《环境科学大辞典》中重金属的环境意义

《环境科学大辞典》中重金属的环境意义

随着社会文明的发展，水污染已成为全世界的中心问题。由于沿海城市的发展与工业化进程,工农业和生活污水的不断排入,造成近岸海域严重污染,导致了近岸海域的环境质量下降。污染环境中主要关注的化学物质是持久性有机农药、放射性核物质、油、营养盐和重金属等。重金属因其特殊的化学、地球化学性质及毒性效应,而被称为环境中具有潜在危害的重要污染物,具有高度危害性和难治理性。重金属污染具有来源广、残毒时间长、蓄积性、难以降解、污染后不易被发现并且难于恢复、易于沿食物链转移富集等特征,能够直接或间接作用于生物体DNA,会引起海洋生物的遗传物质发生突变,引起生长缓慢,异常发展,降低胚胎、幼体及成体的存活率,通过敏感种的灭绝导致生态退化,对生态系统构成直接和间接的威胁。从而使生物物种和群落发生改变,影响生物多样性,降低生物资源的利用价值。重金属元素的环境污染一直以来都是国内外环境化学研究的热点。1海洋重金属污染机理《环境科学大辞典》中将重金属定义为:密度大于5g/cm3(或者大于4g/cm3)的金属。不同的重金属在生物体内的功能不同,有些重金属如锰、铜、铁、锌、铯等是生命活动所需要的微量元素,大部分元素如汞、铅、镉等则非生命所必需,铅、镉是常见的环境和工业毒物,超过一定浓度,所有金属元素对生命和人体而言都是有毒的。海洋中重金属的来源有3个:天然源、大气沉降与陆源输入。天然源是由火山活动、自然风化侵蚀等过程产生的;大气沉降是人类活动与天然产生的释放到大气中的;陆源输入是人类活动如采矿、冶炼,矿物燃料燃烧以及工农业、生活废水等产生的。有些重金属污染物是直接排入海洋,有些是经河流与大气沉降排入海洋。陆源输入是海洋污染的主要来源。以各种不同途径进入海洋的重金属,有的通过物理化学过程以颗粒物质的形式下沉至海底,有的被生物吸收,生物死亡后,重金属随其残骸沉到海底。沉积物各地球化学相中的金属元素经生物矿化、早期成岩等过程,在一定条件下可重新释放进入上覆水,对海洋环境造成二次污染。沉积物也是水生生物尤其是底栖动物重金属摄入的重要来源。水体、沉积物与生物体中重金属相互影响、相互转化。2重金属污染的主要研究方向当前,海洋重金属污染状况的主要研究方向为以下3个方面:重金属的生物地球化学,海洋生态毒理学,及环境净化容量、环境质量评价等。2.1重金属生物地球化学的研究2.1.1对国外海域重金属污染研究的基本现状关于重金属污染研究工作,早在20世纪60年代国内外学者就开展了对全球沿岸海域中重金属的调查研究。Thornton等报道,英国威尔士南部港口城市斯旺西作为世界金属熔炼工业中心,导致了水环境铜、锌、铅、镉等重金属污染。在丹麦的哥本哈根海港,该地区的浅海沉积物被重金属等所污染。还有一些被研究的海域,如土耳其的Erdek湾,希腊的萨洛尼卡湾,智利的SanVicente湾,荷兰的Scheldt河口,我国的香港海域,埃及的Suez海湾,德国的波罗的海海域,日本的Funka湾,北部太平洋,美国的旧金山湾,菲律宾的马尼拉湾,俄国的Lena河口,法国的Gironde河口等[18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]。我国学者则相继开展了渤海(锦州湾、渤海湾、辽东湾、双台子河口、辽河口)、黄海(大连湾、胶州湾)、东海(长江口、南汇咀一峡泅海域、厦门西海域、浙江近岸海域、中街山列岛、大港湾)、南海(珠江口、三亚湾、榆林湾、大鹏湾、深圳湾、湛江港)海域的重金属污染调查及研究[31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48]。分析国内外水环境重金属污染现状,可以看出重金属污染主要包括铜、铬、锌、镉、铅和汞等。