在城市规模上估算建筑物立面当前的及未来的城市生物杀灭剂排放量

《Environmental Pollution》：Estimating current and future urban biocide emissions from building facades at the city scale

城市建筑立面杀虫剂（如特布伦）及其代谢产物对环境的影响研究。基于斯特拉斯堡市的GIS数据与排水系统数据，开发模型估算年排放量达5.8 mol/a，其中78%渗入土壤，暴雨时地表浓度超生态阈值10-20倍。优化城市排水（海绵城市）使渗入率增至89%，但20年后土壤残留率达42%，需立即停止含杀虫剂涂料使用。

　　城市在应对气候变化和环境可持续性方面发挥着关键作用，然而，建筑物的污染物排放控制仍然是一个重大挑战。其中，生物杀灭剂（biocides）如特布他林（terbutryn）对生态环境具有显著的毒理风险，尤其是在暴雨期间，这些化合物通过雨水冲刷进入地表径流和城市排水系统，进而影响水体和土壤。为了准确量化生物杀灭剂的排放、传输及转化过程，研究者开发了一种反应性传输模型，该模型整合了国家层面的地理信息系统（GIS）数据与市政水务服务数据，确保了模型的广泛适用性。以法国斯特拉斯堡市（面积79平方公里）为案例研究对象，该模型评估了生物杀灭剂在降雨期间从建筑立面的排放情况，以及它们如何渗入城市土壤、通过雨水系统传输至污水处理厂（WWTPs）和受纳河流。

在当前条件下，斯特拉斯堡的建筑立面每年排放约5.8摩尔的特布他林及其主要转化产物，相当于每平方公里城市每年排放177毫克，每平方米建筑立面每年排放0.501微摩尔。靠近建筑立面的径流浓度常常超过生态毒理学阈值的10至20倍，而在区域出口处则超过1.5至3倍。尽管77%的生物杀灭剂负荷渗入城市土壤，但在“海绵城市”（sponge city）情景下，这一比例上升至89%。然而，土壤表层（0至1米）中生物杀灭剂的降解仍然有限，导致其通过吸附作用在土壤中累积，从而可能污染地下水。值得注意的是，即使在完全禁用生物杀灭剂的情景下，42%的之前渗入土壤的生物杀灭剂仍会在20年后残留，这突显了生物杀灭剂的环境持久性和长期污染风险。因此，研究结果强调了实施生物杀灭剂无污染城市设计策略的紧迫性，以及早期政策干预的重要性，以限制生物杀灭剂在城市生态系统中的传输和累积，保护水体质量。

传统的城市雨水管理方法依赖于将雨水引导至污水处理厂或城市河流，但随着城市人口的增长和气候变化导致极端降雨事件的增加，这种模式已无法满足现代城市的需求。因此，需要探索替代策略，如雨水渗入地下以减轻污水处理厂的负担。然而，大规模的雨水渗入可能会将生物杀灭剂引入土壤和水体生态系统，对环境和人类健康构成威胁。生物杀灭剂广泛用于建筑外立面的涂料和饰面，以防止微生物生长，是城市污染的重要来源之一。尽管其排放量尚未得到充分量化，但已有研究表明，这些化合物及其转化产物在雨水冲刷后会污染雨水、土壤和水体。城市表层土壤可以作为生物杀灭剂的有效生物地球化学汇，尤其对于中等至高度吸附性的生物杀灭剂而言。

为了更准确地评估城市生物杀灭剂的排放和传输过程，研究者构建了一个结合GIS数据与市政水务信息的模型。该模型在斯特拉斯堡市的应用表明，尽管城市拥有详尽的数据资源，但在模型开发过程中仍面临一些挑战，如数据处理的计算需求较高。因此，研究团队采用了国家层面的GIS数据，并结合城市部门提供的技术信息，以确保模型的可操作性和可扩展性。斯特拉斯堡市作为研究对象，其建筑立面数据经过处理，共识别出860,882个立面段，并通过其方位、涂装比例、窗户覆盖情况、地表与建筑界面类型以及雨水管理系统等参数进行分类。

