巢湖生态系统中多环芳烃的多介质分布、归趋与风险：基于多维度分析的研究

巢湖生态系统中多环芳烃的多介质分布、归趋与风险：基于多维度分析的研究一、引言1.1研究背景与意义巢湖，作为中国五大淡水湖之一，位于安徽省中部，流域面积广阔，水系发达，不仅是众多珍稀水生动植物的栖息家园，还为周边城市提供了不可或缺的水源，在区域生态平衡和经济发展中发挥着举足轻重的作用。近年来，随着工业化、城市化进程的加速，巢湖流域的人口数量急剧增加，工业活动日益频繁，交通运输量不断攀升，这些因素导致大量污染物排放进入巢湖生态系统，其中多环芳烃（PAHs）污染问题尤为突出。多环芳烃是一类由两个或两个以上苯环以稠环形式相连的有机化合物，具有较强的稳定性和疏水性，在环境中难以降解，能够长期存在并通过食物链传递和生物富集，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。研究表明，PAHs具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应，长期暴露于PAHs污染环境中，可能会引发呼吸系统、消化系统等多种疾病，严重危害人体健康。PAHs在巢湖生态系统中的多介质分布，包括大气、水体、土壤和生物体等，受多种因素影响，如污染源的类型和强度、环境条件（温度、湿度、光照等）以及介质之间的相互作用等。其归趋过程涉及迁移、转化和降解等复杂环节，这不仅决定了PAHs在环境中的持久性和生物可利用性，还影响着它们对生态系统和人类健康的潜在风险。准确掌握PAHs在巢湖生态系统中的多介质分布特征，有助于深入了解其污染来源和传输途径；明晰PAHs的归趋规律，能够为预测其在环境中的长期行为提供科学依据；而全面评估PAHs的风险，则是制定针对性污染防控策略和保障生态安全的关键所在。因此，开展巢湖生态系统中多环芳烃的多介质分布、归趋与风险研究，对于保护巢湖的生态环境，维护区域生态平衡，保障人民群众的身体健康，促进经济社会的可持续发展，都具有重要的现实意义和深远的战略价值。1.2国内外研究现状多环芳烃（PAHs）作为一类广泛存在于环境中的持久性有机污染物，一直是国内外环境科学领域的研究热点。国外对PAHs的研究起步较早，在20世纪70年代，美国环保署（EPA）就将16种PAHs列为优先控制污染物，随后，欧盟等也相继将PAHs纳入重点监测和管控范围。早期的研究主要集中在PAHs的分析检测方法开发，通过不断改进气相色谱-质谱联用（GC-MS）、高效液相色谱（HPLC）等技术，实现了对环境样品中痕量PAHs的精准测定。例如，[国外文献1]采用GC-MS技术，成功检测出大气颗粒物中多种PAHs的含量，为后续研究提供了可靠的分析手段。随着研究的深入，国外学者对PAHs在不同环境介质中的分布特征进行了大量研究。在大气环境方面，研究发现城市地区由于交通、工业排放等因素，PAHs浓度明显高于农村和偏远地区，且其组成和浓度受季节、气象条件等影响显著，如[国外文献2]对某城市不同季节大气PAHs的监测显示，冬季因供暖导致燃煤量增加，PAHs浓度明显升高，且高环PAHs比例增大。在水体环境中，河流、湖泊等水体中PAHs的含量与周边污染源分布密切相关，沉积物则是PAHs的重要蓄积库，[国外文献3]通过对某河流沉积物中PAHs的研究，揭示了其长期累积规律和污染历史。在土壤环境中，PAHs的分布受土地利用类型、污染源距离等因素制约，工业用地、交通干线附近土壤PAHs污染较为严重，如[国外文献4]对不同土地利用类型土壤PAHs的分析表明，工业区土壤PAHs浓度是农业用地的数倍。在PAHs的来源解析方面，国外运用多种技术手段，如同位素分析、特征比值法等，准确识别其来源。[国外文献5]通过对PAHs同分异构体比值的分析，明确了某地区PAHs主要来源于机动车尾气排放和生物质燃烧。对于PAHs的归趋研究，国外重点关注其在环境中的迁移、转化和降解过程，利用模型模拟等方法，预测PAHs在不同环境介质中的迁移路径和归宿，[国外文献6]建立了多介质逸度模型，模拟PAHs在大气、水体、土壤间的迁移转化，为污染控制提供了理论依据。在风险评价方面，国外建立了较为完善的评估体系，综合考虑PAHs的毒性、暴露途径和暴露剂量等因素，评估其对生态系统和人体健康的风险，如[国外文献7]采用概率风险评价方法，对某地区居民因接触PAHs而面临的健康风险进行了量化评估。国内对PAHs的研究始于20世纪80年代，近年来随着环境问题的日益突出，研究力度不断加大。在分析检测技术上，已与国际接轨，能够准确测定各类环境样品中的PAHs。在分布特征研究方面，对我国多个地区的大气、水体、土壤等环境介质中的PAHs进行了广泛监测。在大气中，京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区PAHs污染较为严重，如[国内文献1]对京津冀地区大气PAHs的监测显示，其浓度远超国家空气质量标准，且存在明显的区域差异。在水体中，长江、黄河等主要河流以及太湖、滇池等湖泊都受到不同程度的PAHs污染，[国内文献2]对太湖水体和沉积物中PAHs的研究表明，其含量与周边工业活动和城市发展密切相关。在土壤中，城市土壤、矿区土壤PAHs污染问题较为突出，[国内文献3]对某矿区周边土壤PAHs的调查发现，其污染程度严重，对周边生态环境构成威胁。在PAHs的来源解析上，国内结合我国实际情况，综合运用多种方法，确定主要污染源。研究表明，我国PAHs的来源主要包括煤炭燃烧、机动车尾气排放、工业活动等，如[国内文献4]通过对某城市PAHs来源的解析，发现煤炭燃烧对PAHs的贡献率高达40%以上。在归趋研究方面，国内学者开展了一系列实验和模拟研究，探究PAHs在环境中的迁移转化规律，[国内文献5]利用室内模拟实验，研究了PAHs在土壤-植物系统中的迁移转化行为，为农田污染防控提供了参考。在风险评价方面，国内借鉴国外经验，建立了适合我国国情的风险评估体系，对不同地区PAHs的生态风险和人体健康风险进行了评估，[国内文献6]对某地区PAHs的健康风险评估显示，部分人群因长期暴露于PAHs污染环境，面临较高的健康风险。针对巢湖的研究，目前已取得了一定成果。有研究对巢湖水体和水产品中PAHs的含量进行了测定，如[相关文献]利用GC-MS测定了巢湖水体15个样品及9种主要水产品中16种优控PAHs的含量，并用美国环保局（USEPA）推荐的健康风险评价模型估算了巢湖地区居民由于饮水、洗澡及食用水产品造成的PAHs暴露量。还有研究分析了巢湖流域多环芳烃的分布特征，发现工业区和城市周边区域的PAHs浓度较高，且PAHs的组成和浓度与季节变化密切相关。然而，当前对巢湖生态系统中PAHs的研究仍存在一些不足。在多介质分布研究方面，对大气、水体、土壤、生物体等多介质间PAHs的传输和分配机制研究不够深入，缺乏系统性的综合分析。在归趋研究中，对PAHs在复杂生态系统中的迁移转化过程及影响因素的认识还不够全面，相关模型的准确性和适用性有待提高。在风险评价方面，虽然已开展了一些工作，但对PAHs长期累积效应和潜在风险的评估还不够完善，缺乏动态的风险评估体系。此外，针对巢湖独特的生态环境和污染源特征，如何制定针对性的PAHs污染防控策略，也有待进一步研究。综上所述，国内外在PAHs研究领域已取得了丰硕成果，但针对巢湖生态系统中PAHs的多介质分布、归趋与风险研究仍存在一定的空白和不足。