盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响

李保, 唐诗月, 曾一川. 盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响[J]. 环境化学, 2024, 43(3): 1059-1063.
引用本文: 李保, 唐诗月, 曾一川. 盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响[J]. 环境化学, 2024, 43(3): 1059-1063.
LI Bao, TANG Shiyue, ZENG Yichuan. Impact of salinity fluctuation on partitioning behavior of pollutants at water-sediment interface[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(3): 1059-1063.
Citation: LI Bao, TANG Shiyue, ZENG Yichuan. Impact of salinity fluctuation on partitioning behavior of pollutants at water-sediment interface[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(3): 1059-1063.

盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响

    通讯作者: E-mail:819984414@qq.com
  • 基金项目:
    上海市水务局科研项目(沪水科2019-09)资助.

Impact of salinity fluctuation on partitioning behavior of pollutants at water-sediment interface

    Corresponding author: ZENG Yichuan, 819984414@qq.com
  • 摘要: 由于长江口河口在径流和潮流双重作用下,时常有盐水入侵现象的发生,且有长期存在的枯季“咸潮上溯北支倒灌进入南支”现象,因此盐度因子是影响水源地水质的重要因子之一. 为保障用水安全以及精准预测水源地水质变化,本研究开展盐度波动对氨氮和总磷在水沙界面运移影响研究. 结果表明,对于氨氮而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果可以同时提升其在泥沙颗粒相的吸附量,其中盐度的影响效果优于水流扰动强度;当盐度过高时,水沙分配系数随扰动强度增长呈抑制的趋势更明显. 对于总磷而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果难以同时体现并解析,即当盐度为主要影响因素时,水流扰动强度对吸附量的影响基本可以忽略,反之亦然.
  • 溴酚类化合物(bromophenols,BrPs)不仅具有人为来源,被用作阻燃剂、木材防腐剂等,也具有海洋藻类合成等天然来源,是重要的海洋风味物质[1-2]. 根据苯环上溴原子的取代数目和位置不同,BrPs有19种化合物(图1),在大气、水、土壤、油松树皮及海洋生物等环境样本中均有检出[3-6],甚至在血液和脐带血等人体样本中也有检出[7],电子厂工人血清中检出的BrPs浓度为360 pg·g−1 ww (湿重) [8]. 2,4,6-三溴酚 (2,4,6-bromophenol,2,4,6-triBrP)和五溴酚(pentabromophenol,pBrP)不仅能破坏生物体内甲状腺激素的平衡,也具有显著的抗雌激素效应[9-10]. 因此,BrPs逐渐引起学者们的广泛关注.

    图 1  19种BrPs的化学结构式
    Figure 1.  Chemical structures of 19 BrPs

    海洋中的螺类、贝类和鱼类等动物经摄食藻类可以累积BrPs,经转化等途径也可以将一些人为污染物(如多溴代二苯并二噁英及多溴代二苯并呋喃等)转化为BrPs[11]. 海产品在居民(特别是沿海居民)的膳食结构中占有重要地位,随着人们对健康生活的需求,海产品在膳食中所占的比重呈现显著增加趋势,因此关注海产品质量安全极为必要. 已有研究发现,中国香港市售不同种类海产品中BrPs的含量和分布存在差异[12],但我国其他城市市售海产品中BrPs的赋存情况,特别是海产品中常食用的部位(如贝肉、鱼肉)中BrPs的赋存尚不清晰. 因此,本研究选取9种居民喜食且消费量大的海产品,开展江苏省连云港市海产品中19种BrPs的组织分布及种间差异的研究,为BrPs的生态健康风险和食品安全提供数据支撑.

    于2021年7月在江苏省连云港市某海鲜市场采集了人们广泛食用、销售量较大的一些海产品,包括双壳类软体动物(牡蛎、紫贻贝和扇贝)、螺类(脉红螺、扁玉螺和花螺)、和鱼类(海鲈鱼、小黄花鱼和金鲳鱼)共9种捕捞的野生海产品. 每种海产品均采集个体大小相近的新鲜样品,在冷藏条件下运回实验室. 贝类和螺类用去离子水清洗后分离去壳,用解剖刀和镊子将每个双壳贝类个体的鳃、外套膜和肉(包含闭壳肌)部分分离,用吸水纸吸干组织表面水分. 由于贝类除鳃和外套膜以外的其他组织以大量贝肉和少量内脏为主,无法将内脏清晰分离,且人们食用这几种贝类通常是净化处理后将贝肉(包括闭壳肌)和内脏团一起食用,因此将内脏合并到贝肉中进行分析和讨论. 螺类样品则分离为螺肉和内脏部分. 为保证足够的样品量并避免个体差异的影响,每种贝与螺的每种组织都由20—35只个体的样品混合而成. 鱼类样品则被分离为鳃、肉和内脏(所有内脏混合在一起)部分,每种组织的样品均由3—4条鱼体的组织混合制备. 每种生物组织的混合样品均进行了准确的质量称量,精确到0.01 g. 随后将所有样品冷冻干燥后用小型粉碎机将其研磨为粉末状固体,密封在棕色玻璃瓶中,置于-20 ℃冰箱中. 海产品个体的干重、湿重等信息详见表1.

