韩国泗湖（Sihwa Lake）表层沉积物中第四纪铵化合物（Quaternary Ammonium Compounds，QACs）的空间分布与积累模式

《Environmental Pollution》：Spatial Distribution and Accumulation Patterns of Quaternary Ammonium Compounds (QACs) in Surface Sediments of Lake Sihwa, South Korea

季铵盐化合物在湖湾沉积物中的分布特征及来源解析研究，开发了烷基链单指数（MDI）和QAC积累情景模型（QASM），揭示了总有机碳（TOC）吸附与近期污染与历史积累的区分机制，发现支流溪流沉积物中长链DDACs和ATMACs浓度最高，空间分布呈现从内陆溪流到湖心再到外海的梯度变化，表明工业溪流是主要污染源。

　　

郑慧镐|李中民|文孝邦|库伦塔查拉姆·卡南

瓦兹沃思中心，纽约州卫生部，帝国大厦广场，奥尔巴尼，NY 12237，美国

摘要

季铵化合物（QACs）被广泛用作工业和消费品中的消毒剂。在这项研究中，我们调查了19种QAC在Sihwa湖及其支流沉积物中的分布和积累模式。此外，我们应用了一种新的单烷基/二烷基指数（MDI）和QAC积累情景模型（QASM）来阐明总有机碳（TOC）的滞留作用，以及近期污染和历史污染之间的区别。沉积物中的Σ19QAC浓度范围为17.8至48,900 ng/g-dw（中位数645 ng/g-dw），其中内陆溪流沉积物中的浓度最高。二烷基二甲基铵化合物（DDACs）占总QAC浓度的71%，其次是烷基三甲铵化合物（ATMACs，17%）和苄基烷基二甲基铵化合物（BACs，12%）。长链烷基的DDACs（C18）和ATMACs（C16和C18）的浓度高于短链同系物（C8–C14）。QASM模型显示，沉积物中QAC的积累受到局部输入和TOC含量的影响。多变量分析揭示了每个地点QAC浓度的具体模式以及同系物的特定分布，C16-和C18-DDACs在湖泊沉积物中占主导地位，而C10-BAC和C8-DDAC在溪流沉积物中占主导地位。QAC浓度的明显空间梯度表明这些化学物质从溪流输送到湖泊近岸，随后再输送到远岸水域。因此，应优先对作为QAC主要来源的工业溪流区域进行未来的沉积物监测和生态风险评估。

引言

季铵化合物（QACs）由一个阳离子季铵基团与个烷基链和甲基或苄基团结合而成（Arnold等人，2023；Mohapatra等人，2023）。QACs包括含有一个个烷基链、一个苄基团和两个甲基团的苄基烷基二甲基铵化合物（BACs）；含有两个个烷基链和两个甲基团的二烷基二甲基铵化合物（DDACs）；以及含有一个个烷基链和三个甲基团的烷基三甲铵化合物（ATMACs）。

QACs通过静电吸引与带负电的细菌膜相互作用，同时其疏水烷基链会进入细胞壁的磷脂双层（Mohapatra等人，2023；Moosavi和Zolghadr，2023）。这一过程导致膜通透性增加、细胞质内容物泄漏，最终导致细胞裂解（Jennings等人，2016）。在短接触时间（0.5至60分钟）内，QACs——特别是BACs——能将HCoV、SARS-CoV、TGEV、HCoV-229E和MHV等常见人类冠状病毒的病毒载量减少99.9%以上（Schrank等人，2020）。因此，它们被广泛用作消费品、食品工业和医院环境中的消毒剂。

截至2025年8月，美国环境保护署（US EPA，2025）列出了694种注册的消毒剂，其中264种含有QAC作为活性成分，93种用于针对导致COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒，接触时间为0.1–1分钟。排除含酒精的消毒剂后，QAC是表面消毒剂中最常见的活性成分（Marteinson等人，2023）。在COVID-19大流行期间，住宅灰尘中的QAC浓度显著增加了62%（Zheng等人，2020）。此外，QAC还广泛应用于住宅、工业和农业领域，包括洗涤剂、织物柔软剂、杀菌剂、个人护理产品、防腐剂和电镀添加剂（Kreuzinger等人，2007；US EPA，2006a，2006b）。由于QAC对人类具有细胞效应、不良的皮肤、神经和免疫影响，以及对水生生物的生态毒性（Arnold等人，2023；Zhang等人，2015），因此存在对其暴露的担忧。例如，据报道，其对浮游甲壳类动物的EC₅₀（半最大有效浓度）值为0.23–0.38 mg/L，对微藻为0.11–0.20 mg/L，对轮虫为0.025–0.13 mg/L，对虹鳟鱼为0.6–40.5 mg/L（Zhang等人，2015）。

