以柳叶中苯并 [a] 芘为指标评估焦化工业区多环芳烃的毒性当量浓度

《Journal of Environmental Management》：Using benzo[a]pyrene in willow leaves as an indicator for assessing the toxic equivalent concentration of PAHs in a coking industrial area

　　

摘要 多环芳烃（PAHs）是典型的持久性有机污染物，在焦化厂周围普遍存在，并对生态和人类健康构成潜在风险。本研究使用焦化厂周围区域容易获取的柳叶作为被动采样介质，调查 PAHs 的累积特征并评估其作为生物指示物的可行性。结果表明，柳叶中的 PAHs 浓度相对较高，表明其对大气 PAHs 具有强大的累积能力。叶 - 气分配系数（KLA）的对数与辛醇 - 气分配系数（KOA）的对数之间观察到显著的正相关（R2=0.6170, p<0.001）。对浓度相关性和毒性效应的进一步分析显示，在单个 PAHs 中，萘与总 PAHs 浓度的相关性最强（R2=0.6375），尽管它不足以代表总体 PAHs 污染水平。毒性当量分析表明苯并 [a] 芘（BaP）的毒性当量浓度（TECBaP）与总毒性当量浓度（TTEC）之间存在强相关性（R2=0.9387）。留一法交叉验证（LOOCV）进一步证明了模型具有良好的内部稳健性（RMSE=0.157）。总体而言，在本研究采样期间的特定气象和来源条件下，BaP 可作为替代指示物，用于快速估算柳叶中 PAHs 的总毒性当量浓度。然而，该指示物的适用性依赖于来源，在更广泛应用之前，应在不同植物物种、气象条件和排放源场景下进一步验证。

引言 多环芳烃（PAHs）是一类具有显著毒性效应的典型持久性有机污染物（Yang 等，2024; Keyte 等，2013）。许多高分子量（HMW）PAHs 具有高度致癌性、致突变性和致畸性；其中，苯并 [a] 芘（BaP）已被归类为一类致癌物（国际癌症研究机构，2012; Kim 等，2013）。PAHs 广泛存在于空气、土壤和水中（Berríos-Rolón 等，2025; Teixeira 等，2024; Liu 等，2019）。由于它们具有很强的疏水性和化学稳定性，往往在沉积物和生物体内累积（Teixeira 等，2024; Liu 等，2025; Li 等，2024）。PAHs 来源于多种来源，通常分为自然来源，如森林火灾和火山活动，以及人为来源，包括化石燃料和生物质的不完全燃烧、车辆排放和工业排放（Teixeira 等，2024; Ravindra 等，2008）。在人为来源中，PAHs 主要产生于高温条件下有机物的不完全燃烧和热解（Keyte 等，2013; Ravindra 等，2008）。焦化、钢铁生产和石油化工过程等工业活动被认为是主要贡献者，特别是在工业化地区，它们造成了巨大的环境负担（Di Gilio 等，2017; Bi 等，2023）。大量研究表明，焦化厂附近的大气土壤 PAHs 浓度均显著高于背景区域，导致生态和健康风险升高（Yang 等，2024; Wu 等，2018）。根据中国国家统计局（2025 年 1 月）发布的 2024 年 12 月工业生产运行情况报告（中国国家统计局（NBS），2025），2024 年中国焦炭产量约为 4.8927 亿吨。在焦炭生产过程中，PAHs 可通过推焦、熄焦和逸散排放等多个过程释放到大气中（Deng 等，2023）。在中国北方等煤炭主导能源结构的地区，焦化行业排放的 PAHs 可通过气 - 颗粒分配、干湿沉降和区域大气传输进行传输和累积。这些过程促进了它们在环境中的再分布和富集，并对区域大气 PAHs 污染特征产生重要影响（Ravindra 等，2008; Deng 等，2023）。

在 PAHs 污染监测中，主动采样可以确定短期内的污染物排放量，但采样过程成本相对较高；相比之下，被动采样方法近年来备受关注，因为它们可以反映延长时间段内的污染物累积（Namie?nik 等，2005; Li 等，2018; Pacín 等，2023）。其中，基于植物的生物监测被认为是一种有效的环境监测工具，具有操作简便、成本低和良好的空间覆盖范围（Pacín 等，2023; Mukhopadhyay 等，2020）。树皮和树叶是常用的生物被动采样介质。树皮由于长期暴露于大气环境中，可以反映长期沉降特征（Liu 等，2024a）。Akbarimorad 等人使用 Pinus eldarica (L.) 的树皮作为生物监测工具来评估不同功能区的空气污染水平（Akbarimorad 等，2024）；Salamova 等人显示白松树皮中持久性有机污染物水平与周围空气之间存在强关联（Salamova and Hites, 2010）。植物叶片具有较大的比表面积和发达的角质层结构，能够通过气孔与大气进行动态气体交换（Hill, 1971; Simonich and Hites, 1994）。与树皮相比，叶片具有较短的生长周期，使其更适合反映大气污染的短期变化。Wetzel 等人使用了四种常见的室内植物：榕树（Ficus benjamina）；绿萝（Epipremnum aureum）；吊兰（Chlorophytus comosum‘vittatum’）；和蟹爪兰（Schlumbergera truncate‘harmony’），验证了使用植物叶片作为室内空气采样器的可行性，并确认不同植物物种的叶片可以有效累积空气中的有机污染物（Wetzel and Doucette, 2015）。此外，柳（Salix spp.）由于其分布广泛和对污染物的强吸附能力，被认为是对大气污染相对敏感的生物指示物种（Mohtadi and Hatami-Manesh, 2025）。由于 PAHs 具有很强的疏水性，它们倾向于在富含脂质的植物叶片角质层中累积，导致叶片对这些化合物具有很高的累积能力（Li 等，2017; Simonich and Hites, 1995）。在这个过程中，叶片与大气之间的分配行为通常使用叶 - 气分配系数（KLA）来描述。KLA 不仅受 PAHs 理化性质的影响，还受植物脂质含量的影响，并受到外部环境条件的显著影响（Simonich and Hites, 1994）。以前的研究表明，KLA 在不同植物物种之间变化很大（Zhao 等，2008; Giráldez 等，2022）；即使是同一种植物物种，KLA 在不同地区也可能存在显著差异，表明环境条件在植物中 PAHs 的累积中起着重要的调节作用（Zhao 等，2008）。

