一个世纪的变化：通过布拉迪斯拉发（斯洛伐克）的植物标本馆苔藓植物监测重金属污染

《Environmental Pollution》：One century of change: Monitoring heavy metal pollution through herbarium bryophytes in Bratislava (Slovakia)

历史重建显示布拉迪斯拉发自1912年以来重金属污染呈现显著时空变化，工业化高峰期（1946-1989）As、Cd、Pb等元素浓度达峰值，1990年后因工业衰退和环境法规实施浓度显著下降。交通和炼油厂（如Slovnaft）是近年主要污染源，与风场方向和距离污染源密切相关。苔藓生物监测结合ICP-MS分析，揭示了长期工业排放与城市化的环境效应，为欧盟污染趋势比较提供了新数据。

　　这项研究利用苔藓标本，首次对斯洛伐克地区的重金属和类金属沉积进行了历史重建。通过整合档案资料和现代数据，研究团队在布拉迪斯拉发建立了1912年至2023年的数据集，从而能够评估污染趋势的时间和空间分布，以及排放源的演变，并与欧洲的整体趋势进行比较。研究覆盖了三个主要时期（1900–1945、1946–1989、1990–2023），反映了工业和交通发展中的关键阶段。通过对22种元素的浓度进行分析，研究发现这些元素在不同时间段内呈现出不同的变化趋势。在1945年之前，重金属和类金属的水平普遍较低，但在二战期间，As、Cd、Bi和Pb的浓度显著上升，而1946–1989年的工业化高峰期则出现了最显著的累积。1990年之后，Pb、Cd、As、Tl和Ba的浓度明显下降，表明工业衰退和环境法规的有效性，这与欧洲的趋势一致。然而，最近的样本显示出Cr、Ni、Mo和Cu的浓度升高，这可能与交通和持续的工业排放有关。

研究还揭示了六个与不同人为来源相关的元素组。空间模式显示，最高浓度通常出现在历史和当前的点污染源附近，且与污染源的距离和主导风向对元素的分布有显著影响。通过使用苔藓标本，研究重建了工业化和城市化对中央欧洲首都环境影响的长期趋势。研究结果为评估生态系统恢复提供了历史基准，并为未来的环境管理和公共卫生政策提供了宝贵的数据支持。

苔藓植物具有独特的生理特征，使其成为大气和基质污染的有效生物指示剂。它们的高表面积与体积比，使得苔藓能够直接从大气中吸收水分和营养物质。大多数苔藓植物仅具有一层简单的角质层，这使得它们对污染物的吸收能力较强。这些生理和形态学特征使苔藓成为监测大气和土壤污染的可靠工具，其应用范围涵盖了多种污染物，包括大气氮沉积、硫沉积、人为微纤维和持久性有机污染物（POPs）等。自20世纪60年代以来，苔藓已被广泛用于城市和工业环境中的重金属污染监测。

研究中使用了来自布拉迪斯拉发及其周边地区的苔藓标本，重点分析了历史和现代样本的元素浓度变化。这些样本主要来自布拉迪斯拉发森林公园附近的地点，且在某些区域，如城市边缘地带，苔藓的分布较为稀少。研究团队从这些样本中选取了每个十年的代表性样本，以构建一个涵盖1912年至2023年的数据集。研究发现，历史样本中某些元素的浓度较高，而现代样本中则显示出不同的趋势。例如，历史样本中记录了Pb（1956年）、As（1956年）、Cd（1978年）和Ni（2023年）的高浓度，而现代样本中的As、Cd和Ni的浓度仍然较低，没有超过农业土壤或动物饲料材料的监管限值。相比之下，Pb的浓度略微超过了饲料材料的推荐限值，这可能与交通排放有关。

通过主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）对元素浓度数据进行分析，研究团队识别出六个不同的元素组，这些组与特定的人为污染源相关。例如，第一个主成分（F1）主要与Al、Ti、V、Fe、As和Co相关，这些元素的浓度在工业化的高峰期达到峰值。这表明，这些元素的浓度变化与工业活动和战争时期的排放有关。第二个主成分（F2）则与Tl、Bi和B相关，这些元素的浓度在20世纪40年代有所上升，可能与战争期间的活动有关。第三个主成分（F3）包括Cr、Ni和Mo，这些元素的浓度在现代样本中有所增加，可能与交通排放和工业活动有关。第四个和第六个主成分（F4和F6）主要与地源性元素（如Mg、K、Na和Ca）相关，这些元素的浓度变化更多地受到自然来源和基质吸收的影响。

研究还发现，某些元素的浓度变化与距离污染源的距离和风向密切相关。例如，Pb、Cd、As、Zn、V和B的浓度与Technické sklo玻璃厂、Istrochem化工厂和BEZ/Figaro工业区的距离和风向存在显著关联。此外，Slovnaft炼油厂的风向对Tl、Al、Zn、V和B的浓度也有显著影响。这些结果表明，污染源的地理位置和风向对元素的分布具有重要影响，因此在进行生物监测研究时，需要考虑这些环境因素。

研究还探讨了不同时间段内重金属和类金属污染的变化。在1900–1945年期间，由于城市化和工业化的早期阶段，重金属和类金属的浓度普遍较低。然而，二战期间的军事活动和煤炭燃烧导致了As、Cd、Bi和Pb的浓度显著上升。1946–1989年的工业化高峰期，这些元素的浓度达到峰值。在1990年之后，由于工业活动的减少和环境法规的实施，这些元素的浓度显著下降。然而，现代样本中Cr、Ni、Mo和Cu的浓度有所上升，这可能与交通排放和工业活动的持续存在有关。

研究还讨论了不同污染源对元素浓度的影响。例如，Technické sklo玻璃厂对Al、As、Cr、V和B的浓度有显著影响，而Slovnaft炼油厂对Cd、Tl、Bi和B的浓度也有显著影响。此外，公路交通对Cr、Ni、Mo和Cu的浓度变化也有贡献。这些结果表明，不同污染源对元素的分布和浓度变化具有不同的影响，因此在进行污染源识别时，需要综合考虑多种因素。

研究还指出，使用苔藓标本进行历史污染重建具有重要的科学价值。苔藓标本可以作为大气沉积的长期记录，帮助研究人员了解工业化和城市化对环境的长期影响。此外，苔藓标本的使用也提高了研究的效率和成本效益。然而，这种方法也存在一些局限性，例如历史地理和地形信息的不确定性、城市和工业区域苔藓样本的稀缺性，以及寻找合适物种的困难。因此，未来的研究应加强对这些苔藓样本的收集，特别是在人为影响显著的区域，如城市、工业和采矿区。

基于研究结果，研究团队提出了几项建议，以减少未来污染的风险。首先，建议将主要高速公路从市中心迁出，以减少交通对环境的影响。其次，减少对汽车交通的依赖，发展高效且便捷的公共交通系统。第三，将工业区建设在现有和规划住宅区的更远位置，以减少对居民区的直接影响。第四，考虑主导风向，战略性地规划新的工业区。此外，建议通过扩大全面的监测站网络，确保对重金属的持续监测，以维持空气质量，保护城市生物多样性，并支持长期的环境可持续发展。