南极普里兹湾和南极半岛附近海域沉积物中典型持久性污染物的残留特征和来源解析

发布时间：2018-01-14 10:36

本文关键词：南极普里兹湾和南极半岛附近海域沉积物中典型持久性污染物的残留特征和来源解析　出处：《中国地质大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：持久性污染物由于其具备高毒性、蓄积性、持久性等特征,对人类健康产生了严重的威胁,更重要的是,由于持久性污染物大多为半挥发性的物质,可以在室温下挥发进入大气,从而带来全球性的影响,如果说早期的对持久性污染物的调查是出于保护污染物产生地居民的健康的目的,那么,随着环境意识和全球意识的提高,持久性污染物的全球扩散使得科学家们的目光已经不仅仅是集中在污染严重的区域,他们同时也把科研的目光投向了曾经被认为是清洁的区域,南北极地区就是其中之一极区持久性污染物研究之所以引起科学家的重视是由于其远距离输送特性,随着在南极的冰雪和生物体中检测到持久性污染物的存在,“全球冷凝效应”和“蚱蜢跳理论”等理论相应被完善和发展起来,研究发现持久性污染物可以通过地球大气的冷凝沉降作用远距离传送到寒冷的地区,如同蚂蚱跳一样从温暖的地区逐步输送,而高纬度、高海拔和低温的区域成为这些污染物最终汇集的主要区域,而这套理论也是通过大量的实测数据和研究得以印证,特别是在山区和高纬度地区所做的一些研究证明了持久性污染物在大气中的长距离输送特性。这些区域之所以引起科学家们的兴趣原因有两点：第一点是因为这些区域生态系统的脆弱性；第二点就是因为在这些区域,很少会有污染物的背景干扰,其他区域的污染物通过大气的远距离传输,在这些区域得以沉降和堆积,常年遵守着一定的堆积规律,从某种程度上来说,我们可以把这些区域作为全球污染的一个“晴雨表”,通过这些未被人为干扰区域持久性污染物的研究来了解全球污染物大时问尺度上的年际变化过程,同时也了解持久性污染物在极区的迁移转化过程。世界上多个国家地区和组织陆续在南极开展了持久性污染物的调查与监测,并且发表了一些相关的研究成果。尽管如此,与北极协调一致的污染物监测工作相比,南极的监测和评估计划还没有建立,而且北极的污染物观测数据时间都较为广泛,区域分布也较为均匀,如著名的北极观测计划AMAP就积累了十年以上的观测数据,而定点长时间序列观测数据与沿岸大面积数据调查数据的积累,已经让科学家能很好对北极持久性污染物的来源及迁移转化机制作出深入探讨,估算不同介质持久性污染物的迁移转化通量,详细阐述不同界面过程的迁移过程以及在整个海域食物网不同生物体中的积累放大过程。相对而言南极和南半球的污染物调查和观测相对时间较短,没有翔实和系统的数据支撑说明持久性污染物在南极大陆和附近海域的迁移转化过程和通量,特别是在研究区域上,以与南美大陆紧邻的南极半岛研究文章居多,海域研究以科考站相对聚集的罗斯海和威德尔海的持久性污染物研究为主,并已经从环境调查转向了对迁移转化机制和机理的研究,而对于本研究所在的普里兹湾而言,环境调查尚刚刚起步,迁移转化机制研究更是无从谈起,这与各个国家的南极科考活动在西南极较为频繁而在东南极相对较为薄弱存在一定关系。本论文以中国近年来南极科考获得的沉积物样品为主要研究对象,对东南极普里兹湾表层沉积物中持久性污染物的时空分布等特性进行了分析和研究,同时本论文也结合国家自然科学基金项目开展了西南极鸟类栖息地粪土、鸟卵及企鹅机体组织中持久性污染物的分析,研究持久性污染物在南极不同营养级生物中的迁移及积累特征。论文主要取得了以下重要的研究成果：(1)调查和研究了普里兹湾表层沉积物中PCBs的含量水平、组成特征及来源。∑PCBs的变化范围为0.87-5.84ng/g,平均为2.13 ng/g,就PCBs的总体含量而言,普里兹湾表层沉积物的PCBs含量比世界主要河口海湾含量要低很多,而与北极及周边海域的表层沉积物中含量相当。与南极其他区域获取的结果相比较,远低于受污染物排放影响罗斯海及附近的麦克默多海湾表层沉积物中的含量,与东南极陆上土壤中的含域较为接近。在PCBs各同系物异构体含量组成上,低氯代的Tri-PCBs、 Tetra-PCBs和Penta-PCBs 占了∑PCBs的75%以上,通过相关性分析表明这三类同系物具备一定的同源性,根据全球蒸馏效应和蚱蜢跳理论,南极普里兹湾表层沉积物中Penta-PCBs占据主要地位是南半球中低纬度PCBs污染区域长距离输送的结果,同时可能存在PCBs的区域性本地污染。通过对PCBs同系物各异构体进行组分比较,初步判断普里兹湾PCBs的主要工业源是化合物Aroclor1254。(2)调查和研究了普里兹湾的表层沉积物中OCPs的含量水平、组成特征及来源。11种OCPs目标物的总浓度为0.79～7.9 ng/g,平均为2.35 ng/g。其中,HCHs、CHLs和DDTs的含量分别为0.28-1.23 ng/g(平均为0.57ng/g)、nd-0.17 ng/g(平均为0.07ng/g)和0.45～6.5ng/g(平均为1.7ng/g)。