污泥中重金属、抗生素和微塑料生态风险指数的结构比较：一项系统综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Structural Comparison of Ecological Risk Indices for Heavy Metals, Antibiotics, and Microplastics in Sewage Sludge: A Systematic Review

　　

摘要：重金属（HM）、抗生素（AB）和微塑料（MP）在污泥（SS）中的生态风险评估通常依赖于特定类别的综合指数。这些指数在终点和数值结构上的差异使得原始输出值无法直接比较。因此，跨类别的明显差异可能既源于所审查数据集的差异，也源于指数构建方式的不同。相应地，本研究综合了已发表的证据，并在不将其输出视为生态等价的情况下，对三个代表性指数进行了结构性比较。这三个指数是潜在生态风险指数（RI）、总和风险商（RQsum）和危害指数（HI）。文献衍生的指数值使用中位数和四分位距进行全球归一化处理。采用非参数检验、留一法（LOO）敏感性分析和蒙特卡洛等样本量重采样来评估结构稳定性。单独的类内分析表明，在汇编的单个生态风险因子（Er）分布中，镉（Cd）和汞（Hg）对RI的贡献最大。在抗生素类别中，氟喹诺酮类和大环内酯类表现出相对较高的风险商（RQ）分布。聚乙烯、聚丙烯和对苯二甲酸乙二醇酯主导了报告的MP组成。相关危害表征随聚合物组成、粒径检测限、识别程序和危害加权方案而异。全球归一化在统一统计空间内产生了结构顺序：MP（0.692）> HM（0.068）> AB（?0.337）。归一化分布在整体上存在显著差异（p < 0.001）。该顺序在整个LOO分析和1000次蒙特卡洛迭代中保持不变。MP相对较高的位置与HI的加权方案和数值结构有关。相比之下，AB的位置反映了基于RQ的证据，这排除了与抗性相关的风险。这些发现凸显了当前综合指数的局限性，并支持使用互补评估指标进行协调监测。

引言

污泥（SS）是城市污水处理中不可避免的副产品。它含有支持土壤改良和资源回收的有机物、氮、磷和其他营养物质（Singh & Agrawal, 2008; B. Zhang et al., 2023）。污水处理基础设施和服务覆盖范围的扩大增加了污泥的产生量，并加剧了其处理和处置的压力。据估计，全球每年生产约5300万吨干污泥，并预计随着污水处理的扩展而增加（Feng et al., 2023）。在中国，含水率为80%的年产污泥量已达到约7.88 × 10? t yr?1，为处理、处置和资源回收带来了巨大挑战（Yang et al., 2024）。这些日益增长的数量使得污泥的安全管理和有益利用对废物管理、营养物回收和土壤保护变得越来越重要。

土地利用是污泥资源化利用的主要途径。根据美国环境保护署（U.S. EPA）汇编的《2024年生物固体年度报告》，约有239万吨干污泥被施用于土地。这一数量占纳入统计设施报告总量的59.5%（U.S. Environmental Protection Agency, 2025）。土地利用将有机物和营养物质返还给土壤，改善土壤物理化学性质，并减少对化学肥料的依赖（Alvarenga et al., 2015, Paganini et al., 2024）。然而，在污水处理过程中，污泥可能累积多种污染物类别，这些污染物随后可能进入农业土壤（Carter et al., 2025, Masoner et al., 2025）。因此，土地利用的环境可接受性越来越依赖于对相关污染物风险的综合表征。

重金属（HM）、抗生素（AB）和微塑料（MP）是污泥中经常报告的三个代表性污染物类别。由于其持久性、积累潜力和长期生态毒性，重金属一直是污泥土地利用监管的核心关注点（Alloway and Jackson, 1991, Tyt?a, 2020）。不同国家污泥中报告的金属浓度通常遵循Zn > Cu > Cr ≈ Pb ≈ Ni > Cd的顺序。进入污水处理系统的金属中，超过70%可能分配到一次污泥和二次污泥中（Feng et al., 2023）。对于抗生素，目标化合物和分析覆盖范围的差异使得无法得出单一的全球检测估计值。然而，区域调查显示抗生素在污泥中的保留情况。在瑞士一项调查中，氟喹诺酮类（FQs）在所有29个污水处理厂（WWTPs）的消化污泥中都被检测到，加权平均浓度为6,500 μg kg?1（Schinkel et al., 2025）。在中国，氧氟沙星在98.48%的城市污泥样本中被检测到（Meng et al., 2023）。世界各地污泥和生物固体中报告的MP浓度范围为0.193至1.69 × 10? particles g?1，中位数为22.41 particles g?1。这一广泛范围也反映了采样和分析程序的显著差异（Harley-Nyang et al., 2023）。

HM、AB和MP在土地利用过程中可能同时进入受体土壤。它们的共存可能通过物理化学和微生物过程产生相互作用，增加了风险评估的复杂性。MP表面可以通过吸附、络合和生物膜介导的过程保留HM和AB。这些相互作用可能改变污染物的迁移性、生物有效性和环境归趋（Pan et al., 2023, Stapleton et al., 2023）。共存的HM和AB也可能通过由可移动遗传元件（MGEs）介导的共同抗性、交叉抗性和水平基因转移对微生物群落施加选择压力（Baker-Austin et al., 2006; L.-G. Li et al., 2017）。这些过程可能促进抗生素抗性基因（ARGs）和抗生素抗性菌（ARBs）的富集、持续存在和传播。MP相关的生物膜可能进一步在局部集中污染物、ARGs和ARBs，对耐药性传播有潜在影响（Y. Guo et al., 2025; Pham et al., 2021）。