研究还发现，生物杀灭剂的排放受到建筑立面朝向的显著影响。例如，在斯特拉斯堡的某些区域，由于建筑立面朝向不同，生物杀灭剂的排放量存在显著差异。此外，模型结果表明，即使在完全禁用生物杀灭剂的情景下，生物杀灭剂及其转化产物仍会在土壤中长期残留，这进一步突显了其环境持久性。因此，为了减少生物杀灭剂的排放和其对生态环境的影响，城市规划和政策制定需要采取综合措施，包括优化建筑立面设计、调整雨水管理系统以及推广无生物杀灭剂的替代材料。

生态毒理学风险评估是本研究的重要组成部分。研究结果显示，特布他林和其转化产物特布他林亚砜（TerSO）在建筑立面与土壤界面处的浓度远高于生态毒理学阈值，这意味着这些化合物对土壤微生物和水生生物可能造成显著影响。尽管雨水稀释作用降低了部分区域的浓度，但特布他林和TerSO在城市河流中的浓度仍然可能对水生生物构成威胁。此外，研究中使用的生态毒理学阈值主要针对单一化合物，而实际上，城市环境中还存在其他生物杀灭剂，如二氯苯腈（diuron）和辛基异噻唑啉酮（octylisothiazolinone），它们的存在可能通过单独或累积效应增加生态风险。

模型还模拟了不同城市规划情景对生物杀灭剂分布的影响。在当前规划情景（CUP）下，特布他林和TerSO的大部分（75.9%）渗入城市土壤，仅有少量进入河流或污水处理厂。而在优化规划情景（OUP）下，由于增强了建筑立面与土壤界面的渗透性，更多的生物杀灭剂被引导至土壤，从而减少了进入污水处理厂和河流的负荷。然而，不同区域的渗透性差异导致生物杀灭剂的分布存在显著的空间异质性。例如，在城市中心的Grande ?le区域，由于建筑密集，雨水主要流向污水处理厂，而在植被丰富的Port du Rhin区域，更多的雨水渗入土壤，减少了生物杀灭剂对河流的直接影响。

研究还强调了生物杀灭剂及其转化产物在土壤中的长期累积风险。即使在完全禁用生物杀灭剂的情况下，经过20年的降雨，仍有20%至25%的生物杀灭剂残留于土壤中，主要通过渗入更深的土壤层和地下水。这表明，生物杀灭剂在土壤中的持久性可能对城市生态系统和地下水质量产生深远影响。因此，研究结果呼吁城市规划者和政策制定者采取积极措施，如推广无生物杀灭剂的建筑材料、优化雨水管理策略以及加强公众意识，以减少生物杀灭剂的使用和排放。

在环境管理方面，本研究提出了一些关键策略，包括将建筑立面朝向纳入新建筑设计、根据朝向采用差异化的涂装策略，以及在公共建筑中断开建筑立面径流与下水道系统的连接。这些措施不仅符合“海绵城市”理念，还能有效减少生物杀灭剂对水体和土壤的污染。然而，要实现这些目标，需要城市规划和政策的协同推进，尤其是在私人住宅领域，可能需要通过宣传教育和经济激励来推动生物杀灭剂的替代使用。

此外，研究还指出，气候变化可能会加剧生物杀灭剂的排放风险。随着极端降雨事件的频率增加，建筑立面的径流量和污染物排放量预计会上升，从而对城市水体和土壤造成更大的压力。因此，未来的环境管理需要结合气候预测数据，以更准确地评估生物杀灭剂在不同气候条件下的传输路径和影响范围。同时，研究建议未来的工作应扩展模型范围，以涵盖更多类型的生物杀灭剂及其转化产物，并考虑颗粒结合传输等其他因素，以更全面地理解污染物的环境行为。

本研究通过整合地理信息系统（GIS）和城市水务数据，构建了一个适用于城市尺度的生物杀灭剂排放和传输模型，为城市环境管理和政策制定提供了科学依据。该模型不仅揭示了生物杀灭剂在城市中的分布特征，还强调了其对生态系统的潜在危害。研究结果表明，城市管理者需要采取综合措施，包括优化建筑立面设计、改进雨水管理策略以及推广无生物杀灭剂的替代材料，以实现可持续的城市发展。此外，为了有效减少生物杀灭剂的长期影响，政策干预应尽早实施，以确保城市水管理与“海绵城市”和“健康城市”理念的一致性，从而保护水质、生物多样性和人类健康。