泰国典型农业河流域中潜在有害金属的来源分布及概率风险：对可持续沉积物修复的启示

《Process Safety and Environmental Protection》：Source apportionment and probabilistic risks of potentially hazardous metals in a typical agricultural river basin, Thailand: Implications for sustainable sediment remediation

有害金属污染与生态健康风险评估及太阳能驱动协同修复系统研究——以泰国Mun河流域为例，发现中下游沉积物受农业和城市活动影响显著，PMF模型揭示主要污染源为采矿和燃烧（42.4%）、农业和污水（29.8%）及工业交通（27.7%）。蒙特卡洛模拟显示砷和铬对儿童存在潜在致癌风险，提出微纳米气泡氧化的太阳能驱动协同修复系统（SOBMSR）。

　　

高曦|韩桂林|张世通|马顺荣

中国地质大学（北京）地球科学研究院地球微生物学与环境变化国家重点实验室，北京100083，中国

摘要

蒙河是湄公河流域典型的农业支流，对当地农业、渔业和生计至关重要。然而，该流域正日益受到人类活动的影响，如农业灌溉、采矿和生活污水排放。本研究系统地调查了蒙河流域表层沉积物中潜在有害金属（PHMs）的空间分布、来源及其生态健康风险。研究结果表明，PHMs浓度在中下游地区显著升高，这些地区集中了大量的农业和城市活动。正矩阵分解（PMF）模型确定了三个主要污染源：与采矿和燃烧活动相关的大气沉降（42.4%）、农业和生活污水排放（29.8%）以及工业和交通活动产生的排放（27.7%）。生态风险指数显示，大多数沉积物样本处于未受污染到中度污染的水平，尽管镉（Cd）和砷（As）在下游地区有局部富集现象。蒙特卡洛模拟表明，当地鱼类消费带来的非致癌风险总体较低，而砷（2.24 × 10^-4）和铬（Cr）（4.70 × 10^-4）的致癌风险可能对儿童健康构成潜在威胁。基于这些发现，本文提出了一种基于太阳能驱动的氧-生物材料协同修复系统（SOBMSR），用于修复蒙河中受PHMs污染的沉积物。该系统结合了微纳米气泡氧化、硫氧化生物浸出和材料固定化技术，以实现金属的选择性稳定。这一低能耗且可持续的方法为缓解热带河流系统的长期生态和健康风险提供了有效途径。

引言

淡水污染已成为全球最紧迫的环境问题之一（Morin-Crini等人，2022年；Mushtaq等人，2020年）。虽然自然因素在一定程度上会影响水质，但人类活动被认为是水生环境的主要污染源（Akhtar等人，2021年；Sharma等人，2024a）。主要的人为污染源包括含有过量化肥、农药和牲畜废物的农业径流；含有各种化学物质和加工残留物的工业排放；以及未经处理的生活污水（Sharma等人，2024b；Tokatl?等人，2026年）。这些污染物未经适当处理就排放到水体中，会破坏水生系统的生态平衡，降低生物多样性，并削弱生态系统功能，最终威胁环境可持续性和公共健康（Han和Li，2025年；Kolawole和Iyiola，2023年；Olenin等人，2024年；Wang等人，2026年）。

潜在有害金属（PHMs）由于在环境中的持久性、高毒性和在水生食物网中的强生物累积潜力，构成了持续的环境挑战（Hossain等人，2025年；Saidon等人，2024年；Yazman等人，2025年；Yüksel等人，2021年；Yüksel等人，2010年）。这些污染物通常通过多种人为途径进入河流和湖泊，包括矿物开采、工业废水排放、农业输入和未经处理的生活污水（Gao等人，2025a；Liu等人，2024年；Varol等人，2022年；Yang等人，2024年）。即使是微量暴露也可能通过干扰酶促途径、扰乱代谢和繁殖过程，最终降低水生生物的存活率（Abd Elnabi等人，2023年；Sharma等人，2025年）。随着时间的推移，这些PHMs在底泥中积累，并通过食物链逐渐放大，导致生态失衡、栖息地退化和生物多样性丧失（Al-Kahtany等人，2023年；Liang等人，2023年）。人类主要通过饮用受污染的水或食用水生生物暴露于这些金属，可能导致慢性疾病，如神经系统损伤、癌症和重要器官损伤（Babuji等人，2023年；Jasku?a和Sojka，2022年；?ncü等人，2025年）。因此，实施长期监测计划、控制污染源排放和加强生态恢复工作对于维护水生生态系统完整性和保护公共健康至关重要。

