicatingrareadversebiologicaleffects.Correlationanalysisandprincipalcomponentanalysisindicatedthattheheavymealaccumulationinthelakesedimentsweremainlyattributedtothecombustionoffossilfuelaccompaniedwithmetalrefining,andfollowedwiththeeffectsofthebiogeochemicalprocessesofearthweathering.Keywords:Lakesediments;heavymetals;indexofgeoaccumulation;speciation;principalcomponentanalysis;Wuhan由于一些重金属的难降解性、普遍的生物毒性、生物易累积性和生物放大作用,环境中重金属污染一*国家重点基础研究发展规划(973)项目(2003CB415204)和华北电力大学校博士基金项目(200822020)联合资助.2008-05-26收稿;2008-10-21收修改稿.唐阵武,男,1975年生,博士,讲师;E-mail:[e-mail].(湖泊科学),2009,21(1)62直倍受关注[1-3].进入水环境的很多重金属,易被水体中颗粒物吸附进而通过沉淀作用转移到沉积相中;然而在一定条件下,沉积物中的部分重金属又可释放到上覆水体,成为二次污染源[4-5].沉积物中重金属含量通常被认为是水体环境质量的重要表征之一,也是沉积物重金属污染生态风险评价的基础.仅了解重金属的含量还不足以准确评价重金属污染的生态风险.沉积物中重金属通常以不同的地球化学形态存在.不同形态的重金属不但表现出不同的物理化学行为,而且生物可利用性也不同[4-5].近年来,通过重金属元素形态组成的分析,较好的了解重金属污染的潜在生态风险[6-7].沉积物中重金属的来源极其复杂,除来源于矿物岩石的风化淋溶过程、矿山开发、工业废水和生活污水等,很多研究还发现大气沉降、工业点源、交通运输等也是沉积物重金属污染的重要来源[8-10].湖泊是一类相对较为封闭的水体.重金属污染物一旦进入湖泊就较难通过水流冲刷等作用被排出,会对湖泊生态系统造成长期的影响.武汉是长江中游最大的工业城市,也是我国湖泊最多的城市之一.武汉市大小湖泊接受了大量的地表径流、工业废水和生活污水.同时,这些湖泊也是武汉市重要的水产养殖水域,其沉积物中重金属污染水平直接关系到水产品质量安全.以前的研究虽调查了武汉市一些湖泊沉积物中部分重金属污染水平,但对沉积物中重金属形态组成、重金属元素的入湖来源缺乏深入的研究,以致于无法科学地评价沉积物中重金属污染潜在的生态危害[11-13].本文选取了武汉市市区和近郊区具有代表性的湖泊,通过调查沉积物中11种重金属元素含量及形态赋存特征,阐明典型重金属分布规律,准确评价重金属污染的生态风险,揭示湖泊沉积物中重金属污染的主要来源,以期为武汉湖泊重金属污染的风险管理和污染治理提供理论依据和决策支持.1材料和方法1.1样品采集根据武汉市产业布局和湖泊分布特点,优化选取了位于市区和近郊区的具有代表性的8个湖泊(图1).用VanVeen采泥器(Eijkelamp,荷兰)分别在每个湖泊采集3个表层5cm的沉积物,混匀后置于聚乙烯塑料袋中,于实验室内自然风干,剔除动植物残体和石块,研磨,过200目尼龙筛,装瓶待测.1.2分析测定样品的处理采用HNO3-HF-HClO4消煮,感应耦合等离子体光学发射光谱法(ICP-AES,IRISInstrepidII型,美国热电公司)测定钴、铬、铜、锰、镍、锌,感应耦合等离子体质谱谱法(ICP-MS,XSeriesII型,美国热电公司)测定镉、铅、锶,氢化物-原子荧光光谱法(XGY-1011A型,中国地质科学院物理化学探测所)测定锑,冷蒸气-原子荧光光谱法(XGY-1011A型,中国地质科学院物理化学探测所)测定汞.分析所用试剂均为优级纯,所用的水均为超纯水,分析过程均加入国家标准土壤参比物质(GSS1,GSS8,GSS9,GSS10)进行质量控制,其结果符合质控要求.参考相关的连续提取方法[14-16],将沉积物中重金属按可溶解和可交换态(EXC)、碳酸盐态(CARB)、易还原氧化物态(ERO)、有机质态(OM)、残余氧化物态(RO)和残渣态(RES-R)依次提取.6种提取态重金属的回收率(各提取态之和与重金属元素总含量之比)大多在85%-115%,提取实验结果可靠.称取10.0g沉积物,用10.0ml沸腾后冷却的去离子水充分溶解,放置30min,用pH计(Sartorius,德国)测定pH值[17].称取一定量风干沉积物,用1.6%(v/v)的盐酸去除无机碳,然后经60℃烘干后用LiquiTOC分析仪(Elementar,德国)测定沉积物有机碳(TOC)含量(燃烧温度为950℃)[17].沉积物粒径分析见参考文献[18],即用20%的(NaPO3)6作分散剂,SADL-3001激光粒度分析仪(日本)测定.沉积物水分含量的测定用105℃烘12h后质量损失法计算[17].1.3风险评价方法地累积指数(Igeo)是德国学者于1979年提出的一种基于重金属总浓度与背景值的关系来确定重金属污染程度的参数,其计算公式为[19]:n÷(1.5)geo2=lognCBI×(1)式中,Cn是小于2µm沉积物中元素n的含量,Bn为粘质沉积岩(即普通岩)中该元素的地球化学背景值;1.5是考虑了各地岩石差异可能会引起的变动而取的系数.唐阵武等:武汉典型湖泊沉积物中重金属累积特征及其环境风险63图1湖泊表层沉积物采样点位置Fig.1SamplingsitesofsurfacesedimentsfromdifferentlakesIgeo与污染程度的关系如表1所示[19].需要指出的是,通常地累积指数计算中选用工业化前全球沉积物重金属的平均背景值为参比值,而不同地球化学背景可能造成各地所获得的重金属污染信息的差异,因此本文采用湖北省土壤重金属背景值作为计算标准(表2).表1地累积指数与污染分级标准Tab.1IndexofgeoaccumulationandseriesofdegreeIgeo＜00-1＞1-2＞2-3＞3-4＞4-5＞5分级0123456污染程度无无-中中中-强强强-极强极强2结果与讨论2.1重金属累积特征沉积物中各重金属呈现出不同的富集累积特征,Cd、Cu、Hg、Pb和Zn的Igeo平均大于0,有一定程度的累积,其中以Cd累积最为明显;其余各重金属Igeo基本小于0,湖泊沉积物污染较轻(表2).各湖泊沉积物中重金属污染程度也迥异.龙阳湖重金属累积最为明显,除Co、Mn和Ni外,其余重金属的Igeo均大于0,Hg、Pb、Zn、Cd和Cu污染达到了中等到较强的污染水平.龙阳湖位于武汉汉阳工业区腹地,钢铁、化工、合金制造、油漆燃料等工业星罗棋布,而且大量的生活污水也直接排入了该湖泊.位于汉阳的南太子湖和墨水湖,沉积物中Cd、Hg、Pb和Zn也发生了污染.位于近郊的严西湖、后官湖、汤逊湖和后湖