涨渡湖水系沉积物重金属分布及生态风险浅析

摘要：了解涨渡湖重金属污染状况及对环境的影响，为长江中下游湖泊重金属风险评价和污染防治提供基础数据。2022年7月在涨渡湖水系设置11个采样点采集沉积物样品，并测定样品中Cr、Mn、As、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb共8种重金属的含量，同时分析样品沉积物中微塑料吸附重金属的种类，并评估了重金属生态风险。结果显示：涨渡湖水系不同研究区域沉积物中重金属含量分布不同，表现为邻近干支流gt;连通水道gt;阻隔湖泊；沉积物中微塑料表面吸附重金属包括Zn、Ag和Sn，其中，Zn和Ag占微塑料表面吸附元素百分比较高，分别为20.01%和8.49%。生态风险评估结果显示，涨渡湖水系沉积物中重金属污染负荷指数IPL平均值为1.15，处于中等污染水平；潜在生态风险指数IR平均值为78.96，处于低度污染水平。综合结果表明，涨渡湖水系沉积物重金属总体处于低-中等污染水平，其中长江干支流江段重金属污染程度和生态风险高于连通水道和阻隔湖泊，这种重金属分布和污染格局主要受研究区域周围环境、人类活动和水文条件的影响。

关键词：沉积物；重金属；微塑料；生态风险；涨渡湖水系

中图分类号：X522" " " " 文献标志码：A" " " " 文章编号：1674-3075（2024）05-0178-08

重金属是一种高毒性、可生物积累且不可降解的元素污染物，具有致畸性、致癌性和致死性（Vareda et al，2019）。湖泊环境比较封闭，水文条件缓和，重金属污染物大多沉降蓄积在沉积物中，但当外界环境条件适宜时，沉积物中的重金属可发生解吸而被重新释放到水体，对水体环境造成二次污染（王琳杰等，2020；董纯等，2022）。微塑料是一种直径小于5 mm的塑料颗粒，作为一种新型污染物，广泛分布于水生态系统中。一般将微塑料分为初生微塑料和次生微塑料，初生微塑料是指为特殊目的而生产的工业产品（如牙膏、洗面奶、化妆品等）或作为工业原料的塑料颗粒；次生微塑料是指由较大的塑料经过物理、化学或生物过程降解而形成的塑料颗粒（Atugoda et al，2021）。目前，关于重金属的研究多集中于传统水相和沉积相（Bravo et al，2014；Deng et al，2020；Wang et al，2022），而微塑料具备高丰度、高表面积和疏水性等特点，是重金属的有效传输介质。学者从世界各地微塑料中已经检测到重金属49种，其中Mn、Cu、Pb、Ni、Zn、Co、Cd和Cr等重金属被普遍检测到，且Pb在微塑料表面的浓度可高达12 839 μg/g（Kutralam-Muniasamy et al，2021）。更有研究发现，重金属在微塑料表面上的浓度甚至高于在水体和沉积物中的浓度（Binda et al，2021）。如Cu在水体中的浓度为1.56 μg/mL，而其吸附在微塑料聚氯乙烯（PVC）上的浓度高达1 320 μg/g（Brennecke et al，2016）。并且，重金属吸附在微塑料表面可增强其生物利用度，对水生生物健康产生更大威胁（Naqash et al，2020；董纯等，2023）。因此，需要更多关注重金属在微塑料介质中的吸附研究。

涨渡湖地处长江中下游北岸，位于湖北省武汉市新洲区境内。20世纪50年代前，涨渡湖为典型的浅水通江湖泊，距离长江约1 km，在挖沟闸处入江，河湖共同形成了独特而完整的复合生态系统（常剑波和曹文宣，1999；王利民等，2005），但是为满足防洪、航运、供水、灌溉和生物资源利用等需求，在涨渡湖水系上建设了大量堤防和闸坝，河湖复合生态系统的完整性被割裂，原通江湖泊的“连接器”和“转化器”功能丧失，水文情势发生显著变化，河湖水系自净与污染输移机制也随之破坏，导致水体易发生污染（熊绍钧，2006；张清慧等，2013）。此外，围垦出的200 km2耕地以及40 km2高密度养殖水面，使大量的农药和化肥流入湖区，导致湖泊水质下降，加速了湖泊水生态环境恶化和生态系统功能退化（朱江等，2005；陈建军，2010）。丁琪琪等（2022）在涨渡湖水体中发现，与有机污染物、抗生素等污染物相比，重金属的环境检出浓度最高。可见，涨渡湖水环境重金属污染情况不容忽视。

