The variations of labile arsenic diffusion driven by algal bloom decomposition in eutrophic lake ecosystems

富營養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)藻華分解驅(qū)動的不穩(wěn)定砷擴(kuò)散變化

來源：Science of the Total Environment 842 (2022) 156703

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過原位高分辨率技術(shù)（DGT/HR-Peeper） 結(jié)合環(huán)形水槽模擬實驗，揭示藻華分解通過三重機(jī)制驅(qū)動沉積物中活性砷（As）的遷移轉(zhuǎn)化：

 

還原驅(qū)動釋放：藻類腐爛促進(jìn)Fe/Mn氧化物還原，釋放吸附態(tài)砷（圖5）。

 

 

競爭吸附削弱：藻源硫酸鹽（SO?2?）還原為H?S，形成弱吸附性FeS，降低砷固定能力。

價態(tài)轉(zhuǎn)化增毒：As(V)被還原為高遷移性As(III)，生物有效性提升1.8倍（圖3）。

 

藻源有機(jī)物（AOM）進(jìn)一步通過競爭吸附擴(kuò)大砷擴(kuò)散范圍，導(dǎo)致沉積物-水界面（SWI）砷擴(kuò)散模式從“低遷移型”向“增強擴(kuò)散型”轉(zhuǎn)變（圖5）。

 

研究目的

 

揭示空間異質(zhì)性：闡明富營養(yǎng)化湖泊不同區(qū)域（開闊區(qū)/蘆葦區(qū)）活性砷的垂向分布特征（圖1）。

 

 

解析藻華影響機(jī)制：量化藻生物量對砷遷移轉(zhuǎn)化的驅(qū)動作用（圖3）。

 

識別主控因子：明確硫化物（H?S）、有機(jī)質(zhì)（DOM）等對砷擴(kuò)散模式的控制權(quán)重（圖4）。

 

 

研究思路

 

采用多尺度驗證框架：

 

野外原位觀測：

在太湖6個典型區(qū)域（圖1）部署DGT/HR-Peeper，獲取活性As、Fe、Mn、S、P及DOM剖面（圖2）。

 

 

使用Unisense微電極測量DO/H?S毫米級剖面。

 

環(huán)形水槽模擬：

添加藻生物量（100/1000 mg/L）模擬不同富營養(yǎng)水平，監(jiān)測7-56天砷動態(tài)（圖3A）。

微觀控制實驗：

聚焦砷擴(kuò)散模式轉(zhuǎn)變機(jī)制，驗證藻源硫化物與有機(jī)質(zhì)的作用（圖3B）。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. 活性砷擴(kuò)散模式分類（機(jī)制尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

模式I：SWI附近低濃度→中層峰值（-40mm）→深層衰減（DGH-2站點，圖2）。

模式II：SWI至-20mm快速上升→穩(wěn)定高濃度平臺（XKW站點，圖2）。

模式III：全剖面波動上升（DGH-1站點，圖2）。

研究意義：

首次建立砷擴(kuò)散模式與藻生物量的關(guān)聯(lián)，模式II/III指示高富營養(yǎng)化區(qū)域。

 

2. 藻華分解的驅(qū)動效應(yīng)（過程尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

 

硫循環(huán)：藻源SO?2?還原使H?S濃度↑36%（FDG站點，圖S5），解釋砷分布變異的36.17%（PCA，圖4A）。

鐵硫互動：FeS形成導(dǎo)致砷吸附容量↓40%（表1）。

 

有機(jī)質(zhì)競爭：藻源DOM（a254值↑20.26%）競爭吸附位點，擴(kuò)大砷擴(kuò)散范圍（圖S10）。

研究意義：

證實“藻華分解→硫酸鹽還原→FeS形成→砷解吸”的級聯(lián)效應(yīng)（圖5）。

 

3. 砷生物有效性提升（風(fēng)險尺度）

 

數(shù)據(jù)來源：

價態(tài)轉(zhuǎn)化：As(III)/As(V)比值從0.38升至0.72（模擬實驗，圖3）。

擴(kuò)散通量：藻添加組表觀擴(kuò)散通量↑50%（圖S9）。

研究意義：

量化藻華分解對砷生態(tài)風(fēng)險的放大效應(yīng)，為富營養(yǎng)湖泊砷管控提供依據(jù)。

 

結(jié)論

 

核心機(jī)制：

 

藻華分解通過 “硫還原-鐵硫化物形成-有機(jī)質(zhì)競爭”三重路徑 驅(qū)動砷釋放（圖5）。

H?S是砷遷移的關(guān)鍵解釋變量（貢獻(xiàn)率36.17%，圖4）。

擴(kuò)散模式指示意義：

模式II/III擴(kuò)散范圍擴(kuò)大（圖S7）可直接反映藻華分解程度與富營養(yǎng)化水平。

管理啟示：

控制藻源有機(jī)質(zhì)輸入是抑制沉積物砷釋放的有效策略。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)優(yōu)勢

 

毫米級分辨率：

 

100μm步進(jìn)測量捕捉SWI處 DO耗盡區(qū)（FDG站點穿透深度僅7.3mm）與 H?S生成熱點（-10mm深度峰值）。

多參數(shù)同步：

DO/H?S/pH/ORP四通道同步監(jiān)測（PA 2000系統(tǒng)），揭示氧化還原梯度對砷價態(tài)轉(zhuǎn)化的控制。

 

科學(xué)價值

 

機(jī)制驗證：

DO剖面證實藻華分解導(dǎo)致 缺氧區(qū)擴(kuò)大（YL站點DO穿透深度34mm → FDG站點7.3mm，圖S3），直接觸發(fā)Fe/Mn還原及砷釋放。

H?S數(shù)據(jù)驗證 硫酸鹽還原途徑，支撐“FeS弱吸附”理論模型。

動態(tài)關(guān)聯(lián)：

H?S峰值深度（-10mm）與砷釋放峰（-20~-60mm）的 空間耦合（圖5），證實硫化物驅(qū)動砷遷移的滯后效應(yīng)。

 

生態(tài)意義

 

風(fēng)險預(yù)警：DO穿透深度＜10mm可作為砷釋放風(fēng)險的臨界指標(biāo)。

修復(fù)靶點：電極數(shù)據(jù)指明蘆葦區(qū)（FDG）為砷污染重點防控區(qū)域。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense微電極的高分辨監(jiān)測，揭示藻華分解通過改變沉積物氧化還原狀態(tài)驅(qū)動砷活化。其毫米級DO/H?S剖面為“硫介導(dǎo)的砷釋放機(jī)制”提供直接證據(jù)，確立藻源有機(jī)質(zhì)輸入是富營養(yǎng)湖泊砷風(fēng)險管控的關(guān)鍵靶點。