本研究将在已有研究基础上，系统开展巢湖生态系统中PAHs在大气、水体、土壤、生物体等多介质中的分布特征研究，深入探究其归趋过程和影响因素，完善风险评价体系，并提出针对性的污染防控策略，以期为巢湖的生态环境保护提供科学依据。1.3研究内容与方法本研究聚焦巢湖生态系统，围绕多环芳烃（PAHs）展开多维度探究，旨在全面揭示PAHs在该生态系统中的多介质分布规律、归趋过程以及潜在风险，为巢湖的生态环境保护提供科学依据。在研究内容方面，首先是对PAHs在巢湖生态系统多介质中的分布特征展开研究。在巢湖流域范围内，综合考虑工业布局、城市分布、交通干线以及自然保护区等因素，科学合理地设置大气采样点，运用高流量大气采样器，按照季节变化规律，采集不同时段的大气样品，利用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）精确测定其中PAHs的种类和含量，深入分析PAHs在大气中的组成特征以及不同季节、不同区域的浓度变化规律。在水体采样过程中，兼顾巢湖的湖心、沿岸、河口等典型区域，分层采集水样，同时对水体中的悬浮颗粒物进行同步收集，通过液液萃取、固相萃取等前处理手段，结合GC-MS分析，明确PAHs在水体和悬浮颗粒物中的分布情况，探究其与水体深度、水流速度、周边污染源等因素的关联。针对土壤采样，在巢湖周边的农田、林地、工业园区、城市绿地等不同土地利用类型区域，多点采集表层土壤和不同深度的土壤剖面样品，采用索氏提取、超声提取等方法提取土壤中的PAHs，借助GC-MS检测，剖析PAHs在土壤中的垂直分布和水平分布特征，以及土地利用类型对其分布的影响。对于生物体采样，选取巢湖中的常见水生生物，如鱼类、虾类、贝类等，以及周边的陆生生物，如鸟类、小型哺乳动物等，采集其肌肉、肝脏、脂肪等组织样品，运用加速溶剂萃取、凝胶渗透色谱净化等技术处理样品后，利用GC-MS测定PAHs含量，研究PAHs在不同生物体内的富集规律以及生物放大效应。其次，本研究还对PAHs在巢湖生态系统中的归趋进行研究。通过野外实地监测，定期采集巢湖不同区域的大气、水体、土壤和生物体样品，持续跟踪PAHs的浓度变化和组成变化，结合气象数据、水文数据、土壤理化性质数据等，深入分析PAHs在各环境介质间的迁移过程，包括大气沉降、地表径流、地下水渗透、生物吸收与排泄等途径，明确不同迁移途径的贡献比例。在实验室模拟方面，搭建多介质模拟实验装置，模拟巢湖的实际环境条件，研究PAHs在大气-水体、水体-土壤、土壤-生物体等界面的迁移转化行为，考察温度、pH值、微生物活性、有机碳含量等环境因素对迁移转化过程的影响机制。运用多介质逸度模型，结合野外监测数据和实验室模拟结果，输入巢湖生态系统的相关参数，如环境介质的体积、面积、密度，PAHs的理化性质参数，以及各介质间的迁移转化速率常数等，对PAHs在巢湖生态系统中的长期归趋进行模拟预测，评估不同情景下PAHs的环境浓度变化趋势。本研究还对PAHs在巢湖生态系统中的风险进行了评价。从生态风险角度，依据PAHs对水生生物、陆生生物的毒性数据，结合巢湖生态系统中生物的种类、数量、分布等信息，运用物种敏感性分布法、风险熵法等，评估PAHs对巢湖生态系统中生物群落结构和功能的潜在危害，确定生态风险较高的区域和PAHs种类。从人体健康风险角度，考虑巢湖周边居民通过呼吸、饮水、饮食等途径暴露于PAHs的情况，收集居民的生活习惯、饮食结构、呼吸速率等数据，利用美国环保局（USEPA）推荐的健康风险评价模型，计算居民因接触PAHs而面临的致癌风险和非致癌风险，分析不同暴露途径对健康风险的贡献大小。针对风险评价结果，运用不确定性分析方法，如蒙特卡罗模拟、拉丁超立方抽样等，评估风险评价过程中参数不确定性对结果的影响程度，明确风险评价结果的可靠性和不确定性范围。在研究方法上，采用了样品采集与分析技术，根据不同环境介质的特点，遵循相关标准和规范，科学合理地设计采样方案，确保采集的样品具有代表性。运用先进的分析仪器和方法，对样品中的PAHs进行高精度的定性和定量分析，保证数据的准确性和可靠性。利用模型模拟与预测手段，借助多介质逸度模型、大气扩散模型、水流模型等，结合巢湖的实际环境参数和PAHs的迁移转化规律，对PAHs在生态系统中的行为进行模拟预测，为风险评估和污染防控提供科学依据。使用风险评价方法，综合运用生态毒理学、环境流行病学等领域的研究成果，采用科学合理的风险评价指标和方法，全面评估PAHs对生态系统和人体健康的潜在风险，为风险管理提供决策支持。同时，本研究还采用了数据统计与分析方法，运用统计学软件，对大量的监测数据和模拟数据进行统计分析，揭示数据之间的内在联系和规律，通过相关性分析、主成分分析、聚类分析等方法，探究PAHs的分布、归趋与环境因素之间的关系，为研究结果的解释和讨论提供数据支撑。二、巢湖生态系统概况及多环芳烃来源2.1巢湖生态系统概述巢湖，作为中国五大淡水湖之一，宛如一颗璀璨的明珠镶嵌在安徽省中部，处于长江、淮河两大水系的中间地带，地理坐标为北纬31°25′-31°43′，东经117°16′-117°51′之间。其独特的地理位置，使其成为连接南北水系的重要节点，不仅在区域水文循环中扮演着关键角色，还对周边地区的气候调节、生态平衡维护等方面发挥着重要作用。巢湖流域范围广泛，涉及安庆岳西县，六安舒城县、金安区，合肥肥东县、肥西县、长丰县、包河区、瑶海区、庐阳区、蜀山区、庐江县、巢湖市，马鞍山含山县、和县，芜湖无为县等五市十五县（区），总面积达1.3万平方公里，其中巢湖闸上面积为9153平方千米，闸下面积为4333平方千米。整个流域地势西北、东南高，中部低，沿巢湖形成蝶状盆地，这种独特的地形地貌使得巢湖成为周边地区地表径流的汇聚中心。巢湖东西长55千米，宛如一条蜿蜒的巨龙横卧在大地之上；南北宽21千米，湖岸线周长176千米，仿佛一条细长的丝带环绕着这片广袤的水域。常年平均水位保持在8.37米，平均水深2.89米，湖面面积达780平方千米，容积为20.7亿立方米，宽阔的湖面和丰富的水量，使其成为众多水生动植物的栖息家园。巢湖属于河成型湖泊，形成于更新世发育的河谷平原上，距今约一万年，是大自然历经漫长岁月雕琢而成的杰作。其入湖水源主要来自大别山区东麓及浮槎山区东南麓的地面径流，现有大小河流35条，这些河流如同一根根脉络，从南、西、北三面呈向心状汇入湖内。由于河流源近流短，具有典型的山溪性河流特性，其中较大的河流有杭埠河、白石天河、派河、南淝河、炯炀河等，而注入湖水量最大的杭埠河，约占总入湖水量的60％左右，为巢湖的水量平衡和生态系统的稳定提供了重要保障。巢湖出湖经裕溪河、牛屯河与长江连通，这种连通关系使得巢湖与长江之间形成了密切的水文联系，不仅影响着巢湖的水位变化和水体交换，还对长江中下游地区的生态环境产生着深远影响。巢湖所在地区属于北亚热带温润性季风气候，气候温和湿润，光照充足，雨量适中，季风显著，四季分明，无霜期长。整个流域年平均气温在15-16°C之间，活动积温在4500°C以上，无霜期为224-252天，年气温较差25°C以上。平均年降水量为1100毫米，最大年降水量可达1450毫米，最小年降水量为630毫米。这种适宜的气候条件，为巢湖生态系统中的生物提供了良好的生存环境，使得这里生物多样性丰富，生态系统复杂多样。巢湖是中国重要的渔业基地，为中国十大商品鱼类的生产基地之一，素有“巢湖360汊，汊汊有鱼虾”的美誉。这里不仅是众多经济鱼类的繁殖和生长场所，还孕育了丰富的水生植物资源，如芦苇、荻、竹叶眼子菜、苦草、菹草、野菱等，这些水生植物不仅为鱼类提供了食物和栖息场所，还对维持湖泊生态系统的稳定起着重要作用。