煤源多环芳烃的诊断参数及其环境验证

《Environmental Pollution》：Diagnostic parameters for coal-source polycyclic aromatic hydrocarbons and their environmental validation

　　

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  本研究建立了四个用于煤源 PAHs 的诊断比值。
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  这些诊断比值通过现场地表土壤和粉尘样品进行了验证。
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  这些比值将煤源 PAHs 与燃烧源和石油源区分开来。
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  提出的比值提高了煤源 PAHs 的识别效率。

引言

多环芳烃 (PAHs) 是持久性、有毒的有机化合物，对人类健康构成致癌和致畸风险 (Xu 等，2024)。准确监测环境污染水平并可靠地识别其来源是进行稳健的生态风险评估的必要前提。环境中的 PAHs 通常源自人为源和自然源。主要的人为源包括煤炭和生物质燃烧、石油燃烧以及石油泄漏 (Titaley 等，2018; Luo 等，2025)，而自然源包括来自自然过程的 PAHs 输入，如自然野火和火山爆发 (Whitacre，2015)。近年来，未燃煤因含有高含量的 PAHs 而作为潜在的 PAHs 污染源受到了越来越多的关注 (Stout 和 Emsbo-Mattingly，2008; Wang 等，2017)。先前的研究表明，煤炭和煤矸石颗粒及碎屑在煤炭开采、加工和运输过程中会释放到环境中，从而导致区域地表土壤和粉尘中的 PAH 浓度升高 (Sun 等，2003; Pies 等，2008; Yang 等，2008; Johnston 等，2015)。然而，其他研究表明，煤中的 PAHs 在很大程度上不具备生物可利用性 (Achten 等，2011; Meyer 等，2013)，并且煤颗粒的吸附特性可能会延缓环境迁移或降低其他来源疏水性污染物的生物可利用性 (Kleineidam 等，2002; Cornelissen 等，2005)。因此，有效识别未燃煤源 PAHs 可以提高源解析的准确性，并显著影响生态风险评估结果。这在具有多种重叠污染源和复杂环境背景的地表环境中尤为关键。

PAH 诊断比值已被广泛用作识别和评估污染排放源的工具，其中蒽 /(蒽 + 菲)、荧蒽 /(荧蒽 + 芘)、苯并 [a] 蒽 /(苯并 [a] 蒽 + 屈昔) 以及吲哚并 [1,2,3-cd] 芘 /(吲哚并 [1,2,3-cd] 芘 + 苯并 [ghi] 芘) 是最常用的比值 (Tobiszewski 和 Namie?nik，2012; Park 等，2026)。然而，基于这些诊断比值，只能区分石油源、石油燃烧源以及煤炭和生物质燃烧源，而未燃煤源未包含在源分类中。我们之前的研究表明，四种最常用的诊断比值在煤源材料（包括未燃煤、煤矸石和中低温热解半焦）中的比值与其他源的诊断比值范围显著重叠 (Li 等，2024a)。使用这些比值无法有效区分煤源 PAHs，并可能导致将煤源误分类为其他环境污染源。此外，基于受体的源解析模型，如 PMF 和 PCA-MLR，也常被用于 PAHs 的源识别和解析 (Ambade 等，2022a; 2022b)。然而，这些模型依赖于各污染源可靠的污染物指纹信息，而适用于未燃煤的合适指纹数据集仍然稀缺，这限制了它们将未燃煤源 PAHs 与其他来源分离的能力。开发能够识别煤源的新诊断比值既必要又紧迫，需要将其扩展到更广泛的 PAHs 范围。例如，烷基化多环芳烃 (aPAHs) 通常被认为更能可靠地区分石油源和燃烧源 (Wang 等，2014; Ghetu 等，2021)。过去几十年中，已对海洋沉积物中石油源 PAHs 的识别进行了系统研究。已开发出一系列与 aPAH 相关的诊断比值，包括 (萘 + C₁-萘)/C₂-萘、(C₁-菲 + C₁-蒽)/(菲 + 蒽)、(C₁-荧蒽 + C₁-芘)/芘 以及 (C₁-荧蒽 + C₁-芘)/(荧蒽 + 芘) (Whitacre，2015)。由于煤炭和石油中的 PAHs 主要均为成岩起源，参考石油源的 aPAH 相关诊断比值可能有助于筛选出适合煤源的特征比值。鉴于传统诊断比值存在严重的数值范围重叠，无法区分未燃煤源 PAHs，以及受体模型因缺乏未燃煤的污染物指纹信息而受限，本研究系统地收集并分析了煤炭、煤矸石和半焦的 PAHs 数据，构建了能够区分煤源 PAHs 的新诊断比值，并通过识别地表土壤和粉尘中的 PAH 污染来源验证了这些比值。提出的诊断比值体系有效地将煤源 PAHs 与其他来源区分开来，克服了传统方法的局限性，实现了 PAH 污染的准确源识别。

章节摘要

煤源诊断比值

分析了 12 项独立已发表研究中的 PAH 数据集（包括烷基化 PAHs），这些研究拥有超过 100 个样本观测值，并开发了六个能够区分煤源 PAHs 的诊断比值。后续关于这些诊断比值区分能力的验证工作将在第 3 节中基于环境地表土壤和粉尘样品进行。

验证相关材料与方法

为了验证前一节通过文献数据集分析筛选出的六个煤源 PAHs 诊断比值，本研究选取了山东省一处废弃煤矿及其周边居民区和农业区作为研究区，以进行 PAHs 污染分析和源识别。从这些区域收集了地表土壤和粉尘样品，并分析了它们的 PAH 污染特征和来源。没有其他

结论

传统的母体 PAH 同分异构体诊断比值在煤炭、石油和燃烧源之间表现出相当大的重叠，使得无法可靠地识别未燃煤源 PAHs。将 aPAHs 纳入新诊断比值的构建中可以有效地将煤源 PAHs 与其他 PAH 污染源区分开来。本研究建立了四组诊断比值及相应的判别阈值用于识别煤源 PAHs。

• (1)
  (萘 + C₁-萘)/C₂-萘：该

CRediT 作者贡献声明

李山：写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据整理。白蓉：可视化。唐吉云：写作 – 审阅与编辑。杨连红：写作 – 审阅与编辑。梁寒东：概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了昌吉回族自治州区域协同创新项目(2025X02) 和昌吉回族自治州汀州优秀科技人才项目(2024QN003) 的支持。

李山 | 白蓉 | 唐吉云 | 杨连红 | 梁寒东