多项近期研究报道了QAC在室内灰尘、废水、雨水和地表水中的存在和归趋（Clara等人，2007；Kreuzinger等人，2007；Li等人，2025；Li和Kannan，2024a；Ruan等人，2014；Zheng等人，2020）。沉积物是这些化学物质在水生环境中的主要汇（Dai等人，2018；Jeong等人，2022；Pintado-Herrera等人，2017）。然而，关于沉积物中QAC污染范围和积累模式的详细研究仍然有限（Mohapatra等人，2023；Su等人，2024）。因此，沉积物中的QAC可能成为底栖生物的长期暴露源，并可能影响沿海食物网和生态系统功能。

研究区域韩国的Sihwa湖在1979年至2011年间经历了大规模的环境变化，包括Banweol和Sihwa国家工业园区的建立、海堤的建设、湖泊内陆水域水质的严重恶化、水闸的运行以及Sihwa潮汐发电厂（TPP）的建造（图1；Lee等人，2014）。尽管据报道Sihwa TPP改善了湖泊的水质（Ju等人，2016；Ra等人，2013），但工业废水的排放仍然是多种污染物的一个点源（Jeong等人，2019；Lee等人，2018；Zhu等人，2019）。鉴于大流行后QAC使用的增加，建立一个回顾性的基线浓度将有助于客观和比较地评估Sihwa湖中的QAC污染情况，这对于评估近期QAC使用增加和未来法规变化的影响至关重要。据我们所知，此前没有研究报道过韩国沉积物中的QAC。

先前的研究利用总有机碳（TOC）与QAC浓度之间的相关性来识别影响这些化学物质来源和传输的因素（Li等人，2014；Li和Brownawell，2010）。然而，这种方法没有区分哪些类型的QAC更倾向于被TOC滞留，也没有区分历史积累和近期输入。这一点很重要，因为BACs、DDACs和ATMACs具有不同的物理化学性质，因此它们的环境传输和归趋可能有所不同。在这项研究中，我们提出了一个QAC积累情景模型（QASM），该模型研究了QAC与TOC相关的吸附和积累过程。

使用QASM、分段回归分析（SRA）、层次聚类分析（HCA）和主成分分析（PCA）来研究这些化学物质在水生环境中的传输情况。基于2015年收集的沉积物样本，这些发现建立了Sihwa湖沉积物中QAC的回顾性基线、积累和传输情况。

部分摘录

沉积物样本采集

Sihwa湖是位于韩国京畿道的一个人工填海形成的沿海湖泊，毗邻Siheung、Ansan和Hwaseong等城市。关于该湖泊及本研究中分析的沉积物样本的详细信息可在先前的报告中找到（Lee等人，2018；Zhu等人，2019）。简要来说，2015年5月使用不锈钢箱式采样器从43个采样点采集了表层沉积物样本（0–4厘米深）（图1）。这43个采样点被划分为三个区域

沉积物中QAC的分布模式

在分析的19种QAC中，C6-BAC是唯一一个在任何采样点均未检测到的同系物（n = 43；表1）。C8-和C10-BACs、C8-、C12-和C14-DDACs以及C8-、C10-、C12-和C14-ATMACs的检测频率（DFs）低于70%，而C16-和C18-DDACs以及C16-ATMAC的检测频率均为100%。所有采样点中的Σ19QAC浓度范围为17.8至48,900 ng/g-dw（中位数：645 ng/g-dw）。最低和最高的Σ19QAC浓度分别出现在采样点SO1（一个

结论

Sihwa湖的沉积物中含有的QAC浓度与其他水生环境中的报告浓度相似。Σ6DDAC是沉积物中的主要QAC，其次是Σ7BAC和Σ6ATMAC。在分析的DDACs和ATMACs中，长链烷基同系物（C18）占主导地位。在分析的BAC同系物中，C12-BAC占主导地位。SRA和QASM的应用解释了由单烷基QAC驱动的、受TOC影响的积累过程，伴随着ΣDDAC的富集，以及在开阔水域的局部输入

CRediT作者贡献声明

库伦塔查拉姆·卡南：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。文孝邦：撰写 – 审稿与编辑、方法论。李中民：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查。郑慧镐：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法论、调查、数据分析、数据管理

未引用的参考文献

Lara-Martn等人，2010；美国环境保护署，2006a；美国环境保护署，2006b；美国环境保护署，2025。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者还要感谢全南大学的Hyeon-Seo Cho教授和Ph.D Hwi-Su Cheon提供用于方法检测限确定的开阔海域沉积物样本。