重金属污染主要来源于化工、采矿、金属冶炼及加工、电镀、轮船制造等行业,以及农用杀虫剂和生活污水。近年来zhang等对中国的一些主要河口悬浮颗粒物和沉积物中重金属的组成进行了研究,发现中国河口重金属含量低于工业发达的欧洲和北美地区。2.1.2分离法和连续法重金属的总量往往很难表征其污染特性和危害,主要取决于它们在水体中的形态分布。根据不同形态重金属的粒径大小,采用过滤分离法把水中的重金属划分为颗粒态、不安定态、结合态和溶解态。关于重金属在沉积物中存在形态的划分,Tessis等采用连续浸提法进行悬浮物中痕量金属铜、锌等的形态分析,分为5种形态:交换态,碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态、残渣态。沉积物中重金属的形态分析表明:重金属在沉积物中以残渣态为主。在人类活动较多的海域和河流,重金属的有机态有上升的趋势。2.1.3海洋环境污染“气候”的监测近海沉积物记录了人类工业文明中各种污染物质的来源、分布、迁移和转化的历史,所以,沉积物监测能反映较大时空尺度内海洋环境污染“气候”的变化。沉积物监测最简单、最常用的方法是结合放射性同位素测年技术(137Cs与210Pb)的沉积物岩芯历史组分测定方法,可以测定海洋岩芯样中的重金属含量分布,现代沉积速率及重金属沉积通量,确定环境背景值重金属污染历史。2.1.4陆源污染物质输入水体中重金属的分布不仅受到稀释、离子交换、吸附和凝聚等本身物化性质的影响,还要受水环境条件,如pH、氧化还原电位、水温、离子强度、盐度等因素的影响,海洋动力与水文气象的影响,如径流、上升流、潮流、余流等流场条件用、输沙量和锋面的综合作用,大气沉降、陆源污染物质输入,底质的地质成分与结构、上覆水向水体的释放及生物作用的影响等。沉积物中重金属的含量分布与陆源污染物质的输入,径流,海底地貌与海洋动力因素,有机碳、硫化物、pH、氧化还原电位、碳酸盐、粒径,底质原生矿物等密切相关[44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56]。重金属离子在细粒的沉积物表面有较强的亲和力,其含量与沉积物粒径之间有密切的相关性。粘土质细颗粒沉积物的表面积大,对污染物的吸附滞留作用较强。重金属易与有机碳(主要为腐植质)和硫化物通过表面吸附、阳离子交换和螯合反应形成金属有机络合物与金属硫化物沉淀而从水体中移出。细粒沉积物碎解程度高,粒度越细则越实、越缺氧,Eh值越低,越易形成还原环境。盐度低、pH值小、有机质含量高,消耗溶解氧就多,易造成缺氧的还原条件,这也有利于有毒物质的沉积和积累。2.2评价重金属污染的方法对于水环境中重金属污染的评价方法主要包括三方面:一是生物监测的评价方法,二是水质直接评价方法,三是沉积物评价方法。2.2.1对海洋重金属污染的监测所有的海洋生物都在某种程度上积累重金属,积累量视金属类型和生物种类而异。双壳类积累重金属的量随水体中重金属浓度的增加而增加。在自然海区,菲律宾蛤仔对锌、铅的富集系数可达1000以上。重金属在水生动物内可通过鳃、摄食、体表与水体的渗透交换作用等方式累积,其中沿食物链的富集最主要。生物的食性不同,重金属在不同水生动物中残留量也各异。海洋双壳类(牡蛎、蛤仔、贻贝)具有重金属污染监测生物应具备的基本属性:分布广泛,种群密度大,寿命较长,固着不动,底栖生活,对水环境中重金属的累积是净累积型,从体内排出有一定长时间的生物学半衰期。因此,利用双壳类监测海洋重金属污染已成为海洋重金属污染监测的重要手段。用于监测水体重金属污染的指示生物还有水生藻类、浮游动物群落等,如乔福裕等应用海洋端足类来检测锦州湾重金属的毒性。还可以通过测定个体、器官、组织等的重金属残留,贝类指示生物的生理(如呼吸)、生化(如酶活性)、金属结合蛋白浓度等指标进行重金属致毒性研究。