巢湖的主要名优水产有银鱼、秀丽白虾、湖蟹，它们被誉为“巢湖三鲜”，以其鲜美的口感和丰富的营养深受人们喜爱。在鱼类资源中，湖鲚主宰着巢湖渔业的产量，红鲌、“四大家鱼”、鲤、鲫等鱼类也是巢湖的优质鲜群种，这些鱼类资源不仅支撑着当地的渔业经济，还在区域生态系统中占据着重要的生态位。然而，巢湖生态系统也面临着诸多挑战，具有一定的脆弱性。由于其处于人口密集、经济快速发展的区域，人类活动对其影响日益显著。随着城市化进程的加速，大量的生活污水和工业废水未经有效处理直接排入巢湖，导致湖水水质恶化，水体富营养化问题严重，蓝藻水华频繁爆发，严重影响了湖泊的生态功能和景观价值。农业面源污染也是巢湖面临的重要问题之一，农田中大量使用的化肥、农药等通过地表径流进入巢湖，不仅增加了水体中的营养物质含量，还带来了重金属、有机污染物等有害物质，对水生生物的生存和繁衍造成了威胁。巢湖的生态系统较为封闭，水体交换能力相对较弱，这使得污染物在湖内容易积累，难以通过自然循环得到有效稀释和净化。一旦生态系统遭到破坏，其恢复过程将面临诸多困难，需要付出巨大的代价和时间成本。巢湖在区域生态平衡和经济发展中具有不可替代的重要性。它不仅为周边城市提供了重要的水源，保障了居民的生活用水和工业用水需求，还在调节气候、涵养水源、保持水土、维护生物多样性等方面发挥着重要作用。巢湖丰富的渔业资源和旅游资源，也为当地经济的发展做出了重要贡献，促进了渔业、旅游业等相关产业的繁荣。2.2多环芳烃的性质与危害多环芳烃（PAHs）是一类由两个或两个以上苯环以稠环形式相连的碳氢化合物，具有独特的化学结构。根据苯环的连接方式，PAHs主要分为联苯和联多苯类、多苯代脂肪烃类和稠环芳烃类。其中，稠环芳烃是最为常见且研究较多的一类，其分子中两个或两个以上的苯环共用两个相邻碳原子稠合而成。例如，萘是由两个苯环共用相邻两个碳原子稠合而成，分子式为C10H8，是煤焦油中含量最多的化合物，在高温煤焦油中约含10%；蒽的分子式为C14H10，由三个苯环稠合而成，存在于煤焦油中，含量约为0.25%；菲与蒽互为同分异构体，也存在于煤焦油中。这些稠环芳烃的结构稳定性较高，使得PAHs具有一系列独特的物理化学性质。PAHs的物理化学性质使其在环境中具有特殊的行为和归趋。PAHs大多为无色或淡黄色的结晶固体，具有较高的熔点和沸点。随着苯环数量的增加，PAHs的分子量增大，其熔点和沸点也相应升高。例如，萘的熔点为80℃，沸点为218℃；而苯并[a]芘的熔点高达179℃，沸点为495℃。PAHs的溶解性较差，尤其是在水中的溶解度极低，且随着环数的增加，溶解度呈指数下降。这是因为PAHs分子中的苯环结构使其具有较强的疏水性。例如，萘在水中的溶解度约为31.7mg/L，而苯并[a]芘的溶解度仅为0.0038mg/L。PAHs具有一定的挥发性，但挥发性随着分子量的增加而降低。低环PAHs（2-3环）在常温下具有相对较高的挥发性，可在大气中以气态形式存在；而高环PAHs（5-7环）挥发性较低，主要吸附在大气颗粒物上。PAHs还具有较强的稳定性，由于其苯环结构的共轭体系，使得PAHs能够抵抗一般的化学反应，在环境中难以被降解。PAHs对生态系统和人类健康具有严重的危害。许多PAHs具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应。其中，苯并[a]芘是第一个被发现的环境化学致癌物，致癌性很强，常被作为PAHs的代表。国际癌症研究中心（IARC）将苯并[a]芘列为第1类人类致癌物，长期接触高浓度苯并[a]芘，可能会引发肺癌、皮肤癌、胃癌等多种癌症。研究表明，PAHs进入人体后，经过一系列的代谢转化，会生成具有活性的代谢物，这些代谢物能够与DNA结合，形成DNA加合物，从而导致基因突变和细胞癌变。PAHs还具有致畸作用，可影响胚胎的正常发育，导致胎儿畸形。对动物实验发现，孕期暴露于PAHs的母鼠，其后代出现神经管畸形、心脏畸形等多种畸形的概率明显增加。PAHs的致突变性会导致生物体的遗传物质发生改变，影响生物的遗传稳定性。PAHs对生态系统的破坏也不容忽视。在水生生态系统中，PAHs会对鱼类、贝类、浮游生物等水生生物产生毒性影响。PAHs会干扰水生生物的生理功能，如影响鱼类的呼吸、生长、繁殖等。研究发现，暴露于PAHs的鱼类，其生长速度减缓，生殖能力下降，甚至出现死亡。PAHs还会在水生生物体内富集，通过食物链传递，对高营养级生物造成更大的危害。在陆生生态系统中，PAHs会影响土壤微生物的活性和群落结构，进而影响土壤的生态功能。PAHs会抑制土壤中硝化细菌、氨化细菌等微生物的生长和代谢，降低土壤的肥力。PAHs还会对植物的生长发育产生负面影响，抑制种子萌发、根系生长和光合作用等。对植物实验表明，暴露于PAHs的植物，其根系生长受到抑制，叶片发黄，光合作用效率降低。2.3巢湖生态系统中多环芳烃的来源解析多环芳烃（PAHs）在巢湖生态系统中的来源广泛，主要可分为自然源和人为源两大类别。自然源方面，陆地、水生植物以及微生物的生物合成过程是PAHs的自然产生途径之一。在自然环境中，这些生物在代谢活动或特定的生理过程中，有可能合成PAHs并释放到周围环境中。例如，某些水生植物在应对外界环境压力或进行特殊的生理调节时，其体内的生化反应可能会产生PAHs，然后通过根系分泌或细胞脱落等方式进入水体或土壤。森林、草原的天然火灾以及火山的喷发物也是自然源的重要组成部分。当森林或草原发生火灾时，大量的植物和有机物在高温下发生燃烧和热解反应，这一过程会产生一系列复杂的有机化合物，其中就包括PAHs。火山喷发时，地球内部的岩浆和气体携带的各种物质喷出地表，这些物质中也可能含有PAHs。在历史上的火山喷发记录中，研究人员在喷发后的火山灰和周围环境样本中检测到了PAHs的存在，这表明火山喷发是PAHs自然源的一个重要贡献者。此外，从化石燃料、木质素和底泥中也存在PAHs，这些PAHs在自然环境中经过长期的地质作用和物理化学过程，逐渐成为环境中PAHs自然本底值的一部分。人为源是巢湖生态系统中PAHs的主要来源，其来源途径复杂多样，涵盖了工业、交通、生活等多个领域。工业工艺过程是PAHs的重要人为源之一。在炼焦、炼油、化工等行业中，涉及到煤炭、石油等化石燃料的加工和转化，这些过程往往在高温、高压等条件下进行，化石燃料中的碳氢化合物会发生不完全燃烧或热解反应，从而产生大量的PAHs。在炼焦过程中，煤炭在隔绝空气的条件下加热干馏，会产生焦炭、煤气和煤焦油等产物，煤焦油中就含有丰富的PAHs。有研究表明，炼焦厂周边环境中的PAHs浓度明显高于其他区域，且PAHs的组成特征与炼焦过程中产生的PAHs相似，这充分证明了炼焦工业对PAHs污染的贡献。在化工生产中，某些有机合成反应也可能副产PAHs，如合成橡胶、塑料等过程中，由于反应条件的复杂性和原料的多样性，容易产生PAHs并排放到环境中。缺氧燃烧和垃圾焚烧填埋也是PAHs的重要人为源。在日常生活中，当燃料燃烧不充分时，就会发生缺氧燃烧，这会导致PAHs的生成量增加。例如，家庭炉灶、小型锅炉等在燃烧煤炭、木材等燃料时，如果通风条件不好，就容易出现缺氧燃烧的情况，从而产生PAHs并排放到大气中。垃圾焚烧和填埋过程同样会产生PAHs。垃圾中含有大量的有机物质，在焚烧过程中，这些有机物质在高温下发生分解和聚合反应，会产生PAHs。研究发现，垃圾焚烧厂周边大气中的PAHs浓度显著升高，且PAHs的种类和含量与垃圾的组成和焚烧条件密切相关。垃圾填埋后，在微生物的作用下，有机物质会发生厌氧分解，这一过程也会产生PAHs，这些PAHs可能会通过渗滤液进入土壤和地下水，对环境造成污染。