为此，本文对涨渡湖水系沉积物重金属污染情况进行调查，获取不同研究区域沉积物重金属含量和沉积物中微塑料吸附重金属种类，并利用污染负荷指数和潜在生态风险指数等方法评估沉积物重金属污染水平和生态风险，以期为涨渡湖等长江中下游湖泊重金属风险评估和污染防治提供基础数据。

1" "材料与方法

1.1" "研究区域与采样点分布

涨渡湖水系包括涨渡湖、七湖和陶家大湖等，涉及河流有长江干流涨渡湖江段（倒水河口-举水河口）及其支流倒水和举水等。历史上，涨渡湖与长江、倒水、举水连为一体，江湖水位齐平，与周围的七湖和陶家大湖相通。然而，自20世纪50年代以来，大量的堤坝、控制闸、泵站和人工渠在河湖、湖湖之间建立，使涨渡湖与长江失去了自然联系，成为阻隔湖泊（吴寒，2008；张清慧等，2013；钟诗群等，2018）。

为研究涨渡湖水系沉积物重金属空间分布及生态风险，2022年7月在阻隔湖泊、连通水道和邻近干支流区域，共设置11个采样点（图1），具体为：阻隔湖泊3个，即涨渡湖（S1）、七湖（S2）、陶家大湖（S3）；连通水道3个，即连通渠（S4）、长江-涨渡湖通道挖沟闸内湖侧（S5）、长江-涨渡湖通道挖沟闸外江侧（S6）；长江支流2个，即倒水（S7）、举水（S8）；长江干流3个，即长江-倒水河口（S9）、长江-涨渡湖口（S10）、长江-举水河口（S11）。

1.2" "样品采集与分析

使用不锈钢采集器在每个采样水体中采集3个点的表层（0～5 cm）沉积物，其混合样作为该采样点的1个平行样，每个采样点采集2个平行样，采集到的样品装入密封袋，记录编号后阴暗处保存，待运回实验室后，置于避光处自然风干至恒重，剔除样品中的动植物残体、碎石等杂物，经研磨处理后过100目孔径筛获得样品粉末，用于重金属含量分析。

称取样品粉末0.1000 g，加入HNO3-HClO4-HF混合酸，置于微波消解仪上消解，采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定样品中的Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Cd和Pb含量。另称取0.5000 g粉末，加入王水消解后，采用原子荧光光谱法（AFS）测定As含量。分析过程中采用国家一级标准物质（GBW07441、GBW07442、GBW07443）、平行样和空白样进行质量控制，质控样回收率在90%～110%，符合质控标准，各重金属元素测量相对偏差均在±10%以内。

前期项目组在涨渡湖水系沉积物中检测到微塑料，为研究重金属在微塑料介质中的吸附情况，将从沉积物中浮选分离出的微塑料样品置于扫描电子显微镜-能谱仪（SEM-EDS，赛默飞Apreo 2 C）上进行监测，加速电压为2 kV，束流为50 pA，T1探测器，扫描时间40 s。

1.3" "重金属生态风险评价

1.3.1" "改良危险系数法" "改良危险系数是一种通过沉积物重金属阈值效应水平值（threshold effect level，LTE）、可能效应水平值（probable effects level，LPE）和严重效应水平值（severe effect level，LSE）评估重金属污染风险的新指标（Macdonald et al，2000；董纯等，2022）。其计算公式如下：

[mHQ=Ci1LTE，i+1LPE，i+1LSE，i12]" " ①

式①中：mHQ为改良危险系数；Ci为沉积物样品第i种重金属的实测浓度，单位为mg/kg；LTE， i、LPE， i、LSE， i分别为第i种重金属的阈值效应水平值、可能效应水平值和严重效应水平值。依据mHQ值将重金属污染程度划分为8个等级（Macdonald et al，2000）：mHQlt;0.5，没有受到污染；0.5≤mHQlt;1.0，低等污染；1.0≤mHQlt;1.5，轻微污染；1.5≤mHQlt;2.0，中等污染；2.0≤mHQlt;2.5，强污染；2.5≤mHQlt;3.0，很强污染；3.0≤mHQlt;3.5，严重污染；mHQ≥3.5，极严重污染。

1.3.2" "污染负荷指数法" "污染负荷指数法能够直观反映研究区域重金属污染程度。计算公式如下：

CF=[Ci0]/[Cin]" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "②

[IPL=（CF1×CF2×CF3×…CFn）1/n]" " " " ③

式②中：CF为单因子污染系数，其值可以反映一段时间内某种重金属在沉积物中的富集情况；[Ci0]为第i种重金属实测浓度，[Cin]为长江流域该重金属的背景值，单位均为mg/kg（赵一阳和鄢明才，1992）。重金属污染水平分为4个等级：CFlt;1，低等污染；1≤CFlt;3，中等污染；3≤CFlt;6，强污染；CF≥6，极强污染（Islam et al，2015）。

