全/多氟烷基化合物在海岸带环境中的分布和迁移

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全/多氟烷基化合物(PFASs)是一类人工合成的持久性有机污染物(POPs),1950年代开始大规模的生产,作为加工助剂和表面活性剂被广泛地应用在化学工业、机械工业、造纸工业、纺织业以及家庭用品的生产。PFASs包含400多种化合物,中性的氟调醇(FTOHs)、氟调丙烯酸酯(FTACs)、全氟烷基磺酰胺(FASAs)和全氟烷基磺酰胺基乙醇(FASEs)具有挥发性和可降解性,主要存在于大气中,离子型的全氟烷基磺酸(PFSAs)和全氟烷基羧酸(PFCAs)具有水溶性和持久性,主要存在于水体中,中性PFASs可以在环境和生物体中通过生物或非生物的降解转化为离子型PFASs。关于PFASs在环境中迁移主要有两种假设,一是中性PFASs通过大气的长距离传输,二是离子型PFASs通过洋流的传输。这两种迁移方式都导致PFASs在全球范围的分布。PFSAs和长链PFCAs具有生物蓄积效应,对人类和其他生物具有潜在的不利影响。2009年5月,斯德哥尔摩公约将全氟辛基磺酰氟(POSF)及其衍生物列入附件B,在全球范围内限制生产和使用。  PFASs的生产主要集中在欧洲和北美地区。2002年,PFASs的重要生产商3M公司自愿淘汰其在全球范围内的C8-PFASs的生产,并推广C4-PFASs作为替代品。C8-PFASs向环境中的释放相应减少,在欧洲某些水环境中,C4-PFASs取代C8-PFASs成为主要的污染物。2002年之后,C8-PFASs特别是全氟辛基磺酸(PFOS)及其衍生物的生产被认为逐渐转移亚洲国家,如中国。2005年之后,我国PFOS及其衍生物的生产显著增加。在我国大气、水体、沉积物、生物和人体中,C8-PFASs都有较高浓度的检出。目前为止,我国没有针对PFASs的政策法规出台。  环境中PFSAs和PFCAs的源主要有两种,一个是间接源,即PFSAs和PFCAs的中性前体。中性PFASs随大气迁移到远离PFASs生产和使用的偏远地区,而后与大气中的OH自由基、NOx和O3等反应降解为离子型PFASs。另一个是直接源,即PFSAs和PFCAs直接排放到环境中,并随大气(主要是颗粒物)和水体迁移。海岸带环境中的PFASs来源主要有河流的传输、污水处理厂的排放、大气湿沉降和地表径流、沿海企业和城市的直接排放。  本论文调查了我国黄渤海海域大气和水体以及莱州湾和附近河流沉积物中PFASs的浓度、分布和迁移,研究了德国北海大气和沉积物,易北河和北海水体中PFASs的浓度、分布和迁移,对比了两个国家PFASs的污染水平和类型,同时对PFASs在格陵兰海、大西洋东海岸和南极洲海岸带水体中的离子型PFASs污染现状进行了调查并阐述了离子型PFASs的长距离迁移过程。  黄渤海大气中中性∑PFASs的浓度为76-550pg/m3(平均值230pg/m3,中值190pg/m3),8∶2FTOH是最主要的污染物,浓度为55-430pg/m3(平均值180pg/m3,中值150pg/m3),说明黄渤海大气中主要以C8-PFASs污染为主。PFASs的空间分布指出,黄海大气中的浓度高于渤海,结合气团后向轨迹分析结果可以发现,来自于山东半岛、山东半岛以南长江以北沿海地区的气团,PFASs的浓度较高,与我国PFASs生产和使用的区域分布相吻合。黄渤海海域大气中PFASs多由陆地迁移而来,因此在大气中寿命较短的甲基-全氟丁基磺酰胺基乙醇(MeFBSE,寿命为2天)和8∶2氟调丙烯酸酯(8∶2FTAC,寿命为1天)的浓度较低。  黄渤海及东海表层水体中的离子型∑PFASs的浓度为3.9-120ng/L(平均值30ng/L,中值13ng/L),全氟辛酸(PFOA)是主要污染物,浓度为0.89-110ng/L,占∑PFASs总浓度的51%-90%,PFOS的浓度为<0.03-0.20ng/L,显著地低于PFOA的浓度,可能与PFOS的全球禁用以及PFOA管理的相对滞后有关。通过PFASs的空间分布图可以发现,渤海表层水中PFCAs的浓度显著地高于黄海和东海,而且莱州湾水体中的浓度显著地高于渤海其他海域,莱州湾可能是我国北部海域PFCAs的主要污染源;而PFSAs则呈现出由长江三角洲地区向外扩散的趋势。这与我国PFCAs和PFSAs生产和使用的区域分布基本吻合。离子型PFASs随海流迁移扩散,在海水交换作用较弱的地区,如辽东湾,PFASs不容易扩散稀释,同时,黄渤海沿岸流可以将莱州湾PFASs运输到长江口。  