    表 1  9种海产品的样本数量、组织重量以及含水率.
    Table 1.  Numbers, weights, and the moisture content for the 9 tested seafood samples.
    种类Species拉丁名Latin name数量Quantities部位Tissues湿重/gWet weight干重/gDry weight含水率/%Moisture content
    牡蛎Crassostrea gigasn=2017.03.0981.8
    外套膜20.64.4978.2
    91.021.076.9
    扇贝Patinopecten yessoensisn=3023.95.9675.1
    外套膜25.36.7273.4
    15737.775.9
    紫贻贝Mytilus edulisn=3517.43.4280.3
    外套膜43.812.072.6
    10522.179.0
    脉红螺Rapana venosan=20内脏46.514.568.9
    11327.475.7
    花螺Babylonia areolatan=35内脏55.718.267.2
    11327.475.7
    扁玉螺Glossaulax didyman=35内脏99.532.467.4
    20055.072.5
    小黄花鱼Larimichthys crocean=418.56.4265.3
    内脏67.129.256.6
    鱼肉55321061.9
    金鲳鱼Trachinotus ovatusn=317.86.0865.8
    内脏57.335.637.8
    鱼肉48721057.0
    海鲈鱼Lateolabrax japonicusn=338.413.166.0
    内脏88.858.733.9
    鱼肉62118070.9
      注:湿重、干重、含水率均基于n个个体的混合样品计量.   Note:The wet weight, dry weight, and the moisture content were based on the mixed samples of individualities.
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    19种BrPs标准物质,包括2-一溴酚(2-monobromophenol, 2-mBrP)、3-一溴酚(3-bromophenol, 3-mBrP)、4-一溴酚(4-bromophenol, 4-mBrP)、2,3-二溴酚(2,3-dibromophenol, 2,3-diBrP)、2,4-二溴酚(2,4-dibromophenol, 2,4-diBrP)、2,5-二溴酚(2,5-dibromophenol, 2,5-diBrP)、2,6-二溴酚(2,6-dibromophenol, 2,6-diBrP)、3,4-二溴酚(3,4-dibromophenol, 3,4-diBrP)、3,5-二溴酚(3,5-dibromophenol, 3,5-diBrP)、2,3,4-三溴酚(2,3,4-tribromophenol, 2,3,4-triBrP)、2,3,5-三溴酚(2,3,5-tribromophenol, 2,3,5- triBrP)、2,3,6-三溴酚(2,3,6-tribromophenol, 2,3,6-triBrP)、2,4,5-三溴酚(2,4,5-tribromophenol, 2,4,5-triBrP)、2,4,6-triBrP、3,4,5-三溴酚(3,4,5-tribromophenol, 3,4,5-triBrP)、2,3,4,5-四溴酚(2,3,4,5-tetrabromophenol, 2,3,4,5-tetraBrP)、2,3,4,6-四溴酚(2,3,4,6-tetrabromophenol, 2,3,4,6-tetraBrP)、2,4,5,6-四溴酚(2,4,5,6-tetrabromophenol, 2,4,5,6-tetraBrP)、pBrP,均购自加拿大Wellington Laboratories. 同位素内标物质13C6-4-mBrP、13C6-2,4-diBrP、13C6-2,4,6-triBrP、13C6-2,3,4,6-tetraBrP 和13C6-pBrP购自美国Cambridge Isotope Laboratories. 以上标准物质纯度均大于95%. 所有标准溶液均保存于棕色毛细管瓶,并放于4℃冰箱中保存. 色谱级甲醇、乙腈、二氯甲烷等有机溶剂均购自J.T. Baker公司. Poly-Sery WAX(500 mg/6 mL, CNW Technologies GmbH) 和醋酸铵购自中国上海安谱实验科技股份有限公司,盐酸购自国药集团化学试剂有限公司.

    前处理方法参照已有文献[13],并依据样品性质进行了微调. 准确称量2.00 g样品置于50 mL离心管中,加入20 mL乙腈:二氯甲烷溶液(1:1, 体积比)和20 μL同位素混合内标(13C6-4-mBrP、13C6-2,4-diBrP、13C6-2,4,6-triBrP,浓度分别为(500 ng·mL−1). 分别经超声(53 kHz,20 min)和振荡 (275 次·min−1,20 min)顺序萃取,以3500 r·min−1速度离心10 min取其上清液. 重复萃取3次,合并的萃取液氮吹至近干,用甲醇复溶后过0.22 μm聚四氟乙烯(PTFE)滤膜,随后用盐酸调节样品pH值至2.0±0.01. 随后用Poly-Sery WAX固相萃取柱(500 mg/6 mL)进行浓缩和净化,萃取柱先用6 mL甲醇和6 mL超纯水预处理,上样后用3 mL超纯水洗去杂质. 再用15 mL甲醇进行洗脱,收集洗脱液置于棕色小瓶中,经氮吹定容至500 μL.

    本研究采用高效液相色谱-三重四极杆串联质谱仪(HPLC-MS/MS)(Ultimate 3000, Thermo Fisher Science, U.S.;Triple-Quad 5500, AB SCIEX, U.S.)检测19种BrPs.

    液相色谱条件:色谱分离柱为 Inertsil ODS-4(150 mm×3.0 mm×2 μm, GL Science, Japan),进样量为 5 μL,柱温控制在40 ℃,流动相为含1 mmol·L−1 醋酸铵的水(A)和含0.1%乙酸的乙腈(B)的混合溶剂,流速为0.3 mL·min−1. 流动相梯度为:0 min,45%B/55%A;15 min,70%B/30%A;20—23 min,80%B/20%A;27 min,60%B/40%A;27.5—30 min,45%B/55%A. 质谱条件:在负离子多反应监测模式下对BrPs进行检测,离子源为电喷雾离子源,温度为500℃,离子化电压为-4500 V,气帘气和喷雾气的流速分别设定为38 psi和50 psi. 不同种BrPs检测的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压见表2.