式③中：IPL为污染负荷指数，CF1、CF2、CFn分别为第1种、第2种和第n种重金属的单因子污染系数，重金属污染程度分4个等级：IPLlt;1，无污染；1≤IPLlt;2，中等污染；2≤IPLlt;3，强污染；IPL≥3，极强污染（Suresh et al，2011；赵玉庭等，2019）。

1.3.3" "潜在生态风险指数法" "潜在生态风险指数法综合考虑了重金属含量、生态、环境与毒理，引入了毒性响应系数，能反映每种重金属的潜在危害程度，也能反映沉积物中测得所有重金属的潜在生态风险（Hakanson，1980）。具体计算公式如下：

[IR=i=1nEir=i=1nTir×CiF=i=1nTir×Ci0/Cin]" "④

式④中：IR为综合潜在生态风险指数，代表沉积物中测得所有重金属的潜在生态风险和污染水平；[Eir]为单因子（第i种重金属）潜在生态风险指数；[Tir]为第i种重金属的毒性响应系数，其中Cr=2，Mn=Zn=1，As=10，Ni=Cu=Pb=5，Cd=30（徐争启等，2008）；[CiF]为第i种重金属的单因子污染系数。[Eir]和IR对应的潜在生态风险指数和生态风险程度见表1（董纯等，2022）。

1.3.4" "毒性" "毒性用于评估沉积物中重金属对环境的影响，是重金属实测浓度与其可能效应水平值的比率（Macdonald et al，2000）。具体计算公式如下：

TU， i = Ci / LPE， i" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "⑤

式⑤中：TU， i为第i种重金属的毒性；Ci为第i种重金属的实测浓度，单位为mg/kg；LPE， i为第i种重金属的可能效应水平值。总毒性（STU）是TU， i的总和，毒性水平划分为4个等级：STUlt;4，低度毒性；4≤STU≤6，中度毒性；STUgt;6，重度毒性（李贺等，2023）。

2" "结果与分析

2.1" "沉积物重金属含量

涨渡湖水系各采样点表层沉积物重金属含量（mg/kg，干重）见表2。除重金属Ni，涨渡湖水系沉积物重金属含量的总均值均高于长江流域沉积物重金属背景值（赵一阳和鄢明才，1992），其中Cd和Pb超标148%和160%；所有重金属含量的总均值均大于全国水系沉积物重金属背景值（史长义等，2016），其中Cd和Pb超标336%和197%；除重金属Zn和Cd，其他重金属含量总均值均高于毒性参考值（Mohiuddin et al，2010），其中Cr超标323%。因此，涨渡湖水系沉积物重金属Cd、Pb和Cr污染不容忽视。

2.2" "沉积物微塑料吸附重金属

通过扫描电镜-能谱仪观察，发现涨渡湖水系沉积物中的微塑料表面吸附元素包括C、O、Na、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Zn、Ag和Sn（图2），其中，吸附的重金属元素有Zn、Ag和Sn，轻金属元素有Na、Mg、Al、Ca和Ti（图2和图3）。在微塑料表面吸附的元素中，Si和Zn占微塑料表面吸附元素百分比最高，分别为21.77%和20.01%，其次为Ag和Na，分别占8.49%和6.62%，其他元素占比均低于5%，最小占比为Al，为0.43%。

2.3" "沉积物重金属生态风险评价

涨渡湖水系不同研究区域表层沉积物各重金属污染程度见图4。依据mHQ重金属污染程度表现为Crgt;Nigt;Asgt;Pbgt;Cugt;Zngt;Cd，其中，Cd为低水平污染，Pb、Cu和Zn为轻微污染，Ni和As为中等污染，Cr为强污染；依据CF重金属污染程度表现为Pbgt;Cdgt;Asgt;Mngt;Crgt;Cugt;Ni，全部为中等污染；依据[Eir]重金属污染程度表现为Cdgt;Asgt;Pbgt;Cugt;Nigt;Crgt;Zngt;Mn，其中，Cd为中等污染，其他重金属均为低水平污染。

