城市植物叶面颗粒物中PAHs污染特征及分配规律研究

发布时间：2020-08-04 08:29

【摘要】：多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)作为城市环境介质中持久性有机污染物(Persistent organic pollutants,POPs),具有致癌、致畸和致突变性,在大气颗粒物中普遍存在,其中16种组分已被美国环保署(USEPA)列入优先控制污染物名单。当今,高速的城市工业化和人类活动导致城市空气污染日益加剧,城市环境介质中的PAHs已对生态系统功能和人类健康构成潜在威胁,成为污染生态学研究领域的热点问题之一。城市植被是城市生态系统的重要组成部分,庞大的城市植被表面是环境污染物与植物相互作用的界面。一方面,植物叶面对大气颗粒物及所携带的PAHs具有一定的截获能力,能够表征PAHs的污染现状及来源;另一方面,植物可以通过叶片等途径能够降解环境中的部分PAHs。因此,植物叶面为区域环境质量监测提供了一条有效便捷的途径,并对环境污染物的迁移转化行为起关键作用。本研究以南京市为研究区域,以常见城市绿化植物叶面颗粒物中PAHs为研究对象,开展植物叶面颗粒物中PAHs的时空分布特征研究,重点剖析植物叶面吸附颗粒物及累积PAHs的差异性,探究植物角质层对PAHs的吸附性能,分析叶面颗粒物中PAHs的潜在来源,评估叶面颗粒物中PAHs的生态风险和健康风险。主要研究结果如下:1、南京市城区四季不同功能区植物叶面颗粒物中16种PAHs(∑_(16)PAHs)含量范围在756.19μg/kg~19018.14μg/kg,均值为6912.04μg/kg。叶面颗粒物中∑_(16)PAHs含量具有显著的季节变化特征,呈现出冬季秋季春季夏季的规律;并在空间上呈现出交通枢纽区商业区文教区风景区公园绿地区的变化趋势。四季各功能区叶面颗粒物中PAHs组分主要以4环和5环为主,其次为3环、6环,2环所占比例最低;Indeno(1,2,3-cd)pyrene(IcdP)、Fluoranthene(Flu)和Pyrene(Pyr)是主要的单体化合物。南京市∑_(16)PAHs含量空间分布呈现出南北高-东西低的趋势,四季高值区出现在玄武区、鼓楼区和秦淮区,栖霞区和雨花台区为低值区。四季叶面颗粒物中∑_(16)PAHs含量的空间变化明显,春季大部分区域PAHs含量较低;夏季以PAHs低值区为主;秋季较夏季而言,PAHs高值区范围有所扩大;冬季大部分区域PAHs含量相比于其它三个季节相对较高。2、植物对不同粒径颗粒物吸附质量及颗粒物中累积PAHs含量都存在种间差异,在不同区域均表现为二球悬铃木(Platanus orientalis)红叶石楠(Photinia x fraseri)≈海桐(Pittosporum tobira)桂花(Osmanthus fragrans)。以植物叶片对不同粒径颗粒物质量进行统计发现,叶片表面PM_(10)对颗粒物总质量的贡献最高,均在67.54%以上,对PM_(2.5~10)和PM_(2.5)的吸附质量分别为21.63%和10.83%。以植物叶片对不同粒径颗粒物数量进行统计发现,PM_(10)对总颗粒物数量的贡献最高,均在93.15%以上,PM_(2.5)在总数量中占63.94%。结合扫描电镜观察发现,不同植物叶片上下表面微形态差异明显,叶片上表面对颗粒物的吸附能力强于叶片下表面。细颗粒物或更小粒径颗粒物主要被吸附在绒毛和深浅不一的沟槽处,但在气孔附近较浅的沟槽处未能发现明显颗粒物。通过多元回归分析发现,植物叶片单位面积吸附PM_(2.5)数量百分比与叶面颗粒物中∑_(16)PAHs含量呈极显著指数正相关(p0.001),表明粒径小于2.5μm的颗粒物是影响植物叶面颗粒物中∑_(16)PAHs含量差异的重要因素。3、植物角质层对PAHs的吸附结果表明其吸附机理是分配作用。根据线性等温吸附曲线斜率K_d值表明,马尾松(Pinus massoniana)、海桐(Pittosporum.tobira)和桂花(Osmanthus fragrans)对Naphthalene(Nap)均表现出较强的吸附性能,海桐强于桂花和马尾松;马尾松和桂花对Phenanthrene(Phe)的吸附性能无差别,但两者略强于海桐;马尾松对Fl的吸附性能强于桂花和海桐;桂花对Pyr的吸附性能强于马尾松和海桐。通过扫描电镜观察发现,马尾松角质层具有丰富的微观形貌,两侧气孔器排列紧密。桂花角质层表面粗糙呈褶皱状,海桐角质层表面平滑,但两者都未观察到气孔器,植物角质层微观结构的不同是导致植物吸附PAHs种间差异的主要原因。利用傅里叶红外光谱分析显示,马尾松中含有脂肪成分,海桐角质层中蜡质含量最高。三种植物叶片角质层在C=O(~1734 cm~(-1))处均有信号,说明有明显的酯键吸收峰,且C-O-C峰(~1057 cm~(-1))最为突出,这与其叶片中糖类含量有关。4、根据诊断比率法和主成分分析法对南京市叶面颗粒物中PAHs进行来源解析表明,南京市城区植物叶面颗粒物中PAHs主要来源于柴油和汽油机动车排放、煤炭燃烧,石油、化石燃料的混合燃烧,低温燃烧和石油泄漏及生物质燃烧是其来源的重要补充;城郊区PAHs主要来自于机动车排放、煤和生物质的不完全燃烧,石油泄漏和工业燃烧是其来源的重要补充;远郊区中PAHs主要来自于汽车尾气排放、煤炭和化石燃料燃烧,生物质不完全燃烧是其来源的重要补充。5、通过与加拿大农业土壤PAHs治理标准对比可知,南京市植物叶面颗粒物以Pyr和Phe污染最为严重。根据荷兰土壤PAHs的C级治理标准可知,叶面颗粒物中主要以Flu、Chrysene(Chr)、Benzo(a)pyrene(BaP)污染为主。进一步对叶面颗粒物中PAHs潜在致癌风险分析发现,南京市城区、城郊区和远郊区叶面颗粒物中7种致癌PAHs是总TEQ_(BaP)的主要贡献者,分别占16种优控PAHs的97.09%,98.61%和99.12%,其中贡献率较高的前三位分别为BaP、Dibenzo(a,h)anthracene(DBA)和IcdP。通过计算终生致癌风险值Incremental Lifetime Cancer Risks(ILCRs)显示由呼吸途径产生的ILCRs值范围在10~(-13)~10~(-10)数量级,未对人类健康产生致癌风险;而通过摄食和皮肤接触产生的ILCRs值均高于1×10~(-5),已对人类健康产生潜在威胁,其中以皮肤接触方式对总ILCRs值的贡献最大。不同区域3种接触方式产生的总ILCRs值均表现为成年人儿童青少年,其中女性对有毒污染物的反应较男性更为敏感。不同年龄段人群通过皮肤接触的暴露途径产生的ILCRs值表现为成人青少年儿童,通过摄食所产生的ILCRs值表现为儿童成人青少年。
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X592;X173
【图文】：

