Sediment water(interface) mobility of metal(loid)s and nutrients under undisturbed conditions and during resuspension  

水界面處金屬（類金屬）和營養鹽在靜態條件與再懸浮過程中的遷移性  

來源：Journal of Hazardous Materials, Volume 394, 2020, Article number 122543  

《危險材料雜志》，第394卷，2020年，文章編號122543  

 

摘要內容：  

摘要評估了沉積物釋放對Trave河整體金屬（類金屬）、營養鹽通量的貢獻。通過結合原位透析采樣、實驗室抽吸式孔隙水采樣、BCR連續提取及懸浮反應器實驗，研究靜態條件和再懸浮過程中沉積物-水界面（SWI）的遷移性。結果表明：  

1. 沉積物中金屬的化學形態分布相似，污染未顯著改變其結合形態；  

2. 原位透析與實驗室抽吸式孔隙水剖面數據高度一致；  

3. 靜態孔隙水中Fe、As濃度局部超標，表明底棲生物可能暴露于風險環境；  

4. 再懸浮過程僅少數金屬（Cd、Ni）超過水質標準，且釋放量僅占河流日均通量的10??–10?1%/噸沉積物；  

5. 背景沉積物（采樣點3）再懸浮時釋放風險最高。  

 

研究目的：  

量化靜態孔隙水遷移與再懸浮過程對河流金屬/營養鹽通量的貢獻，評估不同沉積物類型的環境風險，驗證新型孔隙水采樣系統（messy）的可靠性。  

 

研究思路：  

1. 區域選擇：基于SedKat數據庫聚類分析，選取德國Trave河口4類特征沉積物（高金屬有機淤泥、低金屬有機淤泥、砂質沉積物、更新世背景沉積物）；  

2. 多方法結合：  

   ? 原位透析采樣器（peeper）獲取14天平衡后孔隙水剖面；  

 

   ? 實驗室Unisense系統控制的高分辨率抽吸采樣（messy）獲取氧化還原梯度數據；  

 

   ? BCR連續提取分析金屬結合形態；  

 

   ? 生物地球化學微宇宙反應器模擬再懸浮過程（控制Eh至-150/0/+150 mV）；  

 

3. 多元素分析：ICP-QQQ-MS測定16種金屬（類金屬）、3種非金屬及PO?3?、NH??等離子；  

4. 風險評估：結合孔隙水濃度、再懸浮釋放量及水質標準評估環境風險。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 金屬形態分布（圖2）  

   ? 數據：80%以上Ag、As、Cr等殘留在惰性相；Cd、Mn、Zn主要存在于酸可溶相；Ni、Cu等以可氧化態為主。  

   ? 意義：污染未改變金屬結合形態分布，質疑傳統風險評價中“污染導致形態變化”的假設。  

 

2. 孔隙水氧化還原剖面  

   ? 數據：O?滲透深度<1–3 mm；Eh在SWI下2–5 mm內從>100 mV驟降至<-100 mV。  

 

   ? 意義：揭示SWI處陡峭的氧化還原梯度，為金屬溶解度變化提供環境背景。  

 

3. 孔隙水濃度剖面（圖3-4）  

   ? 數據：NH??、PO?3?隨深度增加（最高100 mg/L）；Fe、Mn在還原層出現峰值（50 mg/L）；As、Cd在次表層富集。  

   ? 意義：驗證原位透析與實驗室采樣一致性，證明有機質降解（采樣點1/2/4）主導營養鹽釋放，Fe/Mn氧化物還原控制As/Cd溶解度。  

 

 

4. 再懸浮釋放量（圖5）  

   ? 數據：氧化條件（Eh>0 mV）下Cd、Ni釋放濃度超水質標準16倍（采樣點3）；最大釋放量：Zn（50 μmol/kg）、Fe（3500 μmol/kg）。  

   ? 意義：背景沉積物再懸浮風險最高，釋放量僅占河流日均通量10??–10?1%，對整體通量影響有限。  

 

結論：  

1. 靜態孔隙水中Fe、As可能對底棲生物構成風險（USEPA孔隙水標準），但污染與背景沉積物無顯著差異；  

2. 再懸浮過程僅Cd、Ni短期超標，但對河流整體金屬通量貢獻微弱；  

3. 背景沉積物（采樣點3）再懸浮時環境風險最高，因其所含金屬更易在氧化條件下釋放；  

4. 傳統風險評估（如RAC）未能準確預測Ni、Co釋放行為，需結合原位形態分析。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細解讀：  

Unisense微剖面系統（集成于messy）用于同步監測沉積物Eh和O?動態：  

1. 高分辨率氧化還原解析：  

   ? 垂直分辨率0.2 mm，精確捕捉SWI下2–5 mm內Eh從>100 mV到<-100 mV的突變，揭示還原前沿位置，解釋Fe/Mn氧化物還原驅動的As/Cd釋放峰值（圖4）。  

 

2. 缺氧環境維持：  

   ? 實時O?監測顯示實驗室成功維持原位O?滲透深度（<1–3 mm），確保孔隙水采樣期間未發生氧化擾動，保障還原層金屬（如Fe2?）形態穩定性。  

 

3. 技術優勢：  

   ? 相比傳統方法（如離心法），實現低侵入性、原位狀態的孔隙水采集，避免擠壓導致的膠體釋放或氧化；  

 

   ? 與Mansfeldt電極聯用，為生物地球化學過程（如有機質降解與金屬還原溶解耦合）提供實時環境參數。