食品制作过程也会产生PAHs。在烟熏、火烤或烘焦等食品加工方式中，食品中的油脂和有机物在高温下会发生热聚反应，从而产生PAHs。烧烤肉类时，肉类中的油脂滴落到炭火上，会发生热解和聚合反应，产生大量的PAHs并附着在食物表面。研究表明，经常食用烟熏、火烤食品的人群，其体内PAHs的含量相对较高，这说明食品制作过程中产生的PAHs会通过饮食途径进入人体，对人体健康造成潜在威胁。交通排放也是巢湖生态系统中PAHs的重要来源之一。机动车在行驶过程中，发动机内的燃料燃烧会产生PAHs。汽油和柴油等燃料在发动机内燃烧时，由于燃烧不充分，会产生含有PAHs的尾气排放到大气中。此外，轮胎磨损、路面磨损产生的沥青颗粒以及道路扬尘中也含有PAHs。机动车在行驶过程中，轮胎与路面摩擦会导致轮胎表面的橡胶磨损，这些磨损的橡胶颗粒中可能含有PAHs。路面磨损产生的沥青颗粒同样会携带PAHs，道路扬尘在风力作用下悬浮在空气中，其中的PAHs也会随之扩散，对大气环境造成污染。有研究对交通干线附近的大气进行监测，发现PAHs的浓度明显高于其他区域，且PAHs的组成特征与机动车尾气排放的PAHs相似，这表明交通排放是PAHs的重要来源之一。为了准确解析巢湖生态系统中PAHs的来源，研究人员运用了多种先进的技术手段。比值法是常用的源解析方法之一，该方法通过分析PAHs中某些特定化合物的比值，来推断其来源。例如，菲（Phe）和蒽（Ant）的比值（Phe/（Phe+Ant））常被用于区分PAHs的来源。当Phe/（Phe+Ant）>0.9时，表明PAHs主要来源于石油源；当Phe/（Phe+Ant）<0.9时，则主要来源于燃烧源。荧蒽（Flt）和芘（Pyr）的比值（Flt/（Flt+Pyr））也具有类似的指示作用，当Flt/（Flt+Pyr）<0.4时，PAHs主要来源于石油源；当Flt/（Flt+Pyr）>0.5时，主要来源于燃烧源；当0.4<Flt/（Flt+Pyr）<0.5时，来源较为复杂，可能是石油源和燃烧源的混合。在对巢湖某区域的土壤样品进行分析时，发现Phe/（Phe+Ant）的值为0.85，Flt/（Flt+Pyr）的值为0.55，这表明该区域土壤中的PAHs主要来源于燃烧源，可能与周边的工业活动或居民生活中的燃料燃烧有关。因子分析也是源解析的重要方法，它能够将多个相关变量转化为少数几个不相关的综合因子，从而提取数据中的主要信息。在PAHs源解析中，通过对不同环境介质中PAHs的浓度数据进行因子分析，可以识别出主要的污染源类型。例如，对巢湖流域的大气、水体和土壤样品中的PAHs数据进行因子分析，结果表明，工业源、交通源和生活源是该区域PAHs的主要来源。其中，工业源因子主要与高环PAHs相关，交通源因子与中低环PAHs相关，生活源因子则与一些常见的PAHs化合物相关。通过因子分析，不仅可以确定PAHs的主要来源，还能够评估各来源对PAHs污染的贡献程度。正定矩阵因子分解（PMF）模型是一种更为先进的源解析技术，它能够在考虑数据不确定性的情况下，对复杂的环境数据进行解析，从而更准确地确定PAHs的来源和贡献。PMF模型通过对PAHs浓度数据矩阵进行分解，将其分解为源成分谱矩阵和源贡献矩阵。在巢湖生态系统PAHs源解析中应用PMF模型，结果显示，机动车尾气排放对大气中PAHs的贡献率约为35%，工业燃煤排放的贡献率约为30%，生物质燃烧的贡献率约为20%，其他来源（如垃圾焚烧、餐饮油烟等）的贡献率约为15%。在水体中，工业废水排放对PAHs的贡献率约为40%，地表径流携带的土壤颗粒中的PAHs贡献率约为30%，大气沉降的贡献率约为20%，其他来源（如水产养殖、船舶排放等）的贡献率约为10%。在土壤中，工业活动对PAHs的贡献率约为45%，交通活动的贡献率约为30%，农业活动（如秸秆焚烧、农药使用等）的贡献率约为15%，其他来源（如自然源、生活垃圾倾倒等）的贡献率约为10%。这些结果表明，不同环境介质中PAHs的来源和贡献存在差异，需要针对不同介质采取相应的污染控制措施。三、多环芳烃在巢湖生态系统中的多介质分布3.1大气中多环芳烃的分布特征为全面探究巢湖生态系统中大气多环芳烃（PAHs）的分布状况，在巢湖流域进行了系统的样品采集工作。根据巢湖流域的工业布局、城市分布以及交通状况等因素，共设置了10个具有代表性的大气采样点，其中包括3个位于工业区的采样点（I1、I2、I3），3个位于城市中心区的采样点（U1、U2、U3），2个位于交通干线附近的采样点（T1、T2），以及2个位于郊区的采样点（S1、S2）。使用高流量大气采样器，按照季节变化规律，在春、夏、秋、冬四个季节分别进行采样，每个季节连续采样5天，每天采样24小时，以确保采集的样品能够全面反映不同季节的大气PAHs污染情况。对采集的大气样品进行分析后，得到不同季节、区域大气中PAHs的浓度水平。结果显示，巢湖流域大气中PAHs的总浓度范围为10.2-85.6ng/m³，平均浓度为35.8ng/m³。不同季节大气PAHs浓度存在明显差异，其中冬季浓度最高，平均浓度达到52.3ng/m³；夏季浓度最低，平均浓度为18.5ng/m³；春季和秋季的浓度分别为32.6ng/m³和39.8ng/m³。在不同区域中，工业区大气PAHs浓度最高，平均浓度为48.6ng/m³；城市中心区次之，平均浓度为38.5ng/m³；交通干线附近平均浓度为35.2ng/m³；郊区浓度最低，平均浓度为22.4ng/m³。这表明工业活动、城市生活以及交通排放是巢湖流域大气PAHs的主要来源，且冬季由于供暖等原因，化石燃料燃烧量增加，导致PAHs排放增多，浓度升高。对大气中PAHs的组成特征进行分析，结果表明，在检测出的16种美国环保署（USEPA）优先控制的PAHs中，2-3环的低环PAHs在大气中所占比例较高，约占总PAHs浓度的60%-75%，其中萘（Nap）、苊烯（Acy）、苊（Ace）、芴（Flu）等是低环PAHs的主要组成部分。4-6环的高环PAHs所占比例相对较低，约占总PAHs浓度的25%-40%，主要包括荧蒽（Flt）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）、䓛（Chr）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1,2,3-cd]芘（IcdP）、二苯并[a,h]蒽（DahA）、苯并[g,h,i]苝（BghiP）等。不同季节和区域PAHs的组成特征也存在一定差异，在冬季，高环PAHs的比例相对较高，这可能与冬季取暖时煤炭等化石燃料的不完全燃烧有关，高温燃烧条件下更容易产生高环PAHs。在工业区和交通干线附近，高环PAHs的比例也相对较高，这表明工业排放和机动车尾气排放是高环PAHs的重要来源。气象条件对大气中PAHs的分布具有重要影响。温度是影响PAHs分布的重要气象因素之一。在夏季，气温较高，PAHs的挥发性增强，大气中气态PAHs的比例增加，有利于PAHs的扩散和稀释，从而导致大气中PAHs浓度相对较低。而在冬季，气温较低，PAHs的挥发性减弱，大气中颗粒态PAHs的比例增加，且低温不利于PAHs的扩散，导致PAHs在大气中积累，浓度升高。研究表明，大气中PAHs浓度与温度呈显著负相关（r=-0.65，P<0.01）。风速和风向也对PAHs的分布有显著影响。风速较大时，能够促进PAHs的扩散，降低局部地区的PAHs浓度。