    表 2  不同BrPs的母离子、定量离子、碰撞能和去簇电压
    Table 2.  The precursor and quantitative ion, collision energy, and declustering potential for different BrP congeners.
    化合物Compounds母离子(m/z)Precursor ion定量离子(m/z)Quantitative ion碰撞能/eVCollision energy去簇电压/eVDeclustering potential
    mBrPs170.878.8−22−85
    172.880.8−22−85
    diBrPs250.878.8−30−110
    80.8−30−110
    triBrPs328.878.8−70−120
    80.8−70−120
    tetraBrPs408.678.8−85−130
    80.8−85−130
    pBrP488.678.8−82−130
    80.8−82−130
    13C6−4-mBrP176.878.8−22−85
    178.880.8−22−85
    13C6−2,4-diBrP256.878.8−30−110
    80.8−30−110
    13C6−2,4,6-triBrP334.978.8−70−120
    80.8−70−120
    13C6−2,3,4,6-tetraBrP414.678.8−85−130
    80.8−85−130
    13C6−PBrP494.678.8−82−130
    80.8−82−130
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    基于海产品不同组织混合样品的质量与对应组织中BrPs浓度,计算得到每个海产品中不同种类BrPs及∑4BrPs的个体平均含量,公式如下:

    =m1×C1+m2×C2+m3×C3+m1+m2+m3

    其中,m1、m2、m3…分别代表不同组织混合样品的质量(g),C1C2C3…分别代表对应的不同组织混合样品中BrPs含量(ng·g−1 dw).

    每10个样品分析一组9点标准曲线(0.1、 0.2、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng·mL−1R2>0.995). 用2.00 g色谱纯硅藻土作为空白样品进行相同的全流程提取分析,在程序空白和仪器空白实验中均未检出BrPs. 每个样品均加入10.0 ng 同位素内标物质(20 μL, 500 ng·mL−1),以校正和消除样品前处理及仪器波动的影响. 除2,3,4,5-tetraBrPs回收率为58.8%外,海产品中其他18种BrPs回收率范围为77.1%—105%. BrPs的浓度值以干重计量,方法检出限(3倍噪声)范围为0.0248—32.1 ng·g−1 dw. 为了便于与文献数据进行对比,文献中BrPs含量如果以湿重或脂重计,则通过文献中给出的含水率(若文献中无含水率数据则按照贝、螺、鱼的含水率(80%)计算)或脂肪含量推算为以干重计的BrPs含量.

    在采集的螺、贝和海鱼样品中,共检出了4种BrPs,分别为4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP和2,4,6-triBrP,在所有海产品各部位样品中的检出率分别为87.5%、54.2%、50.0%和100%,其他15种BrPs在海产品中均未检出. 有研究表明[12, 14],4-mBrP、2,6-diBrP、2,4-diBrP和2,4,6-triBrP是藻类、鱼类、软体动物、甲壳类动物等海洋生物中广泛检出的BrPs,其中以2,4,6-triBrP占比最高,与本研究结果一致. 在多个海产品相关的研究中还检出了2-mBrP、2,3,4-triBrP、2,3,5-triBrP、2,3,6-triBrP、2,4,5-triBrP、2,4,6-triBrP、3,4,5-triBrP、2,3,4,5-tetraBrP、2,3,4,6-tetraBrP、2,3,5,6-tetraBrP、pBrP等其他多种BrPs[15-17],但这些BrPs在本研究中均未检出,这可能与不同种BrPs的来源、环境暴露浓度、累积特性以及海产品种类有关.

    经海产品个体中BrPs含量推算,牡蛎、扇贝、紫贻贝、脉红螺、花螺、扁玉螺、小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼中∑4BrPs个体平均含量分别为33.0、15.2、2.25、23.2、18.7、3.11、7.85、9.52、13.0 ng·g−1 dw(图2). 比较不同海产品的含量发现,3种贝类中∑4BrPs、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量((16.8±12.6)、(0.304±0.272)、(14.4±10.7) ng·g−1 dw)高于3种螺类((15.0±8.60)、(0.284±0.112)、(10.0±8.43) ng·g−1 dw)和鱼类((10.1±2.17)、(0.0136±0.0193)、(7.10±0.654) ng·g−1 dw),4-mBrP和2,6-diBrP则在螺类((0.863±0.785) ng·g−1 dw和(3.82±4.76) ng·g−1 dw)中高于贝类和鱼类. BrPs在物种间的差异,与生物的习性和生活环境有关,在韩国东南沿海、中国北江等区域的研究显示,BrPs在海洋沉积物中的浓度高于海水[5, 18],因此,贝类样品,特别是牡蛎和扇贝中某些BrPs单体的含量远高于螺类和鱼类,可能与其长期在沉积物中的底栖生活习性相关.

