三层陷阱机制：由日本海中的生物泵驱动的特定物种印刷电路板（PCB）的积累

《Marine Pollution Bulletin》：Three-layer trap: Congener-specific PCBs accumulation driven by the biological pump in the Sea of Japan

日本海高分辨率三维水动力-生态系统-PCB模型揭示，CB28浓度最高但表层为主，CB153和CB101因颗粒吸附和再矿化在中间水层富集达2-6倍，重质同系物在分层半封闭海域通过颗粒沉降和生物泵机制滞留。

　　

杨敏|郭新宇|郑俊勇|宫泽康正

中国自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，杭州市宝珠路36号，310012

摘要

本研究应用了一个高分辨率的三维水动力-生态系统-多氯联苯（PCB）模型，来研究挥发性和颗粒亲和力在塑造四种PCB同系物（CB28、CB101、CB153和CB180）的季节性和空间变化中的作用。经过21年的气候模拟后，发现它们的浓度在所有季节都呈现出持续的三层垂直结构，其中溶解态PCB的峰值出现在中间层（100–600米深度）。尽管CB28的绝对浓度最高，CB180的浓度最低，但CB153和CB101在次表层中的富集程度最强，夏季的积累因子分别为2–6，而CB28和CB180为1–4。全流域的通量预算显示，相对较重的同系物在春季藻类大量繁殖期间更有效地被颗粒捕获，并通过沉降过程以及再矿化作用维持了中间层的溶解态PCB浓度。这些发现表明，在分层明显、半封闭且交换受限、停留时间较长的海域中，海洋生物泵优先将高氯化度的PCB封存在中间层。这一机制有助于解释实地观测到的PCB的三层分布特征及其深度趋势。该建模框架可以很容易地应用于其他半封闭海域，并为评估气候变化下分层加剧如何改变污染物垂直通量和中间层污染物的积累提供了预测工具。

引言

持久性有机污染物（POPs），特别是多氯联苯（PCBs），是一类具有极高毒性和长距离传输能力的合成化学物质（Berghuis和Roze，2019；Lu等人，2015；Xie等人，2019）。尽管在20世纪70年代末已禁止生产，但由于PCBs的疏水性和对有机物的强亲和力，它们仍然在全球海洋中普遍存在，能够在食物网中积累并生物放大（Breivik等人，2007；Joyce等人，2016；Ma等人，2018；Sobek等人，2023）。即使海水中溶解态PCBs的浓度很低，它们在浮游生物和更高级别的营养级中仍会积累，从而在排放停止后长期对生态和人类健康构成风险（Bargagli和Rota，2024；Dachs等人，2002；Froescheis等人，2000；Gustafsson和Andersson，2012；Jamieson等人，2017；Sobek等人，2004）。

曾经被认为偏远且原始的深海生态系统，现在也检测到了由大气沉降、海洋 currents和人类活动带来的PCBs污染（Sanganyado等人，2021）。开阔海域中PCBs的垂直分布通常呈现“营养盐类”模式，即表层浓度较低，而中间层和深层浓度较高（Sobek和Gustafsson，2014；Sun等人，2016）。实地研究表明，在北极、大西洋和印度洋，深层水域中的溶解态PCBs浓度是表层的数倍（Booij等人，2014；Lohmann等人，2006；Schulz-Bull等人，1998）。重要的是，不同同系物的深层积累程度存在差异。例如，Schulz-Bull等人（1998）报告称，六氯和七氯同系物（如CB153、CB180）在北大西洋的中间层和深层中的富集程度明显高于较轻的同系物CB28。这些观察结果表明，在开阔海域中，较重的同系物存在活跃的垂直传输和长期积累现象。然而，半封闭海域是否也存在类似的或更强的积累模式尚不确定。由于横向交换受限和强烈的季节性分层，这些海域可能会加剧PCBs等污染物的垂直累积。

