Evaluating the mobility and labile of As and Sb using diffusive gradients in thin-films(DGT) in the sediments of Nansi Lake, China  

利用薄膜擴散梯度技術（DGT）評估中國南四湖沉積物中砷和銻的遷移性與活性  

來源：Science of the Total Environment 713 (2020) 136569  

《總體環境科學》第713卷（2020年），文章編號136569

 

 

摘要核心內容

 

研究采用高分辨率滲析（HR-Peeper）和薄膜擴散梯度技術（DGT）同步測量南四湖沉積物孔隙水中的溶解態砷（As）、銻（Sb）及其活性態濃度。結果顯示：溶解態As和Sb平均濃度分別為5.00 μg/L和2.05 μg/L，DGT活性態As和Sb濃度分別為0-0.80 μg/L和0.50-0.67 μg/L。As的釋放與鐵錳氧化物還原溶解顯著正相關（r=0.348, p<0.05），而Sb與活性態Fe（r=-0.24）和Mn（r=-0.324）呈負相關，可能與弱堿性環境中Sb(III)被綠銹吸附有關。DGT活性態濃度與BCR連續提取法結果存在顯著差異，表明傳統化學形態分析無法反映As和Sb的實際遷移性?；贒GT的凈擴散通量顯示，As存在向上覆水釋放的風險（0.24 μg·m?2·d?1），而Sb表現為沉積物匯（-0.56 μg·m?2·d?1）。  

 

研究目的

 

1. 測定南四湖沉積物中As和Sb的DGT活性態濃度；  

2. 解析As和Sb的生物地球化學行為及其與Fe、Mn的相互作用機制；  

3. 基于DGT數據評估As和Sb的生物可利用性及生態風險。  

 

研究思路

 

1. 分層采樣與原位監測：  

   ? 在南四湖微山湖污染區采集沉積物巖心，按1 cm間隔分層；  

 

   ? 同步部署HR-Peeper（測溶解態）和ZrO-Chelex-AgI DGT探頭（測活性態），在沉積物-水界面（SWI）毫米尺度（分辨率2 mm）監測24小時。  

 

2. 多參數關聯分析：  

   ? 結合丹麥Unisense微電極測量溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、pH（圖1）；  

 

   ? 分析總有機碳（TOC）及BCR連續提取的As/Sb形態（圖5）；  

 

   ? 通過相關性統計（表1）解析As/Sb與Fe、Mn、S(-II)的關系。  

 

 

 

3. 風險評估：  

   ? 基于DGT活性態濃度計算凈擴散通量；  

 

   ? 采用風險評估碼（RAC）量化生態風險（表2）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. 理化參數（圖1）：  

   ? 數據：DO從覆水層250 μmol/L降至沉積物4.6 mm處缺氧；Eh從421 mV降至65 mV；pH由7.9降至7.2；TOC平均3.31%。  

 

   ? 意義：證實沉積物自上而下由氧化向還原環境轉變，為As/Sb釋放提供氧化還原梯度背景。  

 

2. DGT活性態S(-II)通量（圖2）：  

   ? 數據：S(-II)通量從SWI處0升至-20 mm處峰值15 pg·cm?2·s?1，在-32至-100 mm穩定于10-15 pg·cm?2·s?1。  

 

   ? 意義：揭示硫酸鹽還原區位置，指示硫化物對As/Sb固定的潛在作用。  

 

3. 溶解態與DGT活性態濃度（圖3-4）：  

   ? 數據：溶解態As在-95 mm處出現異常峰值（19.88 μg/L），其余區域穩定（2.94-7.36 μg/L）；DGT活性態As在-20 mm處達峰值0.80 μg/L，Sb穩定（0.50-0.67 μg/L）。  

 

   ? 意義：As的峰值與Fe/Mn還原溶解耦合，而Sb的穩定性反映其吸附滯留機制。  

 

 

4. 鐵錳分布（圖3-4）：  

   ? 數據：溶解態Fe/Mn在-20/-25 mm處達峰值（1365/1065 μg/L）；DGT活性態Fe/Mn在-10 mm處最高（842.6/368.3 μg/L）。  

 

   ? 意義：Fe/Mn氧化物還原為As釋放的關鍵驅動，而Sb與之脫鉤。  

 

5. 形態分析（圖5）：  

   ? 數據：As和Sb的殘渣態（F4）占比最高（77.1%/90.4%），可交換態（F1）僅占0.78%/3.68%。  

 

   ? 意義：傳統形態分析高估殘渣態穩定性，低估生物可利用風險。  

 

6. 相關性（表1）：  

   ? 數據：DGT-As與Fe正相關（r=0.348），Sb與Fe/Mn負相關（r=-0.24/-0.324）。  

 

   ? 意義：As釋放受Fe/Mn還原控制，Sb受綠銹吸附抑制。  

 

結論

 

1. 遷移機制差異：As釋放與Fe/Mn氧化物還原溶解耦合，而Sb因Sb(III)被綠銹吸附呈現相反趨勢。  

2. 技術對比：DGT活性態濃度與BCR連續提取結果顯著不同（圖6），證明傳統方法低估實際遷移性。  

 

3. 風險評估：As凈擴散通量為正值（0.24 μg·m?2·d?1），存在上覆水污染風險；Sb為負值（-0.56 μg·m?2·d?1），沉積物表現為匯。  

4. 生態啟示：南四湖沉積物中As的釋放風險需優先管控，尤其關注氧化還原過渡帶（0至-30 mm）。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

1. 高分辨率環境梯度解析：  

   ? 微電極實測DO、Eh、pH的毫米級剖面（圖1），精準定位氧化還原過渡帶（-4.6 mm處缺氧），揭示As在還原區釋放、Sb在弱堿性區吸附的關鍵環境閾值。  

 

2. 驅動機制驗證：  

   ? Eh降低（421 mV→65 mV）直接觸發Fe/Mn氧化物還原溶解，解釋As釋放峰值與Fe的同步性（圖3-4）；pH緩降（7.9→7.2）佐證Sb(III)在弱堿性環境被綠銹吸附的負相關性。  

 

3. 生態過程關聯：  

   ? DO垂直分布量化微生物呼吸強度，關聯硫酸鹽還原區（S(-II)峰值區）與As/Sb固定機制，支撐"還原溶解-吸附滯留"耦合模型。