    图 2  9种海产品中BrPs及∑4BrPs的个体平均含量 (ng·g−1 dw)
    Figure 2.  The individual mean levels of BrPs and ∑4BrPs in 9 seafood (ng·g−1 dw)

    在3种贝类中,牡蛎的∑4BrPs、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP个体平均含量最高(33.0、4.70、28.0 ng·g−1 dw),接下来是扇贝(15.2、0.774、13.4 ng·g−1 dw),二者均远高于紫贻贝(2.24、<MDL、1.88 ng·g−1 dw). 扇贝的4-mBrP和2,4-diBrP含量(0.343、0.677 ng·g−1 dw)高于牡蛎(0.221、0.0352 ng·g−1 dw)和紫贻贝(0.161、0.200 ng·g−1 dw). 本研究牡蛎中的溴酚单体4-mBrP、2,4,6-triBrP的个体平均含量高于中国香港地区牡蛎中对应BrPs的含量(<MDL、平均值(8.98±6.82) ng·g−1 dw,范围1.37–18.1 ng·g−1 dw)[12]和美国俄勒冈州州立大学海洋研究站获取的两种牡蛎样品中对应BrPs含量(<MDL、10.0、6.00 ng·g−1 dw)[19];2,6-diBrP处在中等水平,高于中国香港地区牡蛎(平均值(0.858±0.616) ng·g−1 dw,范围0.345—2.18 ng·g−1 dw)[12]低于美国俄勒冈州州立大学海洋研究站的两种牡蛎(含量5.00 ng·g−1 dw和6.00 ng·g−1 dw)[19];但溴酚单体2,4-diBrP的含量远低于中国香港牡蛎(平均值(30.6±18.5) ng·g−1 dw,范围9.8—52.9 ng·g−1 dw)[12]和在美国俄勒冈州的牡蛎(6.00 ng·g−1 dw和6.00 ng·g−1 dw)[19]. 本研究3种贝类中2,4,6-triBrP的个体含量的平均值((14.4±10.7) ng·g−1 dw)远高于在欧洲意大利、丹麦、法国、爱尔兰、西班牙等国家市场上采集的软体动物/甲壳类动物中2,4,6-triBrP的含量(范围0.316—3.73 ng·g−1 dw,数据经文献中脂肪含量换算)[20].

    在3种螺类中,∑4BrPs和2,4,6-triBrP的含量按照脉红螺(23.2 ng·g−1 dw和21.8 ng·g−1 dw)、花螺(18.7 ng·g−1 dw和5.85 ng·g−1 dw)、扁玉螺(3.11 ng·g−1 dw和2.41 ng·g−1 dw)依次递减. 花螺中4-mBrP和2,6-diBrP含量(1.97 ng·g−1 dw和10.5 ng·g−1 dw)高于脉红螺(0.337 ng·g−1 dw和0.935 ng·g−1 dw)、扁玉螺(0.278 ng·g−1 dw和<MDL). 与另外3种BrPs不同,2,4-diBrP在扁玉螺中最高为0.419 ng·g−1 dw,接下来依次为花螺(0.288 ng·g−1 dw)和脉红螺(0.144 ng·g−1 dw).

    对于3种鱼类,在金鲳鱼中∑4BrPs、2,6-diBrP含量(13.0、6.70 ng·g−1 dw)最高,接下来依次为海鲈鱼(9.52、1.51 ng·g−1 dw)和小黄花鱼(7.85、0.713 ng·g−1 dw). 海鲈鱼中2,4,6-triBrP和4-mBrP含量(7.91 ng·g−1 dw和0.0854 ng·g−1 dw)高于小黄花鱼(7.07 ng·g−1 dw和0.0244 ng·g−1 dw)和金鲳鱼(6.31 ng·g−1 dw和0.0332 ng·g−1 dw). 金鲳鱼和小黄花鱼均为咸水鱼,只能在海洋中生活,而海鲈鱼在海水与淡水中均能生活,因此海鲈鱼还有可能受到淡水生活环境的影响,而2,4,6-triBrP作为人为生产的溴代阻燃剂,往往对流经城市和人类生活区的淡水水体影响更大,这也可能是海鲈鱼体内2,4,6-triBrP含量高的原因.

    对于紫贻贝,除2,6-diBrP未检出外,检出的BrPs(4-mBrP、2,4-diBrP、2,4,6-triBrP)及∑4BrPs(0.197、0.262、4.00、4.46 ng·g−1 dw)均主要累积在鳃内(图3),高于贝肉(0.187、0.188、1.81、2.19 ng·g−1 dw)和外套膜(0.102、0.204、1.42、1.73 ng·g−1 dw)中对应BrPs的含量. 扇贝鳃中4-mBrP(0.663 ng·g−1 dw)和2,4-diBrP(1.20 ng·g−1 dw)也高于外套膜(0.326 ng·g−1 dw和0.681 ng·g−1 dw)和贝肉(0.295 ng·g−1 dw和0.594 ng·g−1 dw). 这说明鳃也是贝类BrPs暴露及分布的重要组织. 牡蛎和扇贝的贝肉中2,4,6-triBrP(31.0 ng·g−1 dw和15.9 ng·g−1 dw)、∑4BrPs的含量(36.3 ng·g−1 dw 和16.8 ng·g−1 dw)高于鳃和外套膜. 另外,牡蛎与扇贝中2,6-diBrP在外套膜中(6.04 ng·g−1 dw与4.00 ng·g−1 dw)高于鳃和贝肉中含量. 对3种贝类中BrPs的组织分布进行比较,发现紫贻贝各组织中的∑4BrPs均远低于牡蛎和扇贝,BrPs在3种贝类中的组织分布差异与3种贝类不同的生活方式和生长特性有关,牡蛎、扇贝多生活在潮间带、潮下带、低潮带底泥中,而紫贻贝多生活于浅海区附着在岩礁上,从BrPs浓度相对较低的海水中滤食,使其体内BrPs含量相较牡蛎和扇贝要低. 而紫贻贝的外套膜占个体干重的32.0%,远高于牡蛎(15.7%)和扇贝(13.3%). 紫贻贝、牡蛎、扇贝外套膜中∑4BrPs含量分别占对应贝类个体BrPs含量的24.6%、10.9%、8.79%. 由此可见,不同种贝类间相同生物组织在其体重中的占比也影响了BrPs的浓度分布. 整体上,贝类肉中∑4BrPs((18.4±14.0) ng·g−1 dw)高于鳃中((13.5±8.68) ng·g−1 dw)和外套膜((11.5±8.71) ng·g−1 dw).

