评估河流沉积物中多环芳烃（PAHs）存在所带来的环境风险——以奥得河为例采用多种方法的研究

《Desalination and Water Treatment》：Evaluation of environmental risk caused by PAHs presence in river sediments - a multi-method approach using the example of the Odra River

奥德拉河沉积物中多环芳烃（PAHs）污染显著，采用SQG、RQ及msPAF多方法评估发现上游污染最重，2023年最高总PAHs浓度达277,000 μg/kg，远超背景值。PAHs以4-6环为主，源解析显示主要来自燃煤工业及交通排放，msPAF表明约100%的底栖生物受影响，生态风险等级达高危。研究建议加强工业排放管控、实施定点修复及建立概率风险评估体系，为欧盟跨境河流管理提供参考。

　　### 中文解读：奥得拉河底泥中多环芳烃污染的综合生态风险评估

多环芳烃（PAHs）是常见的有机污染物，广泛存在于水体底泥中。由于其疏水性以及与颗粒物的强吸附性，一旦沉积到河底，PAHs往往可以长期存在，甚至在某些条件下持续数十年。这些化合物具有多种潜在危害，包括致突变性、致癌性和致畸性，对底栖生物构成显著威胁。在水生态系统中，底泥既是PAHs的汇，也是其二次污染源。PAHs的降解过程较为缓慢，尤其是在缺氧或厌氧条件下，其降解速度会进一步降低。例如，低分子量的PAHs可能在几天或几周内被降解，而高分子量的PAHs则可能在底泥中持续存在多年。影响PAHs降解的因素包括分子结构、有机物的吸附作用、微生物群落、温度和营养物质的可获得性等。

因此，仅凭化学浓度并不能完全反映生态影响，需要结合其他识别方法，如诊断性PAHs比率分析。这些比率可以揭示PAHs的来源，例如是否来源于燃烧过程（如煤和木材）或石油类工业活动。本研究对奥得拉河（位于中欧）的底泥样本进行了综合分析，使用了三种互补的生态风险评估方法：底泥质量指南（SQGs）、风险商数（RQ）方法，以及基于概率的多物质潜在受影响分数（msPAF）方法。研究发现，PAHs污染在奥得拉河的上段尤为严重，其中最严重污染点的总PAH浓度在2023年达到了约277,000微克/千克干物质。在PAHs的组成分析中，4-6环的化合物占主导地位，表明污染主要来自燃烧源。诊断性比率进一步支持了这一结论，显示PAHs主要来源于燃烧过程，而非石油来源。

尽管PAHs的生态风险评估方法在国际上已有广泛应用，但在中欧地区，尤其是奥得拉河流域，这样的综合评估仍较为罕见。本研究采用了一种整合的方法，结合了确定性（如SQGs和RQ）和概率性（如msPAF）的风险评估方法，同时考虑了污染源的识别。这一方法不仅有助于识别污染热点，还能评估其对底栖生物的潜在生物影响。

### 研究背景与意义

PAHs污染在河流中的研究近年来愈发受到重视。自2000年代初以来，确定性方法如SQGs和RQ被广泛用于分类底泥污染程度。这些方法通过比较实际浓度与固定阈值，来判断是否对底栖生物产生影响。然而，这些方法往往忽略了混合效应和环境变量的影响，因此无法全面反映生态风险。在欧洲，一些研究已指出PAHs对敏感水生生物构成重大威胁，但多数仍采用确定性方法进行评估，未充分考虑混合污染的影响。

随着对环境风险评估方法的不断演进，概率性方法如msPAF开始在底泥研究中得到应用。msPAF方法基于物种敏感性分布（SSDs），通过计算多种物质的总毒性单位，来估计受污染影响的物种比例。这种方法能够更好地反映生态系统的整体影响，同时考虑到不同物种对污染物的敏感性差异。近年来，msPAF方法在评估多种污染物混合影响方面得到了广泛应用，包括重金属和农药等。

### 研究方法

本研究采用了多层级的风险评估框架，包括收集监测数据、进行确定性评估（如SQGs和RQ）以及应用概率性方法（如msPAF）。具体而言，SQGs方法比较了每个PAH化合物的浓度与两个阈值：阈效应浓度（TEC）和可能效应浓度（PEC）。TEC是低于该值时，预期不会对水生生物产生不良影响，而PEC则表示超过该值时，可能会频繁产生不良影响。RQ方法则计算了环境浓度与基准值的比值，分为两种类型：基于可忽略浓度（NC）的RQ和基于最大允许浓度（MPC）的RQ。当RQ ≥ 1（对于MPC）时，表明存在潜在的生态风险；当RQ < 1时，表明风险较低。msPAF方法通过整合化学浓度数据与物种敏感性分布（SSDs），估算受混合污染物影响的物种比例。该方法假设所有污染物的毒性效应相加，从而提供更全面的生态风险评估。

### 研究结果与讨论

研究结果表明，奥得拉河底泥中PAHs污染程度较高，尤其是在上段。在2023年的数据中，最严重污染点的总PAH浓度达到了约277,000微克/千克干物质，这表明在某些区域，PAHs的污染已经达到了非常高的水平。4-6环的PAHs占主导地位，表明污染主要来自燃烧过程。例如，氟蒽、芘、?、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽和苯并[ghi]芘等化合物在污染点的占比显著。这些化合物的高浓度进一步证实了污染的严重性。

