李 強(qiáng),劉云慶,陳望香,王興磊,周曉花,馮偉瑩

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新疆地表水體重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李 強(qiáng)1,劉云慶1,陳望香1,王興磊1,周曉花1,馮偉瑩2*

(1.伊犁師范學(xué)院,新疆 伊寧 835000；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

系統(tǒng)分析新疆主要地表水體中重金屬暴露特征,并基于可利用的毒性數(shù)據(jù),采用安全閾值法(MOS10)評(píng)價(jià)了水體中6種典型重金屬對(duì)水生生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).結(jié)果表明:新疆地表水重金屬暴露濃度平均順序?yàn)镹i>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb,均值都未超過世界衛(wèi)生組織(WHO)飲用水健康標(biāo)準(zhǔn).重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,短期暴露下,6種重金屬的MOS10均大于1,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率分別為9.95%、9.40%、9.40%、1.72%、6.08%和0,說明6種重金屬對(duì)水生生物的短期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小;長(zhǎng)期暴露下,Zn的MOS10大于1,Cr、Cd、Cu、Pb和Ni的MOS10均小于1,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率分別為15.40%、12.01%、24.80%、15.70%、98.25%和0,說明Zn的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低, Cr、Cd、Cu、Pb和Ni對(duì)水生生物具有長(zhǎng)期潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),且6種重金屬對(duì)水生生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大小依次為Ni>Cu>Pb >Cr>Cd>Zn.

新疆區(qū)域；水體；重金屬；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

重金屬是表征環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo),與環(huán)境健康狀況息息相關(guān)[1-3].一般天然水體中重金屬原有的濃度不會(huì)對(duì)其中的水生生物構(gòu)成威脅,但由于人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的重金屬?gòu)U水的排放,使得天然水體中的重金屬含量不斷增加[4].進(jìn)入水體的重金屬通過絮凝或沉淀作用, 多數(shù)會(huì)進(jìn)入沉積物中,但沉積物中的重金屬也會(huì)在一定條件下重新釋放進(jìn)入水體[5-6].重金屬不僅對(duì)水生生物構(gòu)成威脅,而且也會(huì)通過食物鏈累積到較高濃度,最終危害人體健康[2].

在我國(guó),重金屬污染研究主要集中于中、東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)[7-10],在生態(tài)環(huán)境極為脆弱的西北干旱區(qū),近年來隨著人類活動(dòng)強(qiáng)度和范圍的不斷增大,人為污染物的排放正不斷加劇綠洲河流、沉積物和沿岸土壤環(huán)境的重金屬污染[11-13].新疆屬于內(nèi)陸干旱、半干旱氣候,水資源相對(duì)短缺,有關(guān)研究表明,隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)開發(fā)的不斷深入,地表水水質(zhì)因受人類污染的影響而有所下降,水安全受到威脅,如伊犁河流域地區(qū)發(fā)生過重金屬污染現(xiàn)象[14],天山中部和東部部分地區(qū)地表水體重金屬含量增高[15-16],但目前對(duì)新疆水環(huán)境質(zhì)量缺乏整體性認(rèn)識(shí),有關(guān)水體重金屬污染在整體上的風(fēng)險(xiǎn)程度認(rèn)識(shí)不足,因此有必要加大對(duì)新疆區(qū)域水體中重金屬污染與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究.目前,評(píng)價(jià)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)方法有很多,本研究使用概率生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法(PERA),與普通商值法相比,其從生態(tài)系統(tǒng)多樣性的角度出發(fā),降低了數(shù)據(jù)的不確定性水平,綜合考慮了污染物對(duì)環(huán)境中多數(shù)生物的毒性效應(yīng)[17].

