长江中下游典型湖泊沉积物中正构烷烃、多环芳烃的源汇解析与生物风险评估

摘要

江汉湖群是我国最大的淡水湖泊群，地处长江中下游，是我国资源丰富、经济发达的地区。随着人类活动的不断干扰，其湖泊面积不断缩小、水体富营养化程度加快、湖泊分类更加细化，其中以复杂碳氢化合物（complex hydrocarbon mixtures，简称CHMs）为主的有机污染也在不断加剧。目前对该区域中有机污染物如正构烷烃(n-alkanes，简称n-A)、多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，简称PAHs)、有机氯农药(Organochlorine pesticides，简称OCPs)等的研究大多局限于基于湖泊有机污染物总浓度的分布特征与源汇解析的探索，而将不同类型湖泊一起综合分析对比的未见报道。
　　本研究中，我们于2013年秋季对长江中下游流域的三个典型的湖泊(东湖、梁子湖、汤逊湖)的沉积物进行采样，分析江汉湖群目前的污染情况，为解决此污染提供一个数据支持。实验测定了沉积物中正构烷烃、多环芳烃以及有机碳，通过分析相关诊断参数确定污染物可能的来源，同时对多环芳烃进行了生物风险评估。
　　实验结果是测得东湖正构烷烃浓度范围为2880～19906ng/g，总多环芳烃浓度为184～1125ng/g，总有机碳范围为0.65％～5.01%；梁子湖正构烷烃浓度范围为1157～23811ng/g，总多环芳烃浓度为44～324ng/g，总有机碳0.79%～4.21%；汤逊湖正构烷烃浓度范围为4580～28502ng/g，总多环芳烃浓度为169～545ng/g，总有机碳浓度范围为0.76%～4.18%。与已有数据中正构烷烃和多环芳烃浓度相比，这三个城市湖泊正构烷烃浓度均属于高值。东湖多环芳烃含量从中度污染水平变化到高度污染水平，梁子湖和汤逊湖的多环芳烃属于中度污染水平。
　　正构烷烃的垂直分布显示，梁子湖和汤逊湖沉积柱正构烷烃浓度在10cm深度以下达到基本稳定而东湖沉积柱在20cm后才基本稳定，推测东湖受到的生物扰动要大于梁子湖和汤逊湖。浓度分布显示主峰碳均为C27、C29、C31和C33，是陆地植物蜡质皮层的最大组成。碳优势指数表明三个湖泊整个沉积柱范围内正构烷烃以高等植物来源为主，且低分子量的正构烷烃主要来源于石油污染；奇偶优势结果表明在表层沉积物正构烷烃为高等植物正构烷烃和人类活动的贡献，随着深度增加奇偶优势指数减少，说明正构烷烃有降解；植物蜡和天然正烷烃结果表明表层沉积物中正构烷烃为陆源高等植物和化石燃料燃烧的共同作用；陆生源与水生源比值结果表明高等植物正构烷烃残余正构烷烃贡献较大；姥姣烷与植烷比值均小于1，显示了缺氧沉积环境和陆相有机质成因；姥姣烷/nC17和植烷/nC18较小表明演化程度较高；(C21+C22)/(C28+C29)值小于1表明正构烷烃来源于陆源有机质；∑C9～20/∑ C20～40大于1则表明了陆源高等植物的来源。
　　对母体PAHs和APAHs进行定性和定量，与2～3环的母体多环芳烃相比，4～6环的多环芳烃占主要组成，表明热解为人类活动的主要来源。二萘嵌苯(perylene)在母体多环芳烃中占有绝对优势，尤其是深度较大的位置，表明沉积柱深处其生物来源比例很高。APAHs中，烷基取代的荧蒽、芘及菲要高于其它组分，并且母体PAHs要高于烷基取代的。随着烷基取代程度的增加，大多数APAHs的浓度呈现出下降的趋势，表明了污染主要来源于热解，其次是化石燃料的直接排放。在三个湖泊不同深度的沉积柱中，母体PAHs一般高于APAHs。与正烷烃的垂直分布相似，梁子湖和汤逊湖沉积柱在10cm后PAHs浓度维持基本不变，而东湖在20cm深度后PAHs浓度才稳定。一般而言，母体PAHs和大部分APAHs浓度随深度增加浓度减小，表明石油碳氢化合物的直接排放与表层沉积物的含量密切相关。然而作为典型的生物PAHs的二萘嵌苯随沉积物深度增加而增加。该研究初步表明，三个湖泊具有很相似的污染特征，但是PAHs的垂直分布受特定环境的影响，因为不同类型的湖泊受到的人类活动影响是不同的。
　　以位于武昌市区中心的东湖为例，东湖受到1970年代至今长期的人类活动影响。这段历史改变了PAHs和正构烷烃在20cm深度的污染水平，相对来说，其他两个湖泊受到的干扰较小，历史记录相对稳定，直到10cm深度处才发生改变。异构体比例分析同样显示了多环芳烃来源在不同的沉积柱段的变化。多环芳烃的生物来源在深层沉积物中占主导地位，而表层沉积物很大程度上受直接排放化石燃料的影响，但热解源仍占主导地位。生态风险评估表明，三个湖泊的PAHs不会引起负面生物效应。
　　类似于正烷烃和多环芳烃，总有机碳(TOC)随沉积物深度的增加迅速下降，然后几乎不变。显然，沉积柱深处存在机物受生物降解过程。三个湖泊的TOC和正烷烃(多环芳烃)的线性回归表明，在东湖、梁子湖和汤逊湖线性相关系数是0.92、0.90和0.89(正烷烃)，0.60，0.91，和0.62(多环芳烃)。这表明，正烷烃、多环芳烃的研究可以揭示这些湖泊中有机物的来源。

目录

声明

第一章绪 论

1.1 有机污染概述

1.2 研究区背景介绍

1.3 沉积物概述

1.4 研究意义、思路和内容

第二章样品的采集与分析

2.1 样品采集方法及信息

2.2 实验材料与方法

2.3仪器分析

第三章正构烷烃分布与来源解析

3.1 正构烷烃简介

3.2 正构烷烃分布及来源解析

第四章多环芳烃分布、来源解析与生态风险评估

4.1 多环芳烃简介

4.2 多环芳烃分布

4.3多环芳烃源汇解析

4.4 多环芳烃的生物风险

4.5 小结

第五章有机碳相关分析

5.1 总有机碳（TOC）

5.2 与沉积柱深度、正构烷烃及多环芳烃的关系

实验结论、创新之处、不足和展望

实验结论

创新之处

不足

展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的文章