监测前沿交流 | 高风险的微污染物——多重人为胁迫增加了大型城市淡水生态系统的风险

第一作者：陈苗

通讯作者：金小伟、徐建

通讯单位：中国环境监测总站、中国环境科学研究院

图片摘要成果简介

近日，中国环境监测总站金小伟教授级高工团队与中国环境科学研究院徐建研究员团队合作在环境领域著名学术期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Micropollutants but high risks: Human multiple stressors increase risks of freshwater ecosystems at the megacity-scale”的研究论文。该文研究了大型城市（北京市）淡水生态系统中包含农药、PPCPs、非法药物和工业化学品在内的133种微污染物对不同营养级水生生物的生态风险，考查了不同空间尺度土地利用对生态风险的影响，并利用结构方程模型（SEM）分析了多重胁迫对微污染物生态风险的效应，定量了人类活动和气候条件对微污染物风险效应的相对权重。该结果说明淡水生态系统中微污染物的生态风险不可忽略，气候、土地利用、水文条件等因素均会影响微污染物的生态风险，在进行水域管理时必须综合考虑多重胁迫因素。

引言

人类世以来，淡水生态系统越来越多的受到人类活动的直接或间接影响。气候变化、水文调节、土地利用和化学污染物是威胁河流生态系统结构和功能的主要因素。同时，随着土地利用和城市化的加剧，许多淡水生态系统正面临着生物多样性丧失和功能改变。除土地利用外，水环境中的有机微污染物也因其普遍分布和潜在的生态风险而引起广泛关注，长期接触微污染物会对水生生物和人类健康构成重大风险。在流域尺度的自然环境中，多种复杂的胁迫因素相互作用，对淡水生态系统造成破坏，很难确定其主要驱动因素。

已知有机污染物与城市、耕地等人类土地利用有关，然而，以前的研究侧重于定性探索，缺乏对土地利用与多种微污染物暴露模式或生态风险之间的定量研究。以往对流域微污染物的研究主要集中在环境暴露、毒性和潜在生态风险。部分研究侧重于单一类别微污染物或某类污染物与土地利用之间的定性关系，而忽略了土地利用的多尺度影响。先前的研究没有确定土地利用和气候条件对多类型微污染物风险效应的相对权重。本研究主要关注大型城市淡水系统中微污染物的分布模式、生态风险及其受气候和人类活动的影响效应，特别是土地利用的多尺度效应及多重胁迫的影响，以期为流域尺度水域治理和管控提供有效的保护策略。

图文导读

微污染物的分布特征

图1 北京市地表水中13类微污染物的浓度（a，*:P<0.05）及在不同区域的分布（b，d.枯水期；c，e.平水期），不同字母表示显著差异（P<0.05）

微污染物的浓度总体表现为新烟碱农药（NEOs）>有机磷酸酯（OPEs）>抗病毒药（ANVIs），枯水期平均浓度分别为483、225和150 ng·L−1。不同行政区域和河流中微污染物的分布和相对组成不同。南部区域的浓度明显高于北部区域，这与人类活动和污水处理厂分布显著相关。

微污染物的生态风险

图2 不同类别微污染物对不同营养级水生生物造成风险的比例（a.枯水期，b.平水期）。根据平均浓度（c）和最大浓度（d）确定的优控污染物（TUs>1）

在平水期，96.7%、100%和100%区域的藻类、无脊椎动物和鱼类受微污染物的慢性影响，这一比例高于枯水期（分别为41.7%、98.3%和100%）。在平水期，8.3%、33.3%和1.7%区域的藻类、无脊椎动物和鱼类处于高风险，而枯水期的比例分别为11.7%、3.3%和0%。有机磷农药（OPPs，杀虫剂）、三嗪类农药（TPs，除草剂）和OPEs占鱼类、藻类和无脊椎动物风险的最大比例，在枯水期分别占47.9%、46.6%和 56.5%。与平水期相比，不同的是拟除虫菊酯对鱼类风险的占比最大（图2a-2b）。这些结果表明，微污染物是威胁水生生物和生态系统的重要因素。根据微污染物的平均浓度，对其生态风险进行排序（图2c-2d）。18种微污染物被确定为优控污染物，其中高风险和中风险分别有7种和11种。TU分别为445.9、300和182.4的λ-氯氟氰菊酯、六嗪酮和磷酸三（2-乙基己基）酯（TEHP）的风险最大，验证了农药和OPEs的潜在风险。此外，敌敌畏、吡虫啉、毒死蜱和三（1-氯-2-丙基）磷酸酯（TCPP）表现出较高的环境风险。该优控清单有助于管理和控制北京市甚至其他类似大型城市地表水中的微污染物。