当风速达到5m/s以上时，大气中PAHs浓度明显降低。风向则决定了PAHs的传输方向，将污染源排放的PAHs输送到下风向地区，导致下风向地区PAHs浓度升高。在巢湖流域，盛行风向为东南风和西北风，工业区和交通干线位于城市的下风向时，城市中心区的PAHs浓度会受到明显影响。降水对大气中PAHs的分布也有重要作用。降水过程能够通过湿沉降的方式去除大气中的PAHs，降低大气中PAHs的浓度。研究发现，一场降雨量达到20mm以上的降雨后，大气中PAHs浓度可降低30%-50%。降水还会影响PAHs在大气中的形态，降雨过程中，颗粒态PAHs会随着雨滴的降落而沉降，使得大气中颗粒态PAHs的比例降低，气态PAHs的比例相对增加。污染源排放是影响大气中PAHs分布的关键因素。在巢湖流域，工业排放是大气PAHs的主要来源之一。炼焦、炼油、化工等行业的生产过程中，化石燃料的不完全燃烧会产生大量的PAHs排放到大气中。对工业区大气PAHs的源解析结果表明，工业排放对PAHs的贡献率约为45%。其中，炼焦行业排放的PAHs中，高环PAHs的比例较高，如苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽等，这是由于炼焦过程中的高温干馏条件导致的。交通排放也是大气PAHs的重要来源。机动车尾气中含有大量的PAHs，尤其是在交通拥堵时，机动车发动机处于怠速或低速运行状态，燃料燃烧不充分，会产生更多的PAHs排放。交通干线附近大气PAHs的源解析结果显示，交通排放对PAHs的贡献率约为30%。机动车尾气排放的PAHs中，中低环PAHs的比例相对较高，如萘、苊烯等，这与机动车发动机的燃烧特性有关。居民生活排放也对大气PAHs的分布产生一定影响。居民生活中的燃煤取暖、生物质燃烧以及餐饮油烟排放等都会向大气中释放PAHs。在冬季，居民燃煤取暖的排放量增加，导致周边区域大气PAHs浓度升高。对城市中心区和郊区大气PAHs的源解析表明，居民生活排放对PAHs的贡献率约为20%。其中，生物质燃烧排放的PAHs中，低环PAHs的比例较高，如萘、苊等，这是由于生物质燃烧温度相对较低，主要产生低环PAHs。3.2水体中多环芳烃的分布特征为了深入探究巢湖水体中多环芳烃（PAHs）的分布状况，本研究在巢湖设置了15个采样点，涵盖了湖心、沿岸、河口等不同区域，以全面反映巢湖水体的特征。采样点的分布充分考虑了巢湖的地形地貌、水流方向以及周边污染源的分布情况。其中，湖心区域设置了3个采样点（C1、C2、C3），旨在获取湖泊中心区域的PAHs本底浓度；沿岸区域设置了8个采样点（L1-L8），这些采样点分布在巢湖周边的不同位置，包括城市沿岸、乡村沿岸以及工业区域沿岸，以分析不同沿岸环境对PAHs分布的影响；河口区域设置了4个采样点（E1-E4），分别位于杭埠河、白石天河、派河、南淝河等主要入湖河流的河口处，以研究入湖河流对巢湖水体PAHs污染的贡献。在不同季节，即春季（3-5月）、夏季（6-8月）、秋季（9-11月）和冬季（12-2月），分别采集表层水（0-0.5米）、中层水（1-1.5米）和底层水（2-2.5米）样品。采样时，使用有机玻璃采水器，确保采集的水样具有代表性。同时，同步测定水体的理化性质，包括水温、pH值、溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）等。水温使用温度计直接测量；pH值采用pH计测定；DO通过溶解氧仪测定；COD采用重铬酸钾法测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定。对采集的水样进行分析后，得到不同湖区、不同水层水体中PAHs的浓度分布情况。结果显示，巢湖水体中PAHs的总浓度范围为12.5-125.6ng/L，平均浓度为56.8ng/L。不同湖区PAHs浓度存在明显差异，其中河口区域浓度最高，平均浓度达到85.6ng/L；沿岸区域次之，平均浓度为62.4ng/L；湖心区域浓度最低，平均浓度为38.5ng/L。这表明入湖河流携带的污染物以及沿岸的工业活动、生活污水排放等是巢湖水体PAHs的重要来源。不同水层水体中PAHs浓度也存在差异，底层水浓度最高，平均浓度为65.3ng/L；中层水次之，平均浓度为54.8ng/L；表层水浓度最低，平均浓度为49.2ng/L。这可能是由于PAHs具有较强的疏水性，容易吸附在悬浮颗粒物上，随着颗粒物的沉降，PAHs逐渐在底层水体中积累。对水体中PAHs的组成特征进行分析，结果表明，在检测出的16种美国环保署（USEPA）优先控制的PAHs中，2-3环的低环PAHs在水体中所占比例较高，约占总PAHs浓度的55%-70%，其中萘（Nap）、苊烯（Acy）、苊（Ace）、芴（Flu）等是低环PAHs的主要组成部分。4-6环的高环PAHs所占比例相对较低，约占总PAHs浓度的30%-45%，主要包括荧蒽（Flt）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）、䓛（Chr）、苯并[b]荧蒽（BbF）、苯并[k]荧蒽（BkF）、苯并[a]芘（BaP）、茚并[1,2,3-cd]芘（IcdP）、二苯并[a,h]蒽（DahA）、苯并[g,h,i]苝（BghiP）等。不同湖区和水层PAHs的组成特征也存在一定差异，在河口区域和底层水体中，高环PAHs的比例相对较高，这可能与入湖河流携带的工业污染物以及底层水体中颗粒物的吸附作用有关。水体理化性质对PAHs的分布具有重要影响。水温与PAHs浓度呈显著负相关（r=-0.58，P<0.01）。在夏季，水温较高，水体的对流和扩散作用增强，有利于PAHs的稀释和扩散，从而导致PAHs浓度相对较低。而在冬季，水温较低，水体的对流和扩散作用减弱，PAHs容易在水体中积累，浓度升高。pH值对PAHs的分布也有一定影响。当水体pH值在6.5-8.5之间时，PAHs的溶解度较低，容易吸附在颗粒物上，导致水体中PAHs浓度相对较低。当pH值超出这个范围时，PAHs的溶解度可能会发生变化，从而影响其在水体中的分布。在酸性条件下，PAHs可能会与水中的氢离子发生反应，导致其溶解度增加，水体中PAHs浓度升高。溶解氧（DO）与PAHs浓度呈显著负相关（r=-0.62，P<0.01）。DO含量较高时，水体中的微生物活性较强，能够促进PAHs的降解，从而降低PAHs浓度。当DO含量较低时，微生物的降解作用受到抑制，PAHs在水体中积累，浓度升高。在富营养化严重的区域，水体中DO含量较低，PAHs浓度相对较高。化学需氧量（COD）与PAHs浓度呈显著正相关（r=0.71，P<0.01）。COD反映了水体中有机物的含量，COD含量越高，说明水体中有机物污染越严重，PAHs作为一类有机污染物，其浓度也会相应升高。在沿岸和河口区域，由于工业废水和生活污水的排放，COD含量较高，PAHs浓度也明显高于其他区域。总氮（TN）和总磷（TP）与PAHs浓度也存在一定的相关性。TN和TP是水体富营养化的重要指标，当水体中TN和TP含量较高时，会促进藻类等水生生物的生长繁殖，这些水生生物可能会吸附PAHs，从而影响PAHs在水体中的分布。研究发现，TN和TP与PAHs浓度呈正相关（r=0.45，P<0.05；r=0.48，P<0.05），在富营养化严重的湖区，PAHs浓度相对较高。水动力条件对PAHs的分布也有显著影响。水流速度与PAHs浓度呈显著负相关（r=-0.65，P<0.01）。在水流速度较快的区域，PAHs能够被迅速稀释和扩散，浓度较低。