    图 3  牡蛎、扇贝、紫贻贝不同组织中BrPs的含量及分布(ng·g−1 dw)
    Figure 3.  Levels and tissue distributions of BrPs in Crassostrea gigas, Patinopecten yessoensis, and Mytilus edulis (ng·g−1 dw)

    3种螺中各种BrPs及∑4BrPs在内脏中的含量均远高于螺肉中的含量(图4). 3种螺内脏中∑4BrPs平均含量((21.7±12.6) ng·g−1 dw)远高于螺肉((3.37±2.41) ng·g−1 dw). 对于螺肉样品,花螺螺肉中∑4BrPs最高(6.59 ng·g−1 dw)(图4),分别是脉红螺(2.71 ng·g−1 dw)和扁玉螺 (0.806 ng·g−1 dw)的2.43倍和8.18倍. 花螺的螺肉和内脏中4-mBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP的含量均高于脉红螺、扁玉螺的对应部位. 2,4-diBrP的最高浓度出现在扁玉螺的螺肉和内脏团中(图4). 3种螺螺肉中∑4BrPs的平均含量((3.37±2.41) ng·g−1 dw,范围0.806—6.59 ng·g−1 dw)远低于3种贝肉的平均含量((18.4±14.0) ng·g−1 dw,范围2.19—36.3 ng·g−1 dw),但花螺和脉红螺螺肉中∑4BrPs的含量则高于紫贻贝贝肉.

    图 4  脉红螺、花螺、扁玉螺(a)和小黄花鱼、海鲈鱼、金鲳鱼(b)不同组织中BrPs的含量及分布特征
    Figure 4.  Levels and tissue distributions of BrPs a. Rapana venosa, Babylonia areolate, and Glossaulax didyma ;b. Larimichthys crocea, Trachinotus ovatus, and Lateolabrax japonicus

    图4所示,小黄花鱼、海鲈鱼和金鲳鱼肉中的∑4BrPs含量(2.21、5.29、2.87 ng·g−1 dw)均远低于内脏(37.8、31.3、41.5 ng·g−1 dw)和鳃中的含量(56.1、28.0、25.4 ng·g−1 dw). 检出率最高的2,4,6-triBrP在鱼体中的最高浓度均出现在3种鱼的鱼鳃(56.0、28.0、25.3 ng·g−1 dw)中. 这说明鳃也是鱼类2,4,6-triBrP暴露与分布的重要组织. 4-mBrP和2,6-diBrP在内脏团中的含量均高于鱼肉和鱼鳃中(图4). 其中金鲳鱼内脏中的2,6-diBrP(26.4 ng·g−1 dw)占∑4BrPs(41.5 ng·g−1 dw)的63.6%,超过了检出率最高的2,4,6-triBrP(15.0 ng·g−1 dw,占比36.1%),这一比例也远高于小黄花鱼和海鲈鱼中2,6-diBrP所占比例(15.9%和31.9%)以及文献中报道的鱼类肠胃中2,6-diBrP所占的比例(0—16.9%)[1, 12]. 2,4-diBrP除在小黄花鱼的内脏团中检出(0.344 ng·g−1 dw)外,在小黄花鱼其他组织、海鲈鱼和金鲳鱼的所有组织中均未发现. 3种鱼中检测到的BrPs的∑4BrPs平均含量在内脏中含量最高为(36.9±4.22) ng·g−1 dw,高于鳃((36.5±13.9) ng·g−1 dw)和鱼肉((3.46±1.32) ng·g−1 dw),与其他研究中发现的内脏含量高于肉中含量的现象是一致的.

    本研究的海鲈鱼鱼肉中以2,4,6-triBrP为主要BrPs单体,与文献中同种鱼的检测结果一致,但2,4,6-triBrP的含量(5.20 ng·g−1 dw)高于澳大利亚市场上采集的野生与养殖尖吻鲈鱼鱼肉中的含量(平均值(0.0857±0.0481) ng·g−1 dw,范围<MDL—0.800 ng·g−1 dw,经含水率80%计算)[21],低于在瑞典斯德哥尔摩群岛的Nämdö岛周围采集的鲈鱼鱼肉的含量(平均值(6.59±3.15) ng·g−1 dw,范围:(1.45—10.0) ng·g−1 dw,经含水率80%换算)[22];4-mBrP含量((0.0900) ng·g−1 dw)低于澳大利亚尖吻养殖鲈鱼鱼肉中的含量((0.250) ng·g−1 dw,以鱼肉含水率80%计干重)[21]. 本研究海鲈鱼鱼肉中2,4-diBrP和2,6-diBrP均未检出,但在澳大利亚尖吻野生鲈鱼中均有检出.

    与其他种类的鱼相比,本研究3种鱼鱼肉中2,4,6-triBrP含量平均值((3.17±1.44) ng·g−1 dw)低于在中国香港市场上采集的不同季节的河豚与褐斑石斑鱼的鱼肉(平均值(15.6±9.91) ng·g−1 dw,范围(2.43–39.2) ng·g−1 dw)[12]和从美国阿拉斯加、密歇根湖、威斯康星州等地采集的鲑鱼、鲱鱼等鱼肉中2,4,6-triBrP的含量((18.5—166) ng·g−1 dw)[19]. 本研究3种鱼内脏中2,4,6-triBrP含量平均值((22.5±6.72) ng·g−1 dw)也均低于在中国香港的河豚与褐斑石斑鱼(平均值(49.1±50.2) ng·g−1 dw,范围(2.18—155) ng·g−1 dw)[12]和澳大利亚新南威尔士州采集的多种底栖食肉性与杂食性鱼类(平均值(203±264) ng·g−1 dw,范围<MDL—850 ng·g−1 dw,按照含水率80%计算)[23] 内脏中2,4,6-triBrP的含量. 本研究3种鱼类的鱼肉及内脏中BrPs含量低于其他研究1—2个数量级,整体上处在较低水平.