还有近些年来新发展起来的单细胞凝胶电泳技术,用来检测环境中重金属污染的遗传损伤。2.2.2水体重金属污染评价海洋水质评价方法主要有:单项指数法、综合指标评价法、内梅罗评价方法、几何均值模式、向量模式、模糊数学法、半集均方差模式、灰色聚类法和层次分析法等。廉雪琼等采用单项质量指数法评价了广西近岸海域海水和沉积物及生物体中的重金属的污染水平。黄向青等采用综合指数法评价了深圳大鹏湾、珠江口海水中的有害重金属。谷国传等选用模糊理论水质评价法对南汇咀、嵊泗海域水环境重金属元素分布及其污染进行了评价。马嘉蕊等用半集均方差模式评价了黄渤海辽宁省海湾的环境现状。2.2.3其他方法的研究中外学者常通过对沉积物的分析来评价水体重金属污染的情况。沉积物质量评价方法,主要包括单项指数法、平均富集因子(AverageEnrichmentFactors,AEF)、平衡分配法、地质累积指数法(IndexofGeoaccumulation)、潜在生态危害指数法(ThePotentialEcologicalRiskIndex)、脸谱图、综合污染指数法、尼梅罗综合指数法、污染负荷指数法(PollutionLoadIndex)、沉积物富集系数法(sedimentsenrichmentfactor,SEF)、次生相与原生相分布比法和次生相富集系数法、回归过量分析法(ExcessafterRegressionAnalysis)等[63,64,65,66,67,68,69]。张效龙等用单项标准指数法进行了天津永定新河口海区海底表层沉积物质量评价;李玉等用平均富集因子进行胶州湾表层沉积物中重金属和有机质污染状况评价;王增焕等应用潜在生态危害指数法对研究海域的生态环境进行质量评价和生态危害性评价;韩建波等将平衡分配法评价有毒金属沾污沉积物的研究方法应用于锦州湾地区的沉积物评价;刘成等利用生态风险指数法评价了环渤海湾诸河口水域的重金属污染程度及其对水域造成的潜在生态风险影响;王立新等利用地累积指数对锦州湾沉积物中重金属污染的潜在生物毒性风险进行了评价。2.2.4采用sqc的方法为了有效保护水环境质量和水生态系统健康,国际上正积极研究与建立水体沉积物的质量基准(SedimentQualityCriteria/Guideline,SQC或SQG)。目前制定SQC的方法很多,如:背景值法、水质参数法、相平衡分配法、整体沉积物毒性法、间隙水法、生物组织残余法、生物检测法、水平筛选法、表观效应阈值法、生物效应数据库法和沉积物质量三合一法等。其中,加拿大、美国佛罗里达、澳大利亚与新西兰和中国香港等国家和地区利用生物效应数据库方法建立了生物响应型沉积物重金属质量基准,而荷兰和英国等则利用平衡分配法建立了数值型重金属质量基准。王立新等应用生物效应数据库法对渤海锦州湾沉积物重金属质量基准进行了初步研究。2.3静态海水淡化重金属的自净能力海水中一定数量的有机或无机配体能使进入水体的游离态重金属离子转化为较稳定的络合态,从而降低重金属的毒性。通过实验可测得重金属络合容量,计算出静态海水对重金属的化学自净能力。程娟等研究了黄海海域表层海水的表观铜络合容量,为该海域重金属环境容量研究提供科学依据。陈小睿等发现胶州湾金属铜络合容量在海洋微表层是富集的,提高了胶州湾海水的自净能力。3海洋水体重金属生物有效性评价综上所述,海洋环境重金属污染问题已十分突出,海洋环境重金属污染的来源主要是工农业及市政废水的陆源输入。中国的海洋生物地球化学研究还局限于个体和种群水平,对于重金属进入海洋后的化学迁移与转化过程,并与物理过程耦合,能量和动量交换和沉积降解的过程还没有一个较为系统完整的研究。水体—生物系统中重金属的积累能力和生物毒性,主要程度上是由其形态分布决定。目前没有一个确定统一的生物有效性评价方法,可