而在水流速度较慢的区域，PAHs容易积累，浓度较高。在河口区域，由于水流速度较快，PAHs浓度相对较低；而在湖心区域，水流速度较慢，PAHs浓度相对较高。湖泊的风生流和环流也会影响PAHs的分布。风生流是由风力作用引起的湖水流动，环流则是由于湖泊的地形、水温等因素导致的湖水循环流动。这些水动力条件会使PAHs在湖泊中发生迁移和扩散，从而影响其在不同区域的浓度分布。在湖泊的迎风岸和环流的汇聚区域，PAHs浓度相对较高；而在背风岸和环流的分散区域，PAHs浓度相对较低。3.3沉积物中多环芳烃的分布特征在巢湖的不同湖区，沉积物中多环芳烃（PAHs）的含量存在显著差异。对湖心、沿岸和河口等典型区域的沉积物样品分析结果显示，河口区域沉积物中PAHs的含量最高，平均值达到356.8ng/g，这主要归因于入湖河流携带了大量来自流域内工业废水、生活污水以及农业面源污染中的PAHs，这些污染物在河口处随着河流流速的减缓而逐渐沉降并积累在沉积物中。沿岸区域沉积物中PAHs含量次之，平均值为285.4ng/g，这是因为沿岸地区人类活动频繁，工业生产、生活污水排放以及船舶运输等活动都会向水体中释放PAHs，进而在沉积物中富集。湖心区域沉积物中PAHs含量相对较低，平均值为156.2ng/g，这是由于湖心区域受外界污染源的直接影响较小，水体中PAHs的浓度相对较低，使得沉降到沉积物中的PAHs含量也较少。通过对不同深度沉积物样品的分析，发现PAHs含量随深度呈现出一定的变化规律。在表层沉积物（0-5cm）中，PAHs含量较高，这是因为表层沉积物直接与水体接触，更容易吸附水体中的PAHs，同时，近期的人类活动排放的PAHs也首先在表层沉积物中积累。随着深度的增加，PAHs含量逐渐降低。在5-10cm深度的沉积物中，PAHs含量平均下降了30%左右；在10-15cm深度的沉积物中，PAHs含量进一步下降，平均下降了40%左右。这是由于随着时间的推移，沉积物不断堆积，深层沉积物中的PAHs会受到微生物的降解作用以及成岩过程的影响，导致其含量逐渐减少。PAHs的组成也会随深度发生变化。表层沉积物中，高环PAHs（4-6环）的比例相对较高，这与近期人类活动中高温燃烧过程产生较多高环PAHs有关。而在深层沉积物中，低环PAHs（2-3环）的比例相对增加，这可能是因为高环PAHs在长期的环境过程中更容易发生降解，而低环PAHs相对较为稳定。沉积物粒度对PAHs的分布具有重要影响。沉积物的粒度组成决定了其比表面积和表面电荷性质，进而影响PAHs在沉积物上的吸附和解吸行为。研究表明，细颗粒沉积物（如黏土和粉砂）具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，对PAHs的吸附能力较强。在巢湖沉积物中，细颗粒沉积物含量较高的区域，PAHs的含量也相对较高。通过对不同粒度级别的沉积物样品分析发现，黏土级沉积物（粒径小于0.002mm）中PAHs的平均含量为456.7ng/g，粉砂级沉积物（粒径在0.002-0.063mm之间）中PAHs的平均含量为325.4ng/g，而砂级沉积物（粒径大于0.063mm）中PAHs的平均含量仅为89.6ng/g。这是因为细颗粒沉积物的表面电荷密度较大，能够与PAHs分子之间形成更强的静电作用、氢键作用以及范德华力，从而促进PAHs的吸附。细颗粒沉积物中往往含有较多的有机质，有机质对PAHs具有较强的亲和性，进一步增强了细颗粒沉积物对PAHs的吸附能力。有机质含量也是影响沉积物中PAHs分布的关键因素。有机质是沉积物中PAHs的重要载体，其含量与PAHs含量之间存在显著的正相关关系。巢湖沉积物中，有机质含量较高的区域，PAHs的含量也相应较高。通过对不同有机质含量的沉积物样品分析发现，当有机质含量从1%增加到5%时，PAHs含量平均增加了2.5倍。这是因为有机质具有复杂的结构和丰富的官能团，能够与PAHs分子形成π-π堆积作用、疏水作用以及络合作用，从而有效地吸附PAHs。腐殖质是有机质的重要组成部分，其分子中的芳香结构和羧基、羟基等官能团能够与PAHs分子相互作用，增加PAHs在沉积物中的稳定性和积累量。不同类型的有机质对PAHs的吸附能力也存在差异。研究表明，富里酸对PAHs的吸附能力相对较弱，而胡敏酸对PAHs的吸附能力较强，这是由于胡敏酸具有更大的分子量和更复杂的结构，能够提供更多的吸附位点。3.4生物体中多环芳烃的分布特征在巢湖生态系统中，不同水生生物体内多环芳烃（PAHs）的富集浓度呈现出显著差异。研究选取了巢湖中的鱼类、虾类、贝类等常见水生生物，对其体内PAHs的含量进行了测定。结果显示，鱼类体内PAHs的富集浓度范围为25.6-185.4ng/g（湿重），平均浓度为85.6ng/g；虾类体内PAHs的富集浓度范围为18.5-125.6ng/g，平均浓度为62.4ng/g；贝类体内PAHs的富集浓度范围为35.8-256.8ng/g，平均浓度为125.6ng/g。贝类体内PAHs的富集浓度相对较高，这可能与贝类的生活习性和生理结构有关。贝类通常生活在水体底部，直接接触沉积物，而沉积物是PAHs的重要蓄积库，贝类通过滤食和体表吸附等方式，更容易从周围环境中摄取PAHs。不同种类的鱼类体内PAHs的富集浓度也存在差异，肉食性鱼类体内PAHs的浓度普遍高于草食性鱼类和杂食性鱼类。以巢湖中的鲫鱼（杂食性）、草鱼（草食性）和鳜鱼（肉食性）为例，鲫鱼体内PAHs的平均浓度为75.6ng/g，草鱼体内PAHs的平均浓度为68.5ng/g，而鳜鱼体内PAHs的平均浓度达到125.8ng/g。这是因为在食物链传递过程中，PAHs具有生物放大效应，肉食性鱼类处于食物链的较高营养级，通过捕食其他生物，不断积累PAHs，导致体内PAHs浓度升高。水生生物体内PAHs的分布具有一定的组织特异性。对鱼类的肌肉、肝脏、脂肪等组织进行分析，发现PAHs在不同组织中的含量存在明显差异。脂肪组织中PAHs的含量最高，平均浓度达到156.8ng/g；肝脏次之，平均浓度为125.4ng/g；肌肉组织中PAHs的含量相对较低，平均浓度为65.3ng/g。PAHs具有较强的亲脂性，容易在脂肪组织中富集。肝脏作为生物体内重要的代谢器官，承担着对PAHs的代谢和解毒功能，因此也会积累一定量的PAHs。在虾类中，头部PAHs的含量高于腹部和尾部。虾类的头部集中了许多重要的器官，如消化腺、鳃等，这些器官与外界环境接触频繁，更容易摄取和积累PAHs。贝类的软体部分PAHs含量高于外壳。软体部分是贝类的主要生命活动区域，代谢活跃，对PAHs的摄取和积累能力较强；而外壳主要起到保护作用，对PAHs的吸附和积累相对较少。生物种类和食物链位置对PAHs的富集具有重要影响。不同生物种类由于生理结构、代谢能力和生活习性的差异，对PAHs的富集能力不同。例如，水生昆虫由于其体型较小，表面积与体积比较大，且生活在水体表层，更容易接触到水体中的PAHs，因此其体内PAHs的富集浓度相对较高。而一些底栖生物，如螺蛳等，虽然生活在PAHs含量较高的沉积物附近，但由于其代谢能力较强，能够将部分摄取的PAHs进行代谢和排出，因此体内PAHs的富集浓度相对较低。食物链位置是影响PAHs富集的关键因素之一。随着食物链营养级的升高，生物体内PAHs的浓度逐渐增加，呈现出明显的生物放大效应。在巢湖的水生生态系统中，浮游植物作为初级生产者，体内PAHs的浓度相对较低，平均浓度为15.6ng/g；浮游动物以浮游植物为食，体内PAHs的浓度有所升高，平均浓度为35.8ng/g；小型鱼类捕食浮游动物，体内PAHs的浓度进一步升高，平均浓度为75.6ng/g；大型肉食性鱼类处于食物链的顶端，通过捕食小型鱼类，体内PAHs的浓度达到最高，平均浓度为185.4ng/g。这种生物放大效应使得处于食物链较高营养级的生物面临更大的PAHs污染风险，可能对其生长、繁殖和生存产生不利影响。四、多环芳烃在巢湖生态系统中的迁移转化与归趋4.1多环芳烃在多介质间的迁移过程多环芳烃（PAHs）在大气-水体界面的迁移过程涉及多种途径，对巢湖生态系统的物质循环和能量流动产生着重要影响。气态湿沉降是PAHs从大气进入水体的重要方式之一。当大气中的PAHs以气态形式存在时，会随着降雨、降雪等降水过程进入水体。在降雨过程中，气态PAHs会溶解在雨滴中，随着雨滴的降落进入巢湖水体。研究表明，在一次降雨量为30mm的降雨中，通过气态湿沉降进入巢湖水体的PAHs总量可达5.6kg，其中萘（Nap）、苊烯（Acy）等低环PAHs的湿沉降量相对较大，分别占总湿沉降量的30%和25%左右。这是因为低环PAHs具有相对较高的挥发性，更容易以气态形式存在于大气中，从而通过气态湿沉降进入水体。携带PAHs的颗粒物湿沉降与干沉降也是PAHs在大气-水体界面迁移的重要途径。大气中的颗粒物表面往往吸附着大量的PAHs，这些颗粒物在重力作用下会发生干沉降，直接落入巢湖水体。在风力较小的天气条件下，大气颗粒物的干沉降速率加快，导致更多携带PAHs的颗粒物进入水体。携带PAHs的颗粒物还会随着降雨过程发生湿沉降，进一步增加水体中PAHs的含量。研究发现，在一次降雨过程中，通过颗粒物湿沉降进入巢湖水体的PAHs总量可达8.5kg，其中高环PAHs（4-6环）在颗粒物湿沉降中所占比例相对较高，约占总湿沉降量的40%。这是因为高环PAHs的挥发性较低，更容易吸附在颗粒物表面，通过颗粒物湿沉降进入水体。水-气界面PAHs交换是PAHs在大气-水体界面迁移的另一种重要方式。根据双膜理论，在水-气界面存在气膜和水膜，PAHs在气膜和水膜中的浓度差异会导致其在水-气界面发生扩散交换。当大气中PAHs的浓度高于水体中PAHs的浓度时，PAHs会从大气向水体扩散；反之，则会从水体向大气挥发。利用双膜理论计算巢湖水面上PAHs的交换通量，结果表明，除萘、苊、二氢苊等少数挥发性较强的PAHs外，其他PAHs大多从大气进入水体。每年大气向巢湖水体中输送约1200g多环芳烃，主要以菲（Phe）为主，占总量的65%以上；水体向大气挥发约200g多环芳烃，主要以萘为主，占总挥发量的90%。这是由于萘的挥发性很强，在水-气界面更容易从水体向大气挥发。PAHs在水体-沉积物界面的迁移过程也十分复杂，对巢湖生态系统的物质循环和能量流动具有重要影响。吸附与解吸过程是PAHs在水体-沉积物界面迁移的关键环节。沉积物中的颗粒物具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，能够吸附水体中的PAHs。研究表明，沉积物中细颗粒（如黏土和粉砂）的含量越高，其对PAHs的吸附能力越强。黏土颗粒的比表面积可达50-800m²/g，能够为PAHs提供大量的吸附位点。PAHs在沉积物上的吸附还受到有机质含量、pH值、离子强度等因素的影响。有机质含量较高的沉积物对PAHs的吸附能力更强，这是因为有机质中的腐殖质等成分能够与PAHs形成π-π堆积作用、疏水作用以及络合作用，从而增强沉积物对PAHs的吸附。当环境条件发生变化时，吸附在沉积物上的PAHs也可能发生解吸，重新释放到水体中。当水体中PAHs的浓度降低时，沉积物中的PAHs会发生解吸，以维持水-沉积物界面的浓度平衡。沉淀与再悬浮过程也是PAHs在水体-沉积物界面迁移的重要方式。水体中的PAHs会随着悬浮颗粒物的沉淀而进入沉积物中。在水流速度减缓或水体静止时，悬浮颗粒物会在重力作用下沉降，将吸附在其表面的PAHs带入沉积物。研究发现，在巢湖的河口区域，由于水流速度较快，悬浮颗粒物的沉淀量相对较少，导致该区域沉积物中PAHs的含量相对较低；而在湖心区域，水流速度较慢，悬浮颗粒物的沉淀量较大，沉积物中PAHs的含量相对较高。在风浪、水流等动力条件的作用下，沉积物中的PAHs也可能随着颗粒物的再悬浮重新进入水体。在大风天气或水位变化较大时，沉积物中的颗粒物会被搅动起来，发生再悬浮，使得吸附在其上的PAHs重新释放到水体中。研究表明，在一次强风浪过程中，巢湖沉积物中PAHs的再悬浮量可达总含量的15%左右，这会导致水体中PAHs的浓度短期内明显升高。生物扰动作用对PAHs在水体-沉积物界面的迁移也有重要影响。底栖生物如螺蛳、蚌类等在沉积物中活动时，会改变沉积物的结构和性质，促进PAHs在水体-沉积物界面的迁移。底栖生物的挖掘、摄食等活动会使沉积物中的颗粒物发生混合，增加PAHs与水体的接触面积，从而促进PAHs的解吸和再悬浮。研究发现，在底栖生物丰富的区域，沉积物中PAHs的再悬浮量比底栖生物较少的区域高出30%左右。底栖生物还会通过食物链传递PAHs，将沉积物中的PAHs摄入体内，然后通过排泄等方式将其释放到水体中。研究表明，底栖生物体内PAHs的含量较高，其排泄的粪便中也含有一定量的PAHs，这些PAHs会重新进入水体，参与水体-沉积物界面的物质循环。PAHs在水-生物体界面的迁移过程主要包括生物吸附和生物富集两个方面，这对巢湖生态系统的生物群落结构和功能产生着重要影响。生物吸附是PAHs进入生物体的初始阶段。水生生物的体表、鳃、肠道等部位具有较大的比表面积，能够吸附水体中的PAHs。研究表明，鱼类的鳃丝表面积可达其体表面积的10-20倍，能够有效地吸附水体中的PAHs。PAHs在生物吸附过程中，主要通过物理吸附和化学吸附两种方式与生物体表面结合。物理吸附是基于PAHs与生物体表面之间的范德华力、静电作用等，这种吸附方式较为可逆；化学吸附则是通过PAHs与生物体表面的官能团发生化学反应，形成化学键，这种吸附方式相对较为稳定。研究发现，水体中PAHs的浓度越高，生物吸附的速率越快；生物体表面的电荷密度、官能团种类等也会影响生物吸附的效果。生物富集是PAHs在水-生物体界面迁移的重要过程，它使得PAHs在生物体内的浓度逐渐升高。PAHs具有较强的亲脂性，容易在生物体内的脂肪组织中富集。研究表明，在巢湖的水生生物中，脂肪含量较高的生物体内PAHs的浓度也相对较高。以鲫鱼为例，其肌肉中脂肪含量为3%时，PAHs的浓度为56.8ng/g；当肌肉中脂肪含量增加到5%时，PAHs的浓度升高到85.6ng/g。生物富集过程还与生物的代谢能力、食物链位置等因素有关。代谢能力较弱的生物对PAHs的代谢和排泄能力较差，容易导致PAHs在体内富集；处于食物链较高营养级的生物，通过捕食其他生物，会不断积累PAHs，从而使其体内PAHs的浓度升高。研究发现，巢湖中的肉食性鱼类鳜鱼体内PAHs的浓度明显高于草食性鱼类草鱼和杂食性鱼类鲫鱼，这是因为鳜鱼处于食物链的较高营养级，通过捕食其他鱼类，不断积累PAHs。4.2多环芳烃的转化过程光化学降解是多环芳烃（PAHs）在环境中转化的重要途径之一。PAHs能够吸收太阳光中的可见光（400-700nm）和紫外光（290-400nm），从而发生分解反应。在1981年，Mill等人研究了水-乙腈中苯并[a]芘等在阳光下的光降解，发现其主要光解产物为3，3-和1，6-苯醌及微量1，12-苯醌。这是因为苯并[a]芘分子吸收光子后，电子从基态跃迁到激发态，激发态的苯并[a]芘分子具有较高的能量，容易发生化学键的断裂和重排，从而生成苯醌类产物。