    在贝类、螺类和鱼类的鳃、外套膜、内脏、肉等不同组织中共检出4种BrPs,4-mBrP、2,4-diBrP、2,6-diBrP、2,4,6-triBrP,其中2,4,6-triBrP含量水平和检出率均相对较高,在9种海产品所有组织中的浓度范围为0.512—56.0(平均值:(14.1±13.8) ng·g−1 dw),∑4BrPs的范围为0.806—56.1(平均值:(18.2±15.5) ng·g−1 dw). 3种贝类中∑4BrPs个体平均含量高于3种螺类和鱼类. 3种贝类鳃中∑4BrPs高于外套膜和贝肉. 3种螺的内脏和鳃中∑4BrPs含量平均值远高于螺肉中的含量. 3种鱼内脏中的∑4BrPs含量平均值远高于鳃和鱼肉. 研究证实了BrPs在不同海产品内脏中的高累积,另外鳃也是海产品BrPs暴露及分布的重要组织.

  • 图 1  长江口水源地监测点位分布示意图

    Figure 1.  Map of source water monitoring sites in the Yangtze River Estuary

    图 2  水流扰动强度(左)和盐度(右)变化对氨氮在水沙界面迁移转换的影响

    Figure 2.  Impacts of waterflow disturbance (left) and salinity (right) on water-sediment partitioning of ammonia nitrogen

    图 3  水流扰动强度(左)和盐度(右)变化对总磷在水沙界面迁移转换的影响

    Figure 3.  Impacts of waterflow disturbance (left) and salinity (right) on water-sediment partitioning of total phosphorus

    图 4  氨氮水沙分配系数拟合曲线与拟合二元曲面

    Figure 4.  Regression curves and bivariate surface of water-sediment partitioning of ammonia nitrogen

    图 5  总磷水沙分配系数拟合曲线与拟合二元曲面

    Figure 5.  Regression curves and bivariate surface of water-sediment partitioning of total phosphorus

  • [1] 天宇, 郭珺. 上海: 加强集中式饮用水水源地环境保护[J]. 中国环境监察, 2018(11): 24-27.
    [2] 朱宜平. 长江口青草沙水域外海正面盐水入侵特点分析[J]. 华东师范大学学报(自然科学版), 2021(2): 21-29.
    [3] WANG H, YAN H Y, ZHOU F N, et al. Dynamics of nutrient export from the Yangtze River to the East China Sea[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2019, 229: 106415. doi: 10.1016/j.ecss.2019.106415
    [4] WANG H, YAN H Y, ZHOU F N, et al. Changes in nutrient transport from the Yangtze River to the East China Sea linked to the Three-Gorges Dam and water transfer project[J]. Environmental Pollution, 2020, 256: 113376. doi: 10.1016/j.envpol.2019.113376
    [5] 王宝强, 李萍萍, 沈清基, 等. 上海城市化对局地气候变化的胁迫效应及主要影响因素研究[J]. 城市发展研究, 2019, 26(9): 107-115.
    [6] 史军, 崔林丽, 杨涵洧, 等. 上海气候空间格局和时间变化研究[J]. 地球信息科学学报, 2015, 17(11): 1348-1354.
    [7] 郑庆锋, 史军, 谈建国, 等. 2007—2016年上海颗粒物浓度特征与气候背景异同分析[J]. 环境科学, 2020, 41(1): 14-22.
    [8] 陈庆强, 孟翊, 周菊珍, 等. 长江口细颗粒泥沙絮凝作用及其制约因素研究[J]. 海洋工程, 2005, 23(1): 74-82.
    [9] 姜鲁青. 感潮河段沉积物—水界面营养盐交换行为研究: 以青岛李村河为例[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2011.
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出版历程
  • 录用日期:  2024-03-27
  • 刊出日期:  2024-03-27
李保, 唐诗月, 曾一川. 盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响[J]. 环境化学, 2024, 43(3): 1059-1063.
引用本文: 李保, 唐诗月, 曾一川. 盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响[J]. 环境化学, 2024, 43(3): 1059-1063.
LI Bao, TANG Shiyue, ZENG Yichuan. Impact of salinity fluctuation on partitioning behavior of pollutants at water-sediment interface[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(3): 1059-1063.
Citation: LI Bao, TANG Shiyue, ZENG Yichuan. Impact of salinity fluctuation on partitioning behavior of pollutants at water-sediment interface[J]. Environmental Chemistry, 2024, 43(3): 1059-1063.

盐度波动对水体中污染物在水沙界面迁移的影响

    通讯作者: E-mail:819984414@qq.com
  • 1. 长江水利委员会长江口水文水资源勘测局,上海,200136
  • 2. 河海大学环境学院,南京,210098
基金项目:
上海市水务局科研项目(沪水科2019-09)资助.