尽管关于其共存的证据越来越多，但这些污染物的研究仍然是零散的。大多数研究将HM形态和生态风险、AB发生和耐药性或MP丰度和分析方法作为单独的主题（X. Cheng et al., 2022; Harley-Nyang et al., 2023; J. Wang et al., 2023）。这种特定类别的关注为单个污染物产生了详细的知识。较少关注的是相应的评估框架如何塑造其表观风险概况。应用于HM、AB和MP的框架在终点、假设和数值尺度上存在差异。因此，这些框架生成的综合指数值不能假设为代表等价的生态危害水平。

现有的多污染物方法通常通过混合物效应建模或决策导向的聚合来整合证据。浓度相加（CA）和独立作用（IA）在可用的兼容暴露指标和毒性终点时估计联合效应（Backhaus & Faust, 2012）。多标准决策分析（MCDA）使用预定义标准和加权方案结合异构证据以支持管理决策（Linkov et al., 2006）。这些方法适用于兼容的混合物终点或明确的决策标准。它们不直接解决本文所考虑的方法学挑战：比较具有非等价生态终点和数值结构的综合风险指数。直接比较这些指数可能会混淆由指数构建引起的效应与生态危害的差异。它还可能掩盖常规指数中遗漏的风险维度，包括与ARG和ARB相关的关注。结构性比较提供了一种检验不同评估框架如何分配、放大或减弱风险信号的方法，而不将其输出赋予生态等价性。

为了弥合这一差距，本研究提出了HM、AB和MP的跨类别结构性比较框架。该框架不是估计或对其绝对生态风险进行排名，而是检查代表性综合风险指数的输出。通过稳健归一化将已发表的数据整合起来，并将产生的指数值置于统一统计空间中。该分析比较了潜在生态风险指数（RI）、总和风险商（RQsum）和危害指数（HI）的结构位置。这一比较表征了当前评估框架的分布特征和解释边界。它还确定了特定类别的盲点，并为协调监测和基于风险信息的污泥土地利用管理提供了方法学基础。通过明确异构指数的结构行为，该框架有助于防止将指数输出之间的差异解释为绝对生态危害的直接差异。

部分摘录

**污泥中三种污染物类别的当前风险评估方法**

HM、AB和MP在持久性、迁移性、暴露途径和生物学效应上存在显著差异。因此，其风险评估方法在终点、数据要求和计算程序上各不相同。现有的方法涵盖污染水平、生态风险、迁移性和生物有效性、人体健康、混合物毒性、抗菌药物耐药性以及颗粒或聚合物组成。这些方法支持特定类别的风险表征，但其输出不

**文献检索和筛选**

使用系统的检索和筛选方案来识别截至2026年1月6日发表的相关研究。检索了Web of Science核心合集、Google Scholar和中国知网（CNKI）。检索词涵盖三个维度：污泥来源、污染物类别和风险评估方法。分别对HM、AB和MP进行了检索。同样的关键词框架应用于三个数据库，并对

**污泥中重金属风险概况**

为了方便跨研究可视化并减少极端值的影响，从纳入的出版物中提取的Er值进行了对数转换。Er值为80用作高生态风险的参考阈值。

如图2所示，不同HM的Er分布差异显著。Cd的中位数Er最高，一些样本报告了明显升高的值。这一模式表明Cd对代表HM风险概况的

**统一归一化空间中的结构位置**

为了将类内分析扩展到跨类别水平，使用中位数和四分位距的全球稳健归一化将出版物级的RI、RQsum和HI值映射到公共无量纲统计空间。每种污染物类别的中位归一化值，记为S?，表征其在合并分布中的相对结构位置。

图5a中的经验累积分布函数（ECDF）图显示了HM、AB和MP的不同分布模式。MP值

**未来研究方向**

本研究中确定的结构排序源自异构文献数据和特定类别的综合指数。确立其环境相关性需要协调一致的野外监测、特定污染物的暴露和效应测量以及共污染物的机制证据。长期野外研究提供了有用的方法学先例。Yang等人（2018）评估了在不同SS施用量下HM的积累和生物有效性

**结论**

本研究综合了HM、AB和MP在SS中的已发表证据，涵盖了类内风险概况和代表性综合风险指数的结构位置。汇编的Er分布显示HM之间存在显著异质性，Cd和Hg对RI的贡献最大。不同化合物类别的AB RQ概况差异显著，FQs和MLs表现出相对较高的值。PE、PP和PET主导了报告的MP组成。基于HI的危害

未引用参考文献（Yang et al. (2018)）

CRediT作者贡献声明

华伟文：撰写—初稿，资源，方法学，数据整理。刘雅薇：撰写—审阅与编辑，监督，方法学。郑向勇：验证，监督。范春珍：监督，方法学，形式分析。吴素青：方法学，数据整理。王治权：撰写—审阅与编辑，调查，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文中报告的工作。

致谢：本工作由菏泽大学王治权博士基金项目（XY26BSLG17）资助。

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