《Regional Studies in Marine Science》：Chemometric Techniques for Distribution and Source Identification of PAHs in Selected Coastal Zones of Malaysia
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分析马来西亚沿海多环芳烃污染分布及来源，采用化学计量学方法（聚类、判别分析）揭示空间异质性和主要污染源（交通排放、生物质燃烧、石油活动），建立PAH污染评估模型。
阿米努·易卜拉欣（Aminu Ibrahim）| 阿齐玛·伊斯梅尔（Azimah Ismail）| 哈菲赞·朱艾尔（Hafizan Juahir）| 哈贾尔·哈蒂尼·万·朱索（Hajjar Hartini Wan Jusoh）
东海岸环境研究所（ESERI），苏丹扎伊纳尔·阿比丁大学（Universiti Sultan Zainal Abidin）。地址：马来西亚登嘉楼州瓜拉努鲁（Kuala Nerus），邮编21300
摘要
本研究调查了马来西亚选定沿海区域中多环芳烃（PAHs）的浓度、空间分布及其来源。总PAH浓度范围为256至2176.1 ng/L，平均值为1374 ng/L，显示出研究区域内的显著空间变异性。采用化学计量技术来解释污染模式和污染程度。聚类分析将采样点分为三类：中度污染、高污染和高度污染。判别分析的分类准确率为89.4%，确定萘（naphthalene）、苊（acenaphthene）、荧蒽（chrysene）和二苯并[a,h]蒽（dibenzo[a,h]anthracene）是区分这些组的最具影响力的化合物。来源解析表明，研究区域内的PAH主要来源于车辆排放、生物质（木材）燃烧和石油相关活动。化学计量方法的综合应用为污染趋势和污染源提供了可靠的见解，证明了其在解释复杂环境数据集方面的有效性。这些发现突显了多变量统计工具在改善环境监测、风险评估和旨在保护沿海水质的管理策略中的重要性。
引言
多环芳烃（PAHs）是一类持久性有机污染物（POPs），由于其致癌、致突变和毒性特性，对环境和人类健康构成重大风险（Apiratikul等人，2020年）。几十年来，PAHs因这些特性而受到科学界的关注。这些烃类主要通过自然和人为活动进入环境（Janarthanam等人，2023年），包括化石燃料的不完全燃烧、生物质燃烧（热解过程）以及原油、石油产品和工业排放（Y. Liu等人，2009年；Sakshi等人，2019年）。热解产生的PAHs以气体和烟尘的形式释放到大气中（Patel等人，2020年；Zakaria等人，2002年）。PAHs还通过石油泄漏、发动机泄漏以及石油开采、运输和工业活动中的燃料油排放进入土壤和水体（Ossai等人，2020年；Patel等人，2020年）。它们通过地表径流、大气沉降和直接渗透传播，导致陆地和水生环境的污染。在海洋环境中，PAHs倾向于在沉积物和水柱中积累，可以长期存在，影响水生生物并进入食物链。由于亲脂性，PAHs在海洋生态系统中表现出强烈的生物累积和生物放大作用（Kumar等人，2021年）。
登嘉楼州（Terengganu）、雪兰莪州（Selangor）和马六甲州（Melaka）的沿海地区在马来西亚的经济、环境和海洋产业中发挥着关键作用（Arzaman等人，2022年；Arzaman等人，2023年；Fulazzaky等人，2023年），因此它们极易受到工业、航运和石油相关活动的PAH污染（Fadzil等人，2017年）。在登嘉楼州，海上石油和天然气勘探是热解PAHs的主要来源，主要通过泄漏和操作排放。此外，各种人为活动，如渔船、旅游船只以及往返于大陆和附近岛屿（包括Tenggol岛、Kapas岛、Redang岛和Perhentian岛）的渡轮的操作排放，也加剧了PAH的积累（Sanip等人，2019年）。在雪兰莪州，作为马来西亚最大的港口，Port Klang的高航运流量导致燃料燃烧产生的PAHs排放增加；而马六甲州对沿海旅游和航运活动的依赖进一步加剧了污染风险。这些地区属于马六甲海峡（Straits of Malacca），这是一个重要的全球海上通道，支持大量的航运和贸易活动，从而进一步增加了雪兰莪州和马六甲州的PAH浓度。PAHs在沉积物和水体中的持续积累对海洋生物多样性、渔业和沿海生态系统构成了严重威胁，可能导致长期的生态退化和水生食物网的破坏。了解这些沿海水域中PAHs的分布范围对于有效的环境监测和管理至关重要。