摘要: 由于长江口河口在径流和潮流双重作用下,时常有盐水入侵现象的发生,且有长期存在的枯季“咸潮上溯北支倒灌进入南支”现象,因此盐度因子是影响水源地水质的重要因子之一. 为保障用水安全以及精准预测水源地水质变化,本研究开展盐度波动对氨氮和总磷在水沙界面运移影响研究. 结果表明,对于氨氮而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果可以同时提升其在泥沙颗粒相的吸附量,其中盐度的影响效果优于水流扰动强度;当盐度过高时,水沙分配系数随扰动强度增长呈抑制的趋势更明显. 对于总磷而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果难以同时体现并解析,即当盐度为主要影响因素时,水流扰动强度对吸附量的影响基本可以忽略,反之亦然.

English Abstract

  • 上海市濒江临海,一直以黄浦江为主要供水来源,然而随着城市供水范围扩大,供水需求增加,并且人们对水质的要求越来越高,从长江口取水成为解决上海水源紧缺的关键[1]. 由于长江口特殊的地理位置及“三级分汊,四口入海”的形态格局,长江口时常有盐水入侵的现象发生[2],在枯季大潮期间尤为严重[3]. 特别是近年来,长江流域重大水利工程的实施以及长江口北槽深水航道治理工程的完成,导致长江上游来水的季节分布及长江口北槽河势发生变化,对长江口盐度的时空分布及盐水入侵格局产生潜在作用,盐水入侵成为长江口水源地供水安全的制约因素[4].

    盐水入侵影响污染物的在水沙界面的运移,目前鲜有针对由于盐水入侵引起的盐度因子变化对水质常规因素潜在影响的研究. 为保障用水安全以及精准预测水源地水质变化,开展盐度波动对污染物在水沙界面运移影响的室内模拟实验非常必要. 本文研究了总磷及氨氮在水沙界面运移的影响,可为精准预测水源地水质变化提供理论基础.

    • 100 μg·mL−1的氨氮标准液(BW085514); 100 μg·mL−1的总磷标准液(BW085527);人工海水预设(设定质量浓度的人工海晶盐溶液).

      沉积物样品制备:在长江口的3个水源地设置沉积物采样点位(沉积物取样点位与盐度测定点位一致,枯季采集1次,见图1),样品剔除砾石和较大杂质后,匀化装入清洁的塑胶方盘,用聚乙烯保鲜膜在盘底铺垫,盘口覆盖带回实验室. 另外,适量预留沉积物样品,放在瓷盘内,置于阴凉通风处慢慢风干,去掉大部分水分. 至半干时压碎大块,除去动植物残体、杂石等. 自然风干后,80℃恒温干燥12 h,用有机玻璃研磨,过100目尼龙筛.

      采用岛津紫外可见分光光度计UV-1900i定量分析水相样品中氨氮和总磷的浓度水平,氨氮测定方法为纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009),总磷测定方法为钼酸铵分光光度法(GB/T11893-1989). 水-沙相间振荡反应和物质称量分别使用常州国华气浴恒温振荡器(双数显)SHZ-82(回旋)和圣海恒平FA2004电子分析天平.

    • 500 mL锥形瓶分别加入1.75 mL100 mg·L−1氨氮标准液和0.5 mL100 mg·L−1的总磷标准液,加入70 mg的采集泥沙,再依次加入0、0.5、2.5、7.5 g的人工海晶盐. 获得氨氮和总磷的初始浓度分别为0.35、0.1 mg·L−1,含沙量为140 mg·L−1,盐度依次为0‰、1‰、5‰、15‰的实验组,0 g组作为对照组. 室温(25 ℃)下4组实验样静置2 h后过滤,测定过滤后清样的氨氮和总磷浓度. 根据氨氮和总磷的质量变化,计算2 h的氨氮和总磷的吸附量.

      再配制5组氨氮、总磷初始浓度分别为0.35 mg·L−1与0.1 mg·L−1,含沙量为140 mg·L−1,盐度依次为0‰、1‰、5‰、15‰的实验组. 将第一组试样放入恒温振荡器中,调整振荡频率至30 r·min−1,振荡2 h后取出试样过滤,测定过滤后清样的氨氮和总磷浓度. 再根据氨氮和总磷的质量变化,计算2 h时的氨氮和总磷吸附量. 重复上述步骤,分别将振荡器的振荡频率调至50、70、100、130 r·min−1,震荡2 h后取出试样,过滤,测定过滤后清样中的氨氮和总磷的浓度. 根据最后测得的氨氮和总磷的浓度计算相应的吸附量.

    • 为定量化、统一化描述盐度波动对污染物在水-沙间分配的影响,λij=SiSj1. 其中,i为盐度梯度下标,表示0‰,1‰,5‰,15‰的4种盐度条件;j为30、50、70、100、130 r·min−1的5档扰动条件;SiSj代表在相应盐度和扰动条件下,上覆水中污染物浓度(mg·L−1). 由此可以得出:当λij>0时,该特定水盐条件下对污染物分配在水相起促进作用;反之,当λij<0时,该特定水盐条件下对污染物分配在水相起抑制作用.

      采用对数模型、指数模型、二次模型、三次模型的预设模型进行拟合,选择R2值(确定系数,度量拟合优度的统计量)最大的一种模型的拟合公式作为该组的拟合关系, u代表转速(r·min−1). 然后,将盐度(S)、扰动条件(u)作为两个自变量,各水质因子的水沙分配λ为因变量,拟合二元非线性函数曲面,形成λ=λ(S,u)定量关系.