不同空间尺度土地利用对生态风险的影响

图3 枯水期（a、b和c）和平水期（d、e和f）河岸带不同尺度（0.1~15km）内耕地、不透水表面和植被地与藻类、无脊椎动物和鱼类生态风险的关系

研究了不同空间尺度土地利用对不同营养级水生生物慢性风险的影响（图3）。当河岸带缓冲区分别超过5 km和2 km时，耕地对无脊椎动物和藻类的慢性风险有显著影响（p<0.05），相关系数（R）呈现先增加后减少，然后再增加的趋势（图3a）。在所有空间尺度（0.1~15 km）的缓冲区中，不透水表面对藻类、无脊椎动物和鱼类的慢性风险显示出显著影响（p<0.05）（图3b和3c），平水期影响最大的是缓冲区范围分别为1 km、2 km和5 km（图3e）。对于植被地，所有尺度缓冲区的土地利用（宽度为0.1 km的缓冲区除外）对慢性风险表现出显著的负效应（p<0.05），并且最大的相关系数位于不同的空间尺度上（图3c和3f）。河岸带缓冲区中大于2 km的土地利用类型对三类水生生物的慢性风险有显著影响，表明太宽泛的河岸带缓冲区范围并不能解释当地的污染状况。在规划土地利用策略时，必须考虑最佳河岸带缓冲区，这有利于以较低成本获得理想的生态效益。

图4 结构方程模型显示的气候条件和人类土地利用对藻类、无脊椎动物和鱼类慢性风险的直接和间接效应（a）及相应的直接效应、间接效应和总效应系数（b）

利用SEM确定了人类土地利用和气候条件对三种不同营养级水生生物生态风险的直接和间接效应（图4，χ2=14.784，df=17，CFI=1，RMSEA=0.000）。人类土地利用对水质参数（WQPs）和新污染物浓度有显著的正效应，尤其是对NH3-N（标准化路径系数β = 0.40, P<0.05）、OPEs（β = 0.91, P<0.001）、OPPs（β = 0.69, P<0.05）和大环内酯类抗生素（MACs）（β = 0.87, P<0.01）。此外，气候条件对WQPs和新污染物的浓度有轻微的直接效应，气温和降雨量分别与三类生物的慢性风险呈正相关和负相关关系。OPPs受到人类土地利用的正效应（β=0.69，P<0.05），在无脊椎动物的慢性风险中起着主要作用（β=0.75，P<0.001）。同样，OPEs受到人类土地利用的正效应（β=0.91，P<0.0001），并且人类土地使用对藻类的慢性风险有很高的效应值（β=0.027，P<0.05），总磷和NH3-N两种营养物质分别对无脊椎动物的慢性风险有显著的负效应和正效应，其标准化路径系数分别为-0.40（P<0.001）和0.26（P<0.05）。人类土地利用对新污染物构成的风险具有正的总效应，而降水具有负的总效应（图4b）。且人类土地利用的总效应大于气候条件的总效应，表明人类土地利用对新污染物造成生态风险的贡献更大。经济的显著增长和城市化率的不断提高，改变了大型城市的空间结构及微污染物对淡水生态系统的影响。结果表明，反映人为压力源的土地利用可以作为解释不同营养级物种慢性风险的重要驱动因素。

小结

对大型城市淡水生态系统中133种微污染物进行了分析和风险评估，发现除草剂、OPEs和杀虫剂分别对藻类、无脊椎动物和鱼类的风险最大。确定了18种优控污染物，该清单可能有助于大型城市的微污染物管理和控制。不同空间尺度土地利用对不同营养级水生生物的慢性风险效应不同，其结果对规划土地利用管理和流域生态保护具有重要意义。多重胁迫因素，包括气候条件、污染排放，尤其是人类土地利用，影响着微污染物的生态风险。在控制流域内的微污染物时，有必要同时考虑这些多重因素。然而，气候变化是一个复杂而长期的影响，它与污染物之间的相互作用可能在短期内不明显。未来的研究可以更多地关注微污染物与长期气候变化之间的相互作用。淡水生态系统中多重压力源的相互作用仍然存在很大的不确定性，在以后的研究中应该重视这些相互作用的机制研究。

本项目得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。