PAHs在环境中非常稳定且持久，具有较长的停留时间，这使得它们容易吸附在悬浮颗粒物和沉积物上，而沉积物是这些污染物的主要汇。尽管海上石油开发和航运活动规模庞大，但PAHs对西中国海（WSCS）海洋生态系统的影响仍知之甚少（Minwei等人，2023年）。一些研究使用诊断比率来追踪PAH来源，利用其独特的化学特征作为指纹追踪器来区分热解和生物源（Youngblood & Blumer，1975年）。其中，烷基化PAH与母体PAH的比率被广泛用于来源表征，因为烷基化PAH在燃烧过程中不稳定并降解，而母体PAH则更为稳定并在这一过程中富集（Gbeddy等人，2020b）。然而，诊断比率存在局限性。不同的比率可能导致不同的来源分类结果，从而影响PAH来源的确定性（Tahir等人，2018年）。此外，诊断比率缺乏区分多个污染源的敏感性，限制了其在复杂环境中的适用性。传统的PAH鉴定和定量方法主要依赖于化学分析技术，如气相色谱-质谱法（GC-MS）（Humbert等人，2022年）。虽然这些方法提供了高分析精度，但它们无法全面揭示污染模式和来源贡献，需要结合先进的分析技术来改进来源解析。
为了解决这一限制，化学计量技术在环境研究中受到越来越多的关注。它对于分析不同地理和环境区域中的大量复杂PAH数据具有重要意义（Y. Liu等人，2009年；Retnam等人，2013年；Tahir等人，2018年），并能够提取其中隐藏的信息。化学计量分析涉及应用高级统计和多变量技术，如层次聚类分析（HCA）、判别分析（DA）和主成分分析（PCA），有助于更好地理解复杂的沿海PAH情况。PCA是一种广泛使用的无监督模式识别技术，根据变量之间的内在相似性和关系对其进行分类。所得到的聚类结果增强了数据解释，并提供了关于PAH分布模式和来源的宝贵见解（Dahle等人，2003年）。该方法特别适用于将具有相似PAH特征的采样点分组，通过将具有可比特征的PAH聚类来识别空间变化和潜在污染源（Asad等人，2021年；Y. Liu等人，2009年）。DA用于根据样本的共有特征对其进行分类，利用关于对象所属特定组的先验知识（Singh等人，2005年）。它识别出区分两个或多个自然存在组/聚类的特征。尽管DA在水质评估和各种环境数据集中的应用已有充分记录（Gazzaz等人，2012年；Ibrahim等人，2015年；Koki等人，2020年；Singh等人，2005年），但在PAH分析中的应用仍然相对有限（Osman等人，2012年）。PCA是最常用的PAH数据分析化学计量技术，它涉及识别一组不相关的线性组合，以捕捉数据集中的大量变异（Kherif & Latypova，2019年）。PCA被用于检测环境样本中PAH之间的关系（Azimi等人，2018年；Y. Liu等人，2009年）。
以往关于马来西亚PAH污染的研究主要集中在使用分子指数进行来源识别（Elias等人，2019年；Sakari等人，2010年；Zakaria等人，2002年）。利用化学计量技术全面调查海洋环境中PAH污染的潜在来源，为制定有效的沿海管理策略提供了有价值的工具。本研究旨在通过化学计量方法研究登嘉楼州、雪兰莪州和马六甲州沿海水域中PAH的分布和来源识别。通过将统计模型与环境数据相结合，本研究旨在加深对PAH污染动态的理解，并为马来西亚的有效污染控制措施和海洋保护工作做出贡献。研究结果将为政策制定者、环境机构和从事海洋污染缓解的研究人员提供宝贵资源。
研究区域
采样工作于2022年7月至12月期间进行，时间安排在每天上午8:00至下午3:00，在马来西亚登嘉楼州、雪兰莪州和马六甲州的三个选定地点的20个站点进行，具体位置见图1。站点坐标见表1。使用干净的硼硅酸盐玻璃瓶从表层海水（大约0–30厘米深度）中采集海水样本。瓶子密封后妥善存放在指定的冷藏箱中，以确保样本的完整性。
海水中PAHs的空间分布
PAHs的浓度见表2和图2。研究区域内的总PAH浓度差异显著，PM站点的浓度为256.14 ng/L，KPT站点的浓度为2176 ng/L，平均浓度为1374 ng/L。登嘉楼州各站点的PAH浓度范围为PM站点的256.14 ng/L至TB2站点的1199.7 ng/L。登嘉楼州所有站点的平均浓度约为56.42 ng/L。
结论
研究区域内的总PAH浓度差异显著，最低浓度出现在PM站点（256.14 ng/L），最高浓度出现在KPT站点（2176.1 ng/L），总体平均浓度为1374 ng/L。海水中主要含有高分子量（HMW）PAHs，表明其来源为热解过程。这一发现非常重要，因为这些PAHs具有致癌性，可能影响海洋环境提供的宝贵生态系统服务。
未引用的参考文献
(Hamid等人，2020年；Han等人，2023年)
CRediT作者贡献声明
阿米努·易卜拉欣（Aminu Ibrahim）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论制定、概念构思。哈菲赞·朱艾尔（Hafizan Juahir）：验证、监督、数据管理。阿齐玛·伊斯梅尔（Azimah Ismail）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、调查。哈贾尔·哈蒂尼·万·朱索（Hajjar Hartini Wan Jusoh）：验证、调查。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢马来西亚高等教育部（FRGS 2021-1项目代码：RR395）、马来西亚化学系以及True Gelam Ventures Sdn. Bhd.对东海岸环境研究所（ESERI）的支持。
