埃及红海南部Abu Ghusun海域沿海沉积物中的重金属和放射性评估

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Heavy metals and radioactivity assessment of the coastal sediments at Abu Ghusun, southern Red Sea, Egypt

沿海沉积物中重金属和放射性核素污染及风险评估：以红海阿布古松为例，分析16个采样点的九种重金属（如Pb、Cr、Ni等）及三种放射性核素（Ra、Th、K）的浓度分布、污染指数（EF、CF、Igeo）及生态健康风险（PERI、HI、TCR）。结果显示，Pb、Cr、Ni等超标，但生态风险（PERI<150）和辐射风险（H_in、H_ex均<1）处于安全范围，建议加强持续监测和污染治理。

　　在红海沿岸的阿布·加森地区，科学家们对表面沉积物中的九种重金属和天然放射性核素进行了综合评估。研究的主要目标是了解这些污染物对生态环境和人类健康的潜在影响，以及它们在红海生态系统中的分布情况。研究结果表明，铅（Pb）、铬（Cr）、钡（Ba）、铜（Cu）和镍（Ni）的浓度超过了效应范围中位数（ERM）阈值，这可能对底栖生物产生不利影响。铬和钒（V）的浓度也超过了加拿大的土壤质量标准和全球地壳背景值。富集因子（EF）分析显示，铅和镍在沉积物中显著富集，而污染指数（如污染负荷指数PLI和综合污染指数NPI）表明，大多数金属存在中度至重度污染，尤其是锌（Zn）和铅（Pb）。然而，潜在生态风险指数（PERI）显示生态威胁较低（<150），尽管平均ERM商数表明这些金属对环境构成了中高优先级的风险。毒理学风险评估显示了中度毒性潜力，而人类健康评估则显示非致癌和致癌风险均极低。此外，研究还表明，232Th、226Ra和40K的活动浓度均低于全球安全限值，表明没有放射性危害。这项研究提供了阿布·加森沉积物中重金属和放射性核素的首次综合评估，通过结合生态、放射性和健康风险指数，揭示了该地区局部的铅、镍和锌富集现象。因此，建议进行持续的监测，以跟踪污染物的输入，特别是来自人为活动的影响。此外，应实施修复策略和更严格的潜在金属来源管理，以保护红海生态系统。

红海沿岸地区受到地质过程如侵蚀和沉积的显著影响。然而，埃及红海沿岸的快速旅游和沿海开发增长对珊瑚礁生态系统和近岸沉积物施加了压力。已有研究探讨了红海沉积物中的重金属污染，重点关注它们的分布和化学形态。了解这些污染物的来源对于有效的环境管理至关重要。为了实现这一目标，研究应用了一系列生态指数，如污染负荷指数、污染指数和地质累积指数，以及人类健康风险评估，包括危害商和癌症风险评估。

红海不仅是世界上最重要的商业航线之一，而且在生态和经济上具有极高的价值。它作为石油、渔业和旅游业的来源，其海滩还含有重矿物沉积物，如锆石、榍石和钛铁矿。然而，这些资源在从周围岩石中侵蚀时也可能带来环境风险。人为活动，如休闲、捕鱼、填埋和工业排放，是沉积物污染的额外贡献者。埃及红海沿岸的度假村和其他基础设施的扩展加剧了生态压力，凸显了保护珊瑚礁和实施可持续管理策略的迫切需求。

除了重金属污染，沉积物中的天然放射性也是另一个环境关注点。例如，40K、226Ra和232Th等放射性核素自然存在于岩石和土壤中，其浓度受地质、土壤类型和地形的影响。红海地区由于锆石和榍石丰富的沉积物侵蚀，可能增加铀和钍的含量。长期暴露于放射性核素可能会带来健康风险，包括癌症和对骨骼、肾脏及呼吸系统的损害。因此，评估沉积物中的放射性危害对于评估生态系统和人类人口的潜在风险至关重要。

本研究代表了阿布·加森地区首次对重金属污染和天然放射性的综合评估，同时结合生态、放射性和健康风险指数，以揭示该地区的累积环境威胁。阿布·加森地区的沉积物在经济上具有重要性，不仅对旅游业和基础设施有影响，还可能用于潜在的核工业用途。研究的主要目标包括：1）应用相关因子、生态指数和健康风险评估来评估成人和儿童通过直接接触沉积物的潜在危害；2）利用基于GIS的空间分析来绘制重金属的分布图；3）使用基于暴露和剂量的指数（如吸收伽马剂量、年有效剂量、镭当量活动和性腺剂量）评估沉积物中40K、226Ra和232Th的放射性风险；4）提供基准数据以指导减少重金属和放射性风险的管理策略。研究强调了在红海沿岸进行全面监测和管理沉积物质量的必要性，以确保海洋生态系统、人类健康和沿海资源的长期可持续性。尽管已有研究单独探讨了红海沉积物中的重金属或放射性核素，但本研究填补了阿布·加森地区综合评估的空白，从而更好地理解该地区的环境威胁。

