Metal bioavailability during the periodic drying and rewetting process of littoral anoxic sediment  

濱岸缺氧沉積物周期性干濕交替過程中的金屬生物有效性  

來源：Journal of Soils and Sediments, Volume 20, 2020, Pages 2949-2959  

《土壤與沉積物雜志》，第20卷，2020年，第2949-2959頁  

 

摘要內容：  

摘要指出高水位波動（WLFs）導致濱岸沉積物周期性干濕交替，影響沉積物污染物轉化，但金屬生物有效性變化機制不明。本研究通過模擬干濕交替過程，分析氧化還原狀態轉變、金屬形態轉化、酸揮發性硫化物（AVS）和同步提取金屬（SEM）的動態變化，評估缺氧沉積物中金屬生物有效性變化。結果表明：干濕交替導致沉積物氧化（氧滲透深度增加、氧化還原電位升高、AVS減少），SEM/AVS比值、ΣSEM-AVS差值和有機碳歸一化ΣSEM-AVS值顯著增加，預示金屬（尤其是Cd和Pb）生物有效性增強，對水生生態風險升高。  

 

研究目的：  

探究周期性干濕交替過程對濱岸缺氧沉積物中金屬生物有效性的影響機制，為水位管理和沉積物修復提供科學依據。  

 

研究思路：  

1. 采樣與實驗設計：  

   ? 巢湖南淝河口濱岸區采集39個沉積物柱芯（初始缺氧，OPD<2mm）。  

 

   ? 對照組：維持原狀水覆蓋，黑暗保存；干濕組：移除上覆水，暴露于空氣/光照下30天，每5天選取3個柱芯復水3天。  

 

2. 參數監測：  

   ? 使用Unisense微剖面系統測定氧滲透深度（OPD）、氧化還原電位（Eh）和pH剖面。  

 

   ? 分層（1-10cm）分析AVS、SEM（Cd、Cu、Ni、Pb、Zn）、金屬形態（F1-F4）及總有機碳（TOC）。  

 

3. 生物有效性評估：  

   ? 采用AVS-SEM模型（ΣSEM/AVS、ΣSEM-AVS、ΣSEM?,?c）評估金屬毒性風險。  

 

4. 統計驗證：  

   ? ANOVA和Tukey檢驗分析組間差異，Pearson相關性檢驗環境參數關聯性。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 氧化還原參數動態（圖1）  

   ? 數據：干濕組OPD從<2mm增至4.4mm（30天），Eh在表層3cm顯著升高。  

   ? 意義：證明干濕交替導致沉積物氧化，為金屬形態轉化提供環境背景。  

 

2. AVS與SEM濃度變化（圖2、圖3）  

   ? 數據：AVS從14.07 μmol/g降至5.45-8.84 μmol/g（30天），SEM保持穩定（~10 μmol/g）。  

   ? 意義：AVS減少削弱金屬硫化物的固定作用，提升金屬生物可利用性。  

 

 

3. 金屬形態轉化（圖4）  

   ? 數據：Cd的弱酸可提取態（F1）顯著增加，Pb的可還原態（F2）升高。  

   ? 意義：Cd、Pb向活性形態轉化，直接增加其遷移性和生物可利用性。  

 

4. 生物有效性指標（圖5、圖6）  

   ? 數據：ΣSEM-AVS從負值增至>5 μmol/g，ΣSEM/AVS>2，ΣSEM?,?c>147.5 μmol/g OC（30天）。  

   ? 意義：突破生態風險閾值（USEPA標準），預示對底棲生物產生毒性效應。  

 

 

結論：  

1. 干濕交替通過氧化作用降低AVS濃度，削弱金屬硫化物固定能力。  

2. Cd和Pb形態向弱結合態（F1、F2）轉化，生物有效性顯著增強。  

3. AVS-SEM模型指標（ΣSEM-AVS、ΣSEM/AVS、ΣSEM?,?c）全面超標，證實生態風險升高。  

4. 濱岸區水位管理需重點關注干濕交替過程對金屬生物有效性的放大效應。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細解讀：  

Unisense微剖面系統（型號：OX 50）用于監測沉積物-水界面（SWI）的氧化還原動態：  

1. 氧滲透深度（OPD）測量  

   ? 意義：量化沉積物氧化程度。初始OPD<2mm（缺氧），干濕30天后增至4.4mm，證實氧氣向深層擴散，驅動硫化物氧化和金屬釋放。  

2. 氧化還原電位（Eh）剖面（圖1）  

   ? 意義：反映電子轉移狀態。Eh在表層3cm顯著升高（-200mV→+100mV），指示氧化環境形成，促進金屬從還原態（如硫化物）向氧化態（如氧化物、碳酸鹽）轉化。  

3. pH剖面  

   ? 意義：影響金屬吸附/解吸。表層1cm pH升高，可能通過羥基絡合作用促進Cd、Pb等金屬的溶解性。  

4. 技術優勢：  

   ? 高分辨率（0.2mm）實時監測動態過程，為沉積物氧化與金屬活化的因果關系提供直接證據。  

   ? 實驗室模擬與野外條件銜接的關鍵工具，支持水位波動生態風險評估的可靠性。