数值模拟模型对于阐明PCBs的垂直分布至关重要。在全球范围内，结合同系物特异性的大气-海洋交换和海洋环流的模型能够成功再现PCBs的纬度分布趋势（Lammel和Stemmler，2012），并且最近还能模拟在气候变化驱动的生物地球化学变化下多种同系物的三维行为（Wagner等人，2019）。然而，这些全球性方法缺乏空间分辨率和过程细节，特别是藻类大量繁殖期间的颗粒通量以及深层水域的交换过程，而这些是捕捉半封闭海域季节性分层动态所必需的。在区域尺度上，耦合的水动力-生态系统-PCB模型已经量化了西北太平洋及其边缘海域中PCBs的命运和传输过程（Yang等人，2024；Yang等人，2022）。

日本海（SoJ）是西北太平洋的一个典型边缘海域，具有碗状的海底地形，通过狭窄的海峡（<150米）的水交换受限，导致停留时间延长和明显的季节性分层（Isobe，2020；Oba和Irino，2012）。这些特征使其特别容易受到次表层污染物的累积。Kannan等人（1998）观察到在日本海100–500米深度范围内有超过30种PCB的同系物达到峰值，其中CB101和CB153的次表层峰值明显高于较轻的同系物。最近的一项耦合水动力-生态系统-PCB模型显示，CB153在日本海形成了三层垂直结构，其中中间层的峰值通过颗粒输出和再矿化作用得以维持（Yang等人，2024）。然而，该研究仅关注了CB153，尚未探讨其他挥发性和颗粒亲和力不同的同系物是否遵循相同的积累模式。

在这里，我们将Yang等人（2024）的建模框架扩展到四种具有广泛物理化学性质的代表性PCB同系物（CB28、CB101、CB153和CB180）。通过将同系物特异性的大气-海洋交换、颗粒吸收、再矿化和海峡交换整合到整个流域的通量预算中，我们量化了这些过程如何共同形成稳定的垂直结构。通过这种方式，我们揭示了不同同系物在深层水域中的积累潜力差异。除了日本海之外，我们的发现还为理解其他半封闭海域中的污染物循环提供了可推广的框架，对生态系统暴露具有更广泛的意义。

材料与方法

日本海是西北太平洋的一个半封闭边缘海域，其特征是碗状的海底地形，最深处接近3800米（图1）。它通过四个相对较浅的海峡与开阔的太平洋相连，每个海峡的深度均不超过150米。由于这些海峡限制了水交换，日本海的中间层和深层水体基本处于隔离状态，从而在其内部形成了独特的物理和生物地球化学条件（

四种同系物的空间和时间变化

日本海中四种PCB同系物的溶解浓度表现出明显的季节性周期和南北梯度（图2）。在所有季节中，CB28的表层浓度最高（约1.0–2.5 pg L^-1），其次是CB101（0.5–1.5 pg L^-1）、CB153（0.2–1.0 pg L^-1）和CB180（0.1–0.5 pg L^-1）。这些浓度差异反映了大气中CB28、CB101、CB153和CB180的相对负荷，其大气浓度分别约为后者的4倍、8倍和20倍。

结论

本研究表明，在日本海中间层中，不同PCB同系物的积累潜力差异源于在强烈分层的半封闭海域下，同系物特异性的大气-海洋交换、生物颗粒吸附和再矿化过程的相互作用。春季时，浮游植物和碎屑将含有PCBs的颗粒带到表层，这些颗粒随后穿过温跃层并发生再矿化作用

作者贡献声明

杨敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，验证，方法学，正式分析，数据管理，概念化。郭新宇：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，正式分析，概念化。郑俊勇：撰写 – 审稿与编辑。宫泽康正：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。我们感谢Carey L. Friedman和Noelle Eckley Selin提供的大气PCBs数据。M.Y得到了第二海洋研究所科学研究基金（授权号：JB2503）的支持。X.G得到了Moonshot研究与发展计划（授权号：JPNP18016）和新能源与工业技术发展组织（NEDO）的支持。作者还感谢其他方面的支持。