长白山地区沼泽水体中多环芳烃（PAHs）的浓度分布与溶解有机质（DOM）介导的分配作用

《Environmental Research》：Elevation-Dependence Distribution and Dissolved Organic Matter (DOM)-Mediated Partitioning of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Peatland Waters from the Changbai Mountain Area

泥炭地水体PAHs形态分布及生态风险研究揭示高海拔DOM结合PAHs占优，低中海拔游离溶解为主，分配受DOM芳香性及分子量调控，混合来源贡献显著，游离PAHs（以fluoranthene和phenanthrene为主）存在局部生态风险。

　　

作者：TeRi GeLe、Zucheng Wang、Hongkai Li、Zhaojun Bu、Shengzhong Wang、Shasha Liu、Ziping Liu、Zhiwei Xu

中国东北师范大学，教育部长白山地理过程与生态安全重点实验室，长春，130022

摘要

本研究调查了中国东北地区七处泥炭地地表水中多环芳烃（PAHs）的特征，这些泥炭地沿海拔梯度分布。分析了颗粒态、自由溶解态和与溶解有机质（DOM）结合的PAHs，以及DOM的光学指数。总PAHs浓度范围为16.75至307.38 ng·L^-1，在大多数采样点，溶解态PAHs的数量通常多于颗粒态PAHs。高海拔地区以与DOM结合的PAHs为主，而低海拔和中海拔地区则以自由溶解态PAHs为主。logK_d和logK_OC值随PAH分子量的增加而增加，表明较重化合物更倾向于与颗粒物结合。与DOM结合的PAHs的比例与DOM的分子量和芳香性指数（E2: E3、SUVA₂₅₄和C:C）呈正相关（p < 0.05），这表明DOM的质量而非其数量在PAHs的结合过程中起关键作用。诊断比率和主成分分析（PCA）显示了混合的成因，包括热源性和岩源性来源。进一步的空间分析表明，高海拔地区有大气输入，而低海拔地区的JC点由于当地人为排放导致PAHs浓度较高。生态风险评估表明，主要来自自由溶解态PAHs（如荧蒽和菲）的污染水平适中，存在潜在的生态风险。尽管全球范围内总PAHs浓度相对较低，但溶解态PAHs的高生物可利用性引发了局部生态担忧。总体而言，DOM的芳香性显著影响PAHs在泥炭地水体中的相分配、传输和持久性。

引言

多环芳烃（PAHs）是一种疏水性有机污染物，主要来源于人类活动，如化石燃料的燃烧。由于它们的持久性、生物毒性和致癌性，这些化合物受到了广泛关注。美国环境保护署和欧盟已将16种PAHs列为优先污染物（Ndwabu等，2024；Luo等，2025）。由于PAHs具有半挥发性，它们可以通过大气长距离传输，然后在高纬度或高海拔地区的较冷环境中凝结并沉积。一旦沉积，它们会进入各种环境介质，包括土壤和地表水（Liu等，2014；Hu等，2022）。在地表水中，PAHs的命运很大程度上受其物理化学性质的影响。例如，它们的高疏水性和亲脂性使它们倾向于与有机物质和颗粒物结合，而不是自由溶解在水中（Huang等，2012）。因此，PAHs在水环境中以多种形式存在，包括自由溶解态、与溶解有机质（DOM）结合态和与颗粒物结合态（Moeckel等，2014）。自由溶解态PAHs尤为重要，因为它们直接具有生物可利用性，对于评估暴露和毒性最为相关（Endo等，2020；Chen等，2022）。相比之下，与颗粒物结合的PAHs倾向于在沉积物中积累，暂时降低其生物可利用性。然而，如果这些颗粒物重新释放，可能会带来二次污染风险（Gao等，2018）。尽管许多研究集中在与颗粒物结合的PAHs上，但最近的研究强调，水生系统中相当一部分PAHs实际上是与DOM结合的，而不是真正溶解的（Shen等，2024）。这种结合会显著影响它们的移动性、反应性和生物可利用性，突显了DOM在理解PAHs行为中的关键作用。

作为水生碳循环的关键组成部分，DOM还控制着像PAHs这样的疏水性有机污染物的传输、转化和生态影响。例如，DOM可以通过疏水相互作用和氢键与PAHs形成稳定的腐殖质-溶质复合物，影响它们在沉积物-水界面的分配和转化过程（Hur等，2011；Wang等，2013）。多项研究进一步表明，DOM可以减少自由溶解态PAHs的比例，从而降低其对水生生物的生物可利用性和毒性（Xia等，2013；Endo等，2020）。因此，区分和量化自由溶解态PAHs与总溶解浓度已成为研究的重点（Dong等，2015；Li等，2015）。例如，Moeckel等（2014）发现高山溪流中的PAHs主要以自由溶解态存在，而Xia等（2013）观察到黄河中随着沉积物粒径的增加，自由溶解态PAHs减少。这些发现表明，PAHs在溶解相和颗粒相之间的分配受到PAHs本身性质以及周围水环境中DOM特征的影响（Zhou等，1999）。鉴于DOM在影响PAHs行为中的作用，在富含有机物质和动态氧化还原条件的环境中（如泥炭地），理解这种相互作用变得更加复杂。

