新建水源地典型污染物赋存特征研究——以太浦河金泽水源地为例

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随着经济的高速发展,人类生产生活中向水体排放的污染物日益增多,人们对于饮用水源安全的关注度也随之越来越高,探究水源地的典型污染物赋存特征对于控制和保障水源地水质安全具有重要意义。本研究选取新建饮用水水源地——金泽水库为研究对象,探究金泽水库水源地及其附近区域中以氮、磷和DOM为代表的传统污染物质以及以抗生素为代表的新兴污染物的分布特征与潜在风险,根据不同土地利用类型以及河流分布状况,在太浦河、工业区、农业区、居民生活区、养殖区和金泽水库库区共设置16个采样点,通过实际调研和四个季度的采样工作,系统的研究典型污染物在研究区内的时空分布特征,DOM的组成成分和赋存特征,抗生素在水体和沉积物之间的分配行为,并探究抗生素对于DOM的影响。
  本研究采用国标法测定常规水质指标并进行水质评价,通过计算氮磷比、综合营养状态指数评估水体富营养化状况。采用固相萃取和超高液相色谱-三重四级杆质谱联用仪对22种抗生素进行研究,同时开展抗生素生态风险评估和优先控制抗生素筛选。采用三维荧光光谱结合平行因子分析法对FDOM的分布特征进行研究。设计荧光滴定实验用以研究抗生素对DOM的影响。基于以上研究,对金泽水库及周边区域水环境中典型污染物的赋存特征和环境行为具有深刻认识。研究结果如下:
  (1)金泽水库及周边区域水环境全年水质处于II~V类,库区除TN外均属于II类水质。水体TN含量处于较高水平,NH4+-N含量较低,TP和CODMn处于较高含量水平,呈现出区域性和季节性差异。富营养化评价结果表明:在大部分时间和区域藻类生长处于P限制状态,并随着时间改变由P限制转向氮磷共同促进状态,最终部分转向N限制状态。富营养化水平在贫营养到高度富营养状态之间波动,大部分属于中营养状态;从时间变化来看,呈现出秋季>夏季>春季>冬季的趋势。
  (2)金泽水库及周边区域水环境抗生素赋存特征:水体中检出16种抗生素,检出率在50%以上,检出浓度在77.65~1862.31ng/L之间,磺胺类和四环素类是最主要的抗生素污染;沉积物中检出17种抗生素,检出率接近或高于50%,检出浓度在41.80~476.23ng/g之间,喹诺酮类、β-内酰胺类和四环素类是最主要的抗生素污染。抗生素含量具有区域和季节性差异,养殖区和生活区高于其他区域,春季和冬季高于夏季和秋季。水体-沉积物之间的抗生素分配系数呈现出:喹诺酮类>β-内酰胺类>大环内酯类>四环素类>磺胺类>其他类。风险熵值评价表明,水体中红霉素(Ergomycin,ETM)、恩诺沙星(Enrofloxacin,EFX)、磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SDZ)、诺氟沙星(Norfloxacin,NFX)、四环素(Tetracycline,TC)、强力霉素(Doxycycline,DC)处于中度风险或高风险中,冬季风险最大,春季和秋季次之,夏季风险最小;优先控制抗生素筛选结果表明:沉积物中SDZ相比于其他抗生素具有更高的富集潜能,CFX具有污染降低趋势。
  (3)金泽水库及周边区域水环境DOM赋存特征:水体DOC浓度在5.50~25.00mg/L之间,a(350)在2.69~8.50m-1之间(a(350)用以表示CDOM的量),赋存变化较大,同时DOC和DOM含量具有区域和季节性差异;水体SUVA254在0.63~2.52L/(mg?m)之间,芳香化程度表现出秋季最高,春季和冬季次之,夏季最低。三维荧光光谱结合PARAFAC分析表明:水体FDOM由三种组分组成,分别是:组分1(C1,Ex/Em=230/345nm)芳香族蛋白质;组分2(C2,Ex/Em=230、275/320nm)紫外区的类色氨酸类荧光组分;组分3(C3,Ex/Em=245/430nm)可见光区的类腐殖质类物质。分布特征为:冬春夏秋四个季度,C1组分相对荧光强度在0.19~21.50Ru之间波动,并未呈现显著季节性差异(p>0.05);C2:未呈现出显著季节性差异(p>0.05),在秋季检出率62.5%,并且检出量较大,表现出水库及下游地区高于其他区域的特征;C3在0.05~5.44Ru之间波动,含量变化较大,组分C3呈现出秋季极显著性(p<0.01)高于冬季、春季和夏季。总荧光强度呈现出:上游>水库周边>下游>水库的趋势,从土地利用类型来看,冬季、春季和夏季均呈现出:工业区、居民生活区和农业区荧光强度高于库区和养殖区。生物指数(biologicalindex,BIX)、腐化指数(humificationindex,HIX)和荧光指数(fluorescenceindix,FI)分析表明研究区水体新生DOM较多、腐化程度低且具有内源产生特性。通过相关性分析表明温度、pH和DOC含量与C3组分有显著的正相关光关系;SUVA254与C1和C2呈正相关。
  (4)抗生素对DOM的影响:采用平行因子分析法解析DOM的EEMs数据得到四种荧光组分:组分C1(Ex/Em=290/445nm),组分C2(Ex/Em=290/500nm),组分C3(Ex/Em=275/460nm)三个胡敏酸组分和组分C4(Ex/Em=230/440nm)一个富里酸组分。通过荧光滴定实验研究磺胺嘧啶(SDZ)、泰乐菌素(TYL)、四环素(TC)、诺氟沙星(NFX)和强力霉素(DC)对DOM中荧光组分的影响,结果表明:SDZ、TYL和DC对于DOM的C3组分具有猝灭效应,浓度越高猝灭效应越强;对于从C1和C4组分具有增强效应。TC会显著增强DOM中C2组分的荧光强度,同时使C峰右移;组分C4的荧光强度随着TC浓度的增加而增强。NFX对于C1、C3和C4的荧光强度有增强效应。一定浓度DOM的C3组分在SDZ和TC两种抗生素处于高浓度时可以完全被猝灭。TYL和DC在高浓度时可部分猝灭C3组分;C4组分在TC处于低浓度时可部分猝灭。
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