该结果与南极其它地区及我国青藏高原等人迹罕至的湖泊、河口和海湾等含量相近,表明虽然没有人类活动导致的近源污染,但仍积累了相当浓度的OCPs,其残留水平低于多数的相关研究,但高于部分沿海的河口和海湾。总体上,普里兹湾表层沉积物中OCPs的含量在已有研究当中处于中等残留水平。在组成特征上,OCPs以DDTs的含量最高,HCHs其次,CHLs最低,这一方面与三者的历史生产和使用量的大小有关,另一方面是由其本身的远距离迁移能力决定的。DDTs中o,p'-DDT与p,p’-DDT的浓度比平均为0.22,与工业品DDT相近,表明该海湾的DDTs污染主要来源于工业品DDTs,而DDT降解产物DDD和DDE的含量较低则表明南极寒冷的气候条件限制了DDT的降解；HCHs中持久性较强的β-HCH和δ-HCH占主导,共占77%左右,表明HCHs的污染以历史残留占优势,而异构体浓度比a/γ-HCH的值远小于工业品,说明以y-HCH为纯品的林丹是该区域7-HCH的主要来源；CHLs中,TC相比CC更容易通过大气迁移,且较CC而言更难被微生物等降解,这两个因素使得普里兹湾中CC的检出率以及检出浓度均低于TC。(3)研究了普里兹湾表层沉积物中PCBs和OCPs的区域分布特征及影响因素,初步估算了海域持久性污染物的堆积通量。PCBs和OCPs在表层沉积物中均表现山含量分布呈现湾内区高,湾口两侧浅滩区次之,湾外开阔大洋区最低的分布趋势,可能影响平面分布的因素包括普里兹湾地形、海流、海冰以及沉积物类型等,特殊的地形和水文条件使得普里兹湾湾内流速较慢,与外界的交换也较弱,使得POPs无法快速扩散在湾内聚集；湾内高值区与夏季普里兹湾海冰消散的主要区域保持一致并存在大面积重叠区可能是由于海冰变化会对表层沉积物中POPs含量分布带来积极影响,海冰消融促进了大气和海冰中的POPs颗粒物质进入海水中,颗粒物沉降将大量POPs带入沉积物中从而改变普里兹湾表层沉积物中含量平面分布的格局。总体而言,普里兹湾沉积物中POPs保存是动力学过程和吸附过程共同作用的结果,具有季节性变化特征的冰间湖是主要驱动原因,吸附迁移过程中颗粒物的有机碳含量是关键因素。通过已有测定站位的沉积速率和沉积通量,初步估算普里兹湾OCPs的年堆积通量HCHs为13.1±7.0kg/a,DDTs为31.7±14.8kg/a,OCPs为46.5±23.6kg/a。(4)研究和分析了西南极长城站附近不同营养级生物栖息地、鸟卵以及企鹅机体组织中POPs的含量水平、来源及生物积累机制。生物栖息地POPs的含量高低依次顺序为：棕贼鸥巢区灰贼鸥巢区企鹅栖息地海豹栖息地巨海燕巢区,栖息地粪土中污染物浓度水平与生物所处的南极食物网营养级的层次有密切关系,层级较高的棕贼鸥和灰贼鸥栖息地粪土中持久性污染物平均含量比企鹅与巨海燕栖息地高。对具体污染物进行分析和溯源,发现各个生物栖息地粪土HCH的异构体中a-HCH与7-HCH的比值范围为3.3-7.5,HCHs的来源主要是以工业品的历史输送为主；DDTs主要来源于老的工业污染,以历史污染物为主要来源;PCBs同系物均以高氯代为主,占比例较高的为Hexa-PCBs和Hepta-PCBs,并且在高级营养层次的灰贼鸥、棕贼鸥与威德尔海豹栖息地粪土中高氯代多氯联苯的含量和比例均较高。对鸟卵中POPs的研究结果表明：食物网中营养级的高低以及捕食习性同样是影响POPs在海鸟体内蓄积并影响到卵中含量的浓度值,贼鸥卵中PCBs高出金图企鹅卵2-3个数量级,随着营养级的增高,高氯代多氯联苯有逐渐比例增加的趋势；海鸟卵中HCH异构体主要是以β-HCH存在,p,p'-DDE作为DDT中最主要的最终代谢产物,在四种鸟类卵中占据了很大的比例,最高可以达到97%,老的工业污染源是南极鸟类卵中DDT的主要来源。对金图企鹅五种机体组织中POPs的含量研究发现OCPs中的HCH和DDT以及PCBs在机体组织的浓度高低顺序均为：脂肪尾脂腺骨质头颅肌肉,并且污染物在脂肪和尾脂腺含量明显高于其他机体组织。从各个机体组织o,p'-DDT/p,p'-DDT的比值来看,说明企鹅机体中的DDT来源除了老工业源外,还有其他的污染来源,比如DDT的替代品三氯杀螨醇农药；PCBs在企鹅的机体组织中主要是以高氯代的PCB138、PCB153和PCB180为主。本论文的开展在一定程度上弥补东南极普里兹湾沉积物中持久性污染物数据空白的缺失,为全面了解东西南极主要海湾沉积物中OCPs和PCBs的含量和分布趋势提供基础数据,有助于进一步了解东南极持久性污染物的迁移、转化及埋藏特征；同时论文研究的西南极不同鸟类在代谢排卵中持久性污染物不同异构体的含量及变化机制,对了解西南极食物网中持久性污染物的来源及生物积累具有现实意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X55

【参考文献】