Algoa湾沉积物重金属分布特征及潜在生态风险评价：基于XRF技术的多指标综合评估

本刊推荐：本研究采用X射线荧光光谱（XRF）技术系统分析了南非Algoa湾10-30米深度沉积物中13种重金属的空间分布特征，通过地累积指数（Igeo）、富集因子（EF）、污染负荷指数（PLI）和潜在生态风险指数（PERI）等多指标评估体系，首次揭示该区域存在砷（As）、银（Ag）、镉（Cd）和汞（Hg）的显著人为富集现象。研究发现汞、镉的潜在生态风险指数分别高达4013-5391，表明该海域正面临"显著高风险"级生态威胁，为非洲海岸带重金属污染防治提供了关键基线数据。

　　

引言

海洋生态系统对全球经济和沿海社会生计具有 fundamental 作用。重金属污染作为主要环境挑战之一，通过石油泄漏、废水排放、农业径流和海洋交通等 anthropogenic 活动进入沿海沉积物。约85%的重金属会在水生环境沉积物中积累，成为水体的二次污染源。沉积物颗粒表面负电荷量通过阳离子交换影响重金属吸附，该过程受粒度、有机质含量和阳离子交换容量等因素调控。细粒沉积物（粉砂和粘土）因带负电荷更易吸附重金属，而有机质的存在可增强吸附能力。

Algoa湾作为非洲监测数据最完善的沿海区域，2019年大部分海域被划为海洋保护区。虽然该湾拥有丰富的生物物理和社会经济数据，但关于重金属分布和生态风险的研究仍属空白。本研究首次系统评估该湾10-30米深度沉积物的重金属污染状况，采用XRF技术克服传统光谱方法（ICP-OES/ICP-MS和AAS）需酸消解的局限性，实现环境友好、成本效益高的快速分析。

材料与方法

研究区域与采样

Algoa湾位于南非东开普省海岸，受南流的Agulhas海流影响。在西角坐落着拥有多功能港口的Gqeberha工业城市。湾内海床主要以沙质为主，伴有礁石出露。研究设置8条垂直海岸的采样断面（A3-A10），在各断面10、20和30米深度采集沉积物样品。使用Van Veen抓斗采样器（采样面积0.025 m²）采集22个海洋沉积物样品，现场使用SeaBird 19plusV2 CTD测量温度、pH和盐度等理化性质。

样品制备与分析

实验室将沉积物风干过夜，依次通过2000 μm和63 μm不锈钢筛，105°C烘至恒重后使用玛瑙研钵研磨。采用锂硼酸盐熔融法制备熔珠用于主要元素分析，压片法制备 pellets 用于痕量元素分析。使用Axios Max 4 KW波长色散X射线荧光（WDXRF）光谱仪测定重金属浓度，采用USGS的BCR-2标准参考物质进行质量控制和仪器校准。

污染评估方法

采用五种指数评估沉积物污染状况：地累积指数（I_geo）计算采用Müller公式，以大陆上地壳（UCC）值为背景参考；富集因子（EF）以铁为标准化元素；污染负荷指数（PLI）通过污染因子（CF）的几何均值计算；潜在生态风险指数（PERI）采用Hakanson法，包含毒性响应系数（Cu=Pb=Co=Mo=Ni=5, Zn=1, Cr=2, Mn=1, As=10, Cd=30, Hg=40）。同时测定沉积物有机质含量（Walkley-Black法）和粒度分布（湿筛法）。

结果与讨论

理化性质与沉积物特征

温度变化范围11-18°C，浅水区（10米）温度普遍较高。pH值范围7.69-8.24，平均8.0，与历史记录一致。盐度范围34.72-35.16，平均34.9。沉积物有机碳含量0.6%-4.04%，平均2.2%，西部区域（A3-A6）随深度增加而升高，东部角落（A10）含量最低。沉积物质地以沙质为主（91.5%-100%），泥质组分（粉砂+粘土）与沙组分呈高度负相关。