本研究所测的8种重金属在涨渡湖水系不同研究区域表层沉积物的总体生态风险结果见图5。涨渡湖水系沉积物重金属IPL平均值为1.15，阻隔湖泊、连通水道、邻近长江干支流沉积物IPL平均值分别为1.08、1.08和1.22，均小于2，说明涨渡湖水系沉积物处于中等污染水平。涨渡湖水系沉积物重金属IR平均值为78.96，阻隔湖泊、连通水道、邻近长江干支流沉积物重金属IR值分别为65.00，72.15和91.43，均小于150，说明涨渡湖水系沉积物处于低度污染水平。涨渡湖水系沉积物重金属STU平均值为3.59，阻隔湖泊、连通水道、邻近长江干支流沉积物重金属STU值分别为3.51，3.34和3.79，均小于4，说明涨渡湖水系沉积物重金属处于低度毒性水平。综合结果，涨渡湖水系沉积物重金属总体处于低-中等污染水平，其中邻近长江干支流江段重金属污染程度高于连通水道和阻隔湖泊。

3" "讨论

重金属在涨渡湖水系不同研究区域沉积物中的分布不同，总体上重金属含量水平表现为邻近干支流gt;连通水道gt;阻隔湖泊（表2），这与重金属生态风险评价结果（图5）基本一致，长江干支流江段沉积物重金属污染程度高于其他2个研究区域，整个涨渡湖水系沉积物重金属处于低-中等污染水平，这种重金属分布和污染格局与研究区域的周围环境、人类活动和水文条件等密切相关。在实际调查过程中发现，在长江干支流采样点区域分布有多个码头、水泥厂、水运公司、水上加油站等，这些企业排放的废水废渣是重金属污染的主要来源之一（赵宽等，2021）。另外，周边生活污水的排放、汽车和轮船尾气的排放以及油料泄露等也加剧了长江干支流采样区域重金属污染负荷（Wierzbicka et al，2015；王琳杰等，2020）。连通水道属于长江水和湖泊水的混合地带，采样期间正处于丰水期，连通水道受到长江水的倒灌作用，因此，连通水道重金属含量低于长江流域干支流江段而高于阻隔湖泊。涨渡湖区重金属污染主要来源于周边的渔业养殖场、果蔬基地、药业基地和农田，这些企业产生的生产生活污水和农用肥料中的重金属会随着地表径流及废水排放进入周边湖区并蓄积在沉积物中，给湖区环境造成威胁（周葆华等，2014）。同时，江湖阻隔降低了湖泊自净能力，更加剧了湖区重金属污染。尽管自2005年以来，“灌江纳苗”对涨渡湖进行季节性河湖连通，加大了水体交换量，从一定程度上减轻了湖区污染（严黎等，2006；张清慧等，2013），但湖泊环境的彻底治理可能要依赖于长期更为有效的江湖连通。

本研究发现涨渡湖水系沉积物重金属Cr污染最严重，Cd和Pb含量显著高于长江流域和全国水系沉积物重金属背景值，这可能与采样区域有一个成立长达15年的娲石水泥厂有关。水泥生产过程中原料和替代材料的使用、化石燃料的燃烧、运输车的使用等均会产生Cr、Cd、Pb、Cu和As等多种重金属，并通过大气干湿沉降、地表径流等途径，不同程度地累积在水泥厂周边环境（Gallo et al，2014；Olowoyo et al，2015；朱慧萍，2018）。同时，采样区域沿边建设有水运公司、码头、水上加油站等，这些水上活动在作业期间，可能会向水体排放废油、废渣、生活垃圾和污水，以及发生油泄露和货物的散落，这些因素均可加重Cr、Cd和Pb等重金属的污染。另外，涨渡湖水系紧邻新洲区阳逻经济技术开发区，东临大广高速，西傍武汉外环高速，南面112省道，北靠武英高速，交通流量大，汽车尾气排放、汽车制动、汽车轮胎老化磨损、车体自身的磨损和腐蚀、含铅汽油的使用等均可对周边环境产生Cr、Pb和Cd等重金属污染（Harrison et a1，2003；郭广慧等，2008）。有研究发现，武汉市汽车刹车片每年排放的Cr、Pb和Cd等重金属污染负荷量分别为28.2～225.2、140.8～1 877.0和 3.8～9.4 kg，汽车轮胎每年排放的Cr、Pb和Cd等重金属污染负荷量分别为8.0～31.8、37.4～119.4和2.0～4.6 kg（杨溦，2014）。因此，涨渡湖水系沉积物重金属污染分布和污染水平与周边水泥厂、水运公司、码头、渔业养殖场、农田以及发达的交通活动等密切相关，要加大对这些活动废气废水废渣等排放的监管力度，以减轻对涨渡湖水系的重金属污染。