大气颗粒物,颗粒物

图 1-1 大气颗粒物的分类与形成过程Fig.1-1 The classification and forming process of the atmospheric particulate (Hinds, 1999)1.3.2 叶面颗粒物吸附机理及影响因素研究大气颗粒物通过干湿沉降的方式到达植被表面，叶面颗粒物在迁移转化的过程中受到人为因素和自然因素的双重影响易发生再悬浮，重新进入大气环境中（Rossini &Mingorance, 2006），或是通过重力作用沉降到土壤表面及地表。不容忽视的是，土壤及地表颗粒物在外力作用下将转化为可悬浮的大气颗粒物，又重新沉降于叶片表面（Nowak eal., 2006; Ram et al., 2012）。因此，植物叶面颗粒物不仅作为城市污染物的载体，而且作为城市环境中的二次污染源，其沉降-再悬浮-再沉降的过程增强了城市大气颗粒物的循环污染效应，与城市大气环境质量及人体健康关系密切。在叶面与空气平衡的定量表述中的意义不可低估（Paterson et al.,1994），同时也是解释污染物在大气-植物-土壤系统中迁移归趋过程不可缺失的一环。植物通过其庞大的叶片表面能够有效吸附颗粒物，作为减轻城市大气颗粒物污染物的手段已被广泛认可（Zhou et al., 2010; Liu et al., 2012; Pettit et al., 2017）。通过增加城市绿化能有效缓解城市地区颗粒物的污染，Tallis 等（2011）用城市森林效果模型（The UrbanForest Effects Model）估算出英国伦敦市城市树木每年可去除 852~2121 吨 PM。美国芝

路线图,总体技术,路线,叶面

通过单因子指数和内梅罗综合指数评价法，对叶面颗粒物中 PAHs 的生态风险进行评价。运用 BaP 等效毒性当量浓度和终生致癌风险模型，判断叶面颗粒物中 PAHs 对城市居民健康产生的危害程度。1.5 技术路线

地理分布图,海桐,叶片,封袋

能区选取条件相近、叶面积指数相近、生长状况良好、树形相近的海桐（Pitto）成熟健康叶片作为样本，以减少个体差异而导致颗粒物吸附量的差异。每个 3 个采样点，每个点选取 4 个平行样（Simon et al., 2014），采集叶片的高度约为东南西北四个方向上、中、下不同高度位置均匀采集叶片。采样时间分别为月、2016 年 1 月、4 月和 7 月，采样前 2 周内无降雨和大风事件。将采集的样封袋中带回实验室，置于 4℃冰箱中保存备用待分析。

【参考文献】