研究的样本采集和分析过程涉及从红海沿岸的阿布·加森地区采集16个沉积物样本，并在实验室进行地球化学分析。研究使用了陆地卫星图像来识别采样点，并通过综合波段分析来确定区域内的土地使用特征。沉积物样本的采集主要集中在沿海区域，因为离岸区域的采样受限于访问条件。每个采样点采集了5个样本，并混合成约1公斤的代表性样本，以确保覆盖整个区域。样本随后被运输到实验室进行分析。此外，总有机物和pH值也被测量。为了确保稳定的重量，样本在环境温度下（约27摄氏度）空气干燥了三天，然后进行研磨。沉积物样品的大小为30克，使用稀释的HCl和15%的H2O2处理以去除有机物和碳酸盐。研究使用了三元图（Folk, 1980）来分析沉积物的粒度分类，这有助于根据粒径确定沉积物的类型，如砾石、沙或泥。对于沙和砾石部分，使用了湿筛法来计算粒径分布；对于泥部分，按照Folk的方法使用了沉淀法。样本中的有机物质含量（2克）通过连续重量损失（单阶段LOI%）测定，通过在550摄氏度下燃烧6-8小时，包括干燥和冷却时间。样本再次称重以确定不含有机物质的重量百分比。

为了消除盐度，使用了去离子水清洗沉积物样本。重金属的测定涉及从沉积物样品中提取最小的颗粒（<63微米），这包括空气干燥、研磨和筛选。使用硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）和盐酸（HCl）的混合溶液（体积比为5:1:1）来消化沉积物样品（1克），以确保金属的完全溶解，然后进行ICP-OES分析。样本随后过滤以去除任何残留物质。研究使用ICP-OES在埃及开罗的沙漠研究中心对沉积物中的九种金属（Ba、Co、Pb、Cu、Cr、Ni、Zn、V和Fe）进行了分析，并根据Oregioni（1984）的方法进行。外部参考标准（如NIST的SRM 2706和Merck公司的Certipur）用于验证金属测量的准确性，ICP-OES的设置确保了灵敏度和元素回收率在90%到99%之间。

研究还计算了五个生态指数：富集因子（EF）、污染因子（CF）、地质累积指数（Igeo）、污染负荷指数（PLI）和Nemerow污染指数（NPI），以及潜在生态风险指数（PERI）。此外，还使用了三种沉积物质量指南（SQGs）：修改后的危害商（mHQ）、毒性风险指数（TRI）和平均效应范围中位数商（MERMQ）。此外，还计算了非致癌危害指数（HI）和总癌症风险（TCR）作为人类健康风险指标。补充材料中的表格提供了这些指数的公式和输入信息。

研究结果表明，阿布·加森沉积物的重金属浓度显示出一定的富集，其中铅和镍的富集最为显著。这些金属的浓度超过了国际沉积物质量指南和全球地壳背景值，表明存在一定的污染风险。然而，尽管某些金属的浓度较高，但生态风险指数（PERI）表明生态威胁较低，而毒理学风险评估则显示中度毒性潜力。人类健康评估表明，非致癌和致癌风险均极低，这表明即使在长期接触沉积物的情况下，这些金属对人类健康的影响也较小。放射性核素的活动浓度均低于全球安全限值，表明不存在显著的放射性危害。

研究还发现，沉积物中的重金属污染具有一定的空间分布特征。例如，某些金属如铅和镍在中部和南部采样点中富集，而铬、镍和钒则在北部和中部采样点中浓度最高。这些模式表明，地质来源（如基底岩石的风化）和局部人为压力（如旅游业和沿海活动）共同影响了重金属的富集。此外，重金属污染的严重程度也受到沉积物的粒径、pH值和有机物含量的影响。研究中提到的统计分析（如变异系数CV、偏度和峰度）表明，某些金属的浓度在沉积物中具有较高的可变性，这可能与局部污染源（如矿化点和采矿活动）有关。

通过主成分分析（PCA）和聚类分析（HCA），研究揭示了重金属污染的来源。PCA结果表明，五个主要成分与重金属的分布相关，其中某些成分可能与来自研究区西侧的水系（如Wadis）带来的沉积物有关，而其他成分则可能与采矿活动和旅游活动有关。HCA进一步支持了这些发现，表明铅、铬、镍和锌可能与人为输入密切相关，而钒、钡和钴则可能与自然来源有关。此外，铜和铁的聚类表明，它们的污染来源可能是混合的，既包括自然沉积物矿物学，也包括局部人为活动。

研究还评估了重金属污染的风险，包括生态风险和人类健康风险。虽然某些金属的浓度较高，但总体风险评估表明，这些金属对生态环境和人类健康的影响较低。例如，PERI指数表明生态威胁较低，而HI和TCR指数则显示非致癌和致癌风险均较低。这些结果表明，尽管存在某些污染，但对整体生态和人类健康的影响相对较小。

此外，研究还分析了沉积物中的放射性核素，如232Th、226Ra和40K的活动浓度。这些放射性核素的浓度均低于全球安全限值，表明不存在显著的放射性危害。研究还指出，沉积物中的放射性核素可能来源于基底岩石的风化，而不是附近的富集源，如花岗岩。因此，这些核素的活动浓度较低，对人类健康的影响可以忽略不计。

研究的局限性在于，采样仅限于红海沿岸的浅层沉积物，且采样仅在2023年6月进行，这可能限制了对季节变化和长期趋势的全面理解。此外，研究未包括海滩沉积物和东侧的离岸区域，这可能影响对沉积物污染的整体评估。未来的研究应考虑长期监测、更广泛的采样策略，包括核心沉积物和来源材料，以及同位素分析（如铅同位素分析）和季节性水动力变化，以更全面地评估沉积物污染的来源和影响。

综上所述，阿布·加森地区的沉积物显示出一定的重金属污染，但总体上对生态环境和人类健康的影响较低。研究结果强调了对红海沿岸沉积物质量进行全面监测和管理的重要性，以确保海洋生态系统的健康、人类的安全以及沿海资源的可持续性。未来的研究应进一步探索这些污染的来源，并制定相应的修复策略和政策建议，以减少对红海生态系统的潜在影响。