富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物-水界面重金屬釋放的生物化學(xué)過程研究.pdf

1、重金屬因其毒性大、難以生物降解、易生物富集和放大等特點(diǎn)，成為湖泊水體中一類被廣泛研究的污染物。沉積物-水界面的重金屬過程十分復(fù)雜，涉及吸附/解吸、溶解/吸收、絡(luò)合/解離等一系列的物理化學(xué)作用以及生物氧化、還原、甲基化等作用，是典型的生物化學(xué)過程。在富營(yíng)養(yǎng)化的湖泊水體中，氮、磷和重金屬污染往往同時(shí)存在，重金屬的沉積物-水界面行為與富營(yíng)養(yǎng)化程度密切相關(guān)，同時(shí)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊又富含各種有機(jī)質(zhì)和數(shù)量眾多、活性強(qiáng)的微生物。有機(jī)質(zhì)的降解、微生物的新陳代

2、謝都會(huì)影響到重金屬的形態(tài)及行為。因此，開展富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物-水界面重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究意義重大。
　　本文在國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目子課題——富營(yíng)養(yǎng)化湖泊復(fù)合污染機(jī)理及生態(tài)毒理效應(yīng)（課題編號(hào)：2008CB418204）資助下，以太湖、南四湖、白洋淀三個(gè)不同富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物為研究對(duì)象，采用野外現(xiàn)場(chǎng)采樣、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析及模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對(duì)不同富營(yíng)養(yǎng)化程度的湖泊沉積物污染狀況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；在形態(tài)提取法分析重金屬釋放潛力的基礎(chǔ)

3、上，模擬動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種條件，探討兩種條件下不同富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物中重金屬的釋放動(dòng)力學(xué)特征及規(guī)律；通過滅菌和不滅菌模擬實(shí)驗(yàn)，探討富營(yíng)養(yǎng)化湖泊沉積物-水界面重金屬釋放的化學(xué)過程和生物化學(xué)過程，闡明微生物在沉積物中重金屬釋放過程中的作用，并通過沉積物粒徑、營(yíng)養(yǎng)鹽水平以及水環(huán)境溫度、pH值等影響因素的研究，進(jìn)一步揭示重金屬界面地球化學(xué)行為的過程與機(jī)理。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）根據(jù)本文在三個(gè)湖泊的采樣點(diǎn)研究得知，三個(gè)湖泊上覆水體中TN

4、、TP濃度分別在0.31-7.74mg/L和0.014-0.482mg/L，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度處于富營(yíng)養(yǎng)到極富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。沉積物中有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別在9.45-108.10mg/g、0.58-4.82mg/g、0.448-2.148mg/g；太湖沉積物有機(jī)污染屬于清潔狀態(tài)，南四湖和白洋淀處于污染狀態(tài)。
　?。?）沉積物中重金屬含量呈現(xiàn)Zn>Pb>Cu>Cd的分布規(guī)律，Cd污染最為嚴(yán)重，Cu、Zn污染較輕。從污染負(fù)荷指數(shù)看，白洋

5、淀重金屬污染最嚴(yán)重，南四湖次之，太湖最輕。重金屬潛在生態(tài)危害分析表明，Cd的潛在危害最大，處于極高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，Pb、Cu、Zn的潛在生態(tài)危害狀態(tài)均為輕微；不同湖泊沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)性從高到低的排序是南四湖＞白洋淀＞太湖。
　　（3）重金屬釋放潛力分析表明，依據(jù)單一提取劑的方法，釋放潛力最大的是Cd，釋放潛力最小的是Zn；依據(jù)連續(xù)提取法，太湖沉積物中Pb的釋放潛力最大，太湖Cu的釋放潛力在三個(gè)湖泊中也最高。南四湖和白洋淀沉積物中

6、Cd釋放潛力最大，但Pb的釋放潛力也不容忽視。分別將連續(xù)提取法各形態(tài)含量、單一提取法提取量與重金屬污染負(fù)荷指數(shù)、潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：HCl提取態(tài)Cu，DTPA提取態(tài)Zn和Pb，CaCl2提取態(tài)Cd與其活性態(tài)（弱酸提取態(tài)與可還原態(tài)之和）有良好的正相關(guān)關(guān)系，可以很好地表征其釋放潛力。
　?。?）模擬動(dòng)態(tài)條件下，重金屬Cu、Zn、Pb、Cd的釋放可分為快速釋放和釋放平衡兩個(gè)階段。不同采樣區(qū)Cu的釋放量差別不大，釋放率在1.5％-

7、2.5%，Cd釋放強(qiáng)度最大，釋放率在10%-37%，Pb的釋放率0.8%-2.5%，Zn的釋放不足1%。釋放動(dòng)力學(xué)過程用Elovich方程、雙常數(shù)速率方程、偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)均能顯著擬合，但以偽二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合效果最好。從擬合特征值看，南四湖的生活污水區(qū)重金屬釋放強(qiáng)度較大，南四湖水生植被區(qū)釋放強(qiáng)度最低。動(dòng)態(tài)條件下重金屬釋放特征與單一浸提法、連續(xù)提取法實(shí)驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性分析表明HCl提取法可以作為一種快速簡(jiǎn)便的方法表征Cu、Zn的釋放量。

8、　　（5）模擬靜態(tài)條件下，重金屬Cu、Zn的釋放特征可分為緩慢釋放、加速釋放、釋放平衡三個(gè)階段，Cu的平衡釋放量在0.2mg/kg-0.3mg/kg，Zn平衡釋放量在0.3mg/kg-0.5mg/kg。Pb在靜態(tài)條件下的釋放比Cu和Zn要快，平衡釋放量在0.15mg/kg-0.45mg/kg。比較動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種條件下重金屬釋放特征，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)條件下重金屬釋放速率、釋放強(qiáng)度較動(dòng)態(tài)條件下?。╖n除外，Zn在靜態(tài)條件下釋放量比動(dòng)態(tài)條件下高），釋

9、放過程更加復(fù)雜。由此，要防止湖泊水體沉積物懸浮帶來的重金屬釋放的二次風(fēng)險(xiǎn)。
　　（6）在重金屬釋放的影響因素研究中，沉積物粒徑對(duì)重金屬釋放的影響是：沉積物中小粒徑含量越多，比表面積越大，對(duì)重金屬的吸附量大，重金屬不易釋放；富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中磷的含量對(duì)重金屬有促進(jìn)吸附，抑制釋放的作用；微生物對(duì)沉積物中Cu、Cd和Pb的釋放起抑制作用，對(duì)Zn的釋放起促進(jìn)作用；重金屬的釋放量隨pH值的增加而降低；隨溫度的升高，Cu釋放量增加，但不明顯，Zn