Biologic risk and source diagnose of 16 PAHs from Haihe River Basin, China

Abstract

Surface sediments of rivers can exhibit spatial and temporal variations in contaminant concentrations that may significantly affect risk evaluations. As to pollution control and remediation of watershed, large-scale and further background data on PAHs in China were required urgently. Spatial distribution and compositional characteristics of 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface sediments from Haihe River Basin were investigated. A method based on effects range (ER) was used to assess ecosystem risk of ∑PAHs (the total of 16 PAH) sensitively and accurately. The results indicated that ∑PAHs content levels ranged from 257 to 16901 μg·kg⁻¹ dry weight. The lower rings predominated in the samples, and 2-, 3-, 4-, 5- and 6-ring PAHs accounted for 12%, 21%, 30%, 30%, and 7% respectively in total PAHs. The ratio of Fl / (Fl+ Py) uniformly distributed in the interval 0.20–0.80, indicating that it may be affected by petroleum origin, oil combustion, biomass and coal combustion jointly. ∑PAHs in Cetian (S6), Dongwushi (S19), Handan (S20), Aixinzhuang (S21) and Tianjin (S37) exceeded effects range low (ERL), in which biologic effects were in a medium level with an adverse effect on biologic organisms. Thus, it is necessary to strengthen the PAHs monitoring and research of the Haihe River Basin.

Keywords

polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) / biological effects / sediment / Haihe River

References

[1] US Environmental Protection Agency (USEPA). Health Effects from Exposure to PAHs, Prepared for US Department of Human Health Services. Washington, DC: Office of Environmental Information, 1990

[2] Sower G J, Anderson K A. Spatial and temporal variation of freely dissolved polycyclic aromatic hydrocarbons in an urban river undergoing Superfund remediation. Environmental Science & Technology, 2008, 42(24): 9065–9071

[3] Saeedi M, Li L Y, Salmanzadeh M. Heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons: pollution and ecological risk assessment in street dust of Tehran. Journal of Hazardous Materials, 2012, 227–228: 9–17

[4] Qin N, He W, Kong X Z, Liu W X, He Q S, Yang B, Ouyang H L, Wang Q M, Xu F L. Ecological risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the water from a large Chinese lake based on multiple indicators. Ecological Indicators, 2013, 24: 599–608

[5] Means J C. Compound-specific gas chromatographic/mass spectrometric analysis of alkylated and parent polycyclic aromatic hydrocarbons in waters, sediments and aquatic organisms. Journal of AOAC International, 1998, 81(3): 657–672

[6] Khairy M A, Kolb M, Mostafa A R, El-Fiky A, Bahadir M. Risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in a Mediterranean semi-enclosed basin affected by human activities (Abu Qir Bay, Egypt). Journal of Hazardous Materials, 2009, 170(1): 389–397

[7] Li G, Xia X, Yang Z, Wang R, Voulvoulis N. Distribution and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in the middle and lower reaches of the Yellow River, China. Environmental Pollution, 2006, 144(3): 985–993

[8] Li Y, Liu J, Cao Z, Lin C, Yang Z. Spatial distribution and health risk of heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the water of the Luanhe River Basin, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, 163(1–4): 1–13

[9] Cao Z G, Liu J L, Luan Y, Li Y L, Han S L, Liu B Y. Pollution characteristics, risk assessment and source apportionment of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sediments and water of the Luan River, China. Acta Scientiae Circumstantiae, 2010, 30(2): 246–253 (in Chinese)

[10] Liu F, Liu J L, Chen Q Y, Wang B B, Cao Z G. Pollution characteristics, ecological risk and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in surface sediment from Tuhai-Majia River system, China. Procedia Environmenta Sciences, 2012, 13: 1301–1314

[11] Wang X J, Zheng Y, Liu R M, Li B G, Cao J, Tao S. Kriging and PAH pollution assessment in the topsoil of Tianjin area. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2003, 71(1): 189–195

[12] Jagwani D, Kulkarni A, Shukla P, Ramteke D S, Juneja H D. PAH composition of Water Based Drilling Mud and drill cuttings in the offshore region, east coast of India. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2011, 87(5): 550–555

[13] Kwach B O, Lalah J O, Shem W O. Spartial and seasonal variations in concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons in water and sediment of Kisumu City bay of Winam Gulf, Lake Victoria-Kenya. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2009, 83(5): 734–741