河流沉积物作为主要的金属储存库，保留了历史污染和当前人为输入的累积影响（Cie?la和Gruca-Rokosz，2024年；Tokatl?等人，2025年；Tokatl?等人，2026年；Wei等人，2016年）。城市化和陆地输入，加上工程干预，可能会重新释放沉积物中的PHMs，从而增加野生动物和附近居民的暴露风险（Gao等人，2025c；Rajendiran，2025年；Zhang等人，2025a）。作为长期的污染储存库，沉积物可以储存污染物数年甚至数十年；虽然它们调节生态过程和水质，但干扰可能会引发这些污染物的释放，加剧对人类健康的长期潜在风险（Shi和Qin，2023年；Sultana等人，2025年）。在这种背景下，蒙河流域为研究高强度热带农业活动对这些过程的影响提供了典型案例。作为湄公河的主要支流，蒙河通过农业和渔业支撑着当地经济。然而，土地利用变化加速、采矿活动、城市扩张和废水管理不善共同加剧了整个流域的环境压力（Babel等人，2024年；Pakoksung等人，2025年）。这些人类活动加速了土壤侵蚀和营养物质/金属向河流系统的排放，导致沉积物污染和潜在的生态失衡（Bridhikitti等人，2021年；Liu等人，2021a）。因此，研究蒙河沉积物中PHMs的来源和积累风险对于评估典型农业流域中人为活动的长期影响至关重要。

以往对蒙河流域的研究主要集中在溶解态重金属和稀土元素、河流营养物质、农药和化肥上（Babel等人，2024年；Liu等人，2021b；Ma和Han，2024年；Ma等人，2023年）。尽管这些研究提供了有关河流地球化学过程的宝贵见解，但它们仅反映了短期污染动态。相比之下，沉积物作为长期储存库，整合了自然和人为输入，提供了更稳定和全面的污染历史记录（Walton等人，2024年）。然而，对蒙河沉积物中PHMs积累、来源贡献和生态风险的系统评估仍然有限，针对热带河流系统的可持续和生态安全修复策略的研究也较为缺乏。为此，本研究旨在：（1）明确表层沉积物中PHMs的浓度和空间分布；（2）通过正矩阵分解（PMF）模型识别和划分潜在污染源；（3）通过概率模型评估不同暴露情景下的人类健康风险；（4）使用多种环境指数评估潜在生态风险，以全面了解沉积物质量。在污染特征和风险评估的基础上，本研究进一步提出了一个用于热带环境中受PHMs污染沉积物可持续修复的概念框架。所提出的系统强调使用清洁能源和生态安全操作，结合微纳米气泡氧化、生物浸出和材料固定化技术，实现高效的PHMs修复和生态恢复。这种方法为热带河流沉积物中PHMs污染的长期管理提供了新的见解和技术指导。

研究区域

蒙河流域位于泰国东北部（北纬14°~16.5°，东经101°~105.5°），是湄公河最大的支流，在调节下游湄公河的水文和沉积物平衡中起着重要作用（Bridhikitti等人，2022年）。下游湄公河是一个跨越泰国、老挝、柬埔寨和越南的跨界河流系统。该流域具有多样的地貌特征，源头地区为起伏的高地，下游地区为广阔的洪泛区

河流沉积物中的PHMs浓度

沉积物样本（MS1~MS12）中的平均PHMs浓度（mg/kg）按以下顺序排列：Mn（279.06 ± 295.76）> Cr（40.44 ± 32.09）> Zn（32.93 ± 21.38）> Cu（16.64 ± 16.04）> Ni（11.03 ± 7.33）> Co（11.76 ± 6.50）> Pb（9.54 ± 12.59）> As（6.69 ± 15.61）> Cd（0.12 ± 0.09）（表S2和图2）。分析得出的F值为约12.55，对应的p值为约2.32 × 10?¹³。较低的p值表明PHMs的平均浓度之间存在显著差异

结论

本研究阐明了泰国东北部蒙河沉积物中PHMs的空间变异性、来源和潜在风险。总体而言，PHMs的浓度呈现明显的下降趋势：Mn > Zn > Cr > Cu > Ni > Co > Pb > As > Cd，这反映了自然因素和人为富集的共同作用。中下游地区高浓度的PHMs归因于集约化的农业活动、城市扩张和废水排放。来源分配分析表明

未引用的参考文献

(Huang等人，2021年；van den Brink等人，2020年)

CRediT作者贡献声明

马顺荣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查。张世通：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论。韩桂林：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源获取，资金申请。高曦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“深时数字地球”科学技术领军人才团队的支持，该团队隶属于中国地质大学（北京）的深时数字地球前沿科学中心（中央高校基本科研业务费；项目编号：2652023001）。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。