Application of DGT/DIFS combined with BCR to assess the mobility and release risk of heavy metals in the sediments of Nansi Lake, China

應用DGT/DIFS結合BCR評估中國南四湖沉積物中重金屬的遷移性及釋放風險

來源：Environmental Geochemistry and Health，Volume 42, pages 3765–3778, (2020)

《環境地球化學與健康》第42卷，第3765-3778頁（2020年）


摘要內容


本研究聯合使用薄膜梯度擴散技術（DGT）、高分辨率滲析（HR-peeper）、BCR連續提取法和DIFS模型，評估南四湖沉積物中Cd、Cu、Ni、Pb、Zn的遷移性和釋放風險。結果表明：

1. DGT活性金屬與可溶性金屬的垂向分布不規則，Cd、Pb、Zn與Fe/Mn氧化物顯著正相關（p<0.05）。

2. Ni、Cu、Zn主要存在于殘渣態（58-76%），而Cd和Pb以可還原態為主（50-67%）。

3. Cd和Ni的遷移系數（0.027-0.185）遠高于Pb、Cu、Zn（0-0.011），擴散通量證實Cd和Ni易從沉積物釋放。

4. DIFS模型顯示所有金屬的R值（0.18-0.85）介于Rdiff至0.95之間，表明沉積物固相存在部分持續釋放風險，其中獨山湖（Dushan Lake）的Cd和Ni遷移性最高。


研究目的


1. 量化沉積物中重金屬（Cd、Cu、Ni、Pb、Zn）的生物有效性和遷移性。

2. 解析重金屬釋放的主導機制（孔隙水擴散 vs. 顆粒解吸附/礦化）。

3. 結合多尺度技術（DGT、HR-peeper、BCR、DIFS）建立綜合風險評估模型。


研究思路


1. 采樣設計：

? 選取南四湖獨山湖（S1）和微山湖（S2）兩個站點采集沉積物柱狀樣（圖1）。


? 使用Unisense微電極（OX-100、pH-500）原位測量沉積物-水界面（SWI）的Eh、pH、DO剖面（圖2）。

2. 多技術聯用：

? HR-peeper測量可溶性金屬濃度（垂直分辨率5mm）。


? ZrO-Chelex-AgI DGT測量DGT活性金屬濃度（2mm切片）。


? BCR連續提取法分析重金屬形態（F1-F4）。


3. 模型整合：

? DIFS模型計算重補給動力學參數（R值、Tc、Kd）。


? 通過表觀擴散通量（J）評估金屬釋放方向（圖7）。

測量數據及其研究意義


1. 沉積物特性（表1）：

? 數據：S1和S2站點的TN（0.36-0.45%）、TOC（2.53-4.24%）、Fe/Mn含量及重金屬總量。


? 意義：高TOC增強沉積物吸附能力，抑制金屬釋放；Fe/Mn氧化物主導Cd、Pb、Zn的吸附-解吸過程。

2. DGT活性金屬剖面（圖3）：

? 數據：Zn濃度最高（76-469 μg/L），Cd最低（0.12-0.23 μg/L），S1站活性金屬普遍高于S2。


? 意義：DGT活性濃度反映生物有效性，異質性分布揭示局部環境（如氧化還原過渡帶）對金屬遷移的控制。

3. 可溶性金屬剖面（HR-peeper，圖4）：

? 數據：可溶性Zn（123-527 μg/L）> Ni > Cu > Pb > Cd（0.15-1.22 μg/L）。


? 意義：可溶性濃度與DGT活性濃度無顯著相關（表2），表明金屬生物有效性受解吸動力學而非總量控制。

4. BCR形態分析（圖5）：

? 數據：Cd和Pb的F2（可還原態）占比50-67%，Ni/Cu/Zn的F4（殘渣態）占比58-76%。


? 意義：可還原態金屬在還原環境下易釋放，Cd和Ni的遷移風險最高（圖6）。

5. 擴散通量（圖7）：

? 數據：Cd和Ni呈正通量（向上釋放），Pb/Cu/Zn呈負通量（向下沉降）。


? 意義：證實沉積物是Cd和Ni的"源"，而其他金屬為"匯"。


結論


1. 遷移性排序：Cd > Ni > Zn > Cu > Pb，其中Cd和Ni在獨山湖（S1）釋放風險最高。

2. 機制主導：Fe/Mn氧化物控制Cd、Pb、Zn的解吸；可還原態（F2）是Cd和Pb釋放的主要形態。

3. 模型驗證：DIFS模型顯示所有金屬存在部分持續釋放（R>Rdiff），但整體釋放風險較低。

4. 生態啟示：南四湖沉積物當前風險可控，但航運擾動可能加劇獨山湖Cd和Ni的釋放。


丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義


測量指標：沉積物-水界面的溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、pH微剖面

設備型號：Unisense OX-100（DO）、pH-500（pH/Eh）微電極，分辨率毫米級

研究意義：

1. 氧化還原界面定位：DO和Eh剖面（圖2）顯示在-1cm處形成氧化-還原過渡帶，此處Fe/Mn氧化物還原溶解導致結合態Cd、Pb釋放。

2. pH調控解吸：堿性環境（pH 7.49-8.16）促進重金屬羥基絡合物形成，增強解吸潛力，尤其對Cd和Ni。

3. 動態過程關聯：DO消耗與NH??-N釋放同步，證實有機質礦化驅動還原條件，觸發可還原態金屬釋放。

4. 技術優勢：原位毫米級分辨率避免采樣擾動，精準捕捉SWI的化學梯度，為DIFS模型提供關鍵邊界條件。