    • 图2在盐度条件不变时,水相浓度随扰动强度的增长率分别为:−0.0441、−0.0996、−0.0442、0.0506,平均0.0343. 表明随着盐度的逐渐增加,水流扰动强度在颗粒物对氨氮的吸附过程中的影响也越来越大. 盐度条件一定时,泥沙颗粒对水体中氨氮的吸附量随着水流扰动强度的增强而逐渐增大. 这是由于水流扰动强度的增强,导致沉降的泥沙再度悬浮,增大了水沙界面的接触面积,继而使泥沙颗粒对水体中氨氮的吸附量增加.当盐度为15‰,水流扰动强度达到50 r·min−1时,水体中氨氮浓度达到最低值0.265 mg·L−1. 在扰动强度为30—50 r·min−1 时,盐度变化对泥沙吸附氨氮为促进作用. 可能是因为随着盐度的增加,泥沙颗粒逐渐形成体积较大的絮凝体,增强了泥沙颗粒对氨氮的吸附作用,导致氨氮的吸附量不断增大. 扰动强度继续增大,此时对悬沙吸附起到抑制作用. 但当水流扰动强度达到100 r·min−1时,泥沙颗粒对氨氮的吸附量出现明显的下降,这可能是由于当前的水流扰动强度已然达到泥沙的起悬速度,且泥沙颗粒处于“普遍动“的状态[57],此时氨氮在水沙界面的迁移转化达到了动态平衡,由于氨氮的再释放,增强水流扰动强度,氨氮的吸附量出现了不升反降的现象.

    • 盐度条件不变时,变化水流扰动强度,水体中泥沙颗粒物对总磷的吸附量的变化如图3所示. 盐度为0、1‰、5‰、15‰时,水相浓度随扰动强度的增长率分别为:−0.0261、0.0323、0.0072、−0.0474,表明在水流扰动强度影响颗粒物对总磷的吸附过程中,盐度仅起到微弱的影响作用.

      当水流扰动强度不变时,泥沙颗粒对水体中总磷的吸附量随着盐度的增加而先增大后减小,其原因是当水体中盐度上升时,随之增加的还有水体中高价阳离子的数量,泥沙吸附这些高价阳离子之后,中和了泥沙表面负电荷,整体上降低了泥沙表面电位,泥沙颗粒之间的排斥力也随之减小,泥沙颗粒更容易产生絮凝[8-9]. 而后强扰动打碎絮凝体,释放部分吸附的总磷. 当水体中泥沙颗粒对总磷的吸附量在盐度为15‰、水流扰动强度为0 r·min−1时达到最大值0.160 mg·L−1. 对总磷而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果难以同时体现. 水流扰动强度和盐度呈相反趋势.

    • 对于氨氮因子三次模型对于各盐度梯度条件下都具有良好的拟合程度,且相对于总磷而言具有更高的可决系数(图4). 所有盐度条件拟合下,氨氮的最高次位系数均为负. 拟合氨氮因子水沙分配系数关于盐度(S)和水流扰动强度(v)的二元非线性函数关系,得到下式,其中:S为盐度(‰);v为扰动强度(r·min−1);π为圆周率;e为自然底数. λNH3N(S,v)=0.0111+0.0262sin(0.671πSv)0.0254e(0.7703v)2,(R2=0.685,均方根误差=0.2006) .

      图4可以看出,对于盐度S来说,λNH3N随盐度变化呈“S”型波动关系,在盐度为0‰附近略微下降,在5‰、10‰时均为促进作用;后在10‰—15‰,由促进逐渐在区间中段转为抑制作用. 对于扰动强度,vλ起到近似于线性的抑制作用. 盐度影响系数总体为正,在目标水盐条件区间内对污染物分配在水相整体起到了促进作用.

    • 三次模型对于各盐度梯度条件下都具有良好的拟合程度,见图5. 4种盐度梯度条件下可决系数分别为0.723、0.687、0.612、0.782. 盐度为1‰时,其最高次位系数为正,其余皆为负.

      进一步拟合总磷因子水沙分配系数关于盐度(S)和水流扰动强度(v)的二元非线性函数关系,得到关系式如下:λTP(S,v)=0.0003+6.03×105sin(0.4824πSv)0.0007e(1.669v)2,(R2=0.626,均方根误差=0.00026).

      图5可以看出,对于盐度S来说,λTP呈两段起伏关系,在盐度为0‰—5‰的区间为先抑制后促进的关系;在盐度为5‰—15‰的区间内由抑制转向促进,进一步细分,在盐度为5‰—10‰的区间内为抑制作用,在10‰附近达到最低点,而后在10‰—15‰由抑制转促进作用;而对于扰动强度来说,vλ起到近似于线性的促进作用. 整体上来看,盐度影响系数总体上为负,表明在目标水盐条件区间内对污染物分配在水相整体起到了抑制作用.

    • (1)在强扰动、高盐度的水体环境下,氨氮因子的水沙分配系数效果更好,但是总磷有相反趋势,且当水流扰动强度达到使颗粒物完全悬浮后,水流扰动强度对颗粒物吸附污染因子的影响相对小.

      (2)盐度和水流扰动强度在水体中泥沙颗粒物吸附总磷的过程中起到促进作用;而水流扰动强度和盐度的增加均会导致水相中氨氮的水沙分配系数增加.

      (3)对于氨氮而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果可以同时提升在沙相中的吸附量,其中盐度的影响效果优于水流扰动强度;当盐度过高时,水沙分配系数随扰动强度增长呈抑制的趋势更明显.

      (4)对于总磷而言,水流扰动强度和盐度两者的影响效果难以同时体现,即当盐度为主要影响因素时,水流扰动强度对吸附量的影响基本可以忽略,反之亦然.

    参考文献 (9)

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