通过诊断性比率分析，可以进一步确认PAHs的来源。例如，低分子量（LMW）与高分子量（HMW）PAHs的比例（LMW/HMW）是判断污染来源的重要指标。比例小于1表明污染主要来自不完全燃烧，而比例大于1则可能与石油来源有关。在本研究中，所有底泥样本的LMW/HMW比值均小于1，表明PAHs主要来源于不完全燃烧，如煤炭和生物质燃烧。

在风险评估方面，SQGs方法显示，几乎所有样本的PAHs浓度均超过了至少一个TEC值，许多样本甚至超过了多个TEC值。这表明，奥得拉河底泥中PAHs的污染已对生态系统造成严重影响。RQ方法则进一步确认了这一发现，显示上段河流的污染最为严重，多个样本的RQ值均超过1，表明存在较高的生态风险。msPAF方法则提供了更细致的风险评估，显示几乎所有底栖物种均可能受到PAHs混合污染的影响。这一结果进一步表明，奥得拉河上段的生态风险非常高，可能需要优先进行修复。

从时间趋势来看，PAHs污染在2021年至2023年间呈上升趋势，尤其是在2023年，某些污染点的浓度显著升高。这可能与某些突发事件（如石油泄漏或极端洪水）有关，也可能与工业活动的持续排放有关。尽管在某些中下游点的PAHs浓度较低，但整体来看，奥得拉河的污染程度仍然较高。

### 污染源分析

奥得拉河的污染源主要来自工业和城市活动。特别是在上段河流，靠近上西里西亚工业区，PAHs污染最为严重。该地区历史上长期存在煤炭开采、焦炭生产、钢铁工业等，这些活动都会释放大量的PAHs。此外，城市区域的燃烧活动（如取暖和交通排放）也是重要的污染源。相比之下，中下游区域的污染程度较低，可能由于水体的稀释作用，以及上游污染物的沉积。

然而，研究也发现了一些例外情况，例如位于下段的奥得拉16号采样点（位于什切青附近），其PAHs污染显示出石油来源的特征。该点的某些诊断性比率（如茚并[1,2,3-cd]芘与茚并[1,2,3-cd]芘和苯并[ghi]芘的比值）明显低于上段河流，而其他比率（如菲与菲和蒽的比值）则较高，表明该区域可能受到石油泄漏或城市排放的影响。

### 风险评估的多方法整合

为了更全面地评估PAHs的生态风险，本研究结合了三种方法：SQGs、RQ和msPAF。SQGs方法提供了基本的污染分类，而RQ方法则进一步量化了风险水平。msPAF方法则从生态系统的角度出发，整合了不同物种对污染物的敏感性，提供了更全面的风险评估。这种多方法整合不仅提高了风险评估的准确性，还能够揭示潜在的生态影响。

在整合这些方法的过程中，研究发现，虽然SQGs和RQ方法可以识别污染热点，但msPAF方法更能反映混合污染对生态系统的整体影响。例如，在奥得拉河的上段，msPAF值接近1，表明几乎所有底栖物种都可能受到污染影响。而在其他区域，msPAF值较低，但仍然显示出一定的生态风险。

### 污染趋势与管理建议

研究结果还表明，奥得拉河的PAHs污染趋势在2023年显著恶化。平均浓度和超过指南值的站点数量均高于之前几年。这表明，近期可能发生了某些污染事件，如石油泄漏或工业排放的增加。同时，研究还发现，污染程度在空间上并不均匀，上段河流的污染最为严重，而中下游区域的污染程度相对较低。

从管理角度来看，奥得拉河的污染情况突显了在中欧地区建立统一的底泥质量标准的必要性。目前，欧盟并未设立统一的PAHs底泥质量标准，因此，各成员国和区域组织多采用各自的指南或国际标准。例如，荷兰的底泥质量指南规定，总PAHs的阈值为1,000微克/千克干物质，而干预阈值为40,000微克/千克干物质。挪威则采用五级分类体系，其中总PAHs超过20,000微克/千克干物质的底泥被归为极度污染。

在波兰，尽管有国家监测系统，但并未设立明确的底泥质量标准，因此，解读监测结果存在一定的挑战。本研究的发现表明，奥得拉河的污染情况已经非常严重，需要采取更加严格的管理和修复措施。

### 研究意义与未来展望

本研究的发现不仅揭示了奥得拉河底泥中PAHs污染的严重性，还为中欧地区的生态风险评估提供了新的视角。通过整合确定性与概率性方法，研究提供了更全面的污染评估框架，有助于识别污染热点并制定针对性的管理策略。此外，研究还强调了将生物监测与化学分析相结合的重要性，以更好地评估污染物对生态系统的实际影响。

从全球范围来看，奥得拉河的PAHs污染程度远高于许多其他河流。例如，某些欧洲河流的PAHs浓度在数百到数千微克/千克之间，而奥得拉河的污染程度则高达数万微克/千克。这种差异表明，奥得拉河流域的污染情况在欧洲范围内较为特殊，需要特别关注。

在未来，建议在奥得拉河流域实施更严格的监测和管理措施，包括对污染源的控制和对底栖生物的生物监测。此外，欧盟层面应考虑建立统一的底泥质量标准，以更好地评估和管理生态风险。通过这些措施，可以有效减少PAHs对奥得拉河流域生态系统的威胁，促进可持续的水资源管理。