泥炭地是一种重要的湿地生态系统，其有机碳储量约占陆地土壤碳储量的30%（Liu等，2024）。长期的水浸和缺氧条件使泥炭成为重要的稳定碳库，提供重要的生态和气候功能（Gao等，2023）。由于泥炭地中含有大量有机物质，它们也成为PAHs等有机污染物的关键汇（Hur等，2011；Wang等，2013）。大气沉降被认为是PAHs进入泥炭地生态系统的重要途径，这些化合物可以在泥炭和地表水中积累（Ortiz等，2023）。此外，在某些水动力或生物地球化学条件下，先前沉积在泥炭中的PAHs可以重新释放到水柱中，导致泥炭地水体中PAHs浓度升高（Guo等，2007；Berríos-Rolón等，2025）。例如，Hu等（2022）发现大九湖泥炭地地表水中的PAH浓度（180.67 ng·L^-1）显著高于附近湖泊（34.93–80.02 ng·L^-1），表明泥炭地水体中PAHs富集明显。PAHs在泥炭地水体中的环境行为还受到与DOM和悬浮颗粒物（SPM）相互作用的影响（Shen等，2024；Zhang等，2024）。较高的DOM浓度可以增强PAHs的表观溶解度和迁移性（Wu等，2023）。由于DOM的结合通常会减少自由溶解态PAHs的比例并减轻其毒性（Liu等，2016），这种效应的程度取决于DOM的结构和光学特性，如芳香性和分子量（Wang等，2023）。尽管有这些发现，关于泥炭地水生系统中PAHs与DOM相互作用的研究仍然有限。特别是，对于不同泥炭地和海拔梯度上DOM组成和来源的变化如何影响PAHs的分配和生态风险知之甚少。这些知识空白突显了需要开展综合研究，将PAHs的分布、DOM组成和生态风险联系起来。

积累在泥炭地中的污染物不仅会在地表水中持续存在，还可能通过水文途径输出，从而影响下游生态系统。泥炭地水体中的PAHs可能通过直接暴露或营养传递对水生生物和植被构成风险（AL Sbani等，2020；Wang等，2021）。尽管人们对泥炭土壤中PAHs的积累给予了大量关注，但很少有研究探讨它们在泥炭地水生环境中的存在、相分布和生态风险（Dreyer等，2005；Gabov等，2025）。为了解决这些空白，有必要研究PAHs在泥炭地水体中与DOM的相互作用，并评估由此产生的生态风险。本研究的目标是：（1）研究泥炭地水体中颗粒态和溶解态PAHs的空间分布特征、来源和分配模式；（2）进一步探讨自由溶解态PAHs和与DOM结合的PAHs的分配及其影响因素；（3）使用毒性商（TQ）和风险商（RQ）方法评估PAHs的潜在生态风险。

研究区域和样品采集

研究区域和样品采集

吉林省的泥炭地主要位于长白山地区的西北部，属于松花江的支流范围内。本研究选择了长白山地区的泥炭地作为研究区域。采样点包括东方红（DFH）、头西（TX）、林江（LJ）、白江河（BJH）、四合（SH）、金川（JC）和古山屯（GST）。这些地区的气候主要为温带大陆性季风气候，植被主要由低矮植物组成

沿海拔梯度的泥炭地水体中的DOM

地表水样中的DOC浓度范围为14.08至37.18 mg·L^-1（表1）。DFH站点（1294米）的DOC浓度最高，而JC站点（638米）的DOC浓度最低。统计分析显示TX和GST之间的DOC浓度没有显著差异（p > 0.05），但其他采样点之间存在显著差异（p < 0.05），表明沿海拔梯度的DOC水平存在空间异质性（表1）。

紫外-可见光

沿海拔梯度的泥炭地水体中PAHs的特征

不同泥炭地中PAHs的分布显示了颗粒态和溶解态之间的明显空间差异。总体而言，在大多数采样点，溶解态PAHs比颗粒态PAHs更为普遍，表明这些环境中的PAHs主要以自由溶解态分子存在或与DOM结合。高海拔和低海拔地区的颗粒态PAH浓度显著高于中海拔地区（p < 0.05）。这种双峰分布表明...

结论

本研究全面分析了沿海拔梯度的泥炭地水体中PAHs的分布，并探讨了它们与DOM的相互作用。PAHs的总浓度和组成随海拔显著变化，反映了大气沉降、水文传输和局部环境因素的综合影响。在高海拔地区，低分子量（LMW）PAHs占主导地位，而在低海拔地区，高分子量（HMW）PAHs更为普遍。这些模式表明...

作者贡献声明

Hongkai Li：验证、调查。 Zucheng Wang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。 Shengzhong Wang：撰写 – 审稿与编辑。 Zhaojun Bu：撰写 – 审稿与编辑。 Ziping Liu：调查、数据分析。 Shasha Liu：调查、数据分析。 Zhiwei Xu：撰写 – 审稿与编辑、监督。 TeRi GeLe：撰写 – 初稿撰写、可视化、数据分析

未引用参考文献

Zhang等，2024。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42171076；U23A2003）和吉林省自然科学基金（项目编号20230101080JC）的资助。