重金属是环境中的典型污染物，微塑料是一种新型污染物，两者吸附形成的复合污染物将对水生生物健康产生更大威胁（Naqash et al，2020；董纯等，2023）。本研究初步分析了涨渡湖水系沉积物中微塑料表面吸附的重金属，发现重金属Zn、Ag和Sn不同程度地吸附在微塑料表面。李文华等（2020）在鄱阳湖沉积物微塑料中也发现其表面吸附有多种重金属，如Cd、Pb、Fe、Cu、Zn等。对比发现，沉积物中微塑料表面吸附的重金属种类存在一定差别，表明微塑料对重金属吸附具有选择性和偏好性，这种选择和偏好主要受周围环境的影响，如沉积物总有机碳、pH、电导率和粒径等理化因素（Chakraborty et al，2015；李文华等，2020）。同时，微塑料对重金属的吸附行为还受微塑料赋存特征和重金属性质等的影响（Dong et al，2020；Binda et al，2021），如微塑料颜色（彩色）、粒径（≤0.5 mm、1～5 mm）、形态（碎片类、纤维类）和聚合物组分（聚乙烯）是影响沉积物重金属含量的显著因素（李文华等，2020）。所以，研究区域理化环境、微塑料特征和重金属性质等的不同均可引起微塑料吸附重金属种类的差异性。值得注意的是，微塑料和重金属相互作用可进一步增强重金属生物有效性，影响生物蛋白质合成、能量储存和生物转化等（Karami et al，2016）。因此，需要更多关注涨渡湖水系微塑料和重金属的复合污染及生物效应。

4" "结论

（1）重金属在涨渡湖水系不同研究区域沉积物中的分布和生态风险表现为邻近干支流gt;连通水道gt;阻隔湖泊，整个涨渡湖水系沉积物重金属处于低-中等污染水平，重金属Cr、Cd和Pb是主要贡献者，这种重金属分布和污染格局与研究区域的周围环境、人类活动和水文条件等密切相关。

（2）重金属Zn、Ag和Sn不同程度地吸附在涨渡湖水系沉积物微塑料表面，其中，Zn和Ag占微塑料表面吸附元素百分比分别达20.01%和8.49%。微塑料表面可吸附多种重金属，且微塑料对重金属吸附具有选择性和偏好性。

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（责任编辑" "熊美华）

Distribution and Ecological Risk of Heavy Metals in Sediments

of the Zhangdu Lake Water System

DONG Chun1， ZHANG Dong‐ya2， LIU Hong‐gao1， CHEN Wei1， ZHAO Yuan1， YANG Zhi1

（1. Key Laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources

and Chinese Academy of Sciences， Wuhan" "430079， P.R. China;

2. Beijing Engineering Corporation Limited， Power China， Beijing 100024， China）

Abstract： Zhangdu Lake is the epitome of lake evolution in the middle and lower reaches of the Yangtze River. Understanding heavy metal pollution in Zhangdu Lake and the environmental risks they pose provides basic data for risk assessment and the prevention and control of heavy metal pollution in Zhangdu Lake and other lakes in the middle and lower reaches of Yangtze River. In this study， we determined the concentrations of eight heavy metals （ Cr， Mn， As， Ni， Cu， Zn， Cd and Pb） in sediments from the Zhangdu Lake system and identified the heavy metals adsorbed by microplastics. The pollution status and ecological risk of heavy metals in sediments were then evaluated using the pollution load index （IPL） and potential ecological risk index （IR）. In July 2022， sediments in the Zhangdu Lake system were collected for the determination of the eight heavy metals and the analysis of heavy metals adsorbed by microplastics at 11 sampling sites， located in the isolated lakes， connecting waterways and the adjacent Yangtze mainstream and tributaries. Results show that the heavy metal concentrations in sediments varied according to aquatic system type in the Zhangdu Lake system， decreasing in the following order： Yangtze mainstream and tributaries gt; connecting waterways gt; isolated lakes. The heavy metals mainly adsorbed by microplastic surfaces included Zn， Ag， and Sn， and the concentrations of Zn and Ag were much higher， comprising 20.01% and 8.49% of the adsorbed metals. Ecological risk assessment revealed that the average value of IPL for the Zhangdu Lake system was 1.15， indicating a moderate pollution level， and the average value of IR was 78.96， indicating a low pollution level. The comprehensive evaluation results indicated that heavy metal pollution in the sediments of the Zhangdu Lake water system was at a low-moderate level. In addition， the pollution degree and ecological risk in the mainstream and tributaries of Yangtze River were higher than those in connecting waterways and isolated lakes. The distribution and pollution pattern of heavy metals were primarily affected by the surrounding environment， human activities and hydrological conditions in the study area.

Key words： sediment; heavy metal; microplastics; ecological risk; Zhangdu Lake water system