通常，使用总暴露浓度或基于风险的影响来表示污染水平。为了简化污染表征过程，一种可行的方法是筛选出一种能够代表总体污染水平或风险效应的单一指示物。这种策略在其他持久性有机污染物的研究中已有先例（Liang 等，2014）；然而，在 PAHs 领域，关于指示化合物选择的系统调查仍然缺乏。以前的研究表明，单个 PAH 同族物之间往往具有显著的相关性，表明它们在环境中的变化在很大程度上是协调的，这为选择代表性指示物提供了基础（van de 等，1986; Szramowiat-Sala 等，2025; Bull and Collins, 2013）。然而，单个 PAH 同族物的来源贡献在不同区域环境中存在显著差异（Ravindra 等，2008），这种相关性在不同污染源条件下可能会发生变化，从而影响指示化合物的稳定性和适用性。在一种特定场景下有效的指示物可能不适用于另一种场景。这表明有必要进行针对特定污染类型的特定来源指示物筛选研究，而不是寻找通用指示物。在以焦化为主的污染背景下，BaP 具有较高的丰度，并具有高的毒性当量因子（TEF），对 PAHs 的总体毒性效应贡献很大（Mu 等，2013）。因此，我们假设 BaP 可能作为焦化影响区域总体 PAHs 污染水平及相关风险的指示物。然而，这一假设仍需要在不同的环境介质和污染条件下进一步验证。因此，有必要基于浓度相关性和毒性贡献，在特定污染场景下系统地筛选 PAH 指示化合物，并评估其代表总 PAHs 水平及相关风险效应的能力。

基于上述背景，本研究聚焦于典型焦化工业区周围区域收集的柳（Salix spp.）叶。该研究系统地表征了它们对大气 PAHs 的累积，包括浓度水平和组成特征，并评估了柳叶作为与焦化排放相关的空气污染生物指示物的潜力。在此基础上，进一步调查了 PAHs 在叶片与大气之间的分配行为及其潜在机制。最后，从浓度相关性和毒理学贡献的角度，评估了单个 PAH 组分对总体污染水平及相关风险的贡献，筛选了潜在指示化合物，并评估了它们对总 PAHs 浓度的预测能力。

章节片段
调查区域
山西省，中国，焦化工业高度发达。虽然该行业促进了经济发展，但环境污染日益严重。该研究重点关注位于山西省孝义市南部的一个焦化污染场地，该地区属于半干旱气候特征和华北工业活动密集区。研究区域以焦化厂为中心，包括园区和周围

PAHs 的浓度、组成和来源识别
本研究量化了焦化工业园区附近收集的柳叶中的 PAHs，并在研究区域同时部署了六个大气采样点以测量气相和颗粒相 PAHs。如图 2(a) 所示，柳叶中的 PAHs 平均浓度为 18.2μg/g，数值范围从 14.2 到 24.5μg/g。在检测到的化合物中，苯并 [k] 荧蒽（BkF）、菲（Phe）和萘（Nap）是丰度最高的三种 PAHs，按丰度降序排列。这

结论
本研究评估了焦化工业区内及周边柳叶和大气中 PAHs 的累积特征。结果表明，PAHs 污染水平相对较高，表明该焦化工业区及其周围地区应通过加强源排放管理和环境风险缓解，优先进行 PAHs 污染控制。基于毒性当量加权分析，BaP 被确定为一种

CRediT 作者贡献声明
夏国辉：数据整理，形式分析，调查，方法论，写作 - 初稿。高源：监督，写作 - 审阅与编辑。张涵丹：调查，方法论。王雨静：调查，方法论。董璐：调查，验证。李彭程：调查，验证。薛孟竹：验证。王克宁：验证。张鑫：验证。李丽萍：监督。刘新辉：概念化，资金获取，项目管理，监督。

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢
本项目由中国国家重点研发计划项目（No. 2023YFC3905104 & 2021YFC3101700）和北京师范大学珠海校区重大科学研究项目补充资金（No. ZHPT2023001）支持。

夏国辉 | 高源 | 张涵丹 | 王雨静 | 董璐 | 李彭程 | 薛孟竹 | 王克宁 | 张鑫 | 李丽萍 | 刘新辉
区域环境可持续性国家重点实验室，北京师范大学，北京，100875，中国