莱州湾表层沉积物中离子型∑PFASs的浓度为0.12-2.1ng/g干重(dw)(平均值0.76ng/gdw,中值0.58ng/gdw),附近河流表层沉积物中PFASs的浓度为0.01-88ng/gdw(平均值5.3ng/gdw,中值0.72ng/gdw)。PFOA是主要的污染物,在莱州湾沉积物的浓度为0.07-1.8ng/gdw,在河流沉积物的浓度为0.04-77ng/gdw。污染比较严重的河流是小清河和流经一工业区的弥河,与PFASs工业应用和城市发展有关。PFASs在莱州湾表层沉积物中的分布和迁移受水文地质因素的影响,相对较高的浓度分布在莱州湾中心区域而不是近岸地区。在小清河沉积物中发现的PFOA的浓度77ng/gdw是迄今为止,自然环境沉积物报道的最高浓度,然而该浓度水平不具有显著的生态风险。  针对我国不同介质的研究可以发现,我国的PFASs污染以C8-PFASs为主,PFOA及其重要前体8∶2FTOH是最主要的污染物,浓度显著得高于其他PFASs,C4和C6替代品的比重不大。PFASs的污染以直接排放为主,间接源贡献相对较小。山东半岛和莱州湾是PFOA污染比较严重的区域,随着海流的运动,PFOA在整个黄渤海地区迁移。  欧洲北海大气中中性∑PFASs的总浓度为44-180pg/m3,与2007年的调查结果一致,说明近年来,北海大气中的PFASs污染相对稳定。8∶2FTOH是主要污染物,浓度为6.8-50pg/m3。气团后向轨迹分析结果表明,北海大气中的PFASs来自于北海东部和西南部的排放而并非长距离迁移。  易北河、威悉河下游和北海表层水体中离子型∑PFASs的浓度为0.13-250ng/L,全氟丁基磺酸(PFBS)是主要污染物,浓度为<0.03-240ng/L,与C8-PFASs的淘汰和C4-PFASs的广泛应用有关。PFOA和全氟己酸(PFHxA)在易北河的分布就有显著的季节变化,在秋季10月份的浓度显著地高于其他季节的采样月份。在易北河的研究发现,污水处理厂附近及下游的采样点,PFASs的浓度没有显著地升高,可能与污水处理工艺的改进有关。结合过去的研究发现,近几年,PFOS的污染呈现出下降的趋势。皮尔逊相关性分析指出易北河表层水体中的PFASs主要来自于污染源的直接排放。通过计算易北河PFASs的通量发现,季节变化并不显著。2011年,易北河向北海排放的∑PFASs为335±100kg。  德国湾(北海东南海域)表层沉积物中离子型∑PFASs的浓度为0.056-7.4ng/gdw(平均值1.0ng/gdw,中值0.66ng/gdw),PFOS是主要污染物,浓度为0.023-5.4ng/gdw,显著地高于PFOA的浓度(0.007-0.43ng/gdw)。莱茵河河口沉积物中PFASs的浓度显著地高于其他地区。与表层水中PFASs的组成不同的是,PFBS在沉积物的浓度和贡献相对较低,可能与PFBS吸附性较弱有关。德国湾表层沉积物中PFASs的分布呈现出沿海高,中心低的趋势。  针对德国北部地区不同介质中PFASs的研究可以发现,表层水体以C4-PFASs污染为主,污染类型由C8向C4转化。大气中仍以C8的8∶2FTOH为主,其主要降解产物是PFOA以及其他PFCAs。表层沉积物中没有出现向C4转化的趋势。  通过比较我国和德国PFASs污染的浓度和类型发现,我国表层水和沉积物中PFOA的浓度显著地高于德国。我国水体和沉积物中,PFOA对∑PFASs的贡献远高于德国。德国水体和沉积物中,PFBS和PFOS是主要污染物,其对∑PFASs的贡献最大为46%。虽然在我国和德国大气中,8∶2FTOH都是主要污染物,但是我国大气中8∶2FTOH对∑PFASs的贡献显著地高于德国。除PFOA和8∶2FTOH外,其他PFASs在我国的浓度低于德国或者处于同一水平。不同的PFASs污染类型显示了两个国家PFASs工业不同的发展历程。  针对大洋表层海水中的调查发现,∑PFASs在大西洋海域的浓度(260pg/L)显著地高于格陵兰海(140pg/L)和南大洋(30pg/L)。格陵兰海表层水中,PFOA是主要污染物,在格陵兰岛沿岸地区的浓度相对较高,可能与冰雪的融化有关。PFOA的主要来源是欧洲地区的直接排放以及洋流的迁移。在大西洋海域,PFASs的浓度分布与洋流的变化一致,北大西洋PFASs的污染水平呈现减少的趋势。虽然PFASs具有随洋流全球迁移的能力,但是在南大洋的调查并不能支持这一假设。近年来全球气候的变化使得北极地区的冰雪有快速融化的趋势,同时,储存在北极冰雪中的PFASs有可能向北大西洋迁移,然而其通量与欧洲的排放相比,并不显著。
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