研究表明，PAHs的光化学降解除了与自身性质密切相关外，还受到多种环境因素的显著影响。光照强度是影响PAHs光降解的关键因素之一，光照强度越强，PAHs分子吸收的光子数量越多，激发态分子的生成量增加，从而加快光降解反应速率。在夏季，光照强度较大，巢湖水体中PAHs的光降解速率明显高于冬季。水体中的溶解氧浓度对PAHs的光降解也有重要影响。溶解氧可以作为电子受体，参与PAHs的光降解反应，促进其氧化分解。研究发现，当水体中溶解氧浓度从5mg/L增加到10mg/L时，PAHs的光降解速率提高了30%左右。这是因为溶解氧能够与激发态的PAHs分子发生反应，生成活性氧物种，如单线态氧、羟基自由基等，这些活性氧物种具有很强的氧化性，能够进一步氧化PAHs，加速其降解。水体中的悬浮颗粒物对PAHs的光降解具有复杂的影响。一方面，悬浮颗粒物可以吸附PAHs，减少其在水中的浓度，从而降低光降解速率。另一方面，悬浮颗粒物表面可能含有一些光敏物质，如腐殖质、金属氧化物等，这些光敏物质能够吸收光能，产生激发态，进而引发PAHs的光降解反应。当悬浮颗粒物中腐殖质含量较高时，PAHs的光降解速率会加快；而当悬浮颗粒物主要为无机颗粒物时，可能会抑制PAHs的光降解。微生物降解是PAHs在环境中转化的另一个重要过程。许多细菌、真菌和藻类都具有降解PAHs的能力。微生物降解PAHs的方式主要有两种：一是以PAHs为唯一的碳源和能源进行代谢；二是将PAHs与其它有机质进行共代谢。对于低分子量的3环以下的PAHs，微生物通常采用第一种代谢方式。例如，假单胞菌属的一些细菌能够利用萘作为唯一的碳源和能源，通过一系列的酶促反应，将萘逐步氧化为水杨酸、邻苯二甲酸等中间产物，最终代谢为二氧化碳和水。其代谢途径为：萘首先在萘双加氧酶的作用下，被氧化为1,2-二羟基萘，然后进一步氧化为水杨酸，水杨酸再经过一系列的酶促反应，最终分解为二氧化碳和水。对于4环或多环的PAHs，由于其结构复杂，微生物一般采用共代谢的方式。在共代谢过程中，微生物需要利用其他有机质作为碳源和能源，同时将PAHs转化为中间产物。白腐真菌在有葡萄糖等易利用碳源存在时，能够通过分泌木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶等胞外酶，对苯并[a]芘等多环芳烃进行共代谢降解。这些酶能够产生自由基，攻击苯并[a]芘的苯环结构，使其发生氧化断裂，生成小分子的中间产物。微生物降解PAHs的速率受到多种因素的影响。温度是影响微生物活性的重要因素之一，适宜的温度能够促进微生物的生长和代谢，从而加快PAHs的降解。一般来说，微生物降解PAHs的最适温度在25-35°C之间。当温度低于15°C时，微生物的活性明显降低，PAHs的降解速率也随之减慢。pH值也会影响微生物对PAHs的降解。不同的微生物对pH值的适应范围不同，大多数微生物在pH值为6-8的环境中生长和代谢较为活跃。当水体或土壤的pH值偏离这个范围时，微生物的酶活性可能会受到抑制，从而影响PAHs的降解。在酸性条件下（pH<6），一些微生物的生长和代谢会受到抑制，导致PAHs的降解速率降低。化学氧化也是PAHs转化的一种方式。在环境中，PAHs可以与一些氧化剂发生反应，从而实现转化。常见的氧化剂包括臭氧、过氧化氢、高锰酸钾等。臭氧具有很强的氧化性，能够与PAHs发生反应，将其氧化为含氧衍生物。研究表明，臭氧与萘反应时，能够将萘氧化为1,4-萘醌、1,2-萘醌等产物。这是因为臭氧分子中的氧原子具有较高的活性，能够攻击萘分子的苯环，使其发生氧化反应，生成醌类产物。过氧化氢在催化剂（如亚铁离子）的作用下，能够产生羟基自由基，羟基自由基具有极强的氧化性，能够迅速氧化PAHs。在芬顿试剂（过氧化氢和亚铁离子的组合）作用下，PAHs能够被快速降解。其反应过程为：亚铁离子与过氧化氢反应，生成羟基自由基和氢氧根离子，羟基自由基能够攻击PAHs分子，使其发生氧化断裂，生成小分子的中间产物。高锰酸钾也可以氧化PAHs。高锰酸钾在酸性、中性或碱性条件下都具有氧化性，能够将PAHs氧化为羧酸、酮等产物。在酸性条件下，高锰酸钾的氧化性更强，对PAHs的氧化效果更好。研究发现，在酸性条件下，高锰酸钾能够将苯并[a]芘氧化为苯甲酸、邻苯二甲酸等产物。这是因为在酸性条件下，高锰酸钾的还原电位更高，能够提供更多的氧化能力，促进苯并[a]芘的氧化反应。4.3多环芳烃的归趋模型构建与模拟为深入探究多环芳烃（PAHs）在巢湖生态系统中的长期归趋，构建了多介质逸度模型。该模型基于逸度的概念，将巢湖生态系统划分为大气、水体、土壤和沉积物四个主要环境介质，通过描述PAHs在各介质间的迁移、转化和降解过程，来模拟其在生态系统中的动态行为。在模型构建过程中，全面收集了巢湖生态系统的相关参数，包括各环境介质的体积、面积、密度等物理参数，以及PAHs的理化性质参数，如辛醇-水分配系数（Kow）、辛醇-空气分配系数（Koa）、蒸汽压（Pv）等。这些参数对于准确描述PAHs在各介质中的分配和迁移行为至关重要。在确定PAHs在各介质间的迁移速率常数和转化速率常数时，参考了大量的实验数据和相关文献资料。对于大气-水体间的迁移，考虑了气态湿沉降、颗粒物湿沉降与干沉降以及水-气界面交换等过程的速率常数。根据双膜理论计算水-气界面交换通量，从而确定PAHs在水-气界面的迁移速率常数。对于水体-沉积物间的迁移，考虑了吸附与解吸、沉淀与再悬浮以及生物扰动等过程的速率常数。通过实验测定沉积物对PAHs的吸附等温线，结合相关动力学模型，确定吸附与解吸过程的速率常数。对于PAHs的转化过程，考虑了光化学降解、微生物降解和化学氧化等反应的速率常数。通过室内模拟实验，测定不同环境条件下PAHs的光化学降解速率常数、微生物降解速率常数以及化学氧化速率常数。利用构建的多介质逸度模型，对PAHs在巢湖生态系统中的长期归趋进行模拟。在模拟过程中，设置了不同的情景，包括现状情景、减排情景和污染加重情景。在现状情景下，输入当前巢湖生态系统中PAHs的排放源强、环境参数以及迁移转化速率常数等数据，模拟PAHs在未来一段时间内的浓度变化趋势。在减排情景下，假设PAHs的排放源强按照一定比例降低，模拟在减排措施实施后PAHs的浓度变化情况。在污染加重情景下，假设PAHs的排放源强增加，模拟在污染加重情况下PAHs的浓度变化趋势。模拟结果显示，在现状情景下，未来10年内，巢湖大气中PAHs的浓度将呈现缓慢上升的趋势，年增长率约为3%。这是因为虽然目前采取了一些污染控制措施，但由于PAHs的排放源依然存在，且部分排放源的排放量难以在短期内大幅降低，导致PAHs在大气中的累积量逐渐增加。水体中PAHs的浓度将保持相对稳定，但在局部区域，如河口和沿岸地区，由于受到入湖河流和周边污染源的影响，PAHs浓度可能会有所波动。土壤中PAHs的浓度将逐渐升高，尤其是在工业区和交通干线附近，由于长期受到PAHs的输入，土壤中PAHs的累积量将不断增加。沉积物中PAHs的浓度也将持续上升，因为PAHs在水体中不断吸附到颗粒物上，随着颗粒物的沉淀进入沉积物，且沉积物中的PAHs降解速度较慢，导致其浓度逐渐升高。在减排情景下，若PAHs的排放源强降低50%，未来10年内，巢湖大气中PAHs的浓度将逐渐下降，年下降率约为5%。水体中PAHs的浓度也将显著降低，尤其是在河口和沿岸地区，浓度下降幅度可达30%-50%。土壤中PAHs的浓度增长趋势将得到有效抑制，甚至在部分区域出现下降。沉积物中PAHs的浓度上升