本研究對(duì)新疆主要地表水體中典型重金屬鎘(Cd),鉻(Cr),銅(Cu),鉛(Pb),鎳(Ni)和鋅(Zn)的含量和分布特征進(jìn)行系統(tǒng)地分析和總結(jié).基于暴露濃度和急慢性毒性數(shù)據(jù)的累積概率分布曲線,應(yīng)用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)其水體中6種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),從整體角度探明新疆區(qū)域地表水體重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度,同時(shí)辨識(shí)具有潛在風(fēng)險(xiǎn)的重金屬,旨在為新疆區(qū)域水體重金屬的風(fēng)險(xiǎn)管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

1.1.1 暴露數(shù)據(jù)分析 本研究收集了新疆主要河流和淡水湖泊中重金屬的暴露濃度數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)的收集篩選原則為:①樣品采集、保存和分析符合我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或美國(guó)EPA推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法,并具有詳細(xì)的試驗(yàn)方法質(zhì)量保證/質(zhì)量控制(QA/QC).②同一水體水樣數(shù)據(jù)若個(gè)別暴露數(shù)據(jù)大于所有數(shù)據(jù)的10倍,本研究認(rèn)為其為異常值,并剔除,以保證數(shù)據(jù)能代表河流總體和局部水體重金屬濃度分布特征.經(jīng)篩選后,系統(tǒng)收集了新疆19個(gè)區(qū)域的地表水體中6種重金屬的暴露濃度檢測(cè)數(shù)據(jù),采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為156個(gè).

1.1.2 毒性數(shù)據(jù)分析 本研究所需的急慢性毒性數(shù)據(jù)主要來自美國(guó)環(huán)保局ECOTOX數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www. epa.gov/ecotox/)和中國(guó)知網(wǎng)(http: //www.cnki.net/),數(shù)據(jù)篩選原則:①受試物種主要由新疆本地物種和在新疆生殖繁衍的外來引進(jìn)物種構(gòu)成;②急性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要選24~96h的半致死濃度(lethal concentration to 50percent of the population, LC50)和半效應(yīng)濃度(median effect concentration, EC50),慢性毒性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要選取暴露時(shí)間超過14d的毒性數(shù)據(jù),在篩選數(shù)據(jù)過程中,如果一個(gè)物種有多個(gè)符合要求的數(shù)據(jù),取其幾何均值來代表該物種的生物毒性數(shù)據(jù)[18];如果沒有可用的慢性毒性數(shù)據(jù),則使用急慢性比率(ACR)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,可以有兩個(gè)選擇獲取急慢性比率:一是使用至少3個(gè)物種的急慢性比率的幾何平均值,二是如果不能計(jì)算急慢性比率,則默認(rèn)急慢性比率為10[19];③剔除測(cè)試時(shí)間較早以及影響數(shù)據(jù)整體正態(tài)分布等異常數(shù)據(jù),同時(shí)考慮生物營(yíng)養(yǎng)級(jí)水平,構(gòu)建物種敏感度分布曲線(SSD)時(shí)至少需要4個(gè)毒性數(shù)據(jù)[20].采用分析軟件 Origin 9.0,選取最佳數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)水體中重金屬的風(fēng)險(xiǎn)程度.

1.2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

1.2.1 數(shù)據(jù)分析 本研究基于重金屬對(duì)水生生物的毒性效應(yīng)以及重金屬在水體中的分布服從正態(tài)分布的原理,用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法定量化其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[21],對(duì)水體中典型重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Ni和Zn的暴露數(shù)據(jù)和毒性數(shù)據(jù)首先進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn).采用Shapiro-Wilk 法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),按照濃度值大小對(duì)物種毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,計(jì)算每個(gè)物種的累計(jì)概率[22]:

=/(+1) (1)

式中:為累積概率,為物種從小到大排列的秩,n為樣本數(shù).將該累積概率和對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的毒性濃度值擬合構(gòu)建物種敏感度分布曲線,得到累積概率為10%對(duì)應(yīng)的毒性數(shù)據(jù),這一濃度可代表保護(hù)90%的水生生物的毒性閾值[17].

暴露數(shù)據(jù)的累積概率分布參照式(1)計(jì)算,通過暴露數(shù)據(jù)擬合曲線得到累積概率為90%對(duì)應(yīng)的暴露濃度,該濃度可以作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中暴露濃度參考值[17].本研究使用Origin 9.0對(duì)暴露數(shù)據(jù)和毒性數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合.

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)表征 通過累積概率和對(duì)數(shù)化的暴露濃度和毒性濃度建立線性關(guān)系,利用統(tǒng)計(jì)圖直接分析重金屬對(duì)水生生物的影響程度,可以借助安全閾值法(MOS10)量化暴露濃度和毒性數(shù)據(jù)的累積概率曲線重疊程度.計(jì)算方法見式(2)[17]:

MOS10=SSD10/EXD90(2)

式中:SSD10為10%的水生生物受到影響時(shí)的污染物濃度;EXD90為污染物在水體中的累積濃度為90%對(duì)應(yīng)的暴露濃度.MOS10越小,表明曲線重合程度越高,潛在風(fēng)險(xiǎn)越大.一般以MOS10為1作為界定風(fēng)險(xiǎn)程度,MOS10>1,表明風(fēng)險(xiǎn)較小.若MOS10<1,表明具有潛在風(fēng)險(xiǎn).同時(shí),通過該方法也可以直觀地估計(jì)重金屬超過影響一定比例的水生生物的概率[23].

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)分析

2.1.1 暴露數(shù)據(jù)分析 新疆地表水補(bǔ)給主要來自山地降水和山脈的積雪、冰川融水,眾多河川在山區(qū)形成,空間分布特征為西北部多于東南部.新疆分為北疆、東疆和南疆,北疆區(qū)域地表水占整個(gè)新疆地表水資源總量的49.4%[24].本研究收集的19個(gè)區(qū)域在空間分布為:北疆區(qū)域16個(gè)、南疆區(qū)域2個(gè)、東疆區(qū)域1個(gè).由表1、2、3、4可知,不同區(qū)域、不同水體以及不同重金屬的濃度差異性顯著,北疆水資源豐富,經(jīng)濟(jì)發(fā)展快,與南疆和東疆相比,重金屬含量差異更大,如北疆區(qū)域中博爾塔拉河,因區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活中不斷增多的污染物排放,導(dǎo)致該區(qū)域地表水水質(zhì)狀況惡化,重金屬含量超標(biāo)[25],遠(yuǎn)高于其他18個(gè)區(qū)域的地表水體重金屬含量.南疆區(qū)域中博斯騰湖作為新疆最大的湖泊,由于資源不合理開發(fā)利用及農(nóng)業(yè)廢水排放[26]導(dǎo)致的水體多種重金屬含量高于北疆部分區(qū)域水體的重金屬含量.所有水樣中重金屬濃度平均順序?yàn)?Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb.通過將所收集的暴露數(shù)據(jù)檢驗(yàn),在取對(duì)數(shù)后符合正態(tài)分布模型.

表1 新疆區(qū)域地表水重金屬Cr、Cd和Cu濃度分布特征

注:“_”表示數(shù)據(jù)不可獲得,“ND”表示未檢出,下同.

表2 新疆地表水重金屬Pb、Zn和Ni濃度分布特征

表3 新疆地表水體重金屬濃度范圍一覽表

表4 新疆地表水6種重金屬含量及分布類型

與世界衛(wèi)生組織(WHO)飲用水健康標(biāo)準(zhǔn)相比,6種重金屬含量的平均值均未超過WHO飲用水健康標(biāo)準(zhǔn),6種重金屬含量的最大值中Cr、Cd、Pb和Ni超過WHO飲用水健康標(biāo)準(zhǔn),表明部分水體已經(jīng)受到了一定程度的污染.分析可知,高濃度重金屬如Ni主要來源于沿岸及河流底部含高濃度的重金屬元素的碎屑和母巖[16,27],人類活動(dòng)密集地區(qū)周邊的地表水受人類活動(dòng)影響較大,各種重金屬也會(huì)受其影響,如研究指出,由于磷酸鹽肥料和殺蟲劑等的大量使用,農(nóng)田排水中Pb、Cd等重金屬濃度偏高,通常成為水體重金屬污染的重要來源[28].

2.1.2 毒性數(shù)據(jù)分析 本研究收集和篩選了6種重金屬的水生生物毒性數(shù)據(jù),并按暴露時(shí)間的長(zhǎng)短,分為急性毒性數(shù)據(jù)組和慢性毒性數(shù)據(jù)組,表5中給出了對(duì)應(yīng)的物種數(shù)量、效應(yīng)濃度范圍以及經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù),通過將收集的數(shù)據(jù)檢驗(yàn),這些毒性數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型.

表5 重金屬對(duì)水生生物的毒性數(shù)據(jù)分布特征

2.2 重金屬生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

如上所述,6種重金屬暴露濃度及相應(yīng)的毒性數(shù)據(jù)均符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布,經(jīng)線性擬合后,可以直觀地看出暴露濃度和毒性數(shù)據(jù)的重疊程度(圖1).

暴露濃度和毒性數(shù)據(jù)的回歸參數(shù),累積概率為90%的暴露濃度,累積概率為10%的毒性數(shù)據(jù),安全閾值和風(fēng)險(xiǎn)水體比例見表6.從表6可知,累積概率為90%對(duì)應(yīng)的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的暴露濃度分別為33.44,3.55,21.38,15.49, 48.88,16.14μg/L;累積概率為10%對(duì)應(yīng)的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的急性毒性數(shù)據(jù)分別為51.30,109.65,31.99,83.75,696.45,85.96μg/L;累積概率為10%對(duì)應(yīng)的Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的慢性毒性數(shù)據(jù)分別為4.40,1.06,3.92,6.35, 5.32,39.81μg/L,由此計(jì)算得到6種重金屬的MOS10.急性毒性數(shù)據(jù)考察水生生物的短期暴露影響,慢性毒性數(shù)據(jù)考察水生生物的長(zhǎng)期暴露影響.水生生物的短期暴露下,6種重金屬的MOS10均大于1,且暴露濃度和急性毒性數(shù)據(jù)累積概率分布曲線重疊有限或無重疊,說明6種重金屬對(duì)水生生物的短期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小.水生生物長(zhǎng)期暴露下, Cr、Cd、Cu、Pb和Ni的MOS10均小于1,尤其Ni的暴露濃度與慢性毒性數(shù)據(jù)累積概率分布曲線重疊明顯,說明Cr、Cd、Cu、Pb和Ni對(duì)水生生物具有長(zhǎng)期潛在風(fēng)險(xiǎn);Zn的MOS10大于1,對(duì)水生生物的長(zhǎng)期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較小.

通過圖1可以表征暴露濃度超過影響一定比例的水生生物的概率,本研究以暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率作為評(píng)價(jià)手段,將得出的結(jié)果列于表6中.水生生物的短期暴露下,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率分別為9.95%、9.40%、9.40%、1.72%、6.08%和0,表明6種重金屬發(fā)生不利影響的概率較小,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低.水生生物的長(zhǎng)期暴露下,Cr、Cd、Cu、Pb、Ni和Zn暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率分別為15.40%、12.01%、24.80%、15.70%、98.25%和0,表明Zn發(fā)生不利影響的概率最低,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小,而其他5種重金屬會(huì)對(duì)水生生物產(chǎn)生不利影響.

表6 重金屬的毒性數(shù)據(jù)及暴露濃度擬合曲線參數(shù)和安全閾值MOS10

注:a表示超過10%水生生物受到重金屬毒性危害時(shí)的潛在風(fēng)險(xiǎn)水體比例.

總體來看,6種重金屬發(fā)生短期不利影響的概率較小,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,但在長(zhǎng)期暴露下,Ni對(duì)水生生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大,Zn對(duì)水生生物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小,其他重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從大到小依次為Cu、Pb、Cr和Cd.

2.3 不確定性分析

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的不確定性是不可避免的,主要涉及在暴露分析、效應(yīng)分析和風(fēng)險(xiǎn)表征過程中.

在暴露分析中,本研究收集的采樣點(diǎn)及采樣時(shí)間并不統(tǒng)一導(dǎo)致暴露分析中的不確定性.而概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用的是對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型來描述暴露濃度的分布類型,量化了暴露濃度存在的不確定性.

重金屬對(duì)水生生物的毒性和生物富集會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響,如水環(huán)境介質(zhì)中的pH值、鹽度等會(huì)直接影響重金屬的形態(tài),同海洋水相比,港灣水的pH值和鹽度經(jīng)常變化,它們降低時(shí)將會(huì)增加金屬的毒性[66].Moreau等[67]發(fā)現(xiàn)菲、鋅共存時(shí),由于菲改變了溶酶體膜的穩(wěn)定性和功能,從而使溶酶體成為一種金屬解毒劑,降低了鋅的毒性.由于缺乏足夠的信息,在重金屬對(duì)水生生物的效應(yīng)分析中,尚未考慮這些環(huán)境因素的影響,因而導(dǎo)致了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的不確定性.

本研究反映了現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件下的結(jié)果,更加符合實(shí)際環(huán)境的暴露濃度和毒性數(shù)據(jù)需進(jìn)一步考慮暴露分析和效應(yīng)分析中的各項(xiàng)影響因素,以及生物在生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等,以得到更可靠的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果.

3 結(jié)論

3.1 本研究系統(tǒng)分析和總結(jié)了新疆主要地表水體中重金屬含量特征,所有水樣中重金屬濃度平均順序?yàn)?Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb, 6種重金屬平均含量均未超過WHO飲用水健康標(biāo)準(zhǔn),但部分地表水體中Cr、Cd、Pb和Ni超過WHO 飲用水健康標(biāo)準(zhǔn).

3.2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析表明,在短期暴露下,6種重金屬的MOS10均大于1,且發(fā)生不利影響的概率較小,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低;但在長(zhǎng)期暴露下,6種重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)從大到小依次為Ni、Cu、Pb、Cr、Cd和Zn,其中Zn的MOS10大于1,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低,而Ni、Cu、Pb、Cr和Cd的MOS10均小于1,且暴露濃度超過影響10%的水生生物的概率分別為98.25%、24.80%、15.70%、15.40%、12.01%,對(duì)水生生物具有潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),研究結(jié)果可為水體重金屬的風(fēng)險(xiǎn)控制和管理提供重要科學(xué)依據(jù).

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Ecological risk assessment of heavy metals in water of Xinjiang Area.

LI Qiang1, LIU yun-qing1, CHEN Wang-xiang1, WANG Xing-lei1, ZHOU Xiao-hua1, FENG Wei-ying2*

(1.Yili Normal University, Yining 835000, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)., 2018,38(5)：1913~1922

The exposure characteristics of heavy metals in surface aquatic environments of Xinjiang area were analyzed, the safety threshold method was employed to evaluate the ecological risks of 6kinds of typical heavy metals. The results showed that the average order of heavy metals exposure concentration was Ni>Zn>Cu>Cr>Cd>Pb, all heavy metals under the health standards for drinking water of WHO. The ecological risk assessment of heavy metals showed that MOS10of six heavy metals were more than one, the probability of exposure concentrations (Cr, Cd, Cu, Pb, Ni and Zn) more than the concentrations of affecting 10% aquatic organisms were 9.95%, 9.40%, 9.40%, 1.72%, 6.08% and 0, the ecological risk to aquatic organisms was negligible for a short time respectively. Nevertheless, for a long time, MOS10of Zn were more than one, MOS10of Cr, Cd, Cu, Pb and Ni were less than one, respectively. The probability of exposure concentrations (Cr, Cd, Cu, Pb, Ni and Zn) more than the concentrations of affecting 10% aquatic organisms were 15.40%, 12.01%, 24.80%, 15.70%, 98.25% and 0, which revealed that ecological risk of Zn was negligible, and ecological risks of Cr, Cd, Cu, Pb and Ni were higher on aquatic organisms, and the ecological risk of six main heavy metals was in order Ni>Cu>Pb >Cr>Cd>Zn.

Xinjiang area；water；heavy metals；ecological risk assessment

X824

A

1000-6923(2018)05-1913-10

2017-10-15

伊犁師范學(xué)院2016年度科研項(xiàng)目資助(2016YSYB03)

* 責(zé)任作者, 助理研究員, feng_weiying@126.com

李 強(qiáng)(1987-),男,山東滕州人,講師,碩士,主要從事重金屬污染與治理方向研究.發(fā)表論文5篇.