[14] Ko F C, Baker J E. Seasonal and annual loads of hydrophobic organic contaminants from the Susquehanna River basin to the Chesapeake Bay. Marine Pollution Bulletin, 2004, 48(9–10): 840–851

[15] Fang M D, Lee C L, Yu C S. Distribution and source recognition of polycyclic aromatic hydrocarbons in the sediments of Hsin-ta Harbour and adjacent coastal areas, Taiwan. Marine Pollution Bulletin, 2003, 46(8): 941–953

[16] Zhou J L, Hong H, Zhang Z, Maskaoui K, Chen W. Multi-phase distribution of organic micropollutants in Xiamen Harbour, China. Water Research, 2000, 34(7): 2132–2150

[17] Koh C H, Khim J S, Kannan K, Villeneuve D L, Senthilkumar K, Giesy J P. Polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), biphenyls (PCBs), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and 2,3,7,8-TCDD equivalents (TEQs) in sediment from the Hyeongsan River, Korea. Environmental Pollution, 2004, 132(3): 489–501

[18] Long E R, MacDonald D D, Smith S L, Calder F D. Incidence of adverse biological effects within ranges of chemical concentrations in marine estuarine sediments. Environmental Management, 1995, 19(1): 81–97

[19] Mai B X, Fu J M, Zhang G, Lin Z, Min Y S, Sheng G Y, Wang X M. Polycyclic aromatic hydrocarbons in sediment from the Pearl river and estuary, China, spatial and temporal distribution and sources. Applied Geochemistry, 2001, 16(11–12): 1429–1445

[20] Liu W X, Chen J L, Lin X M, Tao S. Distribution and characteristics of organic micropollutants in surface sediments from Bohai Sea. Environmental Pollution, 2006, 140(1): 4–8

[21] Feng C, Xia X, Shen Z, Zhou Z. Distribution and sources of polycyclic aromatic hydrocarbons in Wuhan section of the Yangtze River, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2007, 133(1–3): 447–458

[22] Cao Z, Liu J, Luan Y, Li Y, Ma M, Xu J, Han S. Distribution and ecosystem risk assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons in the Luan River, China. Ecotoxicology (London, England), 2010, 19(5): 827–837

[23] Yunker M B, Macdonald R W, Vingarzan R, Mitchell R H, Goyette D, Sylvestre S. PAHs in the Fraser river basin: a critical appraisal of PAH ratios as indicators of PAH sources and composition. Organic Geochemistry, 2002, 33(4): 489–515

[24] Pathiratne K A S, de Silva O C P, Hehemann D, Atkinson I, Wei R. Occurrence and distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Bolgoda and Beira Lakes, Sri Lanka. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2007, 79(2): 135–140

[25] Mannino M R, Orecchio S. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in indoor dust matter of Palermo (Italy) area: extraction, GC–MS analysis, distribution and sources. Atmospheric Environment, 2008, 42(8): 1801–1817

[26] Orecchio S. Assessment of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soil of a Natural Reserve (Isola delle Femmine) (Italy) located in front of a plant for the production of cement. Journal of Hazardous Materials, 2010, 173(1–3): 358–368

[27] Wang X C, Zhang Y X, Chen R F. Distribution and partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in different size fractions in sediments from Boston Harbor, United States. Marine Pollution Bulletin, 2001, 42(11): 1139–1149

[28] McCready S, Slee D J, Birch G F, Taylor S E. The distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in surficial sediments of Sydney Harbour, Australia. Marine Pollution Bulletin, 2000, 40(11): 999–1006

[29] Shi Z, Tao S, Pan B, Fan W, He X C, Zuo Q, Wu S P, Li B G, Cao J, Liu W X, Xu F L, Wang X J, Shen W R, Wong P K. Contamination of rivers in Tianjin, China by polycyclic aromatic hydrocarbons. Environmental Pollution, 2005, 134(1): 97–111

Acknowledgements

The present investigation was supported by the National Basic Research Program of China (No. 2006CB403403) and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 41301573), and Doctoral Scientific Research Foundation in Shenyang Normal University (054-55440109010). We thank Mr. Chao Lin and Shouliang Han for their help with collecting samples.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg