中国东南部典型农业流域土壤、水体中重金属与有机污染物调查与风险评价

摘要

农业流域的重金属与农药、激素等有机物的污染有其自身特征，但目前此方面的研究较少。本论文研究了我国东南部典型农业流域——苕溪流域及其四岭水库小流域土壤、水体中重金属与农药、激素等有机物污染情况，并评估了污染的健康风险，具体研究内容与结果如下: 本论文首先通过在线水质监测系统研究了2011年9月至2012年9月四岭水库的基本水质特征，计算了综合水质指数WQI(包含10种参数:pH、水温、EC、DO、浊度、TDS、CODMn、TP、TN和NH4+-N)和WQImin（包含5种参数:pH、水温、EC、DO和浊度）。采用相关性分析及冗余分析比较了WQI和WQImin，结果表明秋季和冬季时四岭水库的水质良好，春季和夏季时水质则逐渐变差。WQImin和WQI所反映的水质变化趋势一致（R2为0.99），而分析WQImin所需的指标少、成本低，故WQImin更适用于淡水库的水质监测。在冬季时，WQI与DO呈显著正相关。此外，结果显示该水库有爆发水华的风险，气候条件是影响水库水质的重要因素。本研究表明WQI可以提供有价值的信息，为地表水资源开发、地表水水质监测提供管理决策依据。 采集四岭水库流域农田土壤，测定7种重金属元素Zn、Cu、Mn、Fe、Cr、Cd和Pb的含量。采用多元统计分析法分析冬季和夏季土壤中重金属元素含量的变化，并评估了土壤的污染状况。研究发现冬季土壤中大部分重金属的浓度高于夏季，而Cr和Cd的季节分布则较为随机。主成分分析及聚类分析结果表明人类活动显著影响土壤中Zn、Cd、Pb、Cr和Cu的分布。Zn、Cd和Pb的富集系数(EF)较高，而地质累积指数(Igeo)和污染系数(Cf)则显示土壤中Zn、Cr、Cd和Pb达到了中污染到高污染程度。 采集四岭水库流域地表水样，分析Zn、Cu、Mn、Fe、Cr、Cd和Pb的时空变化规律，并评价其风险。夏季水体中Mn、Fe和Cd的浓度较高。而到冬季，Zn、Fe和Pb则是水体中主要的重金属污染物。在这两个季节中，Cr的浓度均比较高。根据重金属的危害商(HQing)和危害指数(HIing)可知，经口摄入导致的非致癌风险已接近临界值。在夏季，金属元素的长期每日摄入量依次为Cr＞ Fe＞Mn＞Zn＞Cd;而在冬季长期每日摄入量依次为Zn＞Fe＞Cr＞Pb＞Mn＞Cu;其中Cr、Cd和Pb经摄入途径产生的致癌风险高于允许临界值(10-6)。主成分分析及聚类分析结果表明人类活动和自然作用均是导致水体污染的重要因素。 调查分析了不同季节里四岭水库流域农田土壤中有机氯农药(OCPs)、多环芳烃（PAHs）及多氯联苯(PCBs)的含量，发现几乎所有被调查的土样中均存在此类持久性有机污染物(POPs)。从夏季到冬季，OCPs、PAHs和PCBs浓度变化范围分别为21.85～21.64 ng g-1、40.33～38.83 ng g-1及86.98～74.29 ng g-1。依据每种POPs的浓度，评估了当其通过摄食、皮肤接触或吞入途径进入人体所造成的致癌风险，最终结果表明四岭水库流域土壤中OCPs、PAHs或PCBs的单一致癌风险较低。但以这3类POPs的总浓度为评估依据时，发现其所产生的致癌风险略高于允许临界值(10-6)，达到了1.07×10-6。 调查了苕溪流域中临近四岭水库的某万头养猪场废水中雌激素水平，并分析了厌氧/好氧活性污泥(A/O)污水处理工艺和升流式厌氧污泥床-分步进水序批式反应器(UASB-SFSBR)处理工艺对雌激素的去除效果。液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)检测结果表明A/O污水处理工艺无法有效的去除水体中的雌激素，而UASB-SFSBR对水体中雌激素的去除率高达78％。雌激素酵母筛选实验(YES)结果显示经UASB-SFSBR处理后，水体中17β-雌二醇活性当量可从初始的31.5 ng L-1降低至检测限以下。化学检测方法和生物检测方法所得出的雌激素去除率并不一致。应提高养猪场废水中雌激素的去除率，以降低其对环境造成的潜在危害。 对苕溪流域包括四岭水库小流域水体中的雌激素水平进行了调查。LC-MS/MS法仅检测到了一种雌激素，即雌酮，而其它大部分雌激素均未检出。在所抽检的水样中，雌酮的浓度范围为低于检测限至17.25 ng L-1。采用YES法检测水样中的雌激素活性，发现所有被检水样中均有17β-雌二醇活性，其中太湖入湖口水样中17β-雌二醇活性当量为17.60 ng L-1。因此把化学检测技术与生物检测技术相结合，将有助于更加有效的检测与分析环境中的雌激素。综上所述，苕溪流域中的雌激素污染必须加以控制。

目录

声明

Acknowledgements

Table of Contents

List of Tables

List of Figures

Summary

摘要

Abbreviations

Chapter 1 General Introduction

1．1 Background Information and Problem Description

1．2 Study site

1．3 Questionnaire survey

1．4 Objectives of the study

Chapter 2 Review of Literature

2．1 Drinking water quality safety

2．2 General introduction of nonpoint source pollution

2．3 Heavy metals from agricultural sources

2．4 Pestieides

2．5 Environmental endoerines

2．6 Other organic pollutants in farmland

Chapter 3 Water quality characterization of a typical reservoir using physiochemical parameters and water quality index

3．1 Introduction

3．2 Materials and methods

3．2．1 Study site

3．2．2 Calculation of water quality index

3．2．3 Statistical analysis

3．3 Results and discussions

3．3．1 Overview of water quality and physiochemical parameters

3．3．2 Water quality assessment using WQI

3．3．3 Water quality assessment using WQI and DO relatioship

3．3．4 Redundancy analysis(RDA)

3．4 Conclusions

Chapter 4 Risk assessment of heavy metals pollution in agricultural soils of the Siling reservoir watershed

4．1 Introduction

4．2 Materials and methods

4．2．1 Site description

4．2．2 Sample collection and preservation

4．2．3 Sample preparation and analysis

4．2．4 Statistical analysis

4．3 Results and discussion

4．3．1 Seasonal variations

4．3．2 Multivariate analysis for source identification of heavy metals

4．3．3 Risk assessment

4．4 Conclusions

Chapter 5 Concentrations and human health risk assessment of selected heavy metals in surface water of Siling reservoir watershed

5．1 Introduction

5．2 Materials and methods

5．2．1 Study Area

5．2．2 Sampling and analysis

5．2．3 Quality control

5．2．4 Data treatment and multivariate statistical analysis

5．2．5 Human health risk assessment indices

5．3 Results and discussion

5．3．1 Spatiotemporal variation

5．3．2 Multivariate analysis for source apportionment

5．3．3 Human health risk assessment

5．4 Conclusions

Chapter 6 Risk assessment of organochlorine pesticides(OCPs)，polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)，and polychlorinated biphenyls(PCBs)in agricultural soils from the Siling reservoir watershed

6．1 Introduction

6．2 Material and methods

6．2．1 Sample preparation and analysis

6．2．2 Sample treatment and analysis

6．2．3 Risk assessment

6．2．4 Statistical analysis

6．3 Results and Discussions

6．3．1 Concentrations of OCPs in soils

6．3．2 Cancer risk for OCPs in soil samples

6．3．3 Concentrations of PAHs in soils

6．3．4 Cancer risk for PAHs in soil samples

6．3．5 Concentrations of PCBs in soils

6．3．6 Cancer risk of PCBs in soil samples

6．4 Conclusions

Chapter 7 A preliminary study on the occurrence and dissipation of estrogen in livestock wastewater

7．1 Introduction

7．2 Materials and methods

7．2．1 Wastewater sampling

7．2．2 Wastewater samples pretreatment

7．2．3 Wastewater pretreatment process

7．2．4 Chemical analysis

7．2．5 Bioassays analysis

7．2．6 Statistical anlalysis

7．3 Results and discussion

7．4 Conclusions

Chapter 8 Chemical and bioassay analysis of estrogen pollution in the surface water of the Tiaoxi River，the source river for Taihu Lake

8．1 Introduction

8．2 Material and methods

8．2．1 Water sampling

8．2．2 Water samples pre-treatment

8．2．3 Chemical analysis

8．2．4 Bioassays analysis

8．2．5 Yeast estrogen screen(YES)analysis

8．3 Results and discussion

8．4 Conclusions

Chapter 9 Conclusions and Future Prospects

9．1 Conclusions

9．2 Future Prospects

References

Curriculum Vitae