Application of high-resolution techniques in the assessment of the mobility of Cr, Mo, and W at the sediment-water interface of Nansi Lake, China  

高分辨率技術(shù)在南四湖沉積物-水界面鉻、鉬、鎢遷移性評(píng)估中的應(yīng)用  

來(lái)源：Environmental Monitoring and Assessment, Volume 195, Article number 980 (2023)

《環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)估》第195卷，文章編號(hào)980，2023年

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出本研究首次利用高分辨率透析技術(shù)（HR-Peeper）和薄膜擴(kuò)散梯度技術(shù)（DGT）同步分析了南四湖（微山湖和獨(dú)山湖）沉積物-水界面（SWI）中鉻（Cr）、鉬（Mo）、鎢（W）的溶解態(tài)和有效態(tài)濃度垂直分布。通過(guò)凈擴(kuò)散通量和R值（CDGT/Csol）評(píng)估了金屬的遷移性和釋放風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果顯示微山湖的Cr、Mo、W濃度高于獨(dú)山湖，主要與微山湖旅游區(qū)外源輸入及獨(dú)山湖清淤工程有關(guān)。W在獨(dú)山湖存在向上覆水釋放的風(fēng)險(xiǎn)，而金屬釋放與鐵錳氧化物還原溶解顯著相關(guān)。R值表明Cr和W屬于部分持續(xù)遷移型，而Mo因形成穩(wěn)定絡(luò)合物難以從沉積物固相釋放。  

 

研究目的：  

獲取Cr、Mo、W在沉積物-水界面的溶解態(tài)（HR-Peeper）和有效態(tài)（DGT）濃度垂直分布特征  

 

探討Cr、Mo、W的遷移機(jī)制及其與鐵錳循環(huán)的關(guān)聯(lián)  

 

評(píng)估沉積物中金屬向上覆水的釋放風(fēng)險(xiǎn)  

 

研究思路：  

選擇南四湖污染較重的兩個(gè)子湖——微山湖和獨(dú)山湖作為研究區(qū)域  

 

采集沉積物柱狀樣，同步部署HR-Peeper（5mm分辨率）和ZrO-Chelex-AgI DGT（2mm分辨率）探頭，原位獲取溶解態(tài)和有效態(tài)濃度剖面  

 

結(jié)合沉積物總量（表1）、TOC、pH等參數(shù)，通過(guò)Pearson相關(guān)性分析（圖5，表3）揭示遷移機(jī)制  

 

 

 

 

利用Fick定律計(jì)算凈擴(kuò)散通量（圖4）評(píng)估釋放風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)R值（圖6）判斷沉積物對(duì)孔隙水的補(bǔ)給能力  

 

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

沉積物總量數(shù)據(jù)（表1）  

 

意義：揭示微山湖Cr、Mo、W平均含量（74.35, 0.78, 1.96 μg·g?1）高于獨(dú)山湖（62.62, 0.51, 1.60 μg·g?1），反映旅游活動(dòng)導(dǎo)致外源輸入增加，清淤有效降低污染物存量  

溶解態(tài)濃度剖面（圖2）  

 

 

意義：HR-Peeper數(shù)據(jù)顯示微山湖孔隙水中Mo平均濃度（52.59 μg·L?1）超過(guò)WHO飲用水標(biāo)準(zhǔn)（0.07 mg·L?1），指示局部鉬污染風(fēng)險(xiǎn)；微山湖溶解態(tài)Cr、Mo濃度顯著高于獨(dú)山湖，印證人類活動(dòng)影響  

DGT有效態(tài)濃度剖面（圖3）  

 

 

意義：微山湖上覆水中DGT有效態(tài)Cr、Mo、W（11.90, 0.39, 0.15 μg·L?1）高于獨(dú)山湖（4.34, 0.04, 0.07 μg·L?1），且沉積物中三者均在界面下12mm處出現(xiàn)峰值（Cr:11.79 μg·L?1），表明還原層存在活化釋放  

凈擴(kuò)散通量（圖4）  

 

意義：微山湖Cr、Mo、W通量均為負(fù)值（-33.30, -1.72, -0.32 μg·m?2·d?1），沉積物作為"匯"；獨(dú)山湖W通量為正值（0.06 μg·m?2·d?1），指示沉積物向水體釋放風(fēng)險(xiǎn)  

R值（圖6）  

 

意義：Cr和W的R值（CDGT/Csol）介于0.1–0.95（微山湖均值0.13/0.29，獨(dú)山湖0.28/0.18），屬部分持續(xù)遷移型；Mo的R值低于0.1（0.003–0.007），屬單一擴(kuò)散型，難從固相釋放  

 

結(jié)論：  

微山湖受旅游活動(dòng)影響，Cr、Mo、W污染程度高于清淤后的獨(dú)山湖，其中微山湖孔隙水Mo濃度超標(biāo)  

 

Cr、Mo、W的遷移受鐵錳氧化物還原溶解控制：DGT有效態(tài)濃度與Fe/Mn顯著正相關(guān)（圖5a-f），且還原層（-12mm）出現(xiàn)同步峰值（圖3）  

 

界面通量表明微山湖沉積物為金屬"匯"，而獨(dú)山湖W存在釋放風(fēng)險(xiǎn)（圖4）  

 

R值揭示Mo因形成穩(wěn)定硫代鉬酸鹽絡(luò)合物（如MoS?2?與黃鐵礦結(jié)合），沉積物固相對(duì)孔隙水的補(bǔ)給能力最弱（圖6）  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

本研究使用Unisense pH-500微電極（方法部分提及）獲取沉積物剖面的毫米級(jí)pH數(shù)據(jù)，其高分辨率特性對(duì)解釋金屬遷移機(jī)制至關(guān)重要：  

酸化驅(qū)動(dòng)的金屬活化：電極測(cè)得沉積物還原層pH降低（研究未直接展示數(shù)據(jù)但文本提及），與Cr/Mo/W有效態(tài)濃度升高（圖3）及Fe/Mn還原溶解（圖2d-e）空間匹配，證實(shí)酸化促進(jìn)金屬?gòu)难趸锉砻娼馕? 

 

遷移機(jī)制驗(yàn)證：pH與DGT有效態(tài)Mo顯著負(fù)相關(guān)（表3，r=-0.673*），直接證明pH下降是Mo活化的關(guān)鍵因子，而傳統(tǒng)分層采樣無(wú)法捕獲這種毫米級(jí)耦合關(guān)系  

 

釋放風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)：pH梯度是計(jì)算凈擴(kuò)散通量（Fick定律）的核心參數(shù)，Unisense提供的精確pH剖面支撐了通量模型的可靠性（圖4）  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：相比破壞性采樣，電極原位測(cè)量避免氧化擾動(dòng)，尤其適用于還原性沉積物中Fe2?/Mn2?與pH的協(xié)同監(jiān)測(cè)，為金屬再遷移提供真實(shí)環(huán)境參數(shù)