地球化学组成

主要氧化物按丰度排序：SiO₂（63.2%-77.5%）> CaO > TiO₂ > NaO₂ > Fe₂O₃ > MgO > K₂O > Al₂O₃ > P₂O₅ > Mn₃O₄。SiO₂的高含量表明沉积物富含石英，CaO的升高反映生物源碳酸钙的存在，TiO₂的富集可能源于锆石和金红石等副矿物。

重金属分布特征

重金属浓度范围：10米深度0.8-124.5 mg/kg，20米深度0.5-96.7 mg/kg，30米深度0.7-113.3 mg/kg。锰（Mn）、砷（As）和钼（Mo）在近岸（10米）浓度较高，而铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、硒（Se）、银（Ag）、汞（Hg）和铅（Pb）在深水区（30米）富集。铁浓度显著高于其他金属（7616-10011 mg/kg）。与历史基线数据相比，本研究测得的重金属浓度普遍升高。

沉积物质量评价

铬和砷浓度超过阈值效应浓度（TEC）但低于可能效应浓度（PEC），表明可能对不同敏感度的生物产生毒性效应。汞（所有深度）和镉（30米）超过PEC，预示可能对海洋系统产生负面生物影响。铬、铜、镍、铅和锌低于效应范围低值（ERL），表明对水生生物无害；而汞、砷和银超过效应范围中值（ERM），对生物群落存在有害影响。镉处于ERL和ERM之间，可能偶尔产生生物影响。

污染指数分析

地累积指数显示沉积物未被铬、锰、钴、镍、铜、锌、硒、钼和铅污染（I_geo < 0），但受到银、汞和镉的极度污染（I_geo > 5），砷为中度至重度污染（2 ≤ I_geo < 3）。富集因子表明砷呈现极高富集（EF ≥ 40），钼在部分站点显示显著富集（5 < EF ≤ 20），银在近岸站点呈缺乏至最小富集（EF ≤ 2），而在深水站点呈极高富集。镉和汞普遍呈现极高富集状态。

生态风险评价

污染负荷指数显示银、汞、镉、钼和砷造成普遍污染（PLI > 1），污染负荷从西向东递减，与沿岸漂流方向一致。潜在生态风险指数显示铬、锰、钴、镍、铜、锌和铅生态风险低（E_rⁱ < 40），砷具中度风险（40 ≤ E_rⁱ < 80），镉和汞呈现显著高风险（E_rⁱ > 320）。PERI总和在10米、20米和30米深度分别达4013、5391和5051，均属"显著高风险"等级（PERI > 600）。

统计分析与全球对比

Pearson相关性显示钼与铬、锰、镍、锌显著相关（p < 0.05），铅与锰、镍、铜、锌、砷、银呈强正相关。主成分分析提取三个主成分（累计方差100%），表明重金属分布受自然过程和人为活动共同影响。与全球其他海域对比，Algoa湾的生态风险水平与埃及红海沿岸相当（PERI ≥ 600），高于喀麦隆Limbe海岸（PERI < 150）和土耳其黑海海岸（150 ≤ PERI < 300），但低于孟加拉湾海岸（Cr和Pb为主要贡献因子）。

结论

沿海重金属污染随人口增长和工业活动加剧而日益严重。本研究首次系统评估Algoa湾10-30米深度沉积物的重金属空间分布和生态风险，发现浅水（10米）和深水（30米）均存在锰、砷和钼的高浓度区，表明陆地排水（河口/河流排放和港口活动）的潜在影响。砷、银、镉和汞超过大陆上地壳背景值，直接反映人为活动影响。汞（所有深度）和镉（30米深度）超过可能效应浓度，预示潜在生态危害。地累积指数和富集因子评估表明沉积物存在汞、镉和砷的重度至极度污染和富集。污染负荷指数显示污染广泛存在但无明显的跨岸规律，整体呈现从西向东递减趋势。潜在生态风险指数显示生态风险从低到显著高水平分布，需结合动物数据进行验证。本研究为Algoa湾重金属监测提供了重要基线数据，统计相关性表明金属间存在特定关联和共同来源。研究成果对非洲海岸